凌汛期堤防漫頂潰口破壞規(guī)律斷面模型試驗(yàn)Ⅱ：非黏性土堤

劉 昉， 吳敏睿， 戚園春， 周世佳， 張 劍， 徐國(guó)賓

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300354； 2.天津大學(xué)前沿技術(shù)研究院有限公司， 天津 301700)

1 研究背景

凌汛是春天河道解凍期和冬天封河期由于晝夜溫差較大河中的水流與冰凌共存，在水流的帶動(dòng)下冰凌聚集在一起將河道堵塞導(dǎo)致河道中水位上升的一種現(xiàn)象。

黃河寧蒙河段由于其特殊的地理位置和氣溫條件，容易發(fā)生凌汛災(zāi)害，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致潰堤[1]。該河段流經(jīng)的區(qū)域緯度逐漸增加且相差較大，環(huán)境溫度隨之大幅降低，當(dāng)上游溫度上升，河冰解凍時(shí)，河流過(guò)流能力增強(qiáng)，而下游氣溫較低，水面仍處于封凍狀態(tài)，同時(shí)寧蒙河段坡降小，河流曲折往復(fù)，所以開(kāi)河期產(chǎn)生的冰凌洪水行進(jìn)緩慢，下泄不暢，水流容易在彎道或河道束窄處發(fā)生阻塞，形成冰壩洪水。堤防長(zhǎng)時(shí)間在超高標(biāo)準(zhǔn)的洪水位下運(yùn)行[2]，極易發(fā)生潰堤事故。

堤防潰決失事是一個(gè)復(fù)雜的水-土動(dòng)力學(xué)過(guò)程[3]，研究潰堤問(wèn)題主要依靠歷史統(tǒng)計(jì)資料分析和數(shù)值模擬，在缺乏實(shí)測(cè)資料的情況下，物理模型試驗(yàn)也是一項(xiàng)必要的研究手段。復(fù)演已有的潰堤事故有很大的困難，且潰堤過(guò)程具有一定的偶然性，很難進(jìn)行完全的重復(fù)性試驗(yàn)，現(xiàn)有潰堤過(guò)程的模型試驗(yàn)大多是概化模型研究[4-7]，大多只考慮水動(dòng)力條件相似而忽略泥沙和組成材料顆粒的相似性。Schmocker 等[8-10]模擬了因溢流造成的堤壩決口過(guò)程，認(rèn)為平均粒徑可以很好地描述非黏性材料的特性，而實(shí)驗(yàn)室尺度下的一般潰堤特征可以用均勻材料來(lái)研究。

潰堤過(guò)程受到多種因素的影響，如流量、堤身材料和受力條件等[11]，潰口的發(fā)展最終靠土體強(qiáng)度或抗沖性來(lái)決定，這與堤防組成材料和土體壓實(shí)度及含水率有關(guān)[12-13]。已有的潰堤試驗(yàn)分析了影響潰堤過(guò)程的不同因素，按照一定的規(guī)律將潰堤過(guò)程分成不同的階段，主要分為垂向侵蝕和側(cè)向侵蝕兩部分[14-18]。此外，黃河堤防在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)[19]之前存在很多問(wèn)題，其中大多是民堤，具有較低的安全性，在凌汛期發(fā)生潰堤事故將造成十分嚴(yán)重的后果。目前針對(duì)冰水動(dòng)力作用下潰堤過(guò)程的研究較少，由于冰凌的存在，潰堤的危險(xiǎn)程度大大增加，潰堤過(guò)程也更為復(fù)雜，進(jìn)行冰凌作用下的非黏性土堤潰堤研究十分必要。

本文以堤防邊坡比、河道流量等作為單因素變量開(kāi)展堤防潰決概化模型試驗(yàn)，探究非黏性土堤在凌汛期冰凌條件與洪水期的堤防潰決過(guò)程規(guī)律，尋找凌汛期與洪水期潰口發(fā)展過(guò)程的異同點(diǎn)，為凌汛期非黏性土堤防凌措施的制定提供科學(xué)的參考。

2 模型試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎秒p層水槽結(jié)構(gòu)，上層試驗(yàn)水槽用來(lái)模擬河道和潰堤過(guò)程，下層水槽用于排水，攔截潰堤水流中的土體并進(jìn)行沉淀分離。上游河道水槽進(jìn)水口設(shè)有進(jìn)水閥和電磁流量計(jì)控制水流并記錄河道流量，下游河道水槽采用插板門調(diào)節(jié)河道水位。在上、下游河道布置攔截網(wǎng)，進(jìn)行冰凌洪水潰堤試驗(yàn)時(shí)將冰塊堆積在堤防前側(cè)。為方便描述試驗(yàn)現(xiàn)象，將試驗(yàn)堤面向左半部分U型河道槽的部分稱為堤前，試驗(yàn)堤與右半部分洪水演進(jìn)區(qū)相鄰的部分稱為堤后。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

試驗(yàn)時(shí)使用波高儀測(cè)量堤前和堤后水位變化，在堤潰口前適宜位置放置ADV聲學(xué)測(cè)速儀測(cè)量潰口處流速，在潰口正上方放置一個(gè)結(jié)構(gòu)光傳感器錄制試驗(yàn)過(guò)程并采集潰口寬度變化數(shù)據(jù)，分析潰堤過(guò)程中的潰口結(jié)構(gòu)變化。結(jié)構(gòu)光傳感器[20]的工作原理為：將結(jié)構(gòu)光投射到待測(cè)物表面后被待測(cè)物的高度調(diào)制，被調(diào)制的結(jié)構(gòu)光經(jīng)攝像系統(tǒng)采集傳送至計(jì)算機(jī)等處理器內(nèi)，通過(guò)分析計(jì)算后可得出被測(cè)物的三維面形數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)工況及步驟

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑楦呕谭滥Ｐ停紤]到在不同地段筑堤時(shí)所選取的堤防邊坡比可能會(huì)有所不同，并且在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)不同邊坡比對(duì)堤防的穩(wěn)定性有較大的影響，分別選取1∶1、1∶1.5和1∶2共3種邊坡比。實(shí)際工程中堤頂寬度也不相同，選擇12和16 cm兩個(gè)不同的堤頂寬度。共選取4種堤身斷面尺寸進(jìn)行試驗(yàn)，各斷面尺寸見(jiàn)圖 2。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷躺頂嗝娉叽?單位：cm)

試驗(yàn)采用均質(zhì)非黏性土，所采用的非黏性土顆粒級(jí)配曲線如圖 3所示。根據(jù)顆粒級(jí)配可以判斷該非黏性土為粗砂。

圖3 試驗(yàn)土堤非黏性土顆粒級(jí)配曲線

受試驗(yàn)設(shè)備尺寸限制，試驗(yàn)流量范圍為10～40 m3/h。分別進(jìn)行洪水條件和冰凌條件兩種試驗(yàn)條件下不同堤身斷面尺寸和流量的潰堤試驗(yàn)，分別分析潰堤過(guò)程并比較二者的異同點(diǎn)。為便于描述試驗(yàn)現(xiàn)象，以試驗(yàn)條件、潰堤流量和堤身斷面尺寸的組合來(lái)表示每組試驗(yàn)。冰凌條件下試驗(yàn)時(shí)室溫約為20 ℃。試驗(yàn)工況見(jiàn)表 1。

表1 試驗(yàn)工況表

試驗(yàn)步驟如下：

(1)將試驗(yàn)選用的非黏性土按照相應(yīng)的堤防斷面尺寸堆筑成型。為控制變量，采用干燥的土體加入定量的水來(lái)控制堤防的含水率在10%左右。同等體積下采用相同質(zhì)量的土來(lái)保證各工況土堤的壓實(shí)度一致。試驗(yàn)開(kāi)始前，在堤身適宜位置處設(shè)置矩形引導(dǎo)潰口，尺寸為10 cm×10 cm×2 cm(長(zhǎng)×寬×高)，并在堤身上游側(cè)做1 mm厚的黏土防滲層，每次試驗(yàn)保證引導(dǎo)潰口開(kāi)在同一位置。

(2)連接試驗(yàn)設(shè)備波高儀、流速儀和結(jié)構(gòu)光傳感器。采集潰堤過(guò)程開(kāi)始至結(jié)束時(shí)的水位、流速和試驗(yàn)堤三維面形數(shù)據(jù)。

(3)開(kāi)啟水泵，上游水槽進(jìn)水，調(diào)節(jié)上游進(jìn)水閥門控制進(jìn)流流量，待流量達(dá)到要求值并穩(wěn)定后調(diào)節(jié)下游河道槽中的插板門，使河道水位緩慢上漲至距引導(dǎo)潰口底部1 cm處。

(4)待水位穩(wěn)定后，微調(diào)下游閥門，使水位緩慢上漲至與引導(dǎo)潰口齊平。冰凌條件下試驗(yàn)時(shí)，水位穩(wěn)定后在試驗(yàn)堤與攔截網(wǎng)圍成的區(qū)域內(nèi)緩慢加入冰塊，使其在堤前堆積，每次試驗(yàn)加入足量且定量的冰塊，保證試驗(yàn)條件的一致性。當(dāng)水位略高于潰口底部并流至引導(dǎo)潰口上表面時(shí)視為潰堤過(guò)程開(kāi)始。

3 堤防潰決過(guò)程

3.1 洪水條件下潰堤過(guò)程

非黏性土抗沖性差，潰口發(fā)展迅速，潰決速度較快，根據(jù)其潰口的發(fā)展過(guò)程可大致將均質(zhì)非黏性土堤的潰決過(guò)程分為4個(gè)階段[14]。

第1階段：滲透過(guò)流(見(jiàn)圖4(a))。水流高過(guò)引導(dǎo)潰口底部，在引導(dǎo)潰口表面進(jìn)行滲透式前進(jìn)；堤身顏色變暗處即為含水率增大處，此后潰口附近的含水率進(jìn)一步增加，逐漸到達(dá)堤身后側(cè)。

第2階段：堤后沖刷(見(jiàn)圖4(b))。水流緩慢流至堤身后側(cè)，并在堤身后側(cè)形成較小的沖刷溝，此時(shí)流速較緩，潰口處土體因含水率增大隨水流在堤后淤積；水流沖刷引起堤防背水側(cè)坍塌，潰口在垂向表現(xiàn)為傾斜的、高度緩慢降低的斜坡；隨著潰口的發(fā)展，潰口垂向深度增加，過(guò)流范圍逐漸增加至與引導(dǎo)潰口同寬，發(fā)生溯源侵蝕，潰口處的斜坡坡度不斷變緩，潰口深度自堤后向堤前發(fā)展。該階段的沖刷以垂向侵蝕為主。

第3階段：潰口快速橫向展寬(見(jiàn)圖4(c))。經(jīng)過(guò)堤后沖刷階段，堤防前后側(cè)形成水位差，隨著沖刷溝深度的增加，水流流速增大，沖刷速度加快；潰口發(fā)展由以垂向侵蝕為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詡?cè)向侵蝕為主，潰口展寬以潰口兩側(cè)土體失穩(wěn)坍落為主，潰口處流速基本達(dá)到最大值，坍落的土體被水流沖走。

第4階段：沖淤平衡(見(jiàn)圖4(d))。潰口深度達(dá)到最大，垂向深度不再發(fā)展，潰口橫向持續(xù)展寬至潰口寬度基本穩(wěn)定；堤身前后水位差減小，水動(dòng)力不足以再擴(kuò)寬潰口，流速變緩，水流趨于穩(wěn)定；堤后坡腳淤積嚴(yán)重，潰口附近形成大面積的淤積體支撐潰口兩端形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。潰口呈現(xiàn)不規(guī)則的梯形斷面，斷面兩側(cè)邊坡“坑坑洼洼”且斷面不連續(xù)。

圖4 洪水條件下均質(zhì)非黏性土堤潰口發(fā)展過(guò)程

3.2 冰凌條件下潰堤過(guò)程

冰凌條件下，通過(guò)結(jié)構(gòu)光傳感器能夠更加直觀地觀察到潰口垂向發(fā)展過(guò)程。冰凌條件下的潰堤過(guò)程也可大致分為4個(gè)階段。

第1階段：滲透過(guò)流(見(jiàn)圖 5(a))。冰塊在堤前堆積，由于引導(dǎo)潰口尺寸的限制，冰塊不能立即通過(guò)潰口，水流向堤身內(nèi)滲透的同時(shí)向堤后側(cè)滲透式前進(jìn)；堤前冰塊不斷的融化引起水位緩慢上漲，相對(duì)于洪水條件的潰堤試驗(yàn)，滲透過(guò)流這一階段的持續(xù)時(shí)間明顯縮短。

第2階段：堤后沖刷(見(jiàn)圖 5(b))。水流通過(guò)引導(dǎo)潰口流至堤后側(cè)，堤前堆積的冰塊影響過(guò)流，水流流速相較于洪水條件增大，但堤身前后水位差不變，水流在堤身后側(cè)形成較小的沖刷溝；此時(shí)潰口寬度并未增加，冰塊依然無(wú)法過(guò)堤，隨著潰口處流量增大，水流沖刷引起堤防背水側(cè)坍塌，形成較緩的斜坡，并在堤后側(cè)淤積成小堆土體；潰口垂向深度增加，過(guò)流范圍增加至與引導(dǎo)潰口同寬，流速增大將堤后側(cè)淤積的土體沖走。該階段依然以垂向侵蝕為主，潰口的側(cè)向侵蝕較少，潰口發(fā)展的主要原因仍然是堤身表面侵蝕后退。

第3階段：潰口橫向展寬(見(jiàn)圖 5(c))。該階段又可分為兩部分。

第1部分：水流挾冰迅速展寬。潰口整體寬度增加至與引導(dǎo)潰口大致相同時(shí)，部分冰塊可在水流的挾帶下通過(guò)潰口，使?jié)⒖趯挾妊杆僭龃?，并帶走部分土體，潰口的垂向深度也相應(yīng)增加。若冰塊尺寸稍大于引導(dǎo)潰口，首先冰塊在堤前被卡住，導(dǎo)致流道束窄，流速增大，進(jìn)而帶動(dòng)冰塊迅速通過(guò)潰口，潰口展寬幅度較大，相較于洪水條件，潰口展寬至同等寬度所需時(shí)間明顯減少。如圖6(a)所示，冰塊卡在引導(dǎo)潰口處影響過(guò)流，從而使流速增大，冰塊強(qiáng)行通過(guò)擴(kuò)寬潰口。

第2部分：冰塊撞擊潰口兩側(cè)，土體失穩(wěn)擴(kuò)寬。堤前堆積的冰塊通過(guò)潰口后，上游河道的其余冰塊向潰口處靠近，此時(shí)流速增加，潰口寬度較大，冰塊無(wú)法再次在堤前堆積，冰塊隨水流較為順利地通過(guò)潰口。部分冰塊會(huì)與潰口兩側(cè)的土體相撞，在冰塊和水流的共同作用下，潰口兩側(cè)土體被水流帶走。水流在水面與堤身交界處沖刷導(dǎo)致兩側(cè)土體失穩(wěn)坍塌，潰口進(jìn)一步擴(kuò)寬。這一階段的展寬以潰口兩側(cè)土體坍落為主。如圖 6(b)所示，潰口已有一定寬度，冰塊在通過(guò)潰口時(shí)會(huì)對(duì)潰口兩側(cè)土體進(jìn)行“切割”，在與水流的共同作用下使土體失穩(wěn)坍塌。坍塌土體落在潰口中部，然后在水流沖刷下被解體帶走。

圖6 冰凌條件下潰口發(fā)展第3階段實(shí)測(cè)圖

冰塊通過(guò)引導(dǎo)潰口后落在堤身后側(cè)，潰口發(fā)展初始階段流速較小，過(guò)堤水流較少，冰塊與堤后淤積體均留在潰口后側(cè)(圖 5(c))。冰塊逐漸堆積，隨著潰口寬度的增加，過(guò)堤水流流速增大，堆積的冰塊被水流帶走，部分落入潰堤水流兩側(cè)的回旋區(qū)，在水流的作用下堆積在潰口兩端的堤身后側(cè)。

第4階段：沖淤平衡(見(jiàn)圖 5(d))。潰口深度達(dá)到最大，垂向深度不再發(fā)展；河道內(nèi)冰塊數(shù)量很少，堤身后側(cè)的冰塊多留在堤后潰口兩側(cè)水流回旋區(qū)域；潰口橫向持續(xù)展寬至潰口寬度基本穩(wěn)定；堤后坡腳淤積嚴(yán)重，堤后水位上升，水流趨于穩(wěn)定，流速減小，無(wú)法對(duì)堤身形成沖刷；下游河道中放置攔截網(wǎng)攔截冰塊，潰堤后期仍有部分冰塊滯留于流速儀與下游攔截網(wǎng)圍成的區(qū)域內(nèi)，但流速過(guò)小，冰塊不再通過(guò)潰口。

圖5 冰凌條件下均質(zhì)非黏性土堤潰口發(fā)展過(guò)程

4 兩種條件下潰口發(fā)展過(guò)程異同點(diǎn)

冰凌條件下的潰堤過(guò)程與洪水條件下的潰堤過(guò)程有很多異同點(diǎn)，首先，潰口發(fā)展過(guò)程大致相同，均可大致分為滲透過(guò)流、堤后沖刷、潰口展寬、沖淤平衡4個(gè)階段；其次，不同階段的發(fā)展特征有所不同。主要的不同點(diǎn)有：(1)滲透過(guò)流時(shí)長(zhǎng)。冰凌條件下由于堤前冰塊堆積，水位上升，潰口處卡冰流速增大，滲透過(guò)流速度較快，滲透過(guò)流時(shí)長(zhǎng)相對(duì)縮短，且與環(huán)境溫度有關(guān)。(2)堤后沖刷速度。洪水和冰凌條件下潰口的垂向發(fā)展形式均為持續(xù)的表面沖刷，但冰凌條件下由于潰口處卡冰，流速較洪水條件下增大，冰凌條件下沖刷速度較快。(3)潰口展寬形式和速度。洪水條件下潰口依靠水流沖刷，潰口兩側(cè)土體失穩(wěn)展寬。冰凌條件下潰口展寬形式有兩種，即水流挾冰展寬和冰塊撞擊潰口兩側(cè)失穩(wěn)展寬，潰口展寬速度也大于洪水條件。(4)最終潰口形態(tài)。兩種條件下最終形成的潰口形態(tài)均為倒梯形，潰口兩側(cè)并不是光滑連續(xù)的斷面，不同的是冰凌條件下堤前會(huì)有冰塊堆積。

4.1 最終潰口寬度

冰凌條件下最終潰口寬度較大，潰口展寬速度更快。本文中取潰堤發(fā)展時(shí)長(zhǎng)300 s時(shí)的潰口平均寬度作為潰口的最終寬度，此時(shí)潰口寬度基本穩(wěn)定，但實(shí)際上每組潰堤時(shí)長(zhǎng)各不相同， 即達(dá)到穩(wěn)定潰口寬度的時(shí)刻也不相同。以試驗(yàn)組次40B為例，兩種條件下潰口寬度變化過(guò)程如圖7所示。

圖7 洪水和冰凌條件下潰口寬度的變化過(guò)程

根據(jù)潰口展寬的特點(diǎn)可將其分為兩個(gè)階段：快速展寬階段和緩慢展寬階段。潰口快速展寬階段流速較大，潰口發(fā)展較快，而后續(xù)的緩慢展寬階段所需時(shí)間長(zhǎng)且展寬幅度小，因此，取每組試驗(yàn)快速展寬階段且潰口寬度接近最終潰口寬度大小的時(shí)刻，作為其潰口展寬的快速展寬時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而計(jì)算其展寬速度。洪水與冰凌條件下潰口最終寬度和展寬速度對(duì)比見(jiàn)表 2。

表2 洪水與冰凌條件下潰口最終寬度和展寬速度對(duì)比

由表2可知，同一工況冰凌條件下的潰口寬度和快速展寬速度較洪水條件下均有不同程度的增大。一般而言，流量越大，則潰口寬度增大的幅度越大，對(duì)于堤身斷面A和B而言，冰凌條件下最終潰口寬度增加值最大的為工況40A(Q=40 m3/h，堤身斷面為A)，增加了7.49 cm，相應(yīng)的快速展寬速度增加了73.53%。同等流量下，增大堤頂寬度(斷面A和B)，冰凌及洪水條件下的最終潰口寬度均有所減小。

比較堤身3種邊坡(試驗(yàn)工況為40A、40C、40D)的最終潰口寬度可知，相同條件下水流對(duì)堤身的沖刷隨著堤身斷面邊坡的變緩而逐漸減弱，最終形成的潰口寬度變小，說(shuō)明堤身邊坡變緩可增強(qiáng)抵抗水流沖刷的能力；在流量相同而堤身斷面邊坡不同的試驗(yàn)中，最終潰口寬度增加幅度最大的為工況40D(Q=40 m3/h，堤身斷面邊坡為1∶2)，增加了11.07 cm，相應(yīng)的快速展寬速度也較洪水條件增大了94.44%，說(shuō)明河道中有冰凌存在的情況下會(huì)顯著加速潰堤過(guò)程，增加搶險(xiǎn)的難度。

4.2 潰堤過(guò)程中水位變化

設(shè)堤前河道水位測(cè)點(diǎn)為1#測(cè)點(diǎn)，堤后洪水演進(jìn)區(qū)水位測(cè)點(diǎn)為2#測(cè)點(diǎn)。潰堤過(guò)程開(kāi)始后，1#測(cè)點(diǎn)處水位由堤前穩(wěn)定水位逐漸降低，2#測(cè)點(diǎn)處水位逐漸升高，潰堤后期，堤前和堤后水位分別緩慢降低和升高至穩(wěn)定水位，水位變化速度由快變慢，這與潰口寬度的發(fā)展規(guī)律較為一致。河道加冰試驗(yàn)時(shí)冰塊堆積在堤前，影響了流速儀和波高儀的數(shù)據(jù)采集，但波高儀受影響較小，因而水位數(shù)據(jù)只有部分波動(dòng)，是儀器與冰塊接觸所致。冰凌條件下河道水位變化情況與洪水條件下基本相同，冰塊的加入并不影響水位漲落的基本規(guī)律，以兩種條件下試驗(yàn)工況20B (Q=20 m3/h，堤身斷面為B)為例，其堤前(1#測(cè)點(diǎn))及堤后(2#測(cè)點(diǎn))河道水位變化過(guò)程如圖 8所示。

圖8 洪水和冰凌條件下堤前及堤后河道水位變化過(guò)程

將各工況下的堤后(2#測(cè)點(diǎn))最終穩(wěn)定水位進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表3。

由表3可知，河道冰凌條件下潰堤后的最終穩(wěn)定水位略高于洪水條件下的穩(wěn)定水位，其水位升高幅度隨著流量的增加而增大，這主要是由潰口最終寬度決定的。在洪水條件下潰堤后，一部分水流流入堤后的洪水演進(jìn)區(qū)，最終達(dá)到穩(wěn)定水位。而在冰凌條件下，部分冰塊堆積在堤身與下游河道攔截網(wǎng)圍成的區(qū)域內(nèi)，且這部分冰塊不易被水流沖走，待潰堤后期河道水位下降時(shí)，這部分冰塊對(duì)下游河道的水流產(chǎn)生阻礙作用，使堤后的最終穩(wěn)定水位略有升高。由此可見(jiàn)，河道最終的穩(wěn)定水位是最終潰口寬度和河道中冰塊堆積共同作用的結(jié)果。

表3 各工況洪水與冰凌條件下堤后最終穩(wěn)定水位對(duì)比 mm

為了研究堤身斷面坡度對(duì)潰堤過(guò)程中水位變化的影響，分別將洪水和冰凌條件下3種堤身斷面邊坡的堤前和堤后水位變化速度進(jìn)行比較，并計(jì)算邊坡為1∶1.5(工況40C)和1∶2(工況40D)時(shí)相較于邊坡為1∶1(工況40A)時(shí)的變化值，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 洪水和冰凌條件下不同堤身斷面邊坡的水位變化速度對(duì)比 mm/s

由表 4可知，在河道內(nèi)有冰凌存在的情況下，潰口發(fā)展速度加快，但隨著堤身邊坡的變緩，水位變化速度增幅減小。相對(duì)于1∶1邊坡而言，洪水條件下改變邊坡為1∶2時(shí)堤后水位增速減小了0.118 mm/s，而冰凌條件下減小了0.238 mm/s，表明堤身邊坡變緩能顯著降低堤后洪水演進(jìn)區(qū)的水位增速。

4.3 潰堤過(guò)程中流速變化

洪水和冰凌條件下潰口處流速變化趨勢(shì)基本一致，即在潰堤初始階段流速迅速增大達(dá)到峰值，隨著潰口寬度的增加，流速逐漸減小至穩(wěn)定值。冰凌條件下試驗(yàn)工況40A由于冰塊的干擾，流速值缺失，但不影響分析。流速儀采集的是三維流速，具有x、y、z3個(gè)方向，3個(gè)方向符合右手定則，其布置方向見(jiàn)圖9。

圖9 試驗(yàn)流速儀布置方向

將洪水和冰凌條件下潰堤過(guò)程中潰口處流速變化進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可以看出，冰凌條件下潰口處峰值流速明顯增大，尤其是在潰堤的“堤后沖刷”階段，此時(shí)冰塊阻塞水流下泄，并且堤身前后形成的水位差最大，流速也逐漸達(dá)到最大。其中增幅最大的工況為20A，其x方向峰值流速增大率為81.5%，而y方向變化不大，因?yàn)閥方向流速與初始流量相關(guān)，該工況洪水和冰凌條件下潰口處流速變化過(guò)程見(jiàn)圖10。此外，冰凌條件下流速峰值出現(xiàn)的時(shí)間提前，河道中冰塊的存在使?jié)⒌虝r(shí)長(zhǎng)縮減，即加快了潰堤發(fā)展過(guò)程。

表5 洪水與冰凌條件下各工況潰口處x方向峰值流速對(duì)比

圖10 洪水和冰凌條件下工況20A潰口處流速變化過(guò)程

分析比較圖10中沿試驗(yàn)堤方向即y方向的流速變化，y方向初始流速取決于河道初始流量，潰堤前后y方向流速有所變化但變化幅度不大。取兩種條件下各工況潰口處y方向最終穩(wěn)定流速列于表6，由表6可以看出，洪水條件下相同流量潰口處y方向穩(wěn)定流速大致相等，冰凌條件下大部分工況y方向流速有所減小，這與河道內(nèi)水量分配相關(guān)，同時(shí)堤前與下游攔截網(wǎng)處堆積的冰塊也會(huì)降低y方向的流速。

表6 洪水與冰凌條件下各工況潰口處y方向穩(wěn)定流速對(duì)比

5 結(jié) 論

通過(guò)模擬洪水和冰凌條件下非黏性土堤的漫頂潰堤過(guò)程，分析了潰口發(fā)展的不同階段和各階段的異同點(diǎn)，主要結(jié)論如下：

(1)兩種條件下的潰堤過(guò)程均可劃分為4個(gè)階段：滲透過(guò)流、堤后沖刷、潰口展寬和沖淤平衡，潰口的發(fā)展階段大致相同，但各階段發(fā)展速度和形式不同，洪水和冰凌條件潰口垂向發(fā)展方式均為表面侵蝕后退，洪水條件下潰口依靠水流沖刷邊坡失穩(wěn)展寬，冰凌條件下主要有水流挾冰展寬和冰塊撞擊潰口兩側(cè)失穩(wěn)展寬兩種方式。

(2)同等條件下潰口的最終寬度取決于河道的初始流量，即初始流速的大小，增加堤頂寬或斷面邊坡變緩可使最終的潰口寬度減小。因此增大堤頂寬度或者減緩堤身斷面的邊坡有利于堤防安全。

(3)冰凌條件下的潰口寬度較洪水條件下有不同程度的增大，一般而言，流量越大，則潰口寬度增大的幅度越大，同時(shí)快速展寬速度也較洪水條件增大，說(shuō)明冰凌存在的情況下能夠加速潰堤過(guò)程，從而增加了搶險(xiǎn)難度。

(4)兩種條件下潰口處流速及土堤前后水位變化趨勢(shì)基本一致。冰凌條件下潰口處峰值流速明顯增大，出現(xiàn)時(shí)間提前。同一流量下，減緩邊坡能顯著降低堤后水位的上升速度和潰口處峰值流速。試驗(yàn)結(jié)果有助于認(rèn)識(shí)凌汛期堤防潰決過(guò)程和特點(diǎn)，可為實(shí)際工程中的險(xiǎn)情防控和搶險(xiǎn)提供參考。建議在凌汛易發(fā)河段，應(yīng)盡可能地減緩堤身邊坡、增大堤頂寬度，以提高堤防安全性，增加搶險(xiǎn)時(shí)間。