基于物理模型試驗的堰塞壩沖刷潰決過程研究

謝 忱，李從江，楊興國，范 剛，李海波，周家文*

(1.四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072；2.四川大學(xué) 水利水電學(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(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610065)

堰塞湖是由山體滑坡、崩塌、泥石流等堵塞河道而形成的一種天然湖泊[1-2]。堰塞湖潰決事件在世界各地時有發(fā)生，尤其在中國西南地區(qū)，堰塞湖災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著沿岸上下游人民的生命財產(chǎn)安全[3-5]。例如：2018年10月和11月，金沙江白格的同一位置先后2次發(fā)生大規(guī)?；聻?zāi)害，滑坡體堵江形成堰塞湖。其中，“11·3”白格堰塞湖最大庫容高達(dá)7.90×108m3，盡管及時開挖泄流槽，使堰塞湖在相對較低的水位下泄，但潰決洪峰流量仍達(dá)到了31 000 m3/s，在金沙江下游河段形成了超萬年一遇的洪水。潰決洪水造成四川、云南境內(nèi)多座橋梁被沖毀，西藏自治區(qū)、四川省、云南省10.2萬人受災(zāi)，8.6萬人緊急轉(zhuǎn)移安置，沿江地區(qū)道路、橋梁、電力等基礎(chǔ)設(shè)施損失嚴(yán)重[6]。據(jù)統(tǒng)計，僅云南省直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)74.3億元[7]。堰塞湖災(zāi)害的致災(zāi)后果與堰塞壩的沖刷潰決過程密切相關(guān)，深入研究堰塞壩的潰決過程及泄流槽優(yōu)化設(shè)計方案，可為堰塞湖災(zāi)害的致災(zāi)風(fēng)險評估及應(yīng)急預(yù)案制定提供指導(dǎo)。

現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)值模擬、試驗研究是開展堰塞壩潰決過程及機(jī)理研究的重要途徑[8-9]。國內(nèi)外眾多學(xué)者通過現(xiàn)場調(diào)查建立了全球范圍內(nèi)的堰塞壩數(shù)據(jù)庫，記錄了堰塞壩成因、地形地貌特征、壩體物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、壽命、破壞模式等信息，為堰塞壩潰決研究提供了數(shù)據(jù)支撐[10-13]。但由于現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜，危險性極高，潰壩過程中數(shù)據(jù)難以獲取，給以現(xiàn)場調(diào)查為基礎(chǔ)的堰塞壩潰決機(jī)理研究帶來極大困難。數(shù)值模擬可以很好地再現(xiàn)典型堰塞壩的潰決過程，用于預(yù)測潰壩洪水過程和淹沒范圍分析[14-15]。近年來，發(fā)展了大量基于物理過程的堰塞壩潰決數(shù)學(xué)模型，并成功應(yīng)用于唐家山、小崗劍等堰塞湖的潰決反演分析[16-17]。但由于堰塞壩潰決過程涉及復(fù)雜的水沙耦合本構(gòu)模型，當(dāng)前的數(shù)值模型難以實現(xiàn)堰塞壩沖刷潰決過程的精準(zhǔn)模擬，在用于指導(dǎo)堰塞湖災(zāi)害現(xiàn)場的應(yīng)急搶險及處置工作時有一定的局限性。

物理模型試驗可操作性強(qiáng)、效果好，試驗條件可控，方法靈活。根據(jù)相似理論設(shè)計的物理模型可在一定程度上反映堰塞壩原型的潰決過程；并且，利用監(jiān)測的試驗數(shù)據(jù)，對潰決過程進(jìn)行定量分析，還能彌補(bǔ)現(xiàn)場監(jiān)測條件不足的缺點。Wang等[18]設(shè)計了一系列大型戶外堰塞壩潰決模型試驗，用于堰塞壩破壞的前兆性分析預(yù)測和潰決過程機(jī)理研究；Zhou等[19]通過堰塞壩潰決的水槽模型試驗，提出一種能反映縱向演化的堰塞壩潰決模型；更多的研究者采用堰塞湖潰決模型試驗，研究通過人工干預(yù)措施降低堰塞湖潰決風(fēng)險的方法[20-21]。開挖泄流槽是降低潰決風(fēng)險的主要措施之一，目前，關(guān)于泄流槽優(yōu)化設(shè)計的研究較少，趙萬玉[22]、趙天龍[23]等研究了包括梯形、三角形和復(fù)式斷面形式泄流槽對堰塞壩潰壩過程的影響；石振明等[24]提出一個考慮不同泄流槽設(shè)計的堰塞壩潰決機(jī)理分析方法，并應(yīng)用于唐家山堰塞壩案例分析。這些研究為堰塞湖應(yīng)急搶險工作提供了一定的參考，現(xiàn)階段仍需要更深入的研究為人工干預(yù)控制潰決提供理論指導(dǎo)。

以2018年金沙江白格滑坡堰塞湖為研究背景，通過物理模型試驗手段對堰塞壩沖刷潰決過程進(jìn)行系統(tǒng)研究，同時分析了泄流槽的位置、初始深度和初始寬度對堰塞壩潰決的影響，從而對泄流槽的優(yōu)化設(shè)計提出建議，以期為堰塞湖災(zāi)害的致災(zāi)影響評價及應(yīng)急搶險工作提供一定的參考。

1 物理模型試驗設(shè)計

堰塞壩沖刷潰決物理模型試驗在四川大學(xué)水工試驗場內(nèi)的混凝土水槽中進(jìn)行。試驗水槽長23.0 m，寬2.5 m，高2.0 m，水槽分為上游庫區(qū)段、堰塞體模型段、洪水演進(jìn)段、泥沙沉淀處、尾水出口5個部分，尾水最終流入地下水庫便于循環(huán)利用。試驗槽內(nèi)填筑一定厚度的不規(guī)則水泥坡面，形成溝谷地形，更接近真實河道。堰塞壩沖刷潰決物理模型試驗設(shè)計及監(jiān)測設(shè)備布置如圖1所示。

圖1（a）中：C1～C3為攝像機(jī)，全方位記錄整個潰壩過程；E為自動水位計，用于監(jiān)測庫區(qū)水位的實時變化；V為流速儀，記錄潰口水流的流速變化過程；W為水分計，用于測定壩體不同部位的含水率。

圖1 堰塞壩物理模型試驗設(shè)備布置Fig. 1 Layout of physical model test equipments for landslide dam

試驗以2018年“11·3”金沙江白格滑坡堰塞壩為原型。“11·3”白格堰塞壩順河長800 m，寬400～500 m，最小壩高96 m。堰塞壩過流時，來流量約700 m3/s，堰塞壩上游最高水位2 956.4 m，蓄水量約5.78億m3[25]。試驗壩參照白格堰塞壩埡口處的典型斷面進(jìn)行設(shè)計，幾何比尺為 250∶1，壩體模型幾何形態(tài)如圖2所示，壩長3.2 m，壩頂寬1.6 m，壩高0.4 m。

圖2 堰塞壩幾何形態(tài)設(shè)計情況Fig. 2 Shape and size design of the modeling landslide dam

堰塞體物質(zhì)組成是影響試驗結(jié)果的重要因素，白格堰塞湖的堆積物質(zhì)顆粒組成偏細(xì)，若模型壩的材料按照相同的幾何比尺縮小泥沙顆粒粒徑，顆粒的黏性會發(fā)生巨大改變，影響抗沖刷性能和壩體穩(wěn)定性。本文主要研究壩體潰決過程，為使模型泥沙顆粒的內(nèi)摩擦系數(shù)與原型顆粒相近，放寬相似條件。選取的土料最大粒徑為10 mm，中值粒徑d50=2 mm，顆粒級配曲線如圖3所示，與白格現(xiàn)場顆粒級配[15]有很大的相似性。壩體潰決過程與堰塞體堆積結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，壩體材料堆積物質(zhì)總體由細(xì)顆粒組成，分布較均勻[26]，故在試驗中采用上述調(diào)配好的土料均勻填筑。

圖3 堰塞壩材料顆粒級配分布Fig. 3 Particle size distribution of the landslide dam’s material

堰塞湖的庫容和上游來水量同樣是影響潰決流量過程的重要參數(shù)，試驗水槽的空間有限，蓄水量無法與白格原型保持嚴(yán)格一致，試驗壩壩前最高水位達(dá)0.4 m（最大壩高），最大庫容達(dá)2.3 m3。入庫水流采用水泵定流量輸送，Qin=1.3 L/s。

試驗對堰塞壩在開槽情況下的漫頂潰決過程展開研究。白格堰塞壩設(shè)計的泄流槽布置在堆積體內(nèi)部偏左側(cè)，開挖長度220 m，泄流槽斷面呈梯形，底寬5 m，平均深度11.5 m，最大深度15 m，兩側(cè)坡比1∶1.3[26]。按照幾何比尺換算，模型試驗泄流槽設(shè)計尺寸應(yīng)為底寬2.0 cm，平均深度4.6 cm，最大深度6.0 cm，橫截面積約36.7～58.8 cm2。試驗的泄流槽采用了和白格相似的梯形斷面，兩側(cè)坡比設(shè)置為 1∶0.6，泄流槽底寬設(shè)置為3 cm，深度設(shè)置為5 cm，截面積30 cm2，具備了一定的初始過流能力。在此基礎(chǔ)上，針對泄流槽的初始寬度、深度及開口位置進(jìn)行單一因素變化的試驗，以探究泄流槽初始設(shè)計對堰塞壩潰決過程的影響。表1為試驗工況設(shè)置，其中，泄流槽開挖最大截面積為90 cm2（底寬3 cm、高10 cm）。

表1 試驗工況設(shè)置Tab. 1 Experimental setup

試驗開始前，架設(shè)和調(diào)試監(jiān)測儀器。堰塞壩體分層鋪設(shè)，筑壩時，將混合均勻的壩料從一定高度拋下自然堆放，不進(jìn)行壓實；壩體經(jīng)人工修坡成指定尺寸，并在壩面繪制10 cm×10 cm的觀測網(wǎng)格，壩頂開挖泄流槽。最后，啟動監(jiān)測儀器，放水入庫，開始試驗。

2 試驗結(jié)果

2.1 潰壩過程分析

基于不同工況下的大量試驗觀測結(jié)果，可將堰塞壩沖刷潰決過程劃分成4個階段：過流孕育階段、溯源侵蝕階段、潰決發(fā)展階段及河床再平衡階段。

1）過流孕育階段從上游湖水進(jìn)入泄流槽為起始，到泄流槽全線過流為結(jié)束。如圖4所示，上游庫區(qū)因恒定的入流量輸入，庫容不斷增加，水位不斷上漲，在勢能的驅(qū)動下，水流緩慢地進(jìn)入泄流槽底坎，逐步向下游推進(jìn)，直至整個泄流槽連通。此外，壩趾附近有明顯滲流，夾帶細(xì)顆粒流出。在水位上升過程中，下游坡面的滲流溢出點不斷上移，表明浸潤線在逐漸上升，滲流量也隨之增加。

圖4 下游壩面滲流情況Fig. 4 Seepage flow at downstream dam surface

2）溯源侵蝕階段以下游坡面侵蝕為起始，到上游壩坡開始侵蝕為結(jié)束。如圖5所示，水流通過泄流槽后在下游坡面處發(fā)生加速，增大的流速增強(qiáng)了水流的挾沙能力，坡頂下游端（A點）首先受到?jīng)_蝕，下游坡面斑駁，形成多條溝壑。侵蝕速率在下游壩坡上沿水流方向遞減，這個現(xiàn)象與Zhou等[19]在試驗中的結(jié)論一致。侵蝕點隨著侵蝕的發(fā)展呈不斷向上游方向移動的趨勢，即溯源侵蝕現(xiàn)象。陡坎（侵蝕點）上游以底部下切為主，總侵蝕量較小，流態(tài)穩(wěn)定。陡坎（侵蝕點）下游水流湍急、侵蝕能力變強(qiáng)，高速水流卷起細(xì)顆粒和部分粗顆粒向下游輸移，泄流槽底部沖刷下切的同時側(cè)壁的坡腳被掏蝕；由于壩體物質(zhì)黏性不高，泄流槽側(cè)向斜坡容易失穩(wěn)，不斷出現(xiàn)小規(guī)模的坍塌。隨著持續(xù)的水流侵蝕，陡坎不斷地向上游推進(jìn)，直到侵蝕點推移至上游坡頂B點，整個壩體被貫穿。

圖5 溯源侵蝕過程Fig. 5 Process of traceability erosion

由于試驗規(guī)模不大，根據(jù)相似比換算下來的陡坎高度較小，故 “陡坎”呈現(xiàn)并不明顯，而是以急陡坡的形式表征。但在實際發(fā)生的堰塞湖潰決現(xiàn)場，其跌坎發(fā)育突出，并常出現(xiàn)多級陡坎。陡坎上游沖刷緩慢，下游泄流槽下切和側(cè)蝕都較突出，泄流槽擴(kuò)展現(xiàn)象非常明顯；泄流槽斷面的變化使?jié)⒖诘男螤罱朴谏险聦挼摹袄刃巍薄?/p>

3）潰決發(fā)展階段以上游壩坡開始侵蝕為起始，到潰口形態(tài)基本不再變化為結(jié)束，是潰口快速擴(kuò)展、潰決流量最大的階段。當(dāng)溯源沖刷的陡坎追溯到上游坡頂B點，整個壩體被貫穿，泄流槽連通為整體，水流流速和流量突然增大。產(chǎn)生此現(xiàn)象主要是由于在侵蝕點到達(dá)上游壩頂之前，泄流槽上游斷面對水流起到控制作用，流量增加緩慢；當(dāng)上游斷面受到侵蝕，整個潰決過程變得不可控，故水流流速與流量顯著增大。在此階段，水流沖刷能力強(qiáng)，泄流槽被水流快速下切，流深和流速都隨之增加。流量進(jìn)一步增加也促進(jìn)了侵蝕能力的增強(qiáng)，反過來導(dǎo)致潰口進(jìn)一步擴(kuò)展。這個階段，由于水流的側(cè)蝕作用，泄流槽側(cè)壁出現(xiàn)頻繁的大范圍、大體量滑塌，坍塌下來的泥沙迅速被水流沖向下游，致使?jié)⒖诳焖偻貙?。在潰口急劇拓展的過程中，出現(xiàn)了洪峰流量，之后由于水位的大幅降低，下泄流量逐步消減，潰口發(fā)展速度減緩，最終逐步趨于穩(wěn)定。

潰決發(fā)展階段，較大的水流量涌進(jìn)潰口，由于過水?dāng)嗝姹皇?，水流對泄流槽入口的坡腳沖刷掏蝕導(dǎo)致泄流槽上游段展寬，形成的流道形態(tài)呈中間窄、兩頭寬的啞鈴形，控制斷面在泄流槽中段。

4）河床再平衡階段（圖6），即潰口形態(tài)不再變化，壩體趨于穩(wěn)定。在潰決發(fā)展階段結(jié)束的很長一段時間內(nèi)，河床上仍進(jìn)行著泥沙輸移。少量的細(xì)小顆粒在水流的帶動下做推移質(zhì)運(yùn)動，壩前水位仍在減小，但減小的幅度肉眼難以觀察。細(xì)小顆粒被攜帶運(yùn)輸后，粗顆粒在河床表面形成粗化層，保護(hù)河床不被沖刷。當(dāng)水流的沖刷能力和粗化層的抗沖刷能力相當(dāng)，泄流槽達(dá)到?jīng)_淤平衡，壩體最終穩(wěn)定，潰決過程結(jié)束。

圖6 河床再平衡階段Fig. 6 Riverbed rebalance stage

金沙江白格“11·3”堰塞體潰決保留了詳細(xì)的現(xiàn)場觀測記錄和視頻資料[26]，和本次試驗潰決過程所體現(xiàn)的4個階段相一致。

以第2組試驗H= 5 cm、B= 3 cm的流量過程為例，對潰決過程做進(jìn)一步的說明。如圖7所示：蓄水時期，上游水位不斷上漲，水位達(dá)到一定高度時，滲透流量穩(wěn)定在0.5 L/s左右。潰決過程中，當(dāng)出庫流量超過入庫流量1.3 L/s時，出現(xiàn)了最大水位，此后水位回落，最終趨于定值。如前所述，溯源侵蝕階段結(jié)束后，由于泄流槽底部連成順直的斜坡道，流量會迅速增加，潰決加速；潰決發(fā)展階段，潰決流量值有波動，對應(yīng)試驗過程中側(cè)壁坍塌現(xiàn)象，較大的水流量沖刷掏蝕泄流槽側(cè)壁坡腳，導(dǎo)致側(cè)壁滑塌；滑入流道中的堆積物阻礙了水流，流量驟減。隨著堆積物在水流中的推移，堰塞壩側(cè)壁展寬，流量突增，即體現(xiàn)為圖7中的流量值波動。潰決過程結(jié)束后，上游水位和殘留壩體高度相符，潰決流量和入庫流量相一致。

圖7 潰決過程中的上游庫水位變化情況和潰決流量過程Fig. 7 Change of upstream reservoir water level and the process of dam-break flow in the process of dam breaching

2.2 流速和壩體含水率

流速在一定程度上表征水流的沖刷能力，圖8為第1、5組試驗測得的潰口流速變化過程，因其現(xiàn)象明顯，故不再展示其他組別。由圖8可知，流速和流量同步變化，總體上呈先增加，在潰決發(fā)展階段達(dá)到最大值，然后開始減小，最終達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖8 第1組與第5組試驗潰決流量變化過程Fig. 8 Change process of dam-break flow in the test 1 and test 5

在整個蓄水和潰決過程用水分計測量堰塞體不同部位的含水率，選取一組典型的含水率監(jiān)測值進(jìn)行說明。圖9為第4組試驗堰塞體不同監(jiān)測部位含水率隨時間的變化過程，1～6為監(jiān)測點編號。16點43分，堰塞湖開始蓄水，上游蓄水浸潤堰塞壩，不斷滲透逐漸飽和壩體。壩體內(nèi)部的初始含水率在13%左右，監(jiān)測部位通過滲流時，含水率短時間內(nèi)迅速增長，土體達(dá)到飽和狀態(tài)。如圖9所示：監(jiān)測點6的含水率增長早于監(jiān)測點5和4，監(jiān)測點5含水率增長早于監(jiān)測點3和1；表明壩體材料上游比下游先飽和，低位置堰塞壩土體比高位置土先飽和，揭示了浸潤線呈迎水面向背水面推移，底層向頂層推移的趨勢。

圖9 蓄水和潰決過程中監(jiān)測點含水率的變化Fig. 9 Change of water content at the test point during impoundment and dam breaching

由圖9可知：含水率增長后略微降低，隨即保持不變，這是因為堰塞壩的堆積物質(zhì)松散，在滲流到達(dá)后，含水率顯著增加；但受靜水壓力作用，土體被壓實，內(nèi)部空隙減少，空隙中水分隨之流失，含水率減少；土體壓實后，含水率保持不變。圖9中監(jiān)測點1和2含水率增長后出現(xiàn)二次增長，是因為堰塞壩體發(fā)生內(nèi)部侵蝕，滲流帶走部分細(xì)顆粒，內(nèi)部空隙增加，含水率隨之增長；且測點1和2傳感器埋置在壩頂表面和下游面附近，位于滲流逸出位置，極易發(fā)生滲流潛蝕破壞。

沖刷潰決前整個壩體處于飽和狀態(tài)。17點23分，堰塞湖開始潰決，當(dāng)壩體沖蝕發(fā)展到水分儀所在位置，水分儀暴露在流水中，含水率接近100%。圖9中：測點1、2、3傳感器依次被沖出，再次說明壩體侵蝕是從壩頂開始，水流漫過壩頂后先在壩體背水坡發(fā)生侵蝕，侵蝕點從背水坡向上游移動；測點4、5、6傳感器數(shù)據(jù)不變，表明其一直埋置在堰塞壩體中，即殘留壩體高度大于10 cm小于20 cm。

3 泄流槽的設(shè)置對潰決過程的影響分析

堰塞壩沖刷潰決是一個多過程的復(fù)雜物理現(xiàn)象，多種影響因素相互作用，最終決定了堰塞壩潰決流量、潰決時長和潰口形態(tài)等。開挖泄流槽作為一種處置堰塞湖的工程措施，能有效干預(yù)堰塞壩的潰決，降低潰壩的洪峰流量。作者通過探索泄流槽的開挖位置、深度、寬度3種因素對潰決過程的影響，從而對泄流槽的優(yōu)化設(shè)計提出建議。

3.1 開槽位置對潰決過程的影響

堰塞體由滑坡、泥石流從一定高度俯沖而下，堆積河道形成，由于未經(jīng)碾壓，壩體材料較為松散，易發(fā)生沉降。試驗中用的砂土未經(jīng)壓實，孔隙率大，密實度小，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在水流的浸潤作用下，砂土材料含水量增加，受靜水壓力作用，土體被壓實，產(chǎn)生沉降。由于水槽內(nèi)溝谷地形的限制，壩體兩側(cè)的填土少，中間填土多，導(dǎo)致壩體中部沉降量較兩側(cè)更為突出，因此，在水位上升過程中，壩體中部逐漸凹陷，不均勻沉降導(dǎo)致壩頂出現(xiàn)沉降裂縫，如圖10所示。

圖10 壩頂出現(xiàn)沉降裂縫Fig. 10 Settlement cracks on the crest of the dam

圖11為第2、6組試驗的庫區(qū)水位變化過程和潰決流量過程。試驗壩泄流槽尺寸均為H= 5 cm、B=3 cm，第2組試驗開槽位置在壩體中部，起始過流水位為0.35 m；第6組試驗開槽位置在壩體一側(cè)，起始過流水位為0.39 m。盡管泄流槽尺寸相同，但受不均勻沉降影響，開在中間的泄流槽底坎較開在一側(cè)的泄流槽底坎更低，故在更低的水位開始過流。

第6組試驗出現(xiàn)了非預(yù)期情況（圖12）。泄流槽開始過流后，初期泄流效率低，上游水位持續(xù)上漲，乃至高出了壩中部的壩頂高程，壩中間位置同時開始過流。側(cè)邊泄流槽發(fā)育較為完善，壩中間的過流不再形成新流道，而是因勢利導(dǎo)在下游坡頂附近匯入側(cè)邊泄流槽，形成“Y”字分岔型流道。“Y”字流道夾角的沙堆被水流侵蝕削減，經(jīng)歷多次滑塌后，沙堆范圍不斷縮小最終瓦解。圖11的潰決流量曲線出現(xiàn)多個次級“峰值流量”的情況即對應(yīng)此現(xiàn)象：“Y”字流道夾角的沙堆不斷崩塌，崩塌的顆粒又被水流沖走，過流斷面經(jīng)歷了先阻塞后擴(kuò)充的變化，使得下泄流量突然減小又突然增大，因而出現(xiàn)了鋸齒狀的曲線。第6組試驗相當(dāng)于2個流道同時擴(kuò)展，潰決速度加快，因而比第2組潰決流量大，峰現(xiàn)時間提前。

圖11 不同開槽位置的庫區(qū)水位變化過程及潰決流量過程Fig. 11 Change of upstream reservoir water level and the process of dam-break flow in the process of dam breaching for the discharge groove at different location

圖12 泄流槽開在一側(cè)的試驗潰決過程Fig. 12 Dam breaching process for the discharge groove setting at one side

3.2 開槽深度對潰決過程的影響

泄流槽的開挖降低了壩體最低高程，泄流槽的開挖深度決定了堰塞壩的最小壩高，這往往決定了堰塞湖的初始庫容和水力勢能。圖13（a）為第1、2、3組試驗的庫區(qū)水位變化過程，圖13（b）為第1、2、3組試驗的潰決流量過程，其中：第1組沒有開挖泄流槽，堰塞壩自然溢流；2、3組試驗的泄流槽深度分別為5、10 cm。

圖13 不同開槽深度的庫區(qū)水位變化過程及潰決流量過程Fig. 13 Change of upstream reservoir water level and the process of dam-break flow in the process of dam breaching for the discharge groove at different depth

從圖13（a）可以看出：3組試驗從不同的水位高開始溢流，初始溢流水位分別為0.40、0.35、0.30 m；3組水位都經(jīng)歷了先增漲后消減的過程，最終趨于不變；第1、2、3組試驗最高水位分別為0.41、0.38、0.35 m，隨著泄流槽開挖深度的增加，最高水位相應(yīng)減小。

從圖13（b）可以看出：第1組的潰決流量隨時間增加后迅速減小，曲線呈“高瘦型”；第2、3組的潰決流量隨時間增加后減小得更緩慢，曲線呈“矮胖型”；開挖泄流槽會降低峰值流量，延遲峰現(xiàn)時間，坦化潰決流量過程線。第1、2、3組試驗的洪水峰值流量分別為10.8、7.0、6.2 L/s，峰現(xiàn)時間分別為278、619、826 s；隨著泄流槽開挖深度的增加，潰決流量相應(yīng)減小，洪峰流量出現(xiàn)時間越晚。

開挖泄流槽降低了初始過流水位，堰塞湖庫水提前下泄，相應(yīng)地，堰塞湖蓄水量會大幅減小，下泄流量隨之減小。潰決初期，泄流槽產(chǎn)生溯源沖刷，逐漸拓展形成與下游河床銜接的斜坡道；當(dāng)泄流槽開挖得越深，斜坡道上游斷面的底高程越小，斜坡道的水力坡降越小，水流流速也越小，沖刷能力弱，壩體潰決過程較慢，峰值流量到達(dá)時間延遲。

3.3 開槽寬度對潰決過程的影響

泄流槽的寬度影響了初期排泄效率，導(dǎo)致潰口流量、潰口演化等方面表現(xiàn)出明顯差異。圖14（a）為第2、4、5組試驗的庫區(qū)水位變化過程，圖14（b）為第2、4、5組試驗的潰決流量過程；3組試驗的泄流槽寬度分別為3、6、9 cm，泄流槽深度均為5 cm。

圖14 不同開槽寬度的庫區(qū)水位變化過程及潰決流量過程Fig. 14 Change of upstream reservoir water level and the process of dam-break flow in the process of dam breaching for the discharge groove at different width

3組試驗從相同水位0.35 m開始過流，第2、4、5組最高水位分別為0.38、0.37、0.35 m，峰現(xiàn)時間分別為619、458、382 s。根據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：泄流槽開挖得越窄，水流受到泄流槽邊壁的限制作用越強(qiáng)，泄流量增加緩慢，峰值流量到達(dá)時間延遲；同時，因為初期泄流量小，上游水位持續(xù)增高，最高水位也越大。

泄流槽的開挖寬度影響著初期泄流效率，進(jìn)而從一個初始狀態(tài)影響到后續(xù)的動態(tài)演變過程，其帶來的影響是復(fù)雜的、兩面性的。泄流槽開挖越窄，初期泄流效率越低，這將導(dǎo)致水位持續(xù)上升，最高水位更大；泄流槽開挖越寬，泄流槽對過流的引導(dǎo)和限制作用減弱。因此，泄流槽開挖寬度應(yīng)綜合考慮洪峰流量、殘留壩體高度等因素，選擇一個綜合效益更好的泄流槽寬度。

由14（a）可知：第2、4、5組試驗的潰后水位分別為0.22、0.18、0.16 m，潰后水位越高，表明堰塞體殘余壩高越大，堰塞湖在潰決穩(wěn)定后仍有較大的攔蓄水量，隱藏著較大風(fēng)險。從預(yù)防堰塞湖二次潰決風(fēng)險的角度考慮，B= 3 cm具有較大的隱患。第4、5組試驗的洪水峰值流量分別為8.3、8.5 L/s，2組數(shù)據(jù)相差不大，考慮開挖量和經(jīng)濟(jì)效益，選B= 6 cm的泄流槽具有兼顧降低二次潰決風(fēng)險和減小潰決流量的綜合效益。

3.4 泄流槽優(yōu)化設(shè)計建議

試驗結(jié)果顯示，人工開挖泄流槽后堰塞壩的潰壩洪峰流量相比自然潰決減少了21%～43%，表明開挖泄流槽對于降低堰塞湖的潰決風(fēng)險是可行的。泄流槽的開挖位置及形狀尺寸對堰塞壩潰壩過程起著至關(guān)重要的作用，是泄流槽優(yōu)化設(shè)計中需要重點考慮的因素。

1）泄流槽位置的選擇

試驗中，泄流槽設(shè)在一側(cè)的試驗工況忽略了水槽溝谷地形的特質(zhì)，沒有考慮不均勻沉降帶來的影響，導(dǎo)致水流沒有按照預(yù)期設(shè)置的泄流槽發(fā)展；泄流槽設(shè)在中間的試驗工況利用水槽天然地形的優(yōu)勢，將泄流槽設(shè)置在壩體中部凹陷處，在相同的開挖量下，泄流量減小，潰決時長更短，大大降低了堰塞湖的潰決風(fēng)險。在堰塞湖災(zāi)害的現(xiàn)場應(yīng)急處置工作中，泄流槽位置的選擇要因地制宜，最好選擇在壩頂高程最低的埡口。通常情況下，堰塞壩地形起伏大，往往存在一個相對高程較低的埡口，適宜作為泄流槽的進(jìn)口位置[27]。對于高速滑坡-堰塞壩，滑坡體俯沖而下，高速撞擊對岸山體后逆坡爬高，最終折返回河道，滑坡體主要在對岸一側(cè)堆積，因而埡口一般在滑坡一側(cè)；對于低速滑坡-堰塞壩，滑坡體主要在本岸一側(cè)堆積，埡口一般在對岸。例如：白格“10·10”堰塞湖為高速滑坡形成，天然泄流槽位于本岸坡腳[28]；白格“11·3”堰塞體主要堆積在“10·10”堰塞體自然溢流后形成的流道中，是堆積體厚度相對較薄的部位，第2次溢流很可能發(fā)生在此處。因此，將引流槽布置于此，以減小洪峰流量[28]。

2）泄流槽的尺寸設(shè)計

泄流槽尺寸的選擇直接關(guān)系到堰塞湖的泄流能力。實際發(fā)生的堰塞湖在應(yīng)急處置過程中，泄流槽的開挖受時間和施工條件限制，應(yīng)選取開挖量盡可能小的斷面尺寸，并保證具有一定的初始過流能力，以使在水流沖刷作用下，不斷深切拓寬，加快泄流速度，盡量提前降低庫水位；同時，也要防止沖刷過快、后期流量失控而導(dǎo)致堰塞壩整體潰決[29-30]。為便于施工，實際搶險中泄流槽的斷面形式大多采用梯形，泄流槽的底寬受開挖機(jī)械性能的限制，一般取為定值（不同施工機(jī)械選取的底寬略有不同，如白格堰塞湖應(yīng)急泄流槽底寬為3 m[28]）。對比不同工況下的潰決流量，如圖15所示。研究表明，加大泄流槽深度對降低洪峰流量有顯著作用，泄流槽寬度對洪峰的影響相對偏小，且現(xiàn)階段最優(yōu)寬度尚難估定。因此，建議在開挖量相同時，優(yōu)先考慮加大泄流槽深度，最大限度地降低堰塞湖水位。然而，增大開挖深度必然會導(dǎo)致開挖量的急劇增加；實際搶險過程中，泄流槽深度的確定需要綜合考慮堰塞湖沖刷潰決風(fēng)險情況及有效施工時間、功效等，如：白格堰塞湖應(yīng)急搶險過程中，最終確定泄流槽的深度為13 m。

圖15 不同工況潰決流量對比Fig. 15 Comparison of dam-break flow under different conditions

堰塞壩的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)與形成堰塞壩的巖土體材料特性和運(yùn)動過程密切相關(guān)，某些堰塞壩壩體可能并非均勻的細(xì)顆粒材料，如唐家山堰塞壩。在此需要強(qiáng)調(diào)，所給出建議僅適用于類似于白格的壩體結(jié)構(gòu)均勻、壩體材料以細(xì)顆粒材料為主的堰塞壩。

4 結(jié) 論

以2018年金沙江白格滑坡-堰塞湖災(zāi)害為研究對象，開展堰塞壩潰決物理模型試驗，研究了不同泄流槽的位置、初始深度和初始寬度對堰塞壩潰決的影響，以期為堰塞湖應(yīng)急處置提供科學(xué)依據(jù)。試驗結(jié)果表明潰決過程包括4個階段：過流孕育階段、溯源侵蝕階段、潰決發(fā)展階段和河床再平衡階段。當(dāng)泄流槽全線過流時，從下游坡面開始發(fā)生溯源侵蝕，下泄流量逐漸增大，潰口形狀發(fā)展成上窄下寬的“喇叭形”。當(dāng)溯源沖刷的陡坎追溯到上游坡頂，泄流槽進(jìn)口斷面在侵蝕作用下突然拓寬，泄流槽將連通形成底坡i>0的斜坡道，進(jìn)而導(dǎo)致水流流速和流量突然增大，潰口形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g窄兩頭寬的“啞鈴型”，堰塞壩進(jìn)入潰決快速發(fā)展的階段，直至下泄流量逐漸恢復(fù)至上游來流水平，潰口形態(tài)不再變化為止。

壩體內(nèi)土壤含水率變化過程間接反映了壩體的滲流過程。在堰塞壩潰決前，堰塞壩土料處于飽和狀態(tài)，越靠近上游和高程越低的位置更快飽和。土體飽和后的含水率上升現(xiàn)象揭示了壩體內(nèi)部的滲流破壞和細(xì)顆粒流失，但漫頂仍是導(dǎo)致堰塞壩潰決的主要原因。

開挖泄流槽是堰塞湖應(yīng)急處置最常用的工程措施，作者進(jìn)一步探究了泄流槽開挖位置、開挖深度和寬度對潰決過程的影響。結(jié)果表明：當(dāng)泄流槽開挖寬度不變，深度增大時，洪峰流量降低，峰現(xiàn)時間延遲，潰決流量過程線坦化；泄流槽開挖深度相同時，隨寬度增大峰現(xiàn)時間延遲。據(jù)此提出了建議：泄流槽位置宜布置在壩頂高程最低的埡口，以減小峰值流量，縮短潰決歷時；泄流槽斷面面積相同的時候，優(yōu)先加大泄流槽深度，最大限度地降低堰塞湖水位。