上游來流量對堰塞壩潰決過程影響試驗研究

于夢真 牛志攀＊ 苑如瑋 朱 嘉 王璐瑤

（1、四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都610065 2、四川大學(xué) 災(zāi)后重建與管理學(xué)院，四川 成都610065 3、四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都610065）

1 概述

堰塞湖是由地震、滑坡等自然災(zāi)害造成河道堵塞而形成的湖泊，堰塞壩是堵塞河道的壩體。由于堰塞壩直接由崩滑的土石堆積而成，往往結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，材料不均，物質(zhì)松散[1]，有學(xué)者曾對堰塞壩壽命進行統(tǒng)計，結(jié)果表示86%的堰塞壩壽命小于1 年[2]。地震或降雨可能會在同一個地區(qū)形成多個堰塞壩，發(fā)展為堰塞壩群，僅5·12 大地震后就形成了256 座堰塞壩[3]，堰塞壩一旦潰決，可能會引起下游發(fā)生嚴重的洪水災(zāi)害，威脅下游人民的生命安全并帶來嚴重的經(jīng)濟損失。因此研究堰塞壩潰決過程的影響因素十分重要。

國內(nèi)外已有許多學(xué)者指出上游來流量是影響堰塞壩潰決過程不可忽略的因素之一，張康等[4]通過現(xiàn)場調(diào)查測量指出，對于洪峰流量大于30m3/s 的河流，堰塞壩的穩(wěn)定性與其洪峰時的水流能量有關(guān)，并在調(diào)查測量中得出16 組堰塞壩泄洪道穩(wěn)定的情況下階梯－深潭的發(fā)育程度與其單寬水流能量的關(guān)系曲線。盡管上游來流量對水流能量有著決定性作用。意大利學(xué)者Stefanelli 等[5]通過由上游來流量、坡降及河水容重決定的流功率定義了用以判斷堰塞壩穩(wěn)定性的HDSI 指標。蔣先剛等[6]通過開展堰塞壩潰決試驗，分析了不同壩型及不同上游來流量條件下的堰塞壩潰口下切過程與侵蝕規(guī)律。綜上，盡管許多國內(nèi)外學(xué)者都已注意到了上游來流量對堰塞壩穩(wěn)定性及其潰決過程的影響，但依然少有學(xué)者對上游來流量與堰塞壩潰決流量的關(guān)系進行單獨研究。

因此，本文通過一系列水槽實驗，探究了上游來流量對堰塞壩潰決流量及潰口特征的影響，研究成果能夠為認識水文條件對堰塞壩潰決的影響規(guī)律提供理論參考。

2 試驗設(shè)置

2.1 試驗土料

試驗采用人工配置泥沙，壩體土料參數(shù)為：3-5mm 細礫32.52%，2-3mm 細礫32.52%，0.075-0.1mm 細砂34.96%的非連續(xù)級配土料,土料不均勻系數(shù)為24，曲率系數(shù)為0.047。試驗采用的土料顆粒級配曲線如圖1 所示。

圖1 試驗土料顆粒級配曲線

2.2 試驗裝置

試驗?zāi)Ｐ椭械乃鄄糠珠L10m、寬0.5m、高0.5m，坡度設(shè)置為15°，水槽側(cè)壁及底板均為有機鋼化玻璃，堰塞壩設(shè)置在距離供水裝置5m 處，上游來流量通過供水裝置處的電磁流量計控制，壩前水槽底板處埋置有孔隙水壓力傳感器，以便得出不同時刻壩前水位，用以計算潰決流量。在水槽側(cè)面、水槽末端及堰塞壩頂架設(shè)攝像機，記錄整個試驗過程。試驗裝置如圖2 所示。

圖2 試驗裝置示意圖

2.3 試驗工況

試驗?zāi)Ｐ鸵越鹕辰赘裱呷麎螢樵?，原型中壩體高度為61～100m，根據(jù)幾何相似的原則取模型與原型的壩體高度之比為1:300，作為幾何比尺λL。試驗中壩體高度設(shè)置為0.25m，壩頂長0.15m，壩底長0.65m，壩寬0.5m，壩體迎水坡及背水破傾角均為45°。試驗根據(jù)上游來流量的不同共分為5 組，上游來流量從小到大依次為0.3L/s、0.6L/s、0.8L/s、2L/s、6L/s，按照流量比尺λQ=λL2.5=1:3002.5換算成原型中的上游來流量分別對應(yīng)為470m3/s、935m3/s、1250m3/s、3120m3/s、9350m3/s，5 組 流 量 值 跨 度較大，足夠模擬現(xiàn)實中大多數(shù)情況下的上游來流量條件，能夠得到不同上游來流量對潰決流量的影響規(guī)律。試驗工況如表1。

表1 不同工況下的試驗條件

3 試驗結(jié)果

3.1 堰塞壩潰決流量各階段特征

通過五組試驗發(fā)現(xiàn)，不同上游來流量條件下的堰塞壩潰決都是由漫頂造成的，五組試驗中潰決流量的發(fā)展過程基本相同，可大致將這一發(fā)展過程分為三個階段。以上游來流量為0.8L/s 時的潰決流量發(fā)展過程為例進行分析，其發(fā)展過程曲線如圖3 所示。

圖3 上游來流量為0.8L/s 時的潰決流量發(fā)展過程曲線

結(jié)合發(fā)展過程曲線對各階段潰決流量特征進行分析：從潰決開始到潰決進程達到10%左右為潰決過程第一階段，在此階段中潰決流量穩(wěn)定增長，上游集水區(qū)水位超過堰塞壩壩高，堰塞壩由于漫頂溢流開始潰決，潰決流量從0 開始迅速增長，但由于此階段水流對堰塞壩侵蝕能力較弱，僅在堰塞壩背水坡形成一條較窄的沖溝，水流對堰塞壩的下切侵蝕尚不明顯，堰塞壩高度也沒有顯著改變，故潰決流量接近上游來流量后增長相對變緩；第二階段從潰決進程達到10%開始到潰決進程發(fā)展到60%左右結(jié)束，為峰值流量出現(xiàn)階段，隨著潰決流量的增加，壩頂及背水坡以上水位逐漸增高，水流侵蝕能力也逐漸增強，潰決流量在潰決進程發(fā)展到30%～40%左右達到峰值流量，隨后由于壩前水位的降低而開始緩慢減??；第三階段為潰決流量趨于穩(wěn)定階段，從潰決進程達到60%后直至潰決過程結(jié)束，在此階段，隨著壩前水位的降低，上游集水區(qū)的下泄流量迅速減小，故潰決流量也開始迅速減小，最終與上游來流量保持一致，堰塞壩潰決過程結(jié)束。

3.2 上游來流量對潰決流量的影響

不同上游來流量下的潰決流量的發(fā)展過程曲線如圖4 所示，從圖4 中可以看出：不同上游來流量下的潰決流量發(fā)展趨勢基本一致；隨著上游來流量的增大，潰決流量發(fā)展曲線的波動程度顯著增大，峰值流量逐漸增大；圖中不同上游來流量下的潰決流量發(fā)展過程曲線經(jīng)歷的時間隨著上游來流量的增大而逐漸縮短，由此可見上游來流量越大，堰塞壩潰決歷時越短；同時，隨著上游來流量的增大，發(fā)展過程曲線的峰值點也逐漸提前，可見，潰決流量的峰現(xiàn)時間隨著上游來流量的增大會有所提前，即上游來流量越大，峰現(xiàn)時間越早。

圖4 不同上游來流量時的潰決流量發(fā)展過程曲線

3.3 上游來流量對潰口的影響

為了分析上游流量對潰口的影響，選取了上游來流量分別為0.6L/s、2L/s 和6L/s 的三組分別代表低、中、高三種上游來流量的工況下的試驗進行對比觀察，如圖5。

從圖5（a）中可以看出，上游來流量增大，堰塞壩發(fā)生漫頂時的溢流面積也隨之增大，圖5（b）中則顯示，上游來流量增大，侵蝕作用結(jié)束后的壩體殘余體積將隨之減小。這是由于水流侵蝕作用范圍隨溢流面積的增大而有所擴大，故當(dāng)上游來流量較小時，水流的侵蝕作用將主要集中在壩體中較為薄弱的一部分，潰口也就更容易集中在這一區(qū)域發(fā)展，潰口范圍較小，壩體殘余體積較大；而上游來流量大時水流則會對壩體進行整體沖刷侵蝕，潰口的范圍也會隨之?dāng)U大，故壩體殘余體積也就隨之減小。

圖5 堰塞壩不同潰決階段的潰口形態(tài)

4 結(jié)論

為探究上游來流量對堰塞壩潰決過程的影響，進行了一系列水槽試驗，得到的結(jié)論如下：

（1）不同上游來流量下的堰塞壩潰決流量發(fā)展過程基本相同，均可分為三個階段，峰值流量均在第二個階段出現(xiàn)，且潰決流量都在第三階段下降至與上游來流量保持一致。

（2）潰決歷時會隨上游來流量的增大而縮短；潰決流量的峰現(xiàn)時間會隨著上游來流量的增大而提前；峰值流量隨上游來流量的增大而增大。

（3）上游來流量越小，水流對壩體的侵蝕作用越容易集中在某一范圍內(nèi)，潰口越小，堰塞壩潰決過程結(jié)束后的殘余壩體體積越大，上游來流量越大，則結(jié)果反之。