基于物理模擬的堰塞湖溢流潰決機(jī)理

蔡耀軍，楊興國(guó)，周 招，鄭 棟，黃 衛(wèi)，周家文，張亞年

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.水利部長(zhǎng)江勘測(cè)技術(shù)研究所，湖北 武漢 430011；3.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；4.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010；5.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；6.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430010)

堰塞湖是全球性的自然災(zāi)害。目前，在世界范圍內(nèi)，不僅分布有大量已經(jīng)存活數(shù)十年至數(shù)萬(wàn)年的堰塞湖，如形成于1856年的重慶小南海、形成于1920年的寧夏黨家岔、形成于2010年的巴基斯坦Attabad、形成于2200多年前的新西蘭Waikaremoana；還有大量潰決后留下的堰塞湖痕跡及部分潰決后留下的堰塞湖，如1786年大渡河摩崗嶺、1896年金沙江色巫、1933年岷江疊溪、1967年雅礱江唐古棟、2018年雅魯藏布江加拉等。Costa等[1]統(tǒng)計(jì)了73個(gè)已潰決堰塞湖案例，發(fā)現(xiàn)4l%的堰塞湖只維持了一周或更少的時(shí)間即潰決，超過(guò)1 a的堰塞湖不超過(guò)85%。柴賀軍等[2]在Costa等統(tǒng)計(jì)的73個(gè)堰塞湖基礎(chǔ)上，增加了24個(gè)堰塞湖破壞案例，得出88%的堰塞湖不到一年即潰決。Ermini等[3]統(tǒng)計(jì)了歐洲、北美、亞洲、新西蘭等地的部分堰塞湖數(shù)據(jù)后，得到85%～93%的堰塞湖在1年內(nèi)潰決。然而，從數(shù)量上看，沒(méi)有潰決的堰塞湖遠(yuǎn)大于已經(jīng)潰決的堰塞湖。一些堰塞湖形成后多次發(fā)生部分潰決，還有一些堰塞湖在生存長(zhǎng)時(shí)間后突然潰決，如：形成于1933年的疊溪銀屏崖堰塞湖在1933、1936、1986、1992年多次發(fā)生部分潰決；形成于1404年的意大利Passer河Granerberg滑坡堰塞湖，在1419、1721年部分潰決，1774年完全潰決；形成于史前的阿根廷Rio Barrancas堰塞湖在1914年潰決[4]。

然而，由于堰塞湖潰決現(xiàn)場(chǎng)水情復(fù)雜、地質(zhì)環(huán)境險(xiǎn)惡、潰口發(fā)展快，實(shí)地觀測(cè)的安全風(fēng)險(xiǎn)極高，無(wú)法獲取潰口發(fā)展變化及水力學(xué)信息，一定程度上制約了數(shù)學(xué)模型的建立和潰決機(jī)理的研究。因此，案例分析統(tǒng)計(jì)、物理模型試驗(yàn)成為研究潰決機(jī)理及潰口發(fā)展規(guī)律的主要手段。2018年，金沙江白格堰塞湖兩次潰決，蔡耀軍等[5]借助無(wú)人機(jī)信息采集和水文測(cè)量技術(shù)，獲取了相對(duì)較為豐富的一手?jǐn)?shù)據(jù)，并據(jù)此分析了潰口形態(tài)和流速等重要參數(shù)的演變特征。堰塞湖潰決物理模型試驗(yàn)源于土石壩潰決研究，但堰塞體與人工土石壩存在很大差異，盡管兩者在潰決過(guò)程中存在相似之處，但潰口發(fā)展過(guò)程及形成機(jī)制方面的差異仍十分明顯。因此，本文針對(duì)堰塞湖潰決洪水威脅及潰決機(jī)理不明等難題，開(kāi)展基于大尺度堰塞湖潰決物理模型試驗(yàn)研究，探究潰口坍塌變化規(guī)律，揭示潰口發(fā)展動(dòng)力機(jī)制，這將對(duì)提升堰塞湖應(yīng)急處置效率和探索控潰方案具有重要的意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 堰塞湖潰決機(jī)理及控制因素

漫頂沖刷是堰塞湖最主要的潰決形式。堰塞體潰決過(guò)程涉及到土力學(xué)、水力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)、水文學(xué)等多門(mén)學(xué)科，具體研究?jī)?nèi)容主要涉及壩體沖刷、潰口演進(jìn)、潰決機(jī)理、洪水演進(jìn)、河床演化等[6]。Costa等[1]認(rèn)為堰塞體存在時(shí)間的長(zhǎng)短（即穩(wěn)定與否）主要受堆積物的體積、尺寸、形狀、種類(lèi)及滲流速度影響。一般認(rèn)為，堰塞體的穩(wěn)定取決于壩體的幾何形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及顆粒級(jí)配。Casagli等[7]利用堰塞體體積、高度和集水面積表征堰塞體的穩(wěn)定性。陳曉清等[8]提出以庫(kù)容、堰塞體高度、壩體結(jié)構(gòu)、對(duì)下游的威脅程度來(lái)表征堰塞湖危險(xiǎn)性?！堆呷L(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)》（SL 450—2009）[9]建立了以堰塞湖規(guī)模、堰塞體物質(zhì)組成和高度表征的堰塞體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法。《堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分及應(yīng)急處置技術(shù)規(guī)范》（SL/T 450—2021）[10]建立了以上游來(lái)水量、庫(kù)容、堰塞體平均粒徑和形態(tài)為評(píng)價(jià)指標(biāo)的堰塞體危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法。

牛志攀等[11]通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為潰口發(fā)展速度主要取決于壩體材料和上游水力條件，底部以溯源沖刷為主，兩側(cè)以坍塌為主。張婧等[12]提出峰值流量隨顆粒增大而減小。趙萬(wàn)玉等[13]研究發(fā)現(xiàn)，潰決初期以下切侵蝕為主，后期以側(cè)蝕為主。張大偉等[14]通過(guò)開(kāi)展均質(zhì)土壩模型試驗(yàn)，提出潰決過(guò)程分為壩頂下緣處陡坎形成、陡坎坍塌、出現(xiàn)逆行沙壟、沖刷終止等4個(gè)階段。楊陽(yáng)等[15]認(rèn)為非黏性堰塞體漫頂潰決過(guò)程分為滲流侵蝕、初始潰決點(diǎn)形成、溯源蝕退、潰口展寬下切、粗化再平衡等5個(gè)階段。蔣先剛等[16]提出潰口發(fā)展分為緩慢發(fā)展、迅速發(fā)展和穩(wěn)定河床形成3個(gè)階段。蔡耀軍等[5]將潰決過(guò)程分為過(guò)流孕育、均勻沖刷、溯源侵蝕、潰決發(fā)展、潰后消退5個(gè)階段。謝忱等[17]基于物理模型試驗(yàn)將沖刷潰決過(guò)程分為過(guò)流孕育、溯源侵蝕、潰決發(fā)展、河床再平衡4個(gè)階段。吳秋詩(shī)等[18]通過(guò)水槽試驗(yàn)得到溯源沖刷速度與入庫(kù)流量成正相關(guān)，與粗粒含量成反相關(guān)。石振明等[19]基于堰塞壩數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，揭示了潰口峰值流量隨庫(kù)容與堰塞壩高度增大，潰口深度隨壩高、庫(kù)容增大，潰時(shí)與壩高關(guān)系不明顯。王道正等[20]通過(guò)堰塞湖潰決試驗(yàn)得到，隨著d50增大，峰值流量變小，潰口發(fā)展減緩，潰時(shí)變長(zhǎng)。付建康等[21]研究了蓄水量對(duì)潰決的影響，得出蓄水量越大，潰口峰值流量越大，潰時(shí)越長(zhǎng)，潰口發(fā)展速度越快，潰口橫向?qū)挾纫苍酱蟆铌?yáng)等[22]研究了入庫(kù)流量對(duì)潰決的影響，得出隨著入庫(kù)流量增大，潰決時(shí)刻提前，洪峰曲線更加“尖瘦”。Xu等[23]通過(guò)潰壩試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著上游來(lái)水量逐步增大，堰塞湖會(huì)出現(xiàn)從部分沖刷到完全潰決的轉(zhuǎn)變。

1.2 堰塞湖潰決模型試驗(yàn)

通過(guò)模型試驗(yàn)得到的現(xiàn)象和規(guī)律與實(shí)際堰塞湖有限的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以更好地了解潰口發(fā)展演變機(jī)制[5–6]。Davies等[24]以新西蘭1999年發(fā)生的Poerua堰塞湖為原型，開(kāi)展了1∶130幾何相似關(guān)系的室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)，模型高0.65 m，入庫(kù)流量為3 L/s，堰塞體材料由角礫、碎石和細(xì)砂組成。Wishart[25]采用物理模型研究了崩塌堰塞體漫頂潰決的情況，模型長(zhǎng)1.46 m，高0.25 m，寬0.50 m；上游坡度為15°，下游坡度為25°；堰塞體順河向呈三角形，表面為碎石，下部為細(xì)砂。牛志攀等[11]開(kāi)展了堰塞湖沖刷及潰決物理模型試驗(yàn)，堰塞體模型底長(zhǎng)2.2 m，頂長(zhǎng)1.5 m，寬1.2 m，高0.3 m。張婧等[12]開(kāi)展了堰塞壩在開(kāi)挖泄流槽人工引導(dǎo)下的潰決物理試驗(yàn)，堰塞壩模型寬0.50 m、高0.30 m，頂長(zhǎng)0.20 m，底長(zhǎng)1.02m，上游坡度為45°，下游坡度為30°。趙萬(wàn)玉等[13]以唐家山堰塞湖為原型，開(kāi)展了1∶250比尺的模型試驗(yàn)，堰塞體模型底長(zhǎng)2.8 m，頂長(zhǎng)1.0 m，寬1.0 m，高0.6 m，上下游坡比為1.0∶1.5；蓄水池長(zhǎng)、寬、高分別為6.0、4.0、1.4 m；尾水池長(zhǎng)、寬、高分別為4.0、4.0、0.5 m；試驗(yàn)物料兼顧蔣家溝泥石流和唐家山滑坡折中后，按比尺縮小，其中，20～50 mm粒級(jí)占30%，小于20 mm部分直接采用蔣家溝泥石流土料，入庫(kù)流量為4.43 L/s。王子豪等[26]以白沙河關(guān)門(mén)山溝堰塞湖為原型，開(kāi)展上游來(lái)水對(duì)漫頂潰決的影響研究，模型幾何比尺為1∶460；堰塞體底長(zhǎng)1.196 m，頂長(zhǎng)0.326 m，高0.174 m，寬0.500 m；上游坡比為1∶2，下游坡比為1∶3；模型材料按1∶40縮小，其中，0.1～10.0 mm顆粒占比約為85%，大于10 mm占比約為15%；上游來(lái)水量取0.1、0.2、0.6、0.8 L/s。

堰塞體形態(tài)、上游來(lái)水、庫(kù)容、堰塞體材料級(jí)配等諸多因素均對(duì)潰決過(guò)程有顯著影響，且模型尺度、堰塞體材料粒徑、流速流量的縮尺效應(yīng)較為復(fù)雜，要做到所有參數(shù)都與原型完全相似幾乎不可能。為減小比尺效應(yīng)，需要增大模型尺度[27–28]。

2 物理模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究堰塞湖潰決機(jī)理和引流槽形態(tài)對(duì)潰決過(guò)程的影響規(guī)律，分別開(kāi)展了較大尺度的室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)和大尺度的野外物理模擬試驗(yàn)。

2.1 室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)

1）模型試驗(yàn)系統(tǒng)組成

結(jié)合白格堰塞湖，本文室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)按幾何比尺為1∶80修筑堰塞體模型，尺寸為8.5 m×4.0 m×1.0 m（順河向底長(zhǎng)×橫河寬×垂直高度）。試驗(yàn)系統(tǒng)由供水系統(tǒng)（模擬上游來(lái)水）、上游蓄水池（模擬堰塞湖）、水槽（模擬河道）、堰塞體、下游蓄水池（用于儲(chǔ)存下泄洪水并循環(huán)利用）、測(cè)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)最大供水量為0.05 m3/s。室內(nèi)模型庫(kù)容受實(shí)際條件制約，無(wú)法做到與實(shí)際堰塞湖庫(kù)容相似，上游蓄水池庫(kù)容為384 m3，下游蓄水池庫(kù)容為550 m3。對(duì)歷史堰塞湖潰口參數(shù)分析顯示，潰口寬度一般達(dá)到潰深的2～3倍，為了獲得完整的潰口形態(tài)，水槽寬度按照4倍堰塞體高度設(shè)計(jì)。在上游蓄水池布設(shè)多支水壓力傳感器，測(cè)量水位變化過(guò)程；在潰口布設(shè)流速儀，通過(guò)蓄水池水位變化計(jì)算得到下泄流量；在模型上方不同位置架設(shè)多個(gè)攝像機(jī)，從不同角度記錄潰決發(fā)展過(guò)程。

2）堰塞體幾何形態(tài)

堰塞體與人工土石壩體型有顯著差別，堰塞體長(zhǎng)高比一般介于5～20，以10～15常見(jiàn)；人工土石壩長(zhǎng)高比一般在5左右。體型差異導(dǎo)致潰口發(fā)展階段、潰時(shí)、潰口形成機(jī)制出現(xiàn)差異。本次室內(nèi)堰塞體模型順河向長(zhǎng)8.5 m，頂長(zhǎng)1.5 m，高1.0 m，寬4.0 m，上下游坡比分別為1∶2、1∶5。室內(nèi)堰塞體模型幾何形態(tài)與“11·3”白格堰塞湖原型總體相似。

3）堰塞體填筑材料

在白格堰塞湖2018年搶險(xiǎn)期間及2019年綜合評(píng)估期間，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)堰塞體物質(zhì)進(jìn)行了多次顆粒篩分測(cè)試，其中，占堰塞體頂面70%的碎石土區(qū)d50值介于9.0～37.0 mm，占堰塞體頂面30%的粉土質(zhì)礫區(qū)d50值為4.1 mm。

堰塞湖的潰決過(guò)程十分復(fù)雜，物理模型試驗(yàn)通常需要滿足重力相似、物質(zhì)材料組成相似，以及引流槽邊坡坍塌相似，但是，重力相似與物質(zhì)材料組成相似通常難以兼顧實(shí)現(xiàn)，通過(guò)重力相似分析導(dǎo)出的材料顆粒級(jí)配一般過(guò)于細(xì)微，難以滿足堰塞體潰決模型的要求，目前尚無(wú)材料完全相似的堰塞體潰決模型試驗(yàn)的文獻(xiàn)報(bào)道。因此，在堰塞湖物理模型試驗(yàn)過(guò)程中，通常將相似準(zhǔn)則適當(dāng)放寬，著重堰塞湖潰決宏觀效果。

室內(nèi)模型試驗(yàn)的堰塞體選用無(wú)黏性寬級(jí)配砂石料，對(duì)于<1 mm的砂石料按照實(shí)際級(jí)配；對(duì)于≥1 mm的砂石料根據(jù)比尺做質(zhì)量替換，最大粒徑10 mm；填筑料按不連續(xù)級(jí)配配制。填筑后，取樣實(shí)測(cè)d50值為0.69 mm，其中，粉黏粒含量為1.0%，細(xì)砂含量為27.3%，中砂含量為12.9%，粗砂含量為28.3%，細(xì)礫含量為18.8%，中礫含量為11.7%。堰塞體模型材料d50大致為白格堰塞體d50的1/20。

白格堰塞體實(shí)測(cè)松方系數(shù)為1.1；模型堰塞體分層填筑時(shí)，每填筑20 cm，采用20 kg鋼管來(lái)回碾壓，保持壓實(shí)度在0.85左右。

4）上游來(lái)水量

白格“10·10”堰塞湖潰決時(shí)，上游來(lái)水量約為1 670 m3/s；“11·3”堰塞湖潰決時(shí)，上游來(lái)水量約為670 m3/s。為更好地觀察引流槽潰口發(fā)展過(guò)程，室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)水量選用5.6和8.3 L/s，根據(jù)重力相似準(zhǔn)則相當(dāng)于原型的320和475 m3/s，較原型有所減小，有利于更好地觀察引流槽潰口發(fā)展。

5）試驗(yàn)方案

在堰塞體中部設(shè)置引流槽，底寬3.8 cm，兩側(cè)邊坡坡比為1.0∶1.3；槽底增設(shè)矩形槽以模擬復(fù)式橫斷面，矩形槽寬2 cm、深1 cm。引流槽縱坡設(shè)計(jì)0和0.01兩種坡降。各條件組合形成6個(gè)試驗(yàn)方案，見(jiàn)表1。

表1 室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)方案Tab. 1 Indoor physical modelling test schemes

2.2 野外試驗(yàn)

1）模型試驗(yàn)系統(tǒng)組成

野外試驗(yàn)場(chǎng)地位于四川省綿竹市天池鄉(xiāng)花石溝，為綿遠(yuǎn)河的一級(jí)支流，非汛期平均流量約為0.5 m3/s。2008年，汶川地震在綿遠(yuǎn)河流域誘發(fā)多處堰塞湖。與室內(nèi)模型相似，野外堰塞體物理模型亦難以同時(shí)滿足重力相似及物質(zhì)材料組成相似，結(jié)合白格堰塞湖，按照幾何比尺1∶20修筑野外堰塞體模型，并在模型上下游分別設(shè)置量水堰觀測(cè)流量，緊鄰堰塞體上游布置測(cè)壓桶觀測(cè)堰塞湖水位。

2）堰塞體幾何尺寸

野外堰塞體模型底長(zhǎng)33 m，頂長(zhǎng)5 m，高4 m，寬10 m，上下游坡比分別為1∶2、1∶5，堰塞體填筑體積為760 m3；野外模型庫(kù)容受實(shí)際條件制約，無(wú)法做到與實(shí)際堰塞湖庫(kù)容相似，堰塞體漫頂時(shí)堰塞湖庫(kù)容約為1 000 m3。

野外堰塞體模型如圖1所示。

圖1 花石溝堰塞體模型Fig. 1 Barrier body model in Huashigou

3）堰塞體填筑材料

野外模型也著重關(guān)注堰塞湖潰決宏觀效果，物質(zhì)材料相似稍放寬。模型填筑材料選用當(dāng)?shù)貨_洪積、殘坡積物，經(jīng)篩分、充分?jǐn)嚢韬笫褂谩Ｆ渲校?5 mm顆粒按實(shí)際級(jí)配，≥5 mm按比尺做質(zhì)量替換；粒徑范圍為0.05～60 mm，d50值為6 mm；填筑料按不連續(xù)級(jí)配人工配制，中砂粒及以下含量為0，粗砂含量為25.00%，細(xì)礫為3.46%；5～10 mm中礫含量為40.00%，>10 mm的中礫含量為31.54%。不均勻系數(shù)Cu值，即d60/d10>5，模型材料d50相當(dāng)于白格堰塞體的1/1.5～1/5.0。

4）試驗(yàn)方案

考慮不同引流槽斷面、尾部增設(shè)人工陡坎等因素，共開(kāi)展3組試驗(yàn)，方案見(jiàn)表2。引流槽深75 cm，底寬15 cm，側(cè)向坡比為1.0∶1.3。試驗(yàn)期間上游溝道來(lái)水量約為0.5 m3/s，相當(dāng)于原型的894 m3/s。

表2 野外模型試驗(yàn)方案Tab. 2 Field modelling test schemes

3 模型試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

以引流槽進(jìn)口底板被水淹沒(méi)作為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間，各組試驗(yàn)至水位、流量恢復(fù)基本穩(wěn)定，歷時(shí)3 000～3 500 s，相當(dāng)于原型的7～8 h。先對(duì)方案1開(kāi)展兩次試驗(yàn)，以驗(yàn)證模型的可靠性和試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，結(jié)果表明兩次試驗(yàn)流量、水位過(guò)程幾乎完全一致。綜合各方案，得到模型試驗(yàn)典型潰口形態(tài)如圖2所示。

圖2 室內(nèi)模型典型潰口形態(tài)Fig. 2 Typical breach morphology for indoor model

堰塞湖水位取上游蓄水池多支水位傳感器的平均值，潰口流量由上游來(lái)水和蓄水池水位變化計(jì)算得到。實(shí)測(cè)潰口最大流量為0.27～0.39 m3/s，最大流速為1.20～1.71 m/s，分別相當(dāng)于原型的15 455～22 324 m3/s、10.7～15.2 m/s。各方案堰塞湖水位過(guò)程及潰口流量過(guò)程線分別如圖3、4所示。

圖3 室內(nèi)模型堰塞湖水位變化過(guò)程Fig. 3 Water level change process of barrier lake for indoor model

圖4 室內(nèi)模型潰口流量過(guò)程線Fig. 4 Breach discharge hydrograph for indoor model

由圖3、4可知：堰塞湖水位普遍呈先平穩(wěn)上升、后短暫緩慢下降、隨后快速下降、最后緩慢下降直至穩(wěn)定的變化，與“11·3”白格堰塞湖實(shí)測(cè)水位過(guò)程線相似[29]，各階段歷時(shí)占比約為45%、5%、25%、25%；潰口流量先后經(jīng)歷緩慢上升、快速上升、快速下降、恢復(fù)穩(wěn)定4個(gè)階段，各階段歷時(shí)占比約為40%、15%、17%、28%，與白格堰塞湖潰決洪水實(shí)測(cè)過(guò)程線相似[29]。

從不同方案的洪水過(guò)程線（圖3、4）看：引流槽采用復(fù)式橫斷面時(shí)，潰前最高水位、潰口洪峰流量均有不同程度的降低。增大引流槽坡降和設(shè)置尾部陡坎，會(huì)縮短早期潰流發(fā)展進(jìn)程，使?jié)Q時(shí)間提前。上游來(lái)水量小，潰決歷時(shí)延長(zhǎng)，洪水過(guò)程被坦化，潰前最高水位和洪峰流量均有所下降。

3.2 野外試驗(yàn)

上游水位漲至引流槽進(jìn)口底板時(shí)計(jì)時(shí)開(kāi)始，一次完整的潰決過(guò)程大約持續(xù)45～50 min，相當(dāng)于原型的3.5 h。典型的潰口狀態(tài)如圖5所示。

圖5 野外模型典型潰口發(fā)展特征Fig. 5 Development characteristics of typical breach for field model

各方案堰塞湖水位變化階段歷時(shí)及潰前最高水位見(jiàn)表3，潰口流量各階段歷時(shí)及洪峰流量見(jiàn)表4，水位、流量過(guò)程線如圖6所示。綜合表3、4和圖6可知：

圖6 野外模型試驗(yàn)水位、流量過(guò)程線Fig. 6 Hydrograph of water level and discharge in field modelling test

表3 上游水位各階段歷時(shí)及潰前最高水位Tab. 3 Duration of each stage of upstream water level and the highest water level before the breach

表4 潰口流量各階段歷時(shí)及洪峰流量Tab. 4 Duration of each stage of breach discharge and flood peak discharge

各組試驗(yàn)實(shí)測(cè)潰口最大流量為3.964～4.821 m3/s，最大流速為1.8～2.4 m/s，分別相當(dāng)于原型的7 091～8 624 m3/s、8.05～10.73 m/s，較“11·3”白格堰塞湖實(shí)際估算值小。分析認(rèn)為，該結(jié)果與模型材料粒徑相對(duì)較大、庫(kù)容相對(duì)較小有關(guān)。野外大模型潰決試驗(yàn)揭示的水位、流量變化階段性特征及潰口發(fā)展形式與室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果相似，但野外大模型試驗(yàn)潰口發(fā)展階段性特征及引流槽體型變化產(chǎn)生的影響更清晰。

當(dāng)野外試驗(yàn)的引流槽橫斷面由梯形變?yōu)閺?fù)式斷面后，潰前水位及洪峰流量均有明顯的下降，對(duì)降低堰塞湖危險(xiǎn)有利。在引流槽尾部設(shè)置人工陡坎后，潰決進(jìn)程顯著加快，溯源侵蝕在人工陡坎的基礎(chǔ)上快速形成，盡管潰前水位在設(shè)置人工陡坎后仍有所下降趨勢(shì)，但洪峰曲線變得更加“尖瘦”，洪峰流量也有所增大。

采用研制的陣列位移計(jì)實(shí)時(shí)記錄了潰口縱向形態(tài)演變過(guò)程，如圖7所示。

圖7 野外模型試驗(yàn)潰口縱向形態(tài)演變過(guò)程Fig. 7 Evolution process of longitudinal morphology of breach in field modelling test

由圖7可知：12：11，堰塞湖開(kāi)始全線過(guò)流，堰塞體無(wú)任何沖刷；12時(shí)18分，僅在流道尾部出現(xiàn)下切，沖刷緩慢；12：20，沖刷范圍向上游發(fā)展；12：22，沖刷頂點(diǎn)繼續(xù)向上游推進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到多個(gè)溯源陡坎；12：24，溯源沖刷速度加快，一個(gè)主要的溯源陡坎形成；12：26，溯源陡坎逼近進(jìn)口，陡坎規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，沖刷加快；12：27，溯源陡坎到達(dá)進(jìn)口，流量開(kāi)始急劇增大，進(jìn)入全斷面下切狀態(tài)；12：28，流道全斷面下切，1 min內(nèi)沖刷下切量超過(guò)之前的總和，洪峰在此期間出現(xiàn)；12：31，上游段繼續(xù)較快下切，下游段明顯淤積；12：32，上游段緩慢下切，下游段繼續(xù)淤積；12：34，上游段繼續(xù)緩慢下切，下游段繼續(xù)淤積，流道趨于順直均化；12：36，沖刷趨于停止。該發(fā)展演變過(guò)程與金沙江白格“11·3”潰口實(shí)際觀察到的現(xiàn)象較一致。

4 潰口發(fā)展規(guī)律及潰決機(jī)理分析

4.1 堰塞湖潰決控制因素

歷史堰塞湖調(diào)查及物理模型試驗(yàn)顯示，上游來(lái)水量、庫(kù)容、堰塞體形態(tài)及物質(zhì)組成是決定堰塞湖是否產(chǎn)生潰決及潰決發(fā)展進(jìn)程的關(guān)鍵因素，其中，上游來(lái)水量是最活躍、起決定性作用的因素。

4.1.1 上游來(lái)水量

中國(guó)金沙江、岷江、雅礱江、嘉陵江、雅魯藏布江、黃河等干流上，歷史上曾多次發(fā)生堰塞湖堵江事件，如金沙江中游永勝縣濤源鄉(xiāng)寨子村、金沙江上游奔子欄–子庚一帶、曲龍–因都?jí)?、堆絨桐等地均被考證認(rèn)為在史前曾發(fā)生較長(zhǎng)時(shí)間的堵江。1877年昭通段（斷流12日）、1880年巧家石膏地（斷流3日）、1887年永善（斷流7日）、1896年石渠（斷流10日）、1914年石渠（斷流7日）、1932年祿勸（堵江半日）、1935年會(huì)理（斷流3日）、1967年羊拉（堵江7日）、2018年白格（前后分別斷流3日、10日）等地均曾發(fā)生堰塞堵江，但現(xiàn)今除了殘留部分堰塞體外，堰塞湖均已不復(fù)存在，至多局部殘留形成小型–中型湖泊，如岷江疊溪堰塞湖潰決后殘留的“大海子”、雅魯藏布江流域的加拉湖和易貢湖。然而，在一些小型河流及山區(qū)溝谷卻有大量的堰塞湖生存下來(lái)，如：1933年疊溪地震形成的11個(gè)堰塞湖中位于支流上的8個(gè)至今尚存；還有1982年陜西麟游縣丈八鄉(xiāng)的西坡堰塞湖、1983年陜西鎮(zhèn)安梁家莊堰塞湖、1988年重慶巫溪縣中陽(yáng)村堰塞湖、2008年綿遠(yuǎn)河上游徐家壩堰塞湖等。這一現(xiàn)象表明，堰塞湖上游來(lái)水量及其對(duì)堰塞體的沖刷強(qiáng)度是堰塞湖能否存活的關(guān)鍵。Xu等[23]通過(guò)模型試驗(yàn)證實(shí)，隨著上游來(lái)水量增大，堰塞體會(huì)從部分沖刷潰決向完全潰決轉(zhuǎn)變。

室內(nèi)模型試驗(yàn)方案5和6的上游來(lái)水量分別為5.6和8.3 L/s，其余條件完全相同。方案6的潰前最高水位和峰值流量均比方案5大，潰決時(shí)間提前約1 000 s，約占總潰決歷時(shí)的30%，表明上游來(lái)水量不僅決定堰塞體會(huì)不會(huì)潰決，還直接影響堰塞體危險(xiǎn)性，來(lái)水越大，危險(xiǎn)性越高。上游來(lái)水差異直接體現(xiàn)在潰口水動(dòng)力條件上，在堰塞湖來(lái)水量和溢流口出水量達(dá)到平衡時(shí)，堰塞湖水位、溢流通道水頭落差、流速與上游來(lái)水量成正相關(guān)，來(lái)水越大，潰口水流流速越大，沖刷能力越強(qiáng)，可啟動(dòng)的顆粒粒徑越大，產(chǎn)生潰決的可能性越大，潰口發(fā)展速度越快。

4.1.2 庫(kù)容

以往研究顯示，庫(kù)容會(huì)影響潰口洪峰、潰深及發(fā)展速度，庫(kù)容越大，洪峰越大，潰深及潰口寬度越大，潰時(shí)越長(zhǎng)，潰口發(fā)展速度越快[19,21]。統(tǒng)計(jì)分析了66個(gè)庫(kù)容數(shù)據(jù)相對(duì)完整的堰塞湖案例，庫(kù)容小于100萬(wàn)m3的堰塞湖有5個(gè)，2個(gè)潰決，占比40%；100萬(wàn)m3≤庫(kù)容<500萬(wàn)m3的有14個(gè)，3個(gè)發(fā)生潰決，占比21%；500萬(wàn)m3≤庫(kù)容<1 000萬(wàn)m3的有7個(gè)，3個(gè)發(fā)生潰決，占比43%；1 000萬(wàn)m3≤庫(kù)容<1.0億m3的有17個(gè)，9個(gè)發(fā)生潰決，占比53%；庫(kù)容≥1.0 億m3的有23個(gè)，16個(gè)發(fā)生潰決，占比70%。潰決比例有隨庫(kù)容增大而增大的趨勢(shì)。

庫(kù)容主要影響潰口發(fā)展，較大的庫(kù)容可以在潰決過(guò)程中維持較高的水位，保持潰口較大的水力比降，使?jié)⒖诎l(fā)展更快，下切更深，洪峰曲線更加“尖瘦”。蔡耀軍等[29]基于97組堰塞湖庫(kù)容Vb與潰口洪峰流量Qp數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得到兩者呈對(duì)數(shù)正相關(guān)性：

4.1.3 堰塞體物質(zhì)顆粒組成

眾多模型試驗(yàn)揭示堰塞體材料粒徑對(duì)潰決有重要影響[11,12,18]。王道正等[20]通過(guò)物理模型試驗(yàn)揭示，隨著d50增大，潰口尺寸及其發(fā)展速度均減小。一些長(zhǎng)期存活的堰塞湖與堰塞體主要由塊石組成密切相關(guān)，如重慶小南海、綿竹徐家壩等堰塞湖。一些堰塞湖潰決后部分殘留，也與潰決過(guò)程中粗粒土積聚引起的河床粗化有關(guān)。不連續(xù)寬級(jí)配材料特性，還使堰塞體潰決過(guò)程與均質(zhì)土壩呈現(xiàn)顯著差別。均質(zhì)土壩漫頂后會(huì)很快出現(xiàn)溯源侵蝕，并在溯源過(guò)程中完成下切，溯源至進(jìn)口后出現(xiàn)洪峰；堰塞體在漫頂后，會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的“孕育”過(guò)程，溯源侵蝕至進(jìn)口后，還會(huì)出現(xiàn)全斷面下切，并在下切過(guò)程中出現(xiàn)洪峰。

堰塞體在溢流漫頂條件下是否會(huì)朝著潰決方向發(fā)展，關(guān)鍵取決于材料顆粒能否被水流沖刷啟動(dòng)及沖刷的比例。顆粒被沖刷的啟動(dòng)流速通常采用沙莫夫公式或唐存本公式進(jìn)行估算，與顆粒重度和粒徑相關(guān)。顆粒越大，啟動(dòng)流速越大，堰塞體抗沖刷潰決性能越強(qiáng)；反之，越易沖刷潰決。

4.1.4 堰塞體形態(tài)

在以往的研究中，普遍認(rèn)為堰塞體高度是影響潰決過(guò)程及潰口形態(tài)的重要因素。石振明等[19]基于案例統(tǒng)計(jì)得出，堰塞湖潰口洪峰流量和潰深隨堰塞體高度增大而增大。黃衛(wèi)等[30]在模型尺寸、上游來(lái)水、庫(kù)容、材料級(jí)配、高度等均不改變的條件下，開(kāi)展了3組不同堰塞體長(zhǎng)高比的室內(nèi)潰決試驗(yàn)，分別對(duì)應(yīng)下游坡比為1∶3、1∶4、1∶6，其中，1∶4坡比的試驗(yàn)重復(fù)一次，以驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，結(jié)果如圖8所示。

圖8 堰塞體下游坡比對(duì)潰決流量過(guò)程線的影響[30]Fig. 8 Influence of downstream slope ratio of barrier body on breach discharge hydrograph[30]

由圖8可知，堰塞體下游坡越緩（即長(zhǎng)高比越大），潰決孕育時(shí)間越長(zhǎng)，洪水過(guò)程線越坦化，洪峰值越小。這表明堰塞體危險(xiǎn)性隨高度增大而增大，隨長(zhǎng)高比增大而減小。這是由于堰塞體高度越大，潰口上下游水頭差越大，水流獲得的勢(shì)能越大，沖刷力越強(qiáng)。堰塞體長(zhǎng)高比值越大，潰口水流的比降越小，在同樣的水位條件下，漫頂水流的流速越小，沖刷能力越弱，潰口發(fā)展越慢，洪水下泄越容易得到坦化。

4.2 潰口及洪峰形成過(guò)程

結(jié)合室內(nèi)及野外模型試驗(yàn)堰塞湖潰決發(fā)展過(guò)程，堰塞湖潰口發(fā)展可分為尾部沖刷下切、陡坎溯源侵蝕、全斷面下切、上沖下淤等4個(gè)階段。

4.2.1 尾部沖刷下切階段

堰塞湖漫頂過(guò)流初期，水力坡降及流量小，模型實(shí)測(cè)流速一般為0.1～0.4 m/s，水流只能攜帶流道表面少量的粉細(xì)砂顆粒。此時(shí)，水流沿程沖刷十分輕微，幾乎全程表現(xiàn)為清水，僅在底床見(jiàn)到少量滾動(dòng)前行的細(xì)顆粒；但在堰塞體頂面近似水平段或引流槽與下游坡轉(zhuǎn)折部位，坡降突然增大，流速及沖刷力相應(yīng)增大，成為過(guò)流初期沖刷下切最集中的部位，室內(nèi)及野外模型試驗(yàn)均觀察到該部位最早出現(xiàn)明顯的沖刷下切。水流進(jìn)入下游坡面后出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象，不但不沖刷下切，坡頂沖刷下來(lái)的顆粒還在坡面堆積，形成類(lèi)似“側(cè)磧”現(xiàn)象。

隨著尾部沖刷下切持續(xù)進(jìn)行，侵蝕起始點(diǎn)逐漸向上游發(fā)展，同時(shí)，隨著上游水位逐漸升高，流量緩慢增大，沖刷下切速度也相應(yīng)緩慢加快；下切形成的縱坡降由原始的近水平逐漸接近1∶10。伴隨流槽下切，兩側(cè)邊坡出現(xiàn)小規(guī)模坍塌，單次坍塌規(guī)模隨流速或流量逐步增大，坍塌土體擠占流道比例一般不超過(guò)50%。與此同時(shí)，流道尾部寬度也逐漸增大，平面呈現(xiàn)尾部寬、向上游逐漸收縮的“倒喇叭”形態(tài)。

本階段持續(xù)時(shí)間占整個(gè)潰決時(shí)間的25%～30%，沖刷量占比約為5%。在此期間，上游水位持續(xù)上漲，流量緩慢增大。

4.2.2 陡坎溯源侵蝕階段

隨著上游水位持續(xù)抬升，流槽內(nèi)水力比降逐步增大，流速也緩慢增大。當(dāng)模型實(shí)測(cè)流速達(dá)到0.4～0.5 m/s后，流槽尾部開(kāi)始出現(xiàn)陡坎，水流侵蝕能力開(kāi)始顯著提升。根據(jù)陡坎數(shù)量、規(guī)模及沖刷發(fā)展速度，可進(jìn)一步分為兩個(gè)亞階段：1）多個(gè)小陡坎溯源侵蝕階段。槽內(nèi)流速為0.40～0.65 m/s，尾部出現(xiàn)多個(gè)小陡坎，在溯源侵蝕過(guò)程中相互整合兼并或此消彼長(zhǎng)；流量開(kāi)始加速增長(zhǎng)。本階段持續(xù)時(shí)間占整個(gè)潰決時(shí)間的20%～25%，沖刷量占比約為10%。2）單一大陡坎溯源侵蝕階段。多個(gè)小陡坎溯源過(guò)程中逐步演變發(fā)展為單一的大陡坎，流速逐步增大至1.2～1.4 m/s。流量開(kāi)始急劇增長(zhǎng)，以陡坎為界，上游以清水為主（僅床面附近為渾水），流道拓寬較??；下游為渾水，流道拓寬明顯；“倒喇叭”形潰口形態(tài)得到進(jìn)一步發(fā)展。室內(nèi)模型陡坎高10 cm左右，野外模型陡坎高20～30 cm，且隨著向上游推進(jìn)而持續(xù)增大。隨著陡坎溯源發(fā)展，兩側(cè)邊坡單次坍塌規(guī)模也相應(yīng)增大，單次坍塌土體可以擠占1/2的流道，試驗(yàn)期間沒(méi)有觀察到短暫堵死現(xiàn)象。當(dāng)陡坎接近流槽進(jìn)口時(shí)，進(jìn)口兩側(cè)坡腳沖刷顯著加快，出現(xiàn)俗稱的“龍口打開(kāi)”現(xiàn)象，流道平面形態(tài)呈現(xiàn)縱向不對(duì)稱的雙曲面形態(tài)。本階段歷時(shí)約占整個(gè)潰決時(shí)間的8%～10%，沖刷量占比約為15%。

4.2.3 全斷面下切階段

當(dāng)溯源陡坎到達(dá)進(jìn)口并使底板快速下切后，流槽過(guò)水?dāng)嗝嫠查g快速增大，導(dǎo)致流量急劇攀升，洪峰隨之出現(xiàn)。模型實(shí)測(cè)潰口最大流速為2.4～2.8 m/s，相當(dāng)于原型的11～12 m/s，一般出現(xiàn)在洪峰之前、潰口完全打開(kāi)期間。在高流速、大流量沖刷作用下，流道出現(xiàn)全斷面下切，下切速度和拓寬速度達(dá)到頂峰，原先雙曲面形的流道快速被沖刷呈近似等寬形態(tài)。本階段歷時(shí)占比7%～8%，沖刷量占比接近60%。

4.2.4 上沖下淤階段

隨著潰口打開(kāi)和洪峰出現(xiàn)，上游堰塞湖水位快速下降，槽內(nèi)水力比降和流速隨之快速回落。流道上游繼續(xù)沖刷下切，流道下游則開(kāi)始淤積，流道比降逐漸減小，沖淤界線不斷向上游遷移，直至最后沖刷基本停止，流道達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。本階段歷時(shí)占比30%～35%，沖刷量占比約為10%。

4.3 潰口形成機(jī)制

4.3.1 潰口沖刷機(jī)制

潰口形成發(fā)展全過(guò)程中，流速始終起主導(dǎo)作用。一方面，其決定了可被沖刷的顆粒粒徑；另一方面，流道自身也始終朝著有利于獲得最大流速的形態(tài)發(fā)展，由此決定了流道縱向發(fā)展具有非線性、非均勻的特點(diǎn)。流量作為泥沙被沖刷搬運(yùn)的“載體”，控制了單位時(shí)間內(nèi)沖刷總量，某時(shí)刻的沖刷量可表示為：

式中，dEt為t時(shí)刻的沖刷量，Qt為t時(shí)刻的流量，Rt為t時(shí)刻的流道水力半徑，Vt為t時(shí)刻的流速。

在早期小流量階段，流速小，水流運(yùn)動(dòng)服從牛頓力學(xué)定律，在堰塞體坡頂與下游坡面交界處，水流同時(shí)具備流量集中、坡降最大的條件，成為最早沖刷下切的部位，無(wú)論是模型試驗(yàn)還是實(shí)際堰塞湖，都在尾部首先觀察到?jīng)_刷現(xiàn)象。隨著尾部沖刷和下切，斜面上流速逐步增大，水流會(huì)逐漸按照“最速曲線（brachistochrone curve）”規(guī)律沖刷坡面，使斜面由順直形向弧形轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)溯源陡坎的雛形，水流獲得更大的流速。由于堰塞體材料寬級(jí)配、不連續(xù)，斜面上不會(huì)出現(xiàn)單一的弧形，而是出現(xiàn)若干個(gè)小的弧形，并逐步發(fā)展為多個(gè)小陡坎，如圖9所示。

圖9 溯源陡坎形成過(guò)程示意圖Fig. 9 Sketch of headward scarp formation

伴隨溯源陡坎雛形的出現(xiàn)，流體力學(xué)效應(yīng)對(duì)流道沖刷的作用不斷增大，陡坎部位形成渦流，并在上、下游不同部位分別出現(xiàn)負(fù)壓掏蝕、重力沖蝕和高速水流剪切沖刷；在多種沖刷機(jī)制共同作用下，陡坎快速向上游推進(jìn)，陡坎規(guī)模不斷增大，如圖10所示。

圖10 陡坎溯源沖刷示意圖Fig. 10 Schematic diagram of headward scouring

當(dāng)陡坎溯源至流道進(jìn)口時(shí)，陡坎規(guī)模達(dá)到最大，流道水力比降也達(dá)到最大，一般在此時(shí)觀測(cè)到最大流速；模型觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，最大流速出現(xiàn)的時(shí)間略早于洪峰出現(xiàn)時(shí)間。此時(shí)，盡管流速出現(xiàn)峰值，但由于進(jìn)口段過(guò)水?dāng)嗝嫔形聪虑?，因此流量還在急劇上升中。當(dāng)陡坎溯源至上游坡面，即陡坎消失那一刻，潰口同時(shí)具有較高的上游水位、最大的過(guò)水?dāng)嗝娓叨群洼^大的流速，洪峰出現(xiàn)。在大流量、高流速驅(qū)動(dòng)下，流道全斷面高速下切，并在隨后伴隨水位快速下降而迅速轉(zhuǎn)入上沖下淤階段。

4.3.2 流道自我演化機(jī)制

無(wú)論堰塞體頂面最初是何種形態(tài)，漫頂過(guò)流后，都會(huì)首先在地形上（游）緩下（游）陡轉(zhuǎn)折部位出現(xiàn)沖刷下切，然后依次經(jīng)歷3個(gè)發(fā)展階段完成潰決全過(guò)程。在此過(guò)程中，增大流道比降、改變床面形態(tài)并獲得較高的流速，是流道自我演變遵循的基本原則。尾部下切是為了實(shí)現(xiàn)較大的比降和流速，斜面弧形演變是為了得到更大的流速，溯源陡坎出現(xiàn)則使水流勢(shì)能集中于局部而獲得更大的沖刷效率。模型試驗(yàn)揭示，當(dāng)增大引流槽縱坡降、在尾部設(shè)置人工陡坎時(shí)，會(huì)明顯縮短尾部下切階段歷時(shí)，誘使?jié)⒖谔崆斑M(jìn)入溯源侵蝕階段。模型中，引流槽初始縱坡坡降為0.010，陡坎溯源后形成的縱坡總體坡降約為0.100，潰決結(jié)束后流道縱坡坡降為0.065，接近溝道天然比降。因此，將引流槽開(kāi)挖成“上（游）緩下（游）陡”的縱坡形態(tài)，將有利于湖水盡早下泄。

4.3.3 潰口形成主要形式

從潰決過(guò)程看，約60%的歷時(shí)都在溯源侵蝕或在為溯源侵蝕創(chuàng)造條件，溯源侵蝕是堰塞體和人工土石壩共同具有的沖刷形式。陡坎溯源是潰口在流速、流量提升過(guò)程中效率最高的沖刷方式，它能將潰口水流的勢(shì)能在局部高度集中，形成強(qiáng)烈溯源掏蝕和下切沖刷，是潰決前或洪峰出現(xiàn)前必須經(jīng)過(guò)的一個(gè)重要發(fā)展階段。能否產(chǎn)生溯源陡坎也是判斷堰塞湖漫頂后會(huì)不會(huì)最終潰決的標(biāo)志。野外模型在流量達(dá)到0.02～0.03 m3/s時(shí)觀察到陡坎雛形，白格“11·3”堰塞湖大概在流量為30～50 m3/s時(shí)觀察到溯源陡坎出現(xiàn)。

4.3.4 洪峰出現(xiàn)過(guò)程

由于無(wú)法獲取潰口發(fā)展過(guò)程數(shù)據(jù)，以往根據(jù)堰塞湖潰決時(shí)的目測(cè)結(jié)果，一般認(rèn)為洪峰出現(xiàn)于潰口打開(kāi)之時(shí)。在野外模型試驗(yàn)期間，同步觀測(cè)了潰口流量、流速、潰口底板高程變化、潰口平面形態(tài)變化、上游水位，發(fā)現(xiàn)洪峰現(xiàn)時(shí)晚于潰口打開(kāi)時(shí)間，但滯后時(shí)間很短，野外模型約滯后1 min。洪峰出現(xiàn)時(shí)具有以下宏觀特征：溯源陡坎消失，潰口縱向趨于平順，上游水位開(kāi)始快速下降，進(jìn)口段水流變渾濁。

4.3.5 潰口展寬發(fā)展過(guò)程

潰口發(fā)展過(guò)程中，大部分時(shí)段水流對(duì)槽底的下切速度明顯大于對(duì)坡腳的側(cè)向沖刷速度，但潰口底板最終寬度一般達(dá)到潰深的2～3倍，因此，除了水流側(cè)向沖刷，流道下切導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)而產(chǎn)生的坍塌是潰口展寬的主因。搶險(xiǎn)實(shí)踐中，搶險(xiǎn)人員經(jīng)常擔(dān)心引流槽邊坡坍塌堵塞流道而延緩堰塞湖下泄。本文室內(nèi)模型試驗(yàn)試驗(yàn)顯示，在維持開(kāi)挖邊坡施工期穩(wěn)定情況下，過(guò)流期間發(fā)生坍塌堵塞流道的可能性很小，邊坡單次坍塌規(guī)模與流量具有很好的對(duì)應(yīng)性。野外模型尾部下切期間，邊坡坍塌高度小于10～20 cm，寬度為10～15 cm，厚度為2～5 cm；陡坎溯源期間，單次坍塌最大規(guī)模高度達(dá)1.0 m，寬約1.0 m，厚度為0.3～0.4 m；全斷面下切期間，單次坍塌最大規(guī)模高度達(dá)1.5 m，寬度為2.0～2.5 m，厚度為0.5～0.8 m，坍塌土體擠占流道寬度一般不超過(guò)50%。白格“11·3”堰塞湖陡坎溯源期間，潰口流量為6 000～10 000 m3/s時(shí)，曾數(shù)次觀察到估測(cè)體積為300～2 000 m3的坍塌體瞬間被水流帶向下游。全斷面沖刷期間，既是流道下切最快時(shí)段，也是潰口側(cè)向沖刷最快時(shí)段。

5 結(jié) 論

1）上游來(lái)水量、庫(kù)容、物質(zhì)組成及堰塞體形態(tài)是控制堰塞體危險(xiǎn)性的關(guān)鍵要素，也是物理模型能否再現(xiàn)潰決全過(guò)程的關(guān)鍵。

2）堰塞湖潰口發(fā)展經(jīng)歷尾部下切、陡坎溯源、全斷面下切、上沖下淤4個(gè)階段，潰口洪峰出現(xiàn)于全斷面下切期間。

3）潰口形成機(jī)制遵循“流速驅(qū)動(dòng)、流量控制”原則，潰口形態(tài)發(fā)展遵循以獲得較大流速為目標(biāo)的自我演化機(jī)制。

4）陡坎溯源是形成潰口和洪峰的重要沖刷方式和潰決前效率最高的沖刷方式，也是判斷堰塞體漫頂過(guò)流后會(huì)不會(huì)潰決的重要標(biāo)志。

隨著堰塞湖潰決大型物理模擬試驗(yàn)的進(jìn)一步開(kāi)展和潰口監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，堰塞湖潰決機(jī)理將得到更好的理解，并有助于推動(dòng)高危堰塞湖應(yīng)急疏通排水設(shè)計(jì)和控潰技術(shù)發(fā)展。