不同條件下泥石流堰塞壩的潰決過程

曹春然， 陳華勇， Robin Neupane, 李慧斌， 阮合春

(1.中國科學院 山地災害與地表過程重點實驗室/中國科學院水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041； 2.中國科學院大學， 北京 100000； 3.中國科學院 青藏高原地球科學卓越創(chuàng)新中心， 北京 100101)

堰塞壩作為一種常見的自然界災害，常常是在地震和強降雨等誘發(fā)作用下，滑坡、泥石流、冰磧物等堵截河道而形成的天然壩體[1-2]。堰塞壩的類型不同，其危險度和危害特征也不同，根據(jù)堰塞壩的物質來源可分為：滑坡崩塌堰塞壩、火山熔巖堰塞壩、泥石流堰塞壩和冰磧堰塞壩[3]。其中泥石流導致的堰塞壩是我國地質災害常見類型，在中國西南地區(qū)，高山峽谷眾多，松散物質豐富，很容易暴發(fā)大型泥石流堵江[4]。從長期影響來說，泥石流通過改變河流泥沙而影響該河流的河性。從短期危害來說，泥石流堵河造成湖水位的上漲會對上游的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和道路等各種設施造成淹沒災害，堰塞壩一旦破壞又會產生巨大的泄洪流量，沖毀沿程所有房屋、農田以及各項基礎設施，造成嚴重的損失[5]。例如，從1919年到1968年半個世紀之間，云南省東川蔣家溝發(fā)生7次堵斷小江事件，最長堵江時間達48天，水位抬升10 m，上游回水十幾公里，淹沒良田534 hm2多，損失糧食1.50×105kg多[6]；1953年西藏波密古鄉(xiāng)溝暴發(fā)泥石流，大規(guī)模黏性泥石流沖出溝口導致帕隆藏布江被堵塞，回水約10 km，造成140余人死亡，大量房屋、農田和森林被毀壞，損失慘重[7-8]；1984年和1985年西藏波密縣培龍溝連續(xù)暴發(fā)特大泥石流堵斷帕隆藏布江事件，回水約6 km，最寬處220 m，最深處14.3 m，淹沒上游7 km川藏公路和80多輛車，堰塞壩潰決后又沖毀下游2 km川藏公路和5座橋梁，造成上億元經濟損失[9-10]。2010年8月7日，甘肅舟曲縣突降暴雨，導致三眼峪、羅家峪暴發(fā)特大規(guī)模泥石流并堵塞白龍江，形成的堰塞湖使近一半縣城被淹，造成上千人遇難和巨大的財產損失[11-12]；2010年8月13至14日局部地區(qū)強降雨，四川綿竹清平鄉(xiāng)文家溝[13-15]，汶川縣映秀鎮(zhèn)紅椿溝[16-17]、燒房溝[18]，銀杏鄉(xiāng)銀杏坪溝[19]、高家溝[20-21]等突發(fā)大規(guī)模泥石流，泥石流堵塞綿遠河、岷江河道而形成堰塞湖，導致交通、通信、電力等中斷，造成了巨大的人員傷亡和財產損失。因此，深入開展泥石流堰塞壩原型的調查，泥石流堵江以及泥石流壩潰決方面的研究，對提升泥石流堰塞壩的災害防治和災后重建等具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義。

目前，國內外許多學者對泥石流堰塞壩做了一定的研究，但主要集中在泥石流堵江方面。在性質和規(guī)模方面，形成堰塞壩的泥石流多以大規(guī)模黏性泥石流為主，黏性泥石流重度較大，也相對均勻，一般呈整體堆積，具有一定的抗沖刷能力；在地形方面，泥石流堰塞壩堵塞的河道、山谷一般比較窄，地形坡度較大。吳積善等[22]針對西藏東南部泥石流暴發(fā)狀況，分析了形成堰塞壩的主要影響因素，主要包括：支溝泥石流(規(guī)模、性質和固體粒徑)、主河水流(流量、比降和寬度)和交匯區(qū)地形(交匯夾角和坡度)3個方面。匡尚富等[23]、陳德明等[24]、徐永年等[25]、朱平一等[9]、唐川等[26]和黨超等[27]分別建立了相應的泥石流堵江判別公式。但是，對于泥石流堰塞壩潰決過程和潰決機理方面的研究很少。為了研究不同因素對泥石流堰塞壩潰決過程的影響以及潰決機理，本文開展了不同來水流量、壩體形態(tài)、黏粒含量、壩高和初始含水量條件下的潰決試驗，嘗試用試驗的方法對泥石流堰塞壩潰決過程進行研究。

1 試驗設計

1.1 試驗裝置

試驗裝置主要由供水系統(tǒng)、試驗水槽和尾料池3部分組成(如圖1所示)。試驗水槽長4 m，寬0.4 m，高0.4 m，水槽坡度為1°，水槽兩側均為透明玻璃，便于觀察泥石流堰塞壩潰口演化過程以及壩后潰決洪水特性。1—3號4K高清攝像攝像機分別放在壩體頂部、側面和下游面，從俯視、側視和正視3個角度觀察潰決過程。

圖1 泥石流堰塞壩試驗裝置

1.2 試驗工況設計

影響泥石流堰塞壩潰決的因素有很多，主要包括壩體自身特征和外部河道水力特征兩部分。本研究在野外調查和分析相關文獻的基礎上，選取來水流量這個水力特征方面的控制因素；選取壩體下游坡角、壩高、黏粒含量、初始含水量4個自身特征方面的控制因素進行參數(shù)設計。在2019年5月至7月共開展19組試驗，具體試驗參數(shù)取值如表1所示。

表1 試驗參數(shù)

試驗材料為2019年4月取自四川省平武縣碓窩溝(32.4409N，104.5371E)的泥石流堆積扇上的泥石流原樣土，由于泥石流模擬試驗裝置的條件限制，剔除土樣中直徑大于2cm的粗顆粒，將剩余土樣進行篩分，根據(jù)試驗中壩體級配需要而重新配置，不同黏粒含量的物料顆粒級配特征見圖2。

圖2 試驗材料顆粒級配特征

2 結果與分析

2.1 侵蝕過程

在試驗中，通過觀察漫頂潰決時的整個潰決破壞，發(fā)現(xiàn)不同條件下的漫頂潰決過程基本一致，總體來看，整個過程大致分為4個階段，現(xiàn)以來水流量為1 L/s，水槽坡度為1°，壩體迎水坡和背水坡分別為30°和20°，黏粒含量為15%，壩高25 cm，含水量為13%時的堰塞壩漫頂潰決過程為例進行分析。4個階段的主要特征解釋如下：

(1) 階段Ⅰ。坡面侵蝕階段(0～35 s)。即從侵蝕開始(圖3)到侵蝕點移動到A點處這個階段。水流溢流初始潰口后，開始侵蝕潰口底部和潰口側向斜坡，并挾帶少量細小泥沙向下輸移。不過由于過流水量較少，水流深度較淺，流速緩慢，水流挾沙能力較弱，而壩體物質黏性較高，抗沖刷能力較強，此時侵蝕量很小，過流后基本為清水。當水流運動到下游坡面頂A處后，由于坡度驟然變化，水流勢能轉化為動能，水流流速加大，侵蝕能力變強，在背水坡面處形成一條較小沖溝。除細小的泥沙外，少量粒徑較大的泥沙也被攜帶向下輸移，但由于水流流量較小，下游坡面上較大顆粒會阻礙水流進一步侵蝕，此時水流會以多數(shù)小波浪式推移侵蝕，再以少數(shù)大波浪式推移侵蝕，最終形成明顯陡坎。

(2) 階段Ⅱ。陡坎侵蝕階段(35～70 s)(見圖3d,3e)。即從下游坡頂A侵蝕到下游坡頂B處這個貫穿階段。隨著上游蓄水，壩前水位繼續(xù)抬升，潰口處水流深度和水流流量進一步增加，侵蝕能力進一步增強，下游坡頂A處開始發(fā)生侵蝕。同時由于陡坎的高差，陡坎下方會出現(xiàn)沖蝕坑。

(3) 階段Ⅲ。下切和側向侵蝕階段(70～105 s)。即潰口快速擴展，潰決流量快速增加階段。隨著溯源侵蝕的陡坎后退到上游壩頂B處，壩體被貫穿，下切侵蝕變的十分容易。潰口降低后導致潰口處水流深度和流速突然增大，侵蝕能力突然增強，反過來進一步降低潰口高度。在這個過程中，由于潰口降低導致潰決流量的突然增大，側向侵蝕迅速增加，潰口反過來進一步增大。該階段，潰口斜坡物質在水流側蝕作用下以塊狀坍塌入潰口，發(fā)生頻率較低，潰口形狀類似梯形。

(4) 階段Ⅳ。衰退階段(105～145 s)。即水流和壩體趨于穩(wěn)定階段。潰口增大后，壩前水位快速下降，潰決流量逐漸減小，水流侵蝕能力也逐漸變弱，壩體中的細小顆粒和少量粗顆粒被水流挾帶至下游，其余粗顆粒沉積下來。細小顆粒被挾帶走后，粗顆粒在潰口出形成一層粗化層，保護下面顆粒物質不被沖刷。此時，水流的沖刷能力和粗化層的抗沖刷能力達到新的平衡，潰決過程結束。

2.2 潰口演化特征

泥石流堰塞壩溯源侵蝕包括坡面侵蝕階段和陡坎侵蝕階段。溯源侵蝕過程中潰口底部變化規(guī)律可以通過壩體侵蝕過程線來分析不同階段的特征。同樣以來水流量為1 L/s，水槽坡度為1°，壩體迎水坡和背水坡分別為30°和20°，黏粒含量為15%，壩高25 cm，含水量為13%時的堰塞壩漫頂潰決過程為例進行分析。

從圖3中可以看出坡面侵蝕階段(階段Ⅰ)潰口發(fā)展很慢，尤其是潰決發(fā)生到35 s時，下游壩頂A處還未出現(xiàn)明顯侵蝕。從下游坡頂A處至坡面中部是最大侵蝕發(fā)生區(qū)，侵蝕模式由小波浪式推移質挾沙運動，到大波浪式推移質挾沙運動，最后形成陡坎。

圖3 堰塞壩潰口侵蝕過程線側視圖

潰口下切和側向侵蝕階段是壩體侵蝕最快的階段，潰決流量迅速增加至最大的階段。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)70 s之前壩體潰口正視圖變化較小，壩體主要以溯源侵蝕為主，是一個水流逐漸貫通至上游的過程。水流貫通至迎水面后，壩體變薄，下切侵蝕變的更加容易。隨著水流下切，潰口處水深和潰決流量快速增加，侵蝕能力快速增加，快速下降的潰口反過來也進一步加速潰決流量，這是一個相互促進的過程。圖中70 s至105 s之間潰口側向侵蝕十分迅速，在35 s內基本完成側向侵蝕過程。

由圖4可知，潰口展寬主要發(fā)生在70 s至105 s之間。在坡面侵蝕過程(0～35 s)重潰口展寬較小，幾乎沒有變化；在側向侵蝕過程(70～105 s)潰口在下切的過程中伴隨著潰口展寬，側向侵蝕結束后潰口展寬達到穩(wěn)定；在衰退階段(105～145 s)潰口以進一步下切為主，潰口側向侵蝕較弱，潰口寬度保持穩(wěn)定。

圖4 潰口侵蝕過程線正視圖

2.3 不同因素對潰決過程的影響

2.3.1 來水流量的影響 來水流量作為影響泥石流堰塞壩潰決的重要因素，導致潰決流量、潰口演化等方面表現(xiàn)出明顯差異。圖5a為背水坡度20°，壩高20 cm，黏粒含量15%，初始含水量12%，泥石流重度1.99 g/cm3，來水流量分別為0.5，1.0，1.5，2.0 L/s條件下的潰決流量過程線。從圖5a中可以看出，流量均隨時間呈先增加后減小的趨勢，但流量較小時，曲線增加和減小地更慢，呈現(xiàn)出“矮圓”型。隨著流量的加大，曲線增加和減小地更快，呈現(xiàn)出“瘦尖”型。同時，隨著來水流量的增加，結合圖5b可知，來水流量與洪峰流量之間呈正相關，但并未呈現(xiàn)線性相關，洪峰流量增加速度隨著來水流量增加而增加。來水流量從0.5 L/s增加到1 L/s時，潰決洪峰流量值增加了0.6 L/s；來水流量從1.5 L/s增加到2 L/s時，潰決洪峰流量值增加了3.4 L/s。

圖5 不同來水流量下潰決流量過程

2.3.2 背水坡坡度的影響 本試驗涉及的泥石流堰塞壩壩體形態(tài)主要是指不同的背水坡坡度。圖6a為來水流量1 L/s,壩高20 cm,黏粒含量15%,初始含水量12%,泥石流重度1.99 g/cm3，背水坡坡度分別為10°,15°,20°,25°,30°條件下的潰決流量過程線。從圖6a中可以看出，不同壩型的泥石流堰塞壩潰決流量線的變化趨勢相似，但隨著背水坡坡度的增加，潰決流量過程線由“尖瘦”型向“矮胖”型轉變。圖6b反映了背水坡坡度與洪峰流量之間的關系。從圖6b中我們可以看出，背水坡坡度的增加會導致洪峰流量的增加，且洪峰流量最大值6.2 L/s與最小值3.7 L/s相差2.5 L/s左右，背水坡坡度30°時的潰決流量約為背水坡坡度10°時潰決流量的1.7倍。從潰決機理的角度分析，隨著背水坡坡度的增加，一方面使背水坡上的水流速度增加，侵蝕作用增強，潰口發(fā)展迅速，潰決流量增加；另一方面，由幾何關系可知，壩體順河長度隨背水坡坡度的增大而減小，這也會造成侵蝕量和路徑的縮短，相同條件下潰決歷時縮短，潰決流量加大。背水坡坡度是通過影響水流坡降，從而影響水流侵蝕能力來改變潰決過程的。

圖6 不同背水坡坡度下潰決流量過程

2.3.3 壩高的影響 壩高是影響泥石流堰塞壩潰決的重要因素，壩體高度往往決定了堰塞湖庫容和水力勢能。一方面，壩體高度直接影響壩前水位、庫容和壩體內部水力梯度(水力比降)；另一方面，壩體高度影響了壩體下游坡度、溢流時水流速度和水流沖刷能力。圖7a為來水流量1 L/s,背水坡度20°,黏粒含量15%,初始含水量13%,泥石流重度2.06 g/cm3，壩高分別為15,20,25,30 cm條件下的潰決流量過程線。從圖7a中可以看出潰決洪峰流量隨著壩高的增加而迅速增加，潰決洪峰時間隨壩高的增加而縮短，壩體高度對洪峰的影響很大。圖7b反映了壩體高度和洪峰流量之間的關系，整體呈線性相關。

圖7 不同壩高下潰決流量過程

2.3.4 黏粒含量的影響 泥石流堰塞壩壩體中黏粒含量對其潰決過程影響很大。黏粒含量會直接影響堰塞壩體的抗沖刷能力和壩體穩(wěn)定性。壩體黏粒含量不同導致壩體強度不同，壩體內部黏聚力和內摩擦角也不同，從而影響下游坡面穩(wěn)定性。此外，黏粒含量不同會導致壩體滲透系數(shù)不同，滲透過程對壩體穩(wěn)定性的影響也不同。圖8a為來水流量1 L/s,背水坡度20°,壩高20 cm,初始含水量13%,泥石流重度1.81～2.13 g/cm3，黏粒含量分別為5%,10%,15%,20%,30%條件下的潰決流量過程線。從圖8a中我們可以發(fā)現(xiàn)泥石流堰塞壩潰決流量過程線隨著黏粒含量的增加從“瘦尖”型逐漸轉變成“矮胖”型。潰決流量隨黏粒含量的增加而減小，潰決時間隨黏粒含量的增加而增加。圖8b反映了泥石流堰塞壩壩體黏粒含量與洪峰流量之間的關系，整體呈現(xiàn)負相關。

圖8 不同黏粒含量下潰決流量過程特征

2.3.5 初始含水量的影響 泥石流堰塞壩壩體初始含水量對壩體強度的影響較大，土體含水量的變化會影響其結構的強度和抗沖刷能力。圖9a為來水流量1 L/s,背水坡度20°,壩高20 cm,黏粒含量15%,泥石流重度1.91～2.09 g/cm3，初始含水量分別為11%,12%,13%,14%,15%條件下的潰決流量過程線。從中我們發(fā)現(xiàn)不同含水量條件下潰決流量過程線的整體形狀變化不大，說明具有相似的坡面侵蝕過程、陡坎侵蝕過程、下切和側向侵蝕過程和衰退過程，含水量對潰決過程中的主要特征影響不大。初始含水量與洪峰流量之間的關系如圖9b所示。潰決洪峰流量隨著含水量的增加而緩慢降低，但變化的范圍不大。

圖9 不同初始含水量下潰決流量過程特征

3 機制分析

泥石流堰塞壩漫頂破壞的過程實質上是水流對壩體的沖刷侵蝕過程。現(xiàn)有對壩體漫頂破壞機理的初步分析大多著眼于潰壩過程中顆粒的沖刷與起動，從不同粒徑顆粒的沖刷起動特征層面來說明潰壩機理。壩體溢流沖刷破壞機制可從3個方面分析：①坡面流剪力，坡面顆粒運動是坡面水流拖曳力作用造成的；②坡面流流速，潰口中水流速度越大對壩體的掏蝕越強；③坡面流能量，坡面顆粒運動必定要損耗一定的能量。其中，從水流流速入手最直觀也最簡單。分析顆粒的受力情況，顆粒起動是水流運動產生的拖曳力和上舉力超過顆粒間的黏結力。水流運動的拖曳力和上舉力體現(xiàn)在水流的流速上，當流速效應超過顆粒的黏結力效應，顆粒便發(fā)生運動。我們對坡面上顆粒進行受力分析發(fā)現(xiàn)，顆粒物質受力有水流拖曳力FD，水流上舉力FL，顆粒浮重力W′和坡面摩阻力FS。具體分析如下：當水流經過坡面粗糙的顆粒物質時，會對顆粒產生拖曳力FD，其中拖曳力方向與水流方向相同；當水流經過顆粒時，由于顆粒頂部和底部流速的不同，根據(jù)伯努利原理，頂部流速快壓力小，底部流速慢壓力大，因此造成了壓力差FL，即上舉力；顆粒受到自身在水下的重力W′，即浮重力；顆粒還受到坡面對其阻力的作用FS。因為泥石流堰塞壩中的黏粒含量一般比較高，應該說還要考慮內聚力，但是由于坡面侵蝕階段的沖刷作用發(fā)生在泥石流堆積物表層，而表層結構一般比較松散，我們忽略內聚力的影響。受力情況如圖10所示。

圖10 坡面顆粒物質受力示意圖

水流拖曳力FD，上舉力FL，顆粒浮重力W′，摩擦阻力FS和顆粒附近的對數(shù)流速公式的一般表達式分別為：

(1)

(2)

(3)

FS=(W′cosθ-FL)tanΦ

(4)

(5)

式中：CD和CL分別為阻力系數(shù)和上舉力系數(shù)；u0為作用在坡面顆粒上的流速;A為顆粒最大截面面積;ρs和ρ分別為顆粒和水的密度;γs和γ分別為顆粒和水的重度;θ為背水坡面角度;Φ為顆粒水下休止角；u*為摩阻流速。

分析泥石流堰塞壩下游坡面上物質的受力，在坡面方向上建立平衡方程：

FD+W′sinθ=(W′cosθ-FL)tanΦ

(6)

則下游坡面物質起動條件：

(cosθtanΦ-sinθ)

(7)

4 結論與討論

本研究開展了不同來水流量、壩體形態(tài)、黏粒含量、壩高和初始含水量條件下的泥石流堰塞壩潰決試驗。通過試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，分析了泥石流堰塞壩漫頂潰決的主要特征，總結了泥石流堰塞壩潰決的主要過程，探討了5種因素對潰決過程的影響，并研究了潰口演化機理。

(1) 通過泥石流堰塞壩漫頂潰決試驗表明，潰決過程主要分為坡面侵蝕過程(階段Ⅰ)、陡坎侵蝕過程(階段Ⅱ)、下切和側向侵蝕過程(階段Ⅲ)和衰退過程(階段Ⅳ)。坡面侵蝕階段和陡坎侵蝕階段潰口過流水量較少，水流深度較淺，流速緩慢，水流挾沙能力較弱，壩體物質黏性較高，抗沖刷能力較強，此時侵蝕量很小，該階段水流會以多數(shù)小波浪式推移侵蝕，再以少數(shù)大波浪式推移侵蝕，最終形成明顯陡坎，同時由于陡坎的高差，陡坎下方會出現(xiàn)沖蝕坑；下切和側向侵蝕階段由于潰口降低導致潰決流量的突然增大，側向侵蝕迅速增加，潰口反過來進一步增大，該階段，潰口斜坡物質在水流側蝕作用下以塊狀坍塌入潰口，發(fā)生頻率較低，潰口形狀類似梯形；衰退階段壩前水位快速下降，水流侵蝕能力也逐漸變弱，細小顆粒被挾帶走后，粗顆粒在潰口出形成一層粗化層，保護下面顆粒物質不被沖刷，水流的沖刷能力和粗化層的抗沖刷能力達到新的平衡，潰決過程結束。

(2) 潰決流量與來水流量之間呈非線性正相關，在其他條件相同時，潰決洪峰流量隨來水流量的增加而增加，且增速也越來越快；壩體形態(tài)中，背水坡坡度是影響潰決流量重要因素之一，潰決洪峰流量隨著背水坡坡度增加而增加，背水坡坡度30°時的潰決流量約為背水坡坡度10°時潰決流量的1.7倍；壩高對潰決流量的影響較大，潰決洪峰流量隨著壩高的增加而迅速增加，潰決洪峰時間隨壩高的增加而縮短，壩體高度和洪峰流量之間的關系，整體呈線性正相關的關系；壩體中的黏粒含量對壩體潰決影響也比較大，黏粒含量通過影響壩體的抗沖刷能力和壩體穩(wěn)定性而影響潰決過程，潰決流量隨黏粒含量的增加而迅速減小，潰決時間隨黏粒含量的增加而迅速增加，泥石流堰塞壩壩體黏粒含量與潰決洪峰流量之間的關系，整體呈現(xiàn)負相關；土體初始含水量對其結構的強度和抗沖刷能力有重要影響，泥石流堰塞壩潰決洪峰流量隨著土體初始含水量的增加而緩慢降低，但變化的范圍不大。