漫壩水流條件下寬級(jí)配土石料沖刷特性試驗(yàn)研究

趙 天 龍，付 長(zhǎng) 靜，2，馬 廷 森，張 川

(1.重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074； 2.南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210029； 3.青海省水利水電勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，青海 西寧 810001)

0 引 言

在自然界中，漫壩水流條件下寬級(jí)配土石料沖刷主要發(fā)生在堰塞壩漫頂潰壩過程中。中國(guó)西南地區(qū)水系十分發(fā)達(dá)，山地丘陵居多，坡地面積大，滑坡崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，滑坡體一旦涌入河道，容易形成堰塞體，上游壅水形成堰塞湖[1]。堰塞壩壽命通常較短，并且絕大多數(shù)堰塞壩均在一年之內(nèi)潰決[2]，一旦潰壩，將會(huì)給下游帶來嚴(yán)重的洪水災(zāi)害，嚴(yán)重威脅下游群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全[3-4]。

針對(duì)堰塞壩潰壩問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均開展了一系列研究工作，主要涉及堰塞壩的形成過程[5-7]、潰決機(jī)理模型試驗(yàn)[8-11]以及潰壩過程數(shù)值模擬方法[12-14]等。事實(shí)上，堰塞壩潰壩乃至人工壩潰壩，從微觀機(jī)制上講均是漫壩水流與壩體潰口位置土體顆粒之間的相互作用過程。漫壩水流經(jīng)由初始潰口沿壩體背水坡梯度負(fù)向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)水流所產(chǎn)生徑流沖刷力作用于土石顆粒，引起顆粒的分散，并將部分分散顆?；蝾w粒團(tuán)挾帶于水流之中，輸出坡面至下游河道。因此，潰口的持續(xù)性擴(kuò)展實(shí)質(zhì)上是漫壩水流沖刷作用下的壩料輸移過程。

對(duì)于土石顆粒的沖刷問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過一系列室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)水流沖刷作用下的土石顆粒起動(dòng)、輸移規(guī)律進(jìn)行了研究。早在20世紀(jì)10年代，Gilbert[15]就開創(chuàng)了利用水槽試驗(yàn)開展泥沙及推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的先河。隨后，Wong等[16]針對(duì)各個(gè)影響因素設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的水槽沖刷試驗(yàn)，基于試驗(yàn)資料結(jié)果推求了推移質(zhì)輸沙率公式。此后，大量學(xué)者分別從力學(xué)、能量平衡、統(tǒng)計(jì)理論及泥沙顆粒宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律等方面開展了研究，一系列推移質(zhì)輸沙率計(jì)算公式應(yīng)運(yùn)而生，如Bagnold公式[17]、竇國(guó)仁公式[18]、Einstein公式[19]、韓其為公式[20]等。對(duì)于非均勻沙的輸移運(yùn)動(dòng)規(guī)律而言，早期研究大多是將均勻沙的起動(dòng)規(guī)律運(yùn)用到非均勻沙不同粒徑中，從而得到分組起動(dòng)流速及輸沙率等參數(shù)[21]。晉明紅等[22]針對(duì)非均勻沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，借助水槽試驗(yàn)對(duì)非均勻沙不同沖刷階段的起動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上根據(jù)最小能量耗散原理，建立了寬級(jí)配床沙起動(dòng)的3種模式以及相應(yīng)的非均勻沙起動(dòng)流速公式；Mohamed等[23]在模型試驗(yàn)所揭示的輸沙機(jī)理與數(shù)據(jù)回歸分析的基礎(chǔ)上，建立了考慮挾沙密度函數(shù)的非均勻沙推移質(zhì)模型；Xu等[24]通過模型試驗(yàn)對(duì)于南海入?？谀噘|(zhì)密度對(duì)全擾動(dòng)海岸泥沙起動(dòng)規(guī)律的影響進(jìn)行了研究；徐海濤等[25]通過水槽試驗(yàn)，分析了不同水流強(qiáng)度及不同床沙組成對(duì)連續(xù)與不連續(xù)寬級(jí)配床沙輸移率的影響，研究了相對(duì)水流強(qiáng)度與推移質(zhì)輸沙率函數(shù)的關(guān)系，提出了不連續(xù)寬級(jí)配床沙推移質(zhì)輸沙率計(jì)算式；王思瑩等[26]通過水槽試驗(yàn)，對(duì)均勻沙、連續(xù)和不連續(xù)寬級(jí)配非均勻沙的沙床發(fā)生起動(dòng)和沖刷的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究；魏麗等[27]以不連續(xù)寬級(jí)配床沙為例對(duì)床面垂線流速結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不連續(xù)寬級(jí)配近底床面垂線流速結(jié)構(gòu)存在“S”形轉(zhuǎn)折，位置與水流強(qiáng)度及床面形態(tài)有關(guān)。

綜上，在土石料沖刷特性方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)取得了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并且越來越多的學(xué)者開始通過模型試驗(yàn)探討非均勻沙的起動(dòng)輸移規(guī)律。然而，這些研究大多側(cè)重河道泥沙的沖刷問題，試驗(yàn)條件與堰塞壩漫頂潰壩實(shí)際大相徑庭，如土石料級(jí)配寬度，目前水槽沖刷試驗(yàn)研究對(duì)象粒徑級(jí)差不大，一般小于4[28]，而堰塞壩壩料粗細(xì)顆?；祀s，級(jí)配范圍寬，從小于0.075 mm的黏性顆粒到直徑幾十厘米甚至數(shù)米的巨石均有分布[29]；再者從水流條件上，漫頂潰壩過程中，潰口水流具有強(qiáng)非恒定的特點(diǎn)，目前針對(duì)非恒定流的泥沙沖刷問題研究水流條件的設(shè)定與潰壩水流條件差異巨大[30]。因此，上述成果對(duì)于潰壩問題研究具有十分重要的借鑒意義，可否直接進(jìn)行外延利用仍值得商榷，而考慮堰塞壩漫頂潰壩實(shí)際所開展的針對(duì)性土石料沖刷及輸沙機(jī)理試驗(yàn)研究少之又少。

鑒于此，合理模擬漫頂潰決過程中潰口的水流條件，開展符合堰塞壩壩料級(jí)配范圍寬、非均勻性強(qiáng)等特征的土石料沖刷試驗(yàn)，可為堰塞壩潰壩過程中潰口縱、橫向擴(kuò)展機(jī)理研究以及潰壩數(shù)學(xué)模型的建立提供一定的理論借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 非恒定流輸沙試驗(yàn)系統(tǒng)

非恒定流輸沙試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)水槽、進(jìn)口流量控制系統(tǒng)、水力要素測(cè)量系統(tǒng)及輸沙測(cè)量系統(tǒng)組成。

試驗(yàn)水槽長(zhǎng)600 cm，寬25 cm，高25 cm，水槽底坡保持5.5‰不變，水槽進(jìn)口位置底部設(shè)置消能防沖的玻璃珠，水流從進(jìn)口位置流入水槽后，經(jīng)過兩道整流格柵進(jìn)入試驗(yàn)段，最終在水槽末端，經(jīng)尾門流出至水箱。

進(jìn)口流量控制系統(tǒng)由電磁流量計(jì)、直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)執(zhí)行器及工控機(jī)組成。試驗(yàn)前對(duì)流量控制系統(tǒng)進(jìn)行率定。試驗(yàn)過程中，通過在工控機(jī)中分時(shí)步輸入流量過程曲線，可以在水槽入口前池輸出滿足試驗(yàn)工況要求的非恒定水流。

水力要素測(cè)量系統(tǒng)由沿程布置的3臺(tái)自動(dòng)水位儀及高速攝像機(jī)構(gòu)成，水位儀可對(duì)試驗(yàn)中水位變化過程進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。攝像機(jī)采樣頻率為20～200 Hz，分辨率1280×1024，通過對(duì)泥沙灰度圖像進(jìn)行閾值分割處理，可識(shí)別泥沙顆粒，判斷運(yùn)動(dòng)泥沙顆粒的組成。

輸沙測(cè)量系統(tǒng)由接沙漏斗、集沙池及電子天平組成，接沙漏斗及集沙池位于水槽尾門前端，用于收集試驗(yàn)過程中起動(dòng)并被輸移至下游的土石顆粒，電子天平可對(duì)其進(jìn)行稱重。

試驗(yàn)過程中，鋪沙段長(zhǎng)200 cm，鋪沙厚度7.5 cm，上下游坡比1∶1，鋪沙段距水槽進(jìn)水口180 cm，距水位尾門140 cm。試驗(yàn)水槽布置情況如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)用土石料共設(shè)計(jì)6組，包括5組非均勻沙和1組均勻沙。在非均勻土石料級(jí)配選擇時(shí)，重點(diǎn)考慮堰塞壩壩料的寬級(jí)配特性，參考唐家山堰塞壩壩體9個(gè)鉆孔所得壩料級(jí)配[31]，在此基礎(chǔ)上利用等效替代的方法，根據(jù)水槽內(nèi)部有效尺寸，控制土石料最大粒徑分別為20，37.5，53，75 mm，黏粒含量保持不變，得到1～4號(hào)非均勻沙試樣顆粒級(jí)配。此外，在1號(hào)非均勻沙級(jí)配基礎(chǔ)上，控制最大粒徑，將黏粒部分等量替換為無黏性砂土部分，獲得無黏性沙樣(5號(hào)非均勻沙)作為對(duì)照組，以分析土石料中黏粒對(duì)推移質(zhì)輸移規(guī)律的影響。6號(hào)均勻沙則以3號(hào)非均勻沙的中值粒徑d50(5 mm)作為平均粒徑，選擇天然均勻礫石作為試驗(yàn)沙樣。試驗(yàn)所用非均勻土石料及原型壩料級(jí)配曲線如圖2所示，進(jìn)行土石料篩分得到如圖3所示各粒組沙樣，根據(jù)級(jí)配曲線確定各粒組含量進(jìn)行試驗(yàn)土石料的制備，并按照干密度ρd=1.59 g/cm3進(jìn)行鋪沙段試驗(yàn)沙的鋪設(shè)。

圖2 試驗(yàn)土石料級(jí)配曲線Fig.2 Gravel grading curves

圖3 各粒組土樣Fig.3 Samples of each grain group

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)沙級(jí)配范圍較寬，根據(jù)唐家山堰塞壩泄流結(jié)束殘留壩體的粒徑級(jí)配，確定試驗(yàn)土石料最大起動(dòng)粒徑為d70，根據(jù)1號(hào)試驗(yàn)沙d70數(shù)據(jù)，采用張瑞瑾[32]泥沙起動(dòng)流速計(jì)算公式計(jì)算獲得對(duì)應(yīng)粒徑泥沙起動(dòng)流速。結(jié)合前期水槽水位流量率定結(jié)果確定非恒定流流量A最大流量為31.5 L/s。為保持水流的非恒定特征，在唐家山堰塞壩泄流過程流量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上(見圖4)，根據(jù)流量峰值進(jìn)行了相應(yīng)的縮尺處理，保持流量過程水力參數(shù)波形不變，進(jìn)而得到試驗(yàn)入流流量A的流量過程曲線。另外，增加4組最大控制流量35.8，40.1，44.4，48.8 L/s，采用相同的縮尺處理方法獲得流量B、C、D、E作為本次試驗(yàn)水流輸入條件，如圖5所示。此外，選擇流量E的平均流量作為對(duì)照組恒定流F的輸入流量。

圖4 唐家山堰塞壩潰口實(shí)測(cè)流量過程Fig.4 Measured discharge process of Tangjiashan barrier dam

圖5 試驗(yàn)入流流量過程Fig.5 Inflow process in test

前人針對(duì)非恒定水流的量化指標(biāo)開展過一系列研究工作，根據(jù)馬愛興等[33]提出的無量綱非恒定強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算方法(公式1)可計(jì)算得到本次試驗(yàn)所用沖刷水流的非恒定強(qiáng)度如表1所列。

(1)

式中：P為無量綱非恒定強(qiáng)度參數(shù)，B為水槽寬度，Tr為非恒定流漲水期歷時(shí)，Qp為峰流流量，Qb為基流流量，hp為峰流水深，hb為基流水深。

表1 試驗(yàn)水流非恒定強(qiáng)度

試驗(yàn)過程中為了防止尾門格柵回水形成反射波對(duì)入流水力要素產(chǎn)生影響，水槽下游尾門打開保持敞泄?fàn)顟B(tài)。試驗(yàn)過程中連續(xù)采集床面顆粒運(yùn)動(dòng)圖像，并針對(duì)土石料沖刷過程的輸沙量值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每組試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)接沙漏斗中的泥沙進(jìn)行烘干、篩分、稱重，獲得推移質(zhì)級(jí)配曲線，以研究鋪沙段沙樣各粒組沖刷輸移量值。

此外需要特別指出的是，本次試驗(yàn)并非對(duì)唐家山堰塞壩泄流除險(xiǎn)過程進(jìn)行模擬，僅在水流入流條件及試驗(yàn)土石料的選擇上對(duì)唐家山堰塞壩泄流實(shí)際工況進(jìn)行參考。

2 漫壩水流條件下土石料輸移運(yùn)動(dòng)特征

2.1 寬級(jí)配土石料沖刷輸移過程

選擇4號(hào)非均勻沙及非恒定流量A開展水槽沖刷試驗(yàn)研究。水槽側(cè)面的高速攝像機(jī)對(duì)泥沙沖刷輸移過程進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集，前池水位上升至鋪沙段土石料頂部高程作為沖刷開始的零時(shí)刻，截取此后不同時(shí)刻沖刷過程圖像，得到如圖6所示寬級(jí)配土石料沖刷發(fā)展過程。

分析該過程發(fā)現(xiàn)，寬級(jí)配土石料沖刷開始階段，滿溢水流經(jīng)過鋪沙段后存在水跌，表層細(xì)顆粒即被水流挾帶輸移至下游，床面表層快速粗化，沖刷水流行進(jìn)淹沒整個(gè)鋪沙段后，下游端無法維持原有邊坡，隨即發(fā)生垮塌，形成13.3°坡角后短時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。

沖刷開始5 min內(nèi)，入流流量由0～2.7 L/s遞增，床面表層細(xì)粒(<1 mm)持續(xù)沖刷至下游水槽，靠近鋪沙段尾端粒徑0.5～1 mm土石料在水流沖刷作用下以滑動(dòng)或滾動(dòng)的形式向下游運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)一段距離后，回落至床面，在水槽下游形成淤積。

沖刷發(fā)展至10 min時(shí)，水流流量2.7～7.2 L/s，時(shí)段內(nèi)平均Fr=3.74，水流為急流狀態(tài)。鋪沙段表層粒組(<13 mm)進(jìn)一步起動(dòng)，其中粒徑8～13 mm粒組運(yùn)動(dòng)形式以滾動(dòng)為主，床面粗化程度進(jìn)一步增加，而鋪沙段高程基本保持不變。該階段床面粒徑大于37.5 mm的礫石逐漸暴露，且受到大粒徑礫石的遮蔽作用，其上游土石體沖刷強(qiáng)度較低，上游部分已起動(dòng)細(xì)顆粒淤積于此，礫石下游形成反向旋流，對(duì)土石體掏刷程度較高。

15 min時(shí)流量進(jìn)一步增加(7.2～28.4 L/s)，時(shí)段內(nèi)平均Fr=3.77，大粒徑礫石(15～20 mm)在下游細(xì)粒土石體不斷被掏刷后失穩(wěn)，由此導(dǎo)致其上游土石體遮蔽關(guān)系發(fā)生變化，原有細(xì)粒隨即起動(dòng)并輸移至下游，主要運(yùn)動(dòng)形式以躍移為主。

20 min時(shí)水流流量達(dá)到峰值31.1 L/s，F(xiàn)r=3.78，該階段床面泥沙以躍移質(zhì)為主，泥沙升離床面后，與速度較高的水流相遇，并被挾帶前進(jìn)，僅部分粗顆粒(20～37.5 L/s)仍以滑動(dòng)或滾動(dòng)的形式沿床面運(yùn)動(dòng)。該階段大粒徑礫石猝發(fā)性起動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)一段距離后停止，運(yùn)動(dòng)形式以滑動(dòng)為主。

20 min后進(jìn)入落水期，床面細(xì)粒被進(jìn)一步?jīng)_刷，粒徑大于37.5 mm的粗顆粒在該階段未能起動(dòng)，床面粗化速度減緩，且床面性狀受粗顆粒分布位置影響明顯。

2.2 均勻沙沖刷輸移過程

選擇6號(hào)均勻沙及非恒定流量A開展水槽沖刷試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過程中于水槽側(cè)面實(shí)時(shí)連續(xù)采集圖像視頻。由于均勻沙透水性較強(qiáng)，試驗(yàn)開始后上游側(cè)供水，鋪沙段內(nèi)部形成一傾角穩(wěn)定(4.4°)的浸潤(rùn)線由上游向下游發(fā)展，因此，鋪沙段內(nèi)部滲透水流先于漫溢水流到達(dá)鋪沙段下游端坡角。選擇滲透水流到達(dá)下游端作為0時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，截取不同時(shí)刻的沖刷過程圖像，得到如圖7所示均勻沙沖刷發(fā)展過程。

分析該過程發(fā)現(xiàn)，開始階段水流行進(jìn)漫過鋪沙段后存在水跌，下游坡角位置土石顆粒隨即被沖刷剝離原始位置，以滑動(dòng)或滾動(dòng)的形式沿床面運(yùn)動(dòng)。沖刷開始后的100 s內(nèi)，由于失去坡角的支擋作用，下游坡發(fā)生連續(xù)垮塌形成23.6°的坡角。該階段水流由0～2.0 mL/s逐漸增加，流量較小且鋪沙段床面阻力較大，床面位置土石顆粒未能起動(dòng)，沖刷發(fā)展過程以坡角掏刷及下游坡連續(xù)性垮塌為主。隨后，邊坡沖刷過程進(jìn)入溯源沖刷階段，沖刷過程沿表層向上游發(fā)展，并進(jìn)一步削減鋪沙段下游坡角。待坡角削減至2.8°時(shí)，鋪沙段床面開始形成沙壟，沙壟波長(zhǎng)19.6 cm，沙壟背水面由于受到漩渦的推擋，坡角略大于迎水面。沖刷發(fā)展至10 min時(shí)，流量峰值7.2 L/s，水槽流速持續(xù)增大，此時(shí)的床面形成迎水面與背水面外形對(duì)稱的駐波，駐波波長(zhǎng)23.1 cm。15 min后，床面形成逆行沙波，沙波向上游移動(dòng)速度為0.87 cm/s。20 min后水流流量達(dá)到峰值，床面被進(jìn)一步掏刷，床面高度逐漸降低，沙波消失。

3 土石料級(jí)配寬度對(duì)沖刷過程的影響

3.1 沖刷量

分別選擇非恒定流A和非恒定流E以及1～6號(hào)試樣開展沖刷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)水槽下游集沙池中土石顆粒進(jìn)行烘干稱重，分別得到兩種水流條件下各組試樣沖刷量如圖8所示。

圖8 級(jí)配寬度對(duì)沖刷量的影響Fig.8 Influence of gradation width on scouring amount

分析兩種水流條件下不同級(jí)配寬度試樣沖刷過程發(fā)現(xiàn)：對(duì)于不同的水流非恒定強(qiáng)度，含黏粒土石料(1號(hào))沖刷強(qiáng)度略高于無黏性土石料(5號(hào))，對(duì)于水流非恒定強(qiáng)度較弱的情況，土石料黏粒含量對(duì)沖刷率的影響相對(duì)明顯，而在強(qiáng)非恒定流沖刷條件下，土石料是否含有黏性顆粒對(duì)沖刷率的影響相對(duì)較小。此外，土石料的級(jí)配寬度受水流非恒定強(qiáng)度的影響，即在弱非恒定流沖刷條件下，隨著土石料級(jí)配寬度不斷增加，其抗沖蝕性能不斷增強(qiáng)，然而對(duì)于強(qiáng)非恒定流，土石料級(jí)配寬度不斷增加，其抗沖蝕性能不斷降低，沖刷率反而增加。分析原因，由于寬級(jí)配土石料床面顆粒是否起動(dòng)取決于兩種作用：① 粗顆粒對(duì)細(xì)顆粒的遮蔽、包圍作用，這種作用不利于床面顆粒起動(dòng)；② 寬級(jí)配土石料床面紊動(dòng)渦體較多，床面水流紊動(dòng)作用有利于床面土石顆粒起動(dòng)輸移。因此，寬級(jí)配土石料床面顆粒起動(dòng)與否取決于哪種作用更占優(yōu)勢(shì)。弱非恒定流條件下，寬級(jí)配土石料中粗顆粒對(duì)細(xì)顆粒的遮蔽、包圍作用占優(yōu)勢(shì)，顆粒起動(dòng)更加困難；而強(qiáng)非恒定流條件下，床面近底水流紊動(dòng)強(qiáng)度高，土石顆粒被帶離床面并輸移至下游概率更高。因此，強(qiáng)非恒定流條件下，寬級(jí)配土石料抗沖性能相對(duì)較弱。

3.2 沖刷土石料級(jí)配

選擇非恒定流E及1～5號(hào)試樣開展沖刷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，將集沙池中土石料收集烘干并進(jìn)行篩分處理，得到非恒定流E作用下不同級(jí)配土石料試樣及沖刷料的級(jí)配如圖9所示。

圖9 試樣及沖刷料的級(jí)配曲線Fig.9 Grading curves of samples and scour material

不同級(jí)配寬度的土石料在非恒定流E沖刷下，體現(xiàn)出不同的沖刷特性。從圖9可知，隨著級(jí)配寬度的增加，沖刷料級(jí)配曲線較試樣級(jí)配曲線沿向細(xì)粒徑方向平移更多，說明隨著土石料顆粒級(jí)配寬度的增加，土石料粗化程度不斷增加。此外隨著級(jí)配寬度的增加，沖刷料細(xì)顆粒的含量不斷增加，由此說明，在強(qiáng)非恒定流沖刷條件下，隨著級(jí)配寬度的增加，細(xì)顆粒更容易被帶離床面并沖刷至下游。換言之，強(qiáng)非恒定流沖刷條件下，寬級(jí)配土石料抗沖蝕性能相對(duì)較弱。統(tǒng)計(jì)各個(gè)粒組沖蝕質(zhì)量與該粒組原質(zhì)量之比如表2所列。

表2 各粒組沖蝕質(zhì)量比

從表2可以看出，強(qiáng)非恒定流沖刷作用下，寬級(jí)配土石料中粗顆?？蓡?dòng)的前提下，細(xì)顆粒(<5 mm)更容易被掏刷并被沖刷至下游，寬級(jí)配土石料細(xì)粒組沖刷質(zhì)量比高于級(jí)配較窄的土石料。

此外，值得注意的是，按照初始試驗(yàn)水流條件設(shè)置原則，1號(hào)試樣中粒徑大于d70的顆粒不會(huì)起動(dòng)，然而對(duì)沖刷料進(jìn)行級(jí)配分析可以看出，1號(hào)試樣中所有顆粒均起動(dòng)并被沖至下游。由此可以看出，恒定流條件下的泥沙起動(dòng)流速計(jì)算公式并不適用于非恒定流條件，且非恒定流條件下的沖刷強(qiáng)度要大于恒定流。

4 水流條件對(duì)寬級(jí)配土石料沖刷過程的影響

4.1 沖刷量

分別選擇2號(hào)和3號(hào)非均勻沙開展不同水流條件下的沖刷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)水槽下游集沙池中土石料顆粒進(jìn)行烘干稱重，分別得到兩種土石料在不同水流條件下的沖刷情況如圖10所示。

從圖10可以看出，對(duì)于寬級(jí)配土石料2號(hào)和3號(hào)在不同水流條件下的沖刷規(guī)律較為一致。隨著水流非恒定強(qiáng)度的增加，土石料沖刷強(qiáng)度整體呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)，而隨著級(jí)配寬度的增加該趨勢(shì)相對(duì)減弱。此外，通過圖10可看出，相同的土石料級(jí)配條件下，與恒定水流(流量F)相比，非恒定流作用下的寬級(jí)配土石料沖刷強(qiáng)度明顯較強(qiáng)，且非恒定流條件下寬級(jí)配土石料沖刷量更大。相同工況下的恒定水流沖刷強(qiáng)度較弱，沖刷量較小，堆(淤)積程度較高，與堰塞壩潰壩實(shí)際存在差異。該結(jié)果與3.2節(jié)所有泥沙顆粒均能起動(dòng)的結(jié)論相吻合，也進(jìn)一步印證了關(guān)于強(qiáng)非恒定流沖刷強(qiáng)度要大于恒定流的結(jié)論。

圖10 水流條件對(duì)沖刷量的影響Fig.10 Influence of flow condition on scouring amount

4.2 鋪沙段沿程沖淤特征

選擇非恒定流C、E和F及土石料2號(hào)、4號(hào)開展沖刷試驗(yàn)。沖刷結(jié)束后，對(duì)鋪沙段不同斷面高程變化情況進(jìn)行記錄，以鋪沙段上游坡腳位置作為水平位置的起始點(diǎn)，以水流方向作為水平位置的正方向，可得到鋪沙段沿程沖淤狀況如圖11所示。

由圖11可以看出，對(duì)于2號(hào)土石料，在非恒定流C條件下，最大沖刷深度為1.6 cm，出現(xiàn)在水平位置140 cm處，而最大淤積厚度為1.6 cm，水平位置為215 cm處。在非恒定流E條件下，2號(hào)土石料的最大沖刷深度為1.5 cm，出現(xiàn)在水平位置110 cm處，而最大淤積厚度為2.1 cm，出現(xiàn)在水平位置185 cm處。對(duì)于4號(hào)土石料而言，在非恒定流C作用下，最大沖刷深度為0.4 cm，對(duì)應(yīng)水平位置為200 cm處，最大淤積厚度為1.5 cm，出現(xiàn)在水平位置215 cm處。在非恒定流E作用下，最大沖刷深度為0.9 cm，出現(xiàn)在水平位置155 cm處，最大淤積厚度為1.4 cm，出現(xiàn)在水平位置275 cm處。統(tǒng)計(jì)上述寬級(jí)配料沖淤結(jié)果可得表3數(shù)據(jù)。

表3 鋪沙段沿程沖淤分析

通過分析不同水流條件下寬級(jí)配土石料的沖淤特征可以看出，寬級(jí)配土石料存在溯源沖刷，沖刷深度較高的位置大致分布于鋪沙段的中下游，而泥沙的淤積則主要出現(xiàn)在鋪沙段后位置。此外，非恒定流條件下泥沙的沖淤水平明顯要高于恒定水流條件。分析原因主要由于非恒定水流漲水階段上游來水量逐漸增加，形成較大的水頭差，流量增量較大且增速較快，使得相同級(jí)配條件下，鋪沙段泥沙更容易被帶離床面發(fā)生起動(dòng)，宏觀上表現(xiàn)為非恒定水流的強(qiáng)沖刷特性。

5 結(jié)論及討論

本文通過對(duì)漫壩水流條件下的寬級(jí)配土石料推移質(zhì)的沖刷輸移過程進(jìn)行物理模擬，主要得到如下結(jié)論。

(1) 土石料沖刷過程中下游沖刷強(qiáng)度遠(yuǎn)大于上游，大顆粒粗顆粒主要堆積于上游區(qū)域，與沖刷結(jié)束后的淤積區(qū)域位置較為一致。

(2) 寬級(jí)配土石料沖刷過程中以沖刷坑的形成、擴(kuò)展、移動(dòng)等形式發(fā)展。整個(gè)沖刷過程受床面粗顆粒間歇性、陣發(fā)性起動(dòng)的影響，沖刷過程不連續(xù)，而均勻沙沖刷發(fā)展過程中，初期以坡角連續(xù)性垮塌破壞為主，后期主要表現(xiàn)為表層溯源沖刷。

(3) 弱非恒定流條件下，寬級(jí)配土石料中大顆粒的遮蔽效應(yīng)明顯，抗沖性能較好，而強(qiáng)非恒定流條件下，水流對(duì)寬級(jí)配土石料中細(xì)顆粒掏刷更為劇烈，由此引起粗顆粒背水面臨空起動(dòng)，遮蔽關(guān)系的變化引起細(xì)顆粒被進(jìn)一步?jīng)_刷，抗沖性能較弱。

(4) 由于鋪沙段下游沖刷強(qiáng)度高于上游，床面易形成傾向下游的坡面，且隨著溯源沖刷的開始，坡面傾角逐漸減小，而堰塞壩順河向堆積范圍一般較長(zhǎng)，潰口細(xì)長(zhǎng)，在進(jìn)行潰壩計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮潰口底面坡率的變化，否則計(jì)算結(jié)果偏保守，潰口流量峰值偏小，峰現(xiàn)時(shí)間偏晚。

(5) 非恒定流條件下的沖刷強(qiáng)度大于恒定流條件，因此基于恒定水流條件所建立的推移質(zhì)輸沙率公式并不適用于漫頂潰壩中的潰口發(fā)展過程計(jì)算。

除此之外，非恒定流條件下的寬級(jí)配土石料沖刷機(jī)理十分復(fù)雜，要清楚揭示其沖刷規(guī)律并應(yīng)用于寬級(jí)配堰塞壩漫頂潰壩過程中的潰口泥沙輸移研究，仍然有必要開展以下深入研究。

(1) 對(duì)河流中運(yùn)動(dòng)的泥沙而言，推移質(zhì)的數(shù)量一般都比懸移質(zhì)的數(shù)量少，而潰口的縱橫向發(fā)展過程是推移質(zhì)及懸移質(zhì)共同作用的結(jié)果。分別針對(duì)漫壩水流條件下的推移質(zhì)、懸移質(zhì)輸移運(yùn)動(dòng)規(guī)律及計(jì)算方法開展研究，對(duì)于提高潰口發(fā)展過程計(jì)算精度具有實(shí)際意義。

(2) 非恒定水流是一個(gè)波動(dòng)過程，泄水波的次數(shù)對(duì)寬級(jí)配土石料輸沙率存在一定程度的影響，而洪水潰壩過程可理解為單個(gè)泄水波，其數(shù)值具有很大的波動(dòng)性。因此，有必要通過增加試驗(yàn)組次及更多的平行試驗(yàn)，針對(duì)單個(gè)泄水波影響下的潰口擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行更為一般性的討論。

(3) 對(duì)土石料級(jí)配寬度的合理量化，是定量研究土石料級(jí)配寬度對(duì)泥沙顆粒起動(dòng)、輸移計(jì)算的前提。目前土石料級(jí)配寬度的量化方法相對(duì)較少，甚至土石料何為寬級(jí)配也無定量的規(guī)定，僅早年部分學(xué)者在非均勻床沙、推移質(zhì)泥沙的級(jí)配曲線數(shù)學(xué)表達(dá)方法方面開展過一些研究工作[34-36]，土石料級(jí)配寬度不僅僅是大小粒徑之比(差)，不同的級(jí)配曲線形狀同樣使其在不同的方面體現(xiàn)出不同的性能和規(guī)律，如沖蝕特性、滲透特性、壓縮特性等。因此有必要進(jìn)一步開展機(jī)理研究，探索土石料級(jí)配寬度量化表征方法。