凍土條件下均質(zhì)土堤漫頂潰決試驗研究

劉 昉，戚園春，吳敏睿

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室, 天津 300354)

堤防是筑于河渠外圍，用于束縛水流、防洪御浪的重要擋水建筑物。極端自然條件、堤身內(nèi)患及人為破壞均可能誘發(fā)潰堤事故。歷史上“九江決堤”[1]特大洪災(zāi)牽涉省市眾多，百姓傷亡慘重，黃河流域更是洪水泛濫成災(zāi)。隨著中華人民共和國成立后堤防安全防護(hù)工作和流域治理工作的大力開展，洪災(zāi)事件才逐漸減少。但近年來中小型潰堤事件仍時有發(fā)生[2-4]，2021年7月內(nèi)蒙古2座水庫堤壩潰決，10月受連續(xù)強(qiáng)降雨影響山西部分區(qū)域支流出現(xiàn)潰堤。兇猛的潰堤洪水會沖毀民宅，淹沒農(nóng)田，致使水利、交通、通信等設(shè)施嚴(yán)重受損，給人民的生產(chǎn)生活和生態(tài)環(huán)境帶來巨大的威脅。因此，深入研究堤防的潰決機(jī)理，掌握洪泛區(qū)的洪水演進(jìn)規(guī)律非常重要，這對編制合理高效的堤防維護(hù)和搶險修復(fù)方案也具有重要意義。

模型試驗易于調(diào)控變量和監(jiān)測數(shù)據(jù)，是研究堤壩潰決機(jī)理的重要手段。目前，關(guān)于大壩潰決機(jī)理的試驗研究較多[5-6]，在堤防潰決研究方面，潰決區(qū)域的流量、流速、水位等水力要素的變化特性是研究熱點之一。Roger等[7-8]最先發(fā)現(xiàn)潰堤波與潰壩波的差異，并通過模型試驗探究了潰堤后穩(wěn)定狀態(tài)的潰口分洪特性。陸靈威等[9-10]開展了大型水槽模型試驗，通過測量整個潰決區(qū)域的水位、流場變化，探究了潰堤洪水在洪泛區(qū)及河道內(nèi)的實時傳播特性。張曉雷等[11]在試驗中考慮河槽形態(tài)，分析了潰堤后灘槽內(nèi)的水位變化特性及灘區(qū)內(nèi)的洪水波傳播過程，并基于數(shù)值模擬分析了灘區(qū)糙率對水流演進(jìn)過程的影響?；谖锢砟Ｐ驮囼灲Y(jié)果，理解潰口形態(tài)的演變過程及其對水流要素的響應(yīng)規(guī)律尤為重要。余明輝等[12]探究了非黏性土土堤潰決過程中潰口形態(tài)的變化規(guī)律及其與流量、材料粒徑之間的關(guān)系。魏紅艷等[13]進(jìn)行了粉質(zhì)黏土堤防漫溢潰決試驗，探究了河道流量、土體含水率、孔隙率對潰口發(fā)展過程的影響。田治宗等[14]開展了動床實體模型試驗，探討了堤防潰決過程中流量和潰口寬度對潰口區(qū)域流場、水位及地形沖淤的影響。梁艷潔等[15]探究了流量、水位差、材料粒徑對非黏性土土堤潰口橫向展寬的影響。堤壩潰決模型常通過假定潰口形態(tài)線性變化來計算漫頂潰決洪水的演進(jìn)過程[16-18]，研究具體的潰口形態(tài)演變規(guī)律可為數(shù)值模型的驗證提供豐富的數(shù)據(jù)資料，而且采用精確便攜的測量儀器有利于準(zhǔn)確認(rèn)識潰口形態(tài)的演變規(guī)律。在此類模型試驗中，學(xué)者們多采用高清攝像機(jī)結(jié)合網(wǎng)格技術(shù)、圖形分析技術(shù)處理潰口橫向展寬，在潰口處布設(shè)自動地形儀確定潰口高程。張建云等[19]和段文剛等[20]分別在試驗壩體內(nèi)埋設(shè)自主研發(fā)的變形傳感器和埋入式輕型沖蝕捕捉器，記錄潰口的垂向沖蝕過程。然而，現(xiàn)有的測量工具無法兼?zhèn)浔銛y、量測范圍全面和后處理程序精簡等特點。

除上述因素外，凍融作用也會影響堤防的潰決過程。位于季節(jié)性凍土區(qū)的堤防極易受凍融侵蝕的威脅，凍融作用會打破堤體內(nèi)部的原有平衡狀態(tài)，顯著改變堤身土體的溫度場和水分場[21]，影響土體粒徑分布、孔隙狀態(tài)、滲透性、強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)[22-23]。潰堤過程與土體的物理力學(xué)指標(biāo)密切相關(guān)，因此，凍融作用影響下堤防的潰決特性是否與前人研究結(jié)果一致尚需進(jìn)一步探究。由于凍結(jié)期和融化期土體性質(zhì)的變化趨勢不同，直接研究完整凍融周期下的潰堤特性較為困難，故本文初步模擬凍土試驗環(huán)境并開展大型彎道水槽概化模型試驗。通過在室外自然環(huán)境下凍結(jié)土堤，采用結(jié)構(gòu)光傳感器和溫度傳感器監(jiān)測潰口形態(tài)和堤體溫度，初步探究了凍土條件下均質(zhì)土堤在漫頂潰決過程中潰口形態(tài)的演變規(guī)律和潰決區(qū)域的水位、流速、流量等水力要素的變化特性，旨在為堤防凍融侵蝕破壞機(jī)理的研究提供理論依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗裝置

試驗在天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室開展。水槽平面布置見圖1，全長30 m，深1 m，堤前為U形主槽區(qū)，堤后為洪水演進(jìn)區(qū)。砌磚水槽用于處理尾水，巴歇爾槽用于確定出口流量。堤頂寬20 cm，堤底寬100 cm，堤高20 cm，坡度比為1∶2。堤頂設(shè)矩形引導(dǎo)潰口，深2 cm，寬10 cm。堤頂布置結(jié)構(gòu)光傳感器以測量潰口形態(tài)，該儀器基于結(jié)構(gòu)光的三維成像原理，可實現(xiàn)潰口輪廓的主動測量，即被投射至潰口表面的結(jié)構(gòu)光被調(diào)制后經(jīng)攝像系統(tǒng)采集，再經(jīng)計算機(jī)解析處理，可輸出潰口的三維參數(shù)。

圖1 水槽平面布置示意圖(單位:m)

本文將未考慮凍土作用的試驗組次稱為洪水條件，凍土條件和洪水條件下的堤防初始狀態(tài)不同。凍土試驗在室外完成筑堤和凍結(jié)，凍結(jié)時在堤底和兩側(cè)布置隔溫棉，在堤身一側(cè)不同深度處埋設(shè)溫度傳感器，以監(jiān)測堤體溫度，并確保潰口無法擴(kuò)展至埋設(shè)位置。而洪水試驗直接在水槽筑堤，筑堤時保證各工況堤身壓實度一致，試驗前在堤體表面涂抹防滲黏泥。洪水演進(jìn)區(qū)初始為干河床，試驗開始后打開進(jìn)水閥和插板門，從上游蓄水，待水位距初始潰口底部約1 cm并穩(wěn)定后微調(diào)插板門高度。當(dāng)水位開始漫過引導(dǎo)潰口，計時并采集數(shù)據(jù)。至潰口形態(tài)和測點數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，結(jié)束采集。

1.2 試驗工況

考慮到材料粒徑會影響凍結(jié)作用對土體結(jié)構(gòu)的改造，分別選用黏性土和非黏性土作為筑堤材料，顆粒級配曲線見圖2。試驗組次和參數(shù)見表1，各工況重復(fù)試驗結(jié)果表明，潰口形態(tài)變化過程、潰決區(qū)域的水位和流速以及巴歇爾槽流量變化特性均非常接近，從而保證了試驗結(jié)果的可信度。

圖2 試驗材料級配

表1 試驗組次和參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

基于潰口的形態(tài)演變規(guī)律將整個潰決過程劃分為滲透過流、堤后沖蝕、橫向展寬、沖淤平衡4個階段，凍土條件下各階段的潰決特性分析如下。

2.1 凍土條件下非黏性土堤漫頂潰決過程

a.滲透過流階段。受主槽區(qū)水面波動的影響，水流在引導(dǎo)潰口表面緩慢行進(jìn)，部分水流向引導(dǎo)潰口底部及兩側(cè)滲透。潰口形態(tài)見圖3。

圖3 非黏性土堤潰口形態(tài)

b.堤后沖蝕階段。水流一旦漫過引導(dǎo)潰口，重力勢能轉(zhuǎn)換為動能，在堤后表面沖出淺窄的沖刷溝。隨著背水側(cè)股狀水流延展為片狀水流，沖刷溝寬度增大。堤頂與背水側(cè)的連接處最先被沖蝕至非凍土層而形成凹陷，水流跌落至凹陷處，一方面形成反向漩渦，加速來流側(cè)堤底淘蝕；另一方面形成挑射水流，加速堤后表面沖刷。沖積顆粒在坡腳處形成偏向主槽區(qū)下游的“空心沖積扇”。之后，跌坎逐漸向堤前移動，劇烈紊動區(qū)域隨之?dāng)U展，潰口深度逐漸增加，堤前與臨水側(cè)的連接處橫向擴(kuò)展。由于凍結(jié)后土顆粒間的黏聚力增大，堤岸不易坍塌，潰口兩側(cè)形成明顯的“懸臂”。此階段潰口的垂向沖蝕較劇烈，階段末沖刷溝兩側(cè)局部坍塌。

c.橫向展寬階段。堤防臨水側(cè)出現(xiàn)弧形跌坎，并沿水面線橫向擴(kuò)展。背水側(cè)潰口較窄，坡腳伴有明顯的沖蝕水舌。水流漫過跌坎，在潰口處充分紊動，潰口底部土顆粒最先被沖蝕搬運(yùn)，頂部形成“懸臂”，當(dāng)“懸臂”的重力大于土顆粒之間的黏結(jié)力時，頂部失穩(wěn)坍塌，此時可在堤前臨水側(cè)觀察到明顯的堤身分層現(xiàn)象。潰口兩側(cè)呈鋸齒狀，該階段潰口展寬最為劇烈，潰決區(qū)域的流速、流量、水位峰值均出現(xiàn)在此階段。

d.沖淤平衡階段。水流呈緩流狀態(tài)，潰口形態(tài)及測點水力要素趨于穩(wěn)定。上、下游水位差減小，水流流速減小，攜沙能力減弱。

2.2 凍土條件下黏性土堤漫頂潰決過程

a.滲透過流階段。水流在潰口表面緩慢行進(jìn)，黏性土堤下滲量明顯小于非黏性土堤，整體潰口形態(tài)見圖4，對應(yīng)的潰口局部形態(tài)見圖5。

圖4 黏性土堤整體潰口形態(tài)

圖5 潰口局部放大示意圖

b.堤后沖蝕階段。凍結(jié)后堤體表面粗糙度降低，水流一旦漫過引導(dǎo)潰口，便迅速延展為片狀水流沖刷坡面，流向偏向主槽區(qū)下游。堤身表面薄弱部位的大粒徑泥沙顆粒最先起動，堤身呈坑坑洼洼狀，坡腳處的泥沙顆粒被沖蝕搬運(yùn)。受水流轉(zhuǎn)向的影響，背水側(cè)上部易被沖蝕，該處最先形成一級陡坎，落點部位出現(xiàn)反向旋渦，一方面加速了頂部非凍土層的淘蝕，另一方面加劇了底部凍土層的沖刷。待底部沖刷至非凍土層后，背水側(cè)開始出現(xiàn)次級陡坎。后期一級陡坎沖蝕至堤頂并緩慢向臨水側(cè)蝕退，堤后坡面的陡坎合并，坡腳呈喇叭形擴(kuò)展。潰口兩側(cè)形成明顯的“懸臂”，該階段潰口垂向發(fā)展較為劇烈。當(dāng)陡坎移動至臨水側(cè)與堤頂?shù)慕唤缣帟r，該階段結(jié)束。

c.橫向展寬階段。該階段初期臨水側(cè)跌坎處出現(xiàn)瀑布狀水流，跌坎底部被反向淘蝕。潰口區(qū)域水流劇烈紊動，垂向沖蝕加劇，臨水側(cè)潰口呈弧形擴(kuò)展，背水側(cè)坡腳呈喇叭形擴(kuò)展，沖積扇偏向主槽區(qū)下游，潰口平面形態(tài)接近雙曲線形。隨著水流持續(xù)沖刷，潰口兩側(cè)“懸臂”的重力大于土體之間的黏結(jié)力而失穩(wěn)坍塌，潰口流量增大，坍塌土體被逐層沖蝕。直至潰口兩側(cè)岸腳處出現(xiàn)漩渦狀挾沙水流，標(biāo)志著新一輪的底部淘蝕。該階段后期潰口以橫向間歇性大體積坍塌為主，臨水側(cè)被逐層沖蝕，形成較厚的淤積層，潰口呈鋸齒狀。

d.沖淤平衡階段。水流呈緩流狀態(tài)，潰決區(qū)域的水力要素和潰口形態(tài)均趨于穩(wěn)定。上、下游水位差減小，水流流速減小，攜沙能力減弱。

2.3 潰口形態(tài)變化規(guī)律

滲透過流階段潰口形態(tài)和測點水力要素變幅很小，故從堤后沖蝕階段開始計時分析。由于非黏性土堤和黏性土堤各工況分別在計時400 s、2 400 s后處于平衡狀態(tài)，因此主要分析該時段內(nèi)的潰口形態(tài)演變規(guī)律。各工況潰口形態(tài)變化參數(shù)見表2，可以看出，凍土層的存在會減緩潰口的堤后沖蝕進(jìn)程，由于黏性土堤黏聚力強(qiáng)，孔隙率小，透水性弱，延緩現(xiàn)象更加明顯。凍土層越厚，非黏性土堤橫向展寬階段越長，而黏性土堤則相反，這主要是由于黏性土堤不易坍塌，在同一流量下可較早達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。一般來說，黏性土在低溫環(huán)境下凍結(jié)，當(dāng)溫度升高時孔隙冰逐漸融化，土顆粒間的膠結(jié)作用和黏聚力減小，土體會在自重作用下產(chǎn)生沉降。為了盡量避免融沉現(xiàn)象對凍土試驗的影響，堤防凍結(jié)完成后便立即開展?jié)Q試驗，且在同一低水溫和氣溫環(huán)境下進(jìn)行。本文研究成果有助于初步了解凍土條件與洪水條件下堤防潰決過程的差異，但實際情況下季節(jié)性凍土區(qū)堤防會經(jīng)歷完整的凍融循環(huán)作用，因此，關(guān)于融沉現(xiàn)象對潰堤過程的影響需在之后的凍融循環(huán)試驗中進(jìn)一步考慮。

表2 潰口形態(tài)變化參數(shù)

潰口的垂向深度和橫向?qū)挾仁敲枋鰸⒖谛螒B(tài)的主要指標(biāo)，本文選取堤頂若干斷面計算實時平均潰口寬度和深度。各工況潰口形態(tài)變化見圖6～8。由圖6可知，前200 s潰口形態(tài)演變最為劇烈，凍土條件下的潰口擴(kuò)展速率小于洪水條件，尤其是在橫向展寬階段，且最終潰口寬度隨凍土深度的增加而減小。黏性土堤潰決前期可觀察到明顯的堤頂蝕退現(xiàn)象，由圖7可知，凍結(jié)后堤頂平均蝕退速率減小，且由于堤身分層，蝕退速率有明顯波動。

圖6 非黏性土堤潰口形態(tài)變化

圖7 黏性土堤堤頂蝕退過程

黏性土堤潰決過程中，堤頂和背水側(cè)坡腳的潰口寬度變化如圖8所示，可以看出，坡腳處潰口連續(xù)擴(kuò)展，而堤頂處潰口寬度呈明顯的“階梯式”增長。此外，與洪水期相比，凍土條件下的潰口平均展寬速率較小，且與凍土深度呈負(fù)相關(guān)。

圖8 黏性土堤潰口寬度變化

2.4 潰決區(qū)域水力要素變化特性

堤防上下游水位差是影響潰口展寬的重要因素，各工況下潰決區(qū)域的水位、流速變化見圖9和圖10，圖中hq、hh分別為堤前、堤后水位，vx、vy分別為x方向、y方向流速。將多普勒流速儀沿堤防臨水側(cè)坡腳線布置，測量位于潰口中心線且距槽底5 cm處的測點的三維流速，x軸正方向與入口流量方向相同，y軸正方向為順堤防指向主槽區(qū)上游方向。該點流速不僅可以反映堤前主槽區(qū)河道水流強(qiáng)度，還可以反映潰堤過程上游分流對堤防決口的沖蝕強(qiáng)度。

圖9 非黏性土堤潰決區(qū)域水位、流速變化

圖10 黏性土堤潰決區(qū)域水位、流速變化

可以看出，堤后沖蝕階段少量水流通過潰口，而上游來流恒定，故堤前測點水位微升。該階段后期堤后沖積扇擴(kuò)展至測點處，此處水位上升。橫向展寬階段潰堤水流呈明顯的非恒定流特性，初期堤前后水位差最大，潰口水流呈急流狀態(tài)，流速快速增大至峰值。隨著潰口擴(kuò)展，堤前水位回落，堤后水位上升，流速趨緩。對于非黏性土堤，該階段測點水位、流速變化率與凍土深度呈負(fù)相關(guān)。而對于黏性土堤，凍結(jié)后測點水位、流速變化率與洪水期相比明顯減小，但凍土厚度的持續(xù)增大對堤防的潰決影響較小。黏性土堤潰口擴(kuò)展以兩側(cè)大面積的土體坍落為主，測點水力要素的波動較大。沖淤平衡階段水流呈緩流狀態(tài)。

潰口流量是決定洪泛區(qū)淹沒程度的關(guān)鍵指標(biāo)，本文在主槽區(qū)下游出口處設(shè)置巴歇爾槽，通過此處測點水深計算流量，計算結(jié)果可間接反映潰口流量變化。各工況下巴歇爾槽流量qb變化曲線見圖11，圖中t*代表當(dāng)前時長與總時長的比值?？梢钥闯?，上游來流恒為100 m3/h時，巴歇爾槽流量先減小后趨于穩(wěn)定，且黏性土堤組次流量波動較大。工況N-0、N-2、N-4、C-0、C-2、C-4下降段的流量平均變化率分別為0.54(m3·h-1)/s、0.40(m3·h-1)/s、0.34(m3·h-1)/s、0.11(m3·h-1)/s、0.08(m3·h-1)/s、0.07(m3·h-1)/s，這表明凍土條件下的流量變化率小于洪水條件下的流量變化率，且與非黏性土堤相比，黏性土堤受凍土厚度的影響較小。

圖11 巴歇爾槽流量變化曲線

3 結(jié) 論

a.本文提出的潰口形態(tài)測量方法無需在水流或堤防中安裝儀器，具有便攜、無侵入性、靈敏度高等特點。采用該方法不僅能夠獲取潰堤全過程的潰口形態(tài)參數(shù)，還能很好地捕捉到非黏性土堤潰決過程中出現(xiàn)的陡坎沖蝕、懸臂坍塌、弧形坎擴(kuò)展、堤身分層等現(xiàn)象，以及黏性土堤潰決過程中出現(xiàn)的陡坎合并、弧形坎擴(kuò)展、雙曲線形潰口、大體積坍塌等現(xiàn)象。

b.凍結(jié)作用增大了土體黏聚力，從而使?jié)⒖跀U(kuò)展速度減緩，穩(wěn)定潰口寬度減小。

c.堤防上下游水位和潰口流速變化過程與潰口發(fā)展過程相對應(yīng)，黏性土堤潰口坍塌體體積較大，測點水位和流速波動較大。

d.凍土條件下堤防背水側(cè)與堤頂?shù)倪B接處薄弱易潰，應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)，且一旦潰堤應(yīng)優(yōu)先對臨水側(cè)進(jìn)行封堵。