堰塞壩潰壩模型實(shí)驗(yàn)研究綜述*

彭 銘 王開(kāi)放 張公鼎 馬晨議 朱 艷③④

(①同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092，中國(guó))(②同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092，中國(guó))(③中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063，中國(guó))(④上海市海洋工程及船廠水工特種工程研究中心，上海 200063，中國(guó))

0 引 言

堰塞壩是由降雨、地震等外力作用誘發(fā)崩塌、滑坡、泥石流等斜坡失穩(wěn)體堆積形成的天然壩體。堰塞壩在全世界范圍內(nèi)頻繁發(fā)生，我國(guó)更是堰塞壩高發(fā)區(qū)，在全世界范圍內(nèi)1298個(gè)堰塞壩統(tǒng)計(jì)案例中，發(fā)生在我國(guó)的達(dá)758個(gè)，所占到的比例為58.4%(Zhang et al.，2016)。其中：最近20年來(lái)堰塞壩在發(fā)生頻率上和數(shù)量上都呈集中暴發(fā)趨勢(shì)，如2008年產(chǎn)生257個(gè)堰塞湖，包含風(fēng)險(xiǎn)最大的唐家山堰塞壩(Cui et al.，2009；Peng et al.，2012)；2009年8月臺(tái)灣莫拉克臺(tái)風(fēng)誘發(fā)形成16個(gè)堰塞壩，其中小林村堰塞壩潰決后造成“小林村滅村”(陳昆廷等，2010)；2008年至今，汶川震后滑坡松散堆積體在強(qiáng)降雨下重新啟動(dòng)，形成大小數(shù)十處堰塞壩。由于堰塞壩主要在降雨、地震等外力作用下形成的，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)比較松散、穩(wěn)定性差、滲透作用強(qiáng)。因此，在上游持續(xù)來(lái)水的情況下，極易發(fā)生漫頂或管涌破壞，從而造成洪水災(zāi)害。如1786年四川省瀘定—康定發(fā)生7.7級(jí)地震形成一個(gè)堰塞壩，潰決后造成10萬(wàn)余人的死亡和失蹤(陳建峰等，2008)。1933年四川疊溪發(fā)生7.5級(jí)地震形成多個(gè)堰塞壩，潰決后造成大量人員傷亡(鄒雙鳳，2009; 劉寧等，2013)。

由此可見(jiàn)，堰塞壩的形成具有突發(fā)性，以及同一地區(qū)可能多次形成堰塞壩，如2018年形成的兩次金沙江堰塞壩，而且潰壩造成的危險(xiǎn)性極大(許強(qiáng)等，2018; 馮文凱等，2019)，世界各國(guó)對(duì)堰塞壩的處置都給予很高的重視。尤其是2008年汶川地震以來(lái)，各國(guó)學(xué)者分別從統(tǒng)計(jì)分析、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值分析進(jìn)行詳細(xì)廣泛的研究。由于堰塞壩潰決時(shí)間段不確定、潰決的地點(diǎn)相對(duì)較為偏遠(yuǎn)、堰塞壩形成的地質(zhì)條件復(fù)雜，進(jìn)行實(shí)測(cè)觀察危險(xiǎn)性較高，因此原型觀察與統(tǒng)計(jì)分析難以取得堰塞壩主要的信息；雖然計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速，有關(guān)學(xué)者建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析潰壩過(guò)程，但是需要原型潰壩實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行標(biāo)定，局限性較大，一般為模型實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充。為了揭示堰塞壩潰壩的潰決機(jī)理、模擬壩體的物理力學(xué)性質(zhì)、獲得壩體內(nèi)主要的參數(shù)規(guī)律，為堰塞壩處置提供一定的理論基礎(chǔ)及相關(guān)建議，國(guó)內(nèi)外許多的學(xué)者進(jìn)行了大量的潰壩模型實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)有的學(xué)者主要從單壩潰決、級(jí)聯(lián)潰決及堰塞壩處置的模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，其中主要對(duì)單壩潰決的顆粒級(jí)配、密實(shí)度、含水率、溝床坡度的因素進(jìn)行分析，為接下來(lái)的潰壩物理模型實(shí)驗(yàn)提供很好的探究方向。

1 單壩潰決的影響因素試驗(yàn)研究

關(guān)于潰決問(wèn)題的研究，19世紀(jì)的法國(guó)開(kāi)始進(jìn)行模型試驗(yàn)的探究，美國(guó)、德國(guó)、奧地利等也有相應(yīng)的研究，但只是進(jìn)行相應(yīng)的直觀的觀察，沒(méi)有準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)技術(shù)(牛志攀等，2019)。20世紀(jì)中期，美國(guó)進(jìn)行了土石壩的水槽實(shí)驗(yàn)，得到不同壩體材料的沖刷速率(王光謙等，2015)。隨后，奧地利的學(xué)者對(duì)堆石壩的潰決進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，得出：上述試驗(yàn)的潰決時(shí)間比尺基本一致，而對(duì)于相同的護(hù)坡，坡度減緩時(shí)，沖開(kāi)壩坡的臨界水頭將顯著增加(謝任之，1993)。隨著潰壩問(wèn)題造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，為了進(jìn)一步研究潰決機(jī)理問(wèn)題，歐盟進(jìn)行了IMPACT項(xiàng)目，其中包括5次壩高4～6im的模型實(shí)驗(yàn)及22組模型幾何比尺為1︰7.5～1︰10的室內(nèi)試驗(yàn)，主要研究了潰壩因素(壩體的形狀、壩體的材料、材料的性能)與潰口模型、潰決特征、潰口的演化、壩體沖刷的關(guān)系(Hanson et al.，2002；Morris et al.，2005；李云等，2009)。

以上進(jìn)行土石壩潰決問(wèn)題的研究，對(duì)堰塞壩潰決問(wèn)題研究有一定的借鑒意義。但是堰塞壩是松散堆積、顆粒分布不均勻、結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定，沒(méi)有土石壩的一些工程防護(hù)措施。因此，為了更加了解堰塞壩的潰決模式、機(jī)理、潰口的發(fā)展等問(wèn)題，有關(guān)學(xué)者通過(guò)潰壩的物理模型實(shí)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)值模擬等方法，得出堰塞壩的潰決與入湖流量、壩體的幾何形狀、物質(zhì)組成和巖土結(jié)構(gòu)、庫(kù)容大小、被堵河道的幾何形狀等因素有很大的關(guān)系。為了更加深入地了解各個(gè)因素對(duì)于堰塞壩潰決影響程度，學(xué)者針對(duì)某一因素開(kāi)展了物理模型實(shí)驗(yàn)，筆者進(jìn)行簡(jiǎn)要的整理、總結(jié)及評(píng)述。

1.1 顆粒級(jí)配對(duì)潰壩的影響

由于堰塞壩形成的特殊性，堰塞壩的材料變化范圍比較大，一個(gè)壩體的材料粒徑從幾米的巨石到幾微米的黏土都有分布；壩體的滲透特性及巖土體結(jié)構(gòu)的不同會(huì)導(dǎo)致潰決機(jī)理的差異，從而得到不同的潰決模式；堰塞壩的組成材料的空間差異性使得各個(gè)部分發(fā)生破壞的時(shí)間不同。其中：堰塞壩的粗顆粒材料對(duì)堰塞壩的抗侵蝕的能力有較大的影響，顆粒級(jí)配則影響壩體的滲透性。因此，壩體的基本組成結(jié)構(gòu)特征對(duì)潰決過(guò)程有著顯著影響，相關(guān)的學(xué)者進(jìn)行的探究也較多。

考慮到壩體材料的不同，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土石壩及土堤壩進(jìn)行了初探。Visser(1998)和Schmocker et al.(2009)探究了壩體材料對(duì)土堤壩潰口演變過(guò)程的影響；張健云等(2009)考慮了土石壩黏粒含量；Zhang et al.(2011)采用兩種粒徑相差較大的砂樣進(jìn)行了土石壩的潰壩模型實(shí)驗(yàn)。后面的學(xué)者有通過(guò)控制壩體材料顆粒級(jí)配的D50進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，主要有Coleman et al.(2002)所選用的顆粒D50：0.5、0.9、1.6，2.4；Rozov(2003)選用的顆粒的D50取值為0.34imm；Chinnarasri et al.(2003)所選用的兩種非黏性泥沙顆粒的D50取值為0.36imm和0.86imm。

基于以上學(xué)者在土石壩及堤壩的初探，有關(guān)學(xué)者對(duì)堰塞壩的顆粒進(jìn)行潰壩模型實(shí)驗(yàn)。為了研究顆粒級(jí)配對(duì)堰塞壩的影響，張婧等(2010)設(shè)置了7組不同的中值粒徑D50(1.5～3imm)研究其潰壩特征，得出隨著顆粒級(jí)配增大，峰值流量出現(xiàn)短暫的增大，會(huì)隨著粗顆粒的增多，峰值流量減少，主要是由于“擾流掀沙”現(xiàn)象所引起的。張健楠等(2014)考慮到級(jí)配對(duì)堰塞壩的影響，通過(guò)CU、D50控制顆粒級(jí)配進(jìn)行了16組實(shí)驗(yàn)，得到臨界潰決流量隨著D50增大而增大；在中值粒徑一定的情況下，隨著不均勻系數(shù)的增大，臨界的峰值流量逐漸減少的趨勢(shì)，并擬合了臨時(shí)流量與CU、D50之間的關(guān)系。王道正等(2016)為了研究顆粒級(jí)配對(duì)堰塞壩的影響，引入D50作為顆粒級(jí)配指標(biāo)，進(jìn)行了3組D50為(5.4～9.2imm)的潰壩實(shí)驗(yàn)，得到了隨著平均粒徑增大，峰值流量變小、潰口發(fā)展緩慢、潰決歷時(shí)變長(zhǎng)，滲透系數(shù)增大；擬合了平均粒徑與滲透系數(shù)的函數(shù)關(guān)系曲線，得出顆粒級(jí)配對(duì)堰塞壩的潰決特征沒(méi)有很大的影響。付建康等(2018)進(jìn)行兩組不同的顆粒級(jí)配潰壩模型實(shí)驗(yàn)，探究其對(duì)堰塞壩潰決過(guò)程的影響，得出了顆粒級(jí)配不良，壩體堆積不穩(wěn)，容易發(fā)生管涌破壞；級(jí)配良好的壩體材料，發(fā)生漫頂破壞及壩體底部最先發(fā)生位移及位移量最大。管圣功(2108)選定了4種典型級(jí)配(級(jí)配連續(xù)、細(xì)粒為主、中間缺失，粗顆粒為主)的材料進(jìn)行大尺寸的堰塞壩模型實(shí)驗(yàn)的研究。得出了級(jí)配中間缺失發(fā)生了管涌現(xiàn)象；粗顆粒及細(xì)顆粒為主的堰塞壩潰決時(shí)間相對(duì)其他級(jí)配潰決時(shí)間較短。

從上述學(xué)者對(duì)壩體材料的研究，顆粒的級(jí)配影響著堰塞壩的潰壩模式及潰決時(shí)長(zhǎng)，隨著粗顆粒的增加，峰值流量變低，潰決歷時(shí)變長(zhǎng)。但是，沒(méi)有比較全面地探究級(jí)配區(qū)間范圍如何影響著潰壩的模式、潰決的峰值流量及潰口的發(fā)展。

1.2 密實(shí)度對(duì)潰壩的影響

不同密實(shí)度的堰塞壩的存在時(shí)間有很大的區(qū)別，比如唐家山堰塞壩和銀洞子溝滑坡堰塞壩都是似層狀結(jié)構(gòu)，堰塞壩的潰口邊坡都相對(duì)較陡，兩者的堰塞壩穩(wěn)定性較好。因此，有必要單獨(dú)研究密實(shí)度對(duì)潰壩的侵蝕性的影響。

鄧明楓等(2011)進(jìn)行兩組水槽實(shí)驗(yàn)探究松散狀態(tài)和弱固結(jié)狀態(tài)的堰塞壩的潰口發(fā)展特征。得到了弱固結(jié)的堰塞壩的峰值流量較小及持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；松散狀態(tài)的堰塞壩的潰口為寬深型，而弱固結(jié)的則為窄深型。因此，我們可以選擇將開(kāi)挖泄流槽的位置設(shè)置在較大石塊或者密實(shí)的壩體部分。為了進(jìn)一步分析壩體的物質(zhì)組成對(duì)潰壩的影響，鄧明楓等(2011)通過(guò)設(shè)置三基準(zhǔn)組、密度組和級(jí)配組研究堰塞壩潰壩的6個(gè)階段，揭示了壩體密度主要影響顆粒間的剪切作用，潰口寬度隨著密度增大變得更窄；壩體的顆粒級(jí)配通過(guò)孤粒運(yùn)動(dòng)影響潰壩的侵蝕效果，級(jí)配越粗，潰口趨于呈現(xiàn)“淺寬”類(lèi)型，形成倒梯形潰口。趙高文等(2018)設(shè)計(jì)兩組密實(shí)度不同的工況，探究密實(shí)度不同的堰塞壩的漫頂潰決特征，探究得到：密實(shí)狀態(tài)的堰塞壩溯源侵蝕過(guò)程比較明顯，形成多級(jí)侵蝕陡坎，侵蝕曲線的曲率較大；松散狀態(tài)的堰塞壩的潰口橫向上表現(xiàn)為剪切破壞，而密實(shí)的堰塞壩表現(xiàn)為潰口邊坡為懸空的類(lèi)型，受到拉張破壞；密實(shí)狀態(tài)的堰塞壩表現(xiàn)為峰值流小，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，這意味著對(duì)堰塞壩進(jìn)行密實(shí)處理，可以有效地防止堰塞壩的潰決。

密實(shí)度對(duì)潰壩模型的影響較少，密實(shí)度較大的堰塞壩峰值流量變小，潰決小，潰口流量持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，潰口發(fā)展主要在壩后坡，形成的邊坡較陡。因此，后續(xù)的潰壩模型實(shí)驗(yàn)應(yīng)該進(jìn)行分層壓實(shí)，這樣才能更合理地進(jìn)行真實(shí)堰塞壩的模擬。

1.3 含水率對(duì)堰塞壩潰決的影響

含水量主要影響堰塞壩材料的侵蝕性和物理狀態(tài)。當(dāng)含水量較低時(shí)，壩體材料內(nèi)部有較大的基質(zhì)吸力，抗剪強(qiáng)度變大；當(dāng)含水量較高時(shí)，土顆粒之間的結(jié)合水之間的作用力減弱，基質(zhì)吸力變?nèi)?，壩體材料的抗剪強(qiáng)度變小。因此含水率是影響堰塞壩潰壩的重要因素。

有關(guān)學(xué)者較早地對(duì)堤壩進(jìn)行了相關(guān)的探討，Hunt et al.(2005)進(jìn)行了3個(gè)大型土質(zhì)路堤測(cè)試拓寬的速率實(shí)驗(yàn)，得到含水量對(duì)水壩前的路堤潰壩的展寬速率有較大的影響，并進(jìn)行相應(yīng)的擬合方程。同樣的Al-Riffa(2014)進(jìn)行不同含水量下堤壩潰壩的實(shí)驗(yàn)，主要討論堤壩破壞過(guò)程中孔隙水壓力的影響。

對(duì)于堰塞壩的研究有以下學(xué)者。Cao et al.(2011a，2011b)通過(guò)把含水率轉(zhuǎn)化成壓實(shí)度，進(jìn)行28組潰壩模型實(shí)驗(yàn)，并沒(méi)有單獨(dú)考慮含水率對(duì)堰塞壩潰壩的影響。Jiang et al.(2019)在2.06%～4.67%的初始含水率下進(jìn)行了水槽實(shí)驗(yàn)，主要探究不同含水量的堰塞壩的滲透破壞特征及潰壩的過(guò)程，并沒(méi)有單獨(dú)探究含水率對(duì)潰壩過(guò)程的影響。之后，蔣先剛等(2019)進(jìn)行了5種(0.3%～10.3%)初始含水量的漫頂潰壩模型實(shí)驗(yàn)，得出了平均侵蝕率、峰值流量隨著含水率的增大而增大；潰決歷史、殘余壩高隨著含水率的增大而減少；研究發(fā)現(xiàn)，在含水量高于7.8%時(shí)，堰塞壩的侵蝕速率顯著增加。劉杰等(2019)進(jìn)行了5種(2.97%～19.59%)含水量的水槽實(shí)驗(yàn)，探究出了隨著含水量的增加，潰決歷時(shí)越短，潰壩過(guò)程中形成的陡坎越快及潰口寬度越大；當(dāng)含水量為5.50%時(shí)，此時(shí)的峰值流量達(dá)到最大，對(duì)堰塞壩的影響較大。

從以上的文獻(xiàn)看出，含水率對(duì)于堰塞壩是一個(gè)重要的因素，許多學(xué)者將其作為影響因素之一進(jìn)行分析，并沒(méi)有單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的研究。其中：含水量對(duì)峰值流量的影響，前面學(xué)者得到了不同的結(jié)論，因此，我們要通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)探究含水量對(duì)堰塞壩影響的一般規(guī)律，為堰塞壩快速評(píng)估與數(shù)值模擬提供一個(gè)參數(shù)及理論依據(jù)。

1.4 溝床及其坡度對(duì)堰塞壩潰決的影響

到目前為止，有關(guān)學(xué)者對(duì)底床坡度對(duì)堰塞壩潰決流量演化特征方面的研究尚處于初級(jí)階段。

劉邦曉等(2020a，2020b)進(jìn)行了7組溝床坡度(7°～13°)的水槽實(shí)驗(yàn)，研究得出當(dāng)溝床坡度大于9°時(shí)，主要削弱了漫頂潰壩過(guò)程中以下切侵蝕為主、溯源侵蝕為輔的加速侵蝕階段；潰決歷時(shí)隨著溝床坡度的增大表現(xiàn)出先減少后增大的非線性關(guān)系；當(dāng)坡度低于11°時(shí)，溝床坡度對(duì)潰壩的影響大于壩前庫(kù)容，反之壩前庫(kù)容對(duì)潰壩影響變?yōu)殛P(guān)鍵因素。為了進(jìn)一步探究潰口的變化，劉邦曉等(2020a，2020b)探究得出在坡度為12°時(shí)，邊坡失穩(wěn)的規(guī)模達(dá)到最大，此時(shí)失穩(wěn)次數(shù)最少，呈現(xiàn)出隨著坡度的增加，潰口失穩(wěn)的規(guī)模先增大后減少，失穩(wěn)次數(shù)則相反，意味著當(dāng)坡度低于12°時(shí)，坡度較庫(kù)容為主要的潰決因素；坡度的變化，潰口的展寬歷程特征大致相似；潰口峰值流量隨著溝床坡度的減小逐漸減少。蔣先剛等(2019)進(jìn)行了7種底床坡度(1°～13°)的堰塞壩潰決的水槽模型試驗(yàn)，得出隨著坡度的增加，潰決歷時(shí)減少，潰口下切及展寬速率呈現(xiàn)非線性的遞增規(guī)律；峰值流量、潰口的寬深比隨著底床坡度的增加表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢(shì)，且以3°為分界點(diǎn)，意味著在坡度為3°以下時(shí)，坡度為潰壩的主要因素，當(dāng)大于3°時(shí)，坡度較庫(kù)容量等其他因素對(duì)堰塞壩潰壩的影響較少。趙高文等(2019)考慮到堰塞壩在橫向存在高差，進(jìn)行了橫向坡度約為9°的水槽實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得出潰口的頂寬和邊坡高度隨著潰壩時(shí)間基本上同步變化；隨著潰壩時(shí)間的進(jìn)行，潰口處的邊坡會(huì)逐漸變高，導(dǎo)致堰塞壩發(fā)生二次滑坡。因此為了更好地模擬真實(shí)的潰壩實(shí)驗(yàn)，我們后面需要把堰塞壩的橫向坡度也作為影響因素考慮。Zhao et al.(2019)得出側(cè)向侵蝕方向的不同，會(huì)導(dǎo)致潰壩過(guò)程的潰口發(fā)展方式、潰決流量的不同；在進(jìn)行橫向高度差較大的潰壩實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)次生滑坡的現(xiàn)象，但是次生滑坡的速度比較慢，可以被預(yù)測(cè)到。

從以上的研究發(fā)現(xiàn)，堰塞壩橫向坡度的不同，會(huì)導(dǎo)致潰壩過(guò)程的再次坍塌及潰口發(fā)展的不同，因此橫向坡度也是潰壩的一個(gè)影響因素。兩位學(xué)者研究不同坡度對(duì)潰壩模型實(shí)驗(yàn)的影響，但是臨界溝床坡度對(duì)堰塞壩的敏感程度劃分不太一致，因此這方面需要學(xué)者進(jìn)行大量的探究，定量地分析總結(jié)其規(guī)律。

1.5 堰塞壩的入庫(kù)流量對(duì)潰壩的影響

堰塞壩的入庫(kù)流量決定著堰塞壩潰決的時(shí)間及堰塞壩應(yīng)急處置的措施與方案。上游來(lái)水流量可以通過(guò)滲流對(duì)堰塞壩的坡腳產(chǎn)生一定的破壞。因此，壩前的入庫(kù)流量是堰塞壩潰決的重要因素。

付建康等(2018)通過(guò)3組蓄水量(0.0296～0.0536im3)來(lái)研究壩后蓄水量對(duì)堰塞壩潰壩模型的影響，得出壩體上游水位一定的情況下，蓄水量越大，潰壩時(shí)的峰值流量越大，潰決歷時(shí)也越長(zhǎng)，潰口的展寬及下切的速率變大及潰口的橫向尺寸也變大。楊陽(yáng)等(2012)設(shè)定4組入庫(kù)流量(0.6～1.03iL·s-1)驗(yàn)證壩前入庫(kù)流量d0與D90的比值作為潰壩實(shí)驗(yàn)水槽指標(biāo)的可行性，得出此指標(biāo)很好地揭示了壩體的侵蝕過(guò)程-壩前水流與壩體粗顆粒的相互作用。楊陽(yáng)等(2015)初步考慮到入庫(kù)流量的影響，進(jìn)行了入庫(kù)流量為0.006～0.001i03im3·s-1的潰壩模型實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單的分析得出：隨著入庫(kù)流量的增大，潰壩的峰值到來(lái)時(shí)間縮短及潰決的洪峰曲線整體變大且更加“尖瘦”，意味著入庫(kù)流量對(duì)堰塞壩潰口的發(fā)展有一定的影響。Xu et al.(2013)進(jìn)行3組堰塞壩上游水流量(0.1～2iL·s-1)的潰壩模型實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)在較小水流的情況下，堰塞壩只是部分沖刷破壞達(dá)到進(jìn)出水平衡狀態(tài)，當(dāng)水流為2iL·s-1時(shí)，此時(shí)堰塞壩完全潰壩；堰塞壩的壩頂長(zhǎng)度隨著流量的減少而增大。張健楠等(2014)通過(guò)2組水槽實(shí)驗(yàn)探究上游流量與潰決流量的關(guān)系，得出在初始來(lái)水流量較小時(shí)，增加入庫(kù)流量，壩后坡的峰值流量增加比重較少，意味著增大一定的上游流量，對(duì)潰壩的峰值流量影響相對(duì)于其他因素較小。通過(guò)2組水槽實(shí)驗(yàn)探究上游流量與潰決流量的關(guān)系，得出在初始來(lái)水流量較小時(shí)，增加入庫(kù)流量，壩后坡的峰值流量增加比重較少，意味著增大一定的上游流量，對(duì)潰壩的峰值流量影響相對(duì)于其他因素較小。

從上述學(xué)者的研究可以得出：上游來(lái)水流量對(duì)潰決峰值曲線、潰口發(fā)展有一定的影響。雖然有關(guān)學(xué)者得出進(jìn)水流量對(duì)峰值流量的增加占比很小，這還需要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 梯級(jí)堰塞壩潰決特性實(shí)驗(yàn)

“5·12”地震引發(fā)的堰塞湖，不僅數(shù)量多，分布廣，而且沿著震區(qū)河流呈明顯的串珠狀分布。但是目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)堰塞湖的研究工作主要集中在單一堰塞湖的潰決機(jī)制及潰決洪水演進(jìn)方面，對(duì)于級(jí)聯(lián)潰壩的模型實(shí)驗(yàn)，一般需要進(jìn)行野外大型實(shí)驗(yàn)，操作難度大，串珠狀堰塞湖級(jí)聯(lián)潰決的研究較少。

Cao(2011a，2011b)通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值分析對(duì)比了單壩潰決和兩壩連續(xù)潰決，并作出結(jié)論：與單壩潰決相比，兩壩連潰中下游壩的洪峰出現(xiàn)延遲和放大，但由于試驗(yàn)水槽的坡度過(guò)小，沒(méi)有凸顯串珠狀堰塞湖級(jí)聯(lián)潰決后洪水峰值流量放大這一最顯著的動(dòng)力學(xué)特征，也沒(méi)有綜合分析潰決流量放大，輸沙特征變化以及河流演化三者之間的關(guān)系。朱興華等(2012)考慮到野外考察河床演化規(guī)律的局限性，進(jìn)行堰塞湖級(jí)聯(lián)潰決的野外水槽實(shí)驗(yàn)，主要探究串珠狀堰塞湖級(jí)聯(lián)潰決的動(dòng)力學(xué)特征以及對(duì)河床演化的影響，結(jié)果表明堰塞壩級(jí)聯(lián)潰決放大了洪水的峰值流量及河床的縱斷面被顯著抬升。Niu et al.(2012)通過(guò)設(shè)置0.8iL·s-1和3.9iL·s-1的流量，進(jìn)行級(jí)聯(lián)堰塞壩的潰壩模型實(shí)驗(yàn)，探討在不同的流量作用下級(jí)聯(lián)堰塞壩潰壩的特征，得到：在流量較大時(shí)，上游壩和下游壩都是漫頂破壞；在流量較小時(shí)，上游的壩體在泄流槽流動(dòng)，下游壩則發(fā)生漫頂破壞。Gordon et al.(2015)為了了解級(jí)聯(lián)潰壩機(jī)理及引出泥石流的影響規(guī)律，在野外進(jìn)行級(jí)聯(lián)潰壩模型實(shí)驗(yàn)。得到漫頂潰壩是級(jí)聯(lián)潰壩的主要模式；級(jí)聯(lián)潰壩加大水流流速和流量，沖刷的顆粒也隨之變大。

由于梯級(jí)堰塞壩物理模型實(shí)驗(yàn)操作難度較大，因此在進(jìn)行初探實(shí)驗(yàn)時(shí)，只是定性地描述堰塞壩潰壩的模型，缺少堰塞壩潰決流量的對(duì)比等。

3 堰塞壩處置試驗(yàn)

由于大部分堰塞壩存在的時(shí)間較短，現(xiàn)階段處理堰塞壩的方式主要為開(kāi)挖泄流槽、爆破拆除，引水泄流隧道等。其中：開(kāi)挖泄流槽的堰塞壩有：唐家山、紅石巖、文家壩、肖家橋、石板橋、老鷹巖堰塞壩等；其中爆破處理的有：竹根頂橋、火石溝、六頂溝堰塞壩等。

陳曉清等(2011a，2011b)，趙萬(wàn)玉等(2011)為了調(diào)節(jié)堰塞壩的峰值流量，通過(guò)在堰塞壩沖刷過(guò)程中拋投四面的人工結(jié)構(gòu)體來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。得出隨著人工結(jié)構(gòu)體的投入，峰值流量減少了1/3～2/3，殘余壩高增高了1/6。為了進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化泄流槽的措施，又進(jìn)行了泄流槽自然潰決實(shí)驗(yàn)、梯形槽堰塞湖潰決實(shí)驗(yàn)、三角形槽堰塞湖潰決實(shí)驗(yàn)和復(fù)式槽堰塞湖潰決實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：人工輔助潰決后，峰值流量減小了7.7%～20.1%；排泄效率由高到低依次為：三角型橫斷面、復(fù)式橫斷面、梯形橫斷面；溯源侵蝕由強(qiáng)到弱依次為：復(fù)式槽、三角形槽、梯形槽。趙天龍等(2017)通過(guò)離心模型試驗(yàn)研究，研究梯形、三角形和復(fù)式斷面3種泄流槽斷面型式的漫頂潰壩模型實(shí)驗(yàn)，分析不同除險(xiǎn)斷面型式對(duì)堰塞壩的泄流過(guò)程、總泄流量以及泄流后殘留壩體幾何尺寸的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)式斷面泄流槽在初期泄流效率高、峰值流量小、是高效的堰塞壩除險(xiǎn)處置方法。Xu et al.(2013)考慮壩體的體積、上游流量、不同斷面的泄流槽、壩頂?shù)膲K石因素，進(jìn)行堰塞壩潰壩模型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：相比于三角型斷面，梯形斷面有效地降低了峰值流量。

針對(duì)堰塞壩處置的優(yōu)化潰壩實(shí)驗(yàn)，主要是探究泄流槽的形狀對(duì)泄流的流量的影響，且各個(gè)斷面的泄流效果不太一致。因此，需要我們加強(qiáng)這方面的評(píng)價(jià)方法及實(shí)驗(yàn)，以及探索出更多處置堰塞壩的措施。

4 討 論

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的探究，顆粒級(jí)配很大程度上影響著潰壩的模式，級(jí)配不良很可能發(fā)生管涌破壞，峰值流量隨著級(jí)配良好及密實(shí)度的變大而變大，潰口發(fā)展緩慢，潰口一般變得窄深型。因此開(kāi)挖泄流槽的位置選在密度較大及級(jí)配良好的位置。壩體的含水量主要影響壩體材料的侵蝕性及抗剪強(qiáng)度，一般隨著含水量的增大，其潰決過(guò)程基本相似，平均侵蝕率變大，但是峰值流量如何變化，有關(guān)的學(xué)者沒(méi)有得到一致的觀點(diǎn)，需要進(jìn)一步的探究。溝床坡度對(duì)潰壩的物理模型實(shí)驗(yàn)的影響研究相對(duì)較少，何種溝床坡度對(duì)堰塞壩的敏感程度大于庫(kù)容，還沒(méi)有得到一致的結(jié)論。另外潰口變化的形式也沒(méi)有定論，但是對(duì)潰壩模型并沒(méi)有影響。壩前水位即庫(kù)容決定著堰塞壩潰決時(shí)間及處置的措施，探究得到隨著庫(kù)水位及庫(kù)容的增加，潰決的峰值流量越大、潰口展寬及下切的速率變大。泄流槽的形狀不影響堰塞壩潰壩的模式，得出三角形及復(fù)式斷面的泄流槽能有效降低峰值流量。

5 研究動(dòng)向及展望

由于世界各國(guó)對(duì)堰塞壩的穩(wěn)定性重視的程度不斷提高，學(xué)者對(duì)堰塞壩潰壩的問(wèn)題研究不斷地深入及獲取參數(shù)的方法不斷地增加。潰決物理模型實(shí)驗(yàn)從全面研究堰塞壩潰決的特性及機(jī)理，再進(jìn)一步研究某一潰決因素對(duì)堰塞壩的影響，不斷地定量進(jìn)行分析，并成為堰塞壩研究的重點(diǎn)。

學(xué)者對(duì)于堰塞壩潰壩的物理模型的研究起初聚焦在基本的潰壩特征，之后的研究逐漸擴(kuò)大到潰壩的機(jī)理、潰壩模式、潰口的發(fā)展過(guò)程、河床演化、潰壩的某一因素的影響及梯級(jí)堰塞壩的潰決等內(nèi)容。堰塞壩潰壩物理模型研究已經(jīng)處于一定的水平，尤其在潰決機(jī)理和潰口的發(fā)展方面研究較為成熟，但是對(duì)于某一潰決因素的系統(tǒng)研究較少，比如針對(duì)溝床的縱橫向坡度及動(dòng)河床的研究。因此，針對(duì)潰壩問(wèn)題的某種因素，完整準(zhǔn)確地進(jìn)行定量的研究，提出一些擬合公式，為進(jìn)一步的堰塞壩快速評(píng)估及數(shù)值模擬提供有力的依據(jù)。

5.1 模型實(shí)驗(yàn)相似理論及模型比尺

堰塞壩潰壩過(guò)程與水力學(xué)、土力學(xué)，泥沙運(yùn)動(dòng)等有關(guān)。因此，有關(guān)學(xué)者設(shè)計(jì)潰壩相似模型理論不僅需要滿(mǎn)足幾何相似、重力相似，還需要滿(mǎn)足材料的相似。但是由于室內(nèi)條件尺寸的限制，大部分學(xué)者僅滿(mǎn)足幾何相似及重力相似，并且?guī)缀蜗嗨埔仓皇窃谘呷麎蔚捻樅酉蚝蛪误w的深度做近似的比例。由于涉及多學(xué)科的內(nèi)容，無(wú)法完全滿(mǎn)足堰塞壩的材料的相似。為了保持壩體材料方面的相似，大部分學(xué)者設(shè)置等比例的縮小及級(jí)配一致。因此，為了更好地展現(xiàn)室內(nèi)物理模型潰壩實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，重點(diǎn)探討壩體材料、內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、水流參數(shù)對(duì)潰壩的定量影響。

由于尺寸效應(yīng)及相似理論，潰壩模型實(shí)驗(yàn)不僅要滿(mǎn)足材料相似、滲透性相似及力學(xué)相似，還要模擬河道的特性及梯級(jí)堰塞壩的情況。因此，需要進(jìn)行野外大尺寸的模型實(shí)驗(yàn)。

5.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段

現(xiàn)有的潰壩儀器有水尺、流量計(jì)、流速儀、孔壓計(jì)、土壓計(jì)、吸力計(jì)及攝像機(jī)等設(shè)備，同時(shí)，數(shù)據(jù)的采集逐漸發(fā)展到計(jì)算機(jī)的采集、采用示蹤粒子追蹤技術(shù)對(duì)潰決水流的測(cè)試及三維激光掃描儀對(duì)壩身破壞過(guò)程的模擬。盡管潰壩試驗(yàn)測(cè)試手段及儀器有了較大進(jìn)步，但是無(wú)法滿(mǎn)足精準(zhǔn)性的要求，比如孔壓計(jì)、土壓力很難準(zhǔn)確地測(cè)到數(shù)據(jù)，因此現(xiàn)有的大部分學(xué)者進(jìn)行潰壩的研究主要還是通過(guò)攝像機(jī)處理潰壩過(guò)程。因此，這方面需要深入地進(jìn)行研究。

5.3 堰塞壩處置

堰塞壩的應(yīng)急處置主要進(jìn)行開(kāi)挖泄流槽，并有許多成功案例。其中：開(kāi)挖泄流槽不合理，導(dǎo)致潰口流量較大，對(duì)下游產(chǎn)生一定的破壞。對(duì)于峰值流量過(guò)大的問(wèn)題，有關(guān)的學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)潰壩模型實(shí)驗(yàn)的初探，也取得了一定的成果。但是研究的內(nèi)容只是關(guān)注于泄流槽的截面形狀，沒(méi)有考慮泄流槽內(nèi)的坡降及泄流槽薄弱點(diǎn)的防護(hù)，如何使得不穩(wěn)定堰塞壩進(jìn)行薄弱點(diǎn)的加固處置，達(dá)到預(yù)期的潰決效果，同時(shí)通過(guò)加固措施使得相對(duì)穩(wěn)定的堰塞湖變成蓄水庫(kù)，這方面需要進(jìn)一步的探究。