泄流槽型式對涌浪激發(fā)冰磧壩潰決過程的影響

關(guān)鍵詞：冰湖潰決；涌浪激發(fā)；泄流槽槽型；壩體侵蝕；峰值流量

冰磧壩是由冰川消退時(shí)冰川搬運(yùn)和堆積的碎屑物（即冰磧物）在山谷出口處或河道中堵塞而形成的天然壩體[1]。高寒區(qū)天氣轉(zhuǎn)熱時(shí)，冰川體崩解落入冰磧湖，以脈沖波的形式在水面上產(chǎn)生擾動波[2]，后形成涌浪反復(fù)沖刷壩體，進(jìn)而發(fā)生漫溢，易引發(fā)冰湖潰決[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冰崩/冰滑坡及相關(guān)組合因素誘發(fā)的冰湖潰決事件占冰湖潰決總數(shù)的70%[4]。在以升溫為背景的氣候變化影響下，冰川加速消融、冰湖增擴(kuò)、冰湖潰決頻發(fā)，嚴(yán)重影響人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和區(qū)域生態(tài)環(huán)境[5]。

冰磧壩潰決已有較多研究，且多集中于壩體破壞過程。Balmforth等[6]研究了涌浪條件下由位移波引發(fā)的冰磧壩潰決的潰口侵蝕過程；Chen等[7]研究了涌浪作用下不同冰崩體類型、坡度角、初始水深等參數(shù)對冰磧壩壩體破壞過程的影響。為了降低堰塞壩潰決風(fēng)險(xiǎn)，常采取開挖泄流槽的措施以降低上游水位和潰決峰值流量。對于天然堰塞壩泄流槽槽型的優(yōu)化已有較多研究，如趙天龍等[8]和Zhao等[9]選取梯形、三角形和復(fù)式斷面3種泄流槽斷面型式分析其對泄流過程、總下泄水量和泄流后殘壩體積的影響，指出復(fù)式泄流槽泄流效果較好；Yan等[10]比較了三角形和寬、深梯形溢洪道斷面形狀對滑坡壩潰口過程的影響，結(jié)果表明三角形溢洪道在降低洪峰潰決流量和延緩峰現(xiàn)時(shí)間方面表現(xiàn)最佳；石振明等[11]對梯形單槽和復(fù)合槽槽型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析發(fā)現(xiàn)復(fù)合槽對于降低潰壩風(fēng)險(xiǎn)的成效并未如梯形單槽顯著；陳生水等[12]基于粗細(xì)顆粒之間的相互作用得出了相反的結(jié)論，認(rèn)為復(fù)合梯形泄流槽的泄流效率優(yōu)于梯形單槽斷面；Lu等[13]基于上述研究控制泄流槽深度和開挖量，以天然冰磧壩為研究背景開展試驗(yàn)，認(rèn)為梯形泄流槽在降低峰值流量和減緩壩體侵蝕率方面表現(xiàn)較好。國內(nèi)外冰湖潰決的研究一般參考堰塞壩潰決過程，對于天然冰磧壩的特點(diǎn)考慮的尚不全面，且現(xiàn)有研究尚缺乏對涌浪激發(fā)的冰湖潰決過程中泄流槽槽型影響的相關(guān)研究。

本文以青藏高原嘉龍錯(cuò)冰湖典型特征參數(shù)為背景資料構(gòu)建冰湖潰決物理模型，模擬冰崩體墜落至湖體引發(fā)涌浪，涌浪反復(fù)沖刷初設(shè)泄流口位置、形成貫通泄流通道，隨后沿該通道發(fā)生漫頂溢流潰決的過程。研究不同結(jié)構(gòu)型式人工泄流槽對該過程的影響，以期揭示冰磧湖潰口展寬、下切等演化過程機(jī)制。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)裝置

在充分調(diào)研國內(nèi)外潰壩模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)參數(shù)及其取值范圍后，設(shè)計(jì)了包括冰湖、冰磧壩、壩后下游演進(jìn)河道、尾水池、供水系統(tǒng)等在內(nèi)的冰磧壩潰決模型試驗(yàn)系統(tǒng)平臺。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

壩前水槽的尺寸參考嘉龍錯(cuò)冰湖實(shí)測尺寸（長1400m，寬580m）設(shè)置，保持嘉龍錯(cuò)的長寬比，綜合模型場地將壩前水槽設(shè)為長4.6m、寬1.9m、高1.05m；壩后水槽長5m、寬0.6m、高0.85m，壩后的水槽坡度按照嘉龍錯(cuò)壩后實(shí)測坡度5%考慮。壩體迎水側(cè)及背水側(cè)長度為0.866m，壩頂寬0.075m，壩頂靠近玻璃壁面單側(cè)設(shè)置泄流槽，寬度為0.12m。壩前水槽、壩體及壩后下游演進(jìn)河道均以有機(jī)玻璃建造以便于觀察潰決過程。尾水池用于收集模型壩體潰決后的全部砂量和水槽泄水量。

采用輕質(zhì)塑料袋緊密封裝聚丙烯小塊模型冰塊作為模型冰崩體，聚丙烯塊密度（910～920kg/m3）與冰塊接近，塊間幾乎無黏聚力，且在模型試驗(yàn)中能體現(xiàn)出良好的適用性[14]。封裝時(shí)盡可能不留空間，最大限度地減小冰塊間作用力對試驗(yàn)的影響，封裝后的模型冰塊形狀近似矩形，尺寸為65cm×36cm×23cm。模型冰塊整體下落，如圖1（b）所示，3種試驗(yàn)工況下模型冰塊均自1.6m高度以重力作用垂直墜入湖體，僅產(chǎn)生1次涌浪。需要指出，涌浪波形呈非線性特性，可能影響涌浪與壩體之間的相互作用過程，造成壩體所受的涌浪壓力分布不均。然而不同滑坡涌浪傳播至壩前的荷載分布型式基本相同，且本研究控制了不同工況冰崩體的下落高度和位置，盡可能減小涌浪非線性對結(jié)果的影響。

1.2壩體參數(shù)

試驗(yàn)壩體為梯形，根據(jù)壩體顆粒級配及休止角參數(shù)，將壩體迎水側(cè)和背水側(cè)坡度均設(shè)為30°（1∶1.7）。依據(jù)模型沙用料確定模型壩高為0.5m，頂部寬度（Wu）按壩高的0.15倍設(shè)為0.075m，底寬Wd=1.81m。按照水槽寬設(shè)計(jì)壩體迎水側(cè)寬度W=0.6m。冰磧壩和冰湖的幾何特征參數(shù)參考量綱一數(shù)高寬比（H/B）、大壩形狀系數(shù)（Vd1/3/H，Vd為壩體體積）和湖泊形狀系數(shù)（Vl1/3/H，Vl為湖體體積）確定[15]。

選擇嘉龍錯(cuò)冰湖壩體材料實(shí)測級配分布配比模型壩體[16]，應(yīng)用剔除法僅保留粒徑小于20mm的顆粒，試驗(yàn)壩體材料顆粒分布如圖2所示。冰磧壩模型壩體材料選用寬級配的無黏性砂石料（粒徑為0.1～20mm）含7種粒徑顆粒（圖3）配比來制作壩體。

土體密實(shí)度和含水率對潰決過程起重要作用[17]，本試驗(yàn)中考慮天然冰磧壩的含水率和孔隙比，含水率按多處天然冰磧壩含水率的均值取為11%[18-19]，壓實(shí)度通過將每層的孔隙比控制在0.34±0.05實(shí)現(xiàn)。

1.3試驗(yàn)工況

本組試驗(yàn)在控制相同土體開挖量（54cm2）和開挖深度（63.4cm）的條件下，設(shè)置3種人工泄流槽槽型：梯形（工況Y1）、三角形（工況Y5）、復(fù)式（工況Y6），尺寸如圖4所示，為便于觀察，泄流槽均設(shè)于水槽邊壁位置。

1.4數(shù)據(jù)量測

潰壩過程由3個(gè)4K高清攝像頭記錄，分別記錄潰口橫向發(fā)展過程、壩體側(cè)面、壩前水位及涌浪形態(tài)變化，并在錄像范圍內(nèi)放置校準(zhǔn)過的時(shí)鐘，便于確定壩體侵蝕的起始時(shí)刻。水深數(shù)據(jù)采用波高儀配套DJ800多通道壓力采集儀和壓力傳感器同時(shí)采集，便于相互驗(yàn)證，提高數(shù)據(jù)可靠性。如圖1（a）所示，沿水槽縱截面等間距設(shè)置9支波高儀（標(biāo)示為1#—9#）及6支壓力傳感器（標(biāo)示為M1—M6）。

模型冰崩體墜落前入流流量Qin=2L/s，水位上漲至63.4cm后停止進(jìn)水。潰決流量通過壩前水深變化測量，潰壩前壩體后側(cè)未看到明顯滲流，故此處不考慮滲流流量。壩體完全潰決前，迎水側(cè)角度基本未發(fā)生變化。潰決過程流量按下式計(jì)算：

需要說明，涌浪波動會影響庫區(qū)水位，試驗(yàn)表明，3組工況下涌浪對水位波動產(chǎn)生顯著影響的時(shí)刻僅集中于0～30s，而潰決過程中潰口流量明顯變化的時(shí)刻集中于60～110s，該時(shí)間段內(nèi)，涌浪波動幅度不超過1.5cm，占60s時(shí)壩前水深的2.37%～2.61%。對于潰決過程中重點(diǎn)關(guān)注的洪峰流量和峰現(xiàn)時(shí)間，涌浪波動的影響可暫不考慮。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1水深數(shù)據(jù)及結(jié)果驗(yàn)證

波高儀和傳感器2種水深測量裝置所得工況Y1、Y5的結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在水深穩(wěn)定上漲和快速下降階段，2種裝置所測量水深結(jié)果誤差均不超過5%，表明2種測量裝置均具有較高的精度。前述研究中[13]對于壩體漫頂潰決部分和本部分試驗(yàn)裝置、過程幾乎相同，且前期已證明了試驗(yàn)重復(fù)性較好，故本組試驗(yàn)無需再進(jìn)行重復(fù)性驗(yàn)證。

2.2冰磧壩潰決試驗(yàn)現(xiàn)象

2.2.1壩體潰決特征

試驗(yàn)表明3種工況下壩體侵蝕模式基本相同，選取梯形泄流槽工況Y1的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。以模型冰崩體落水時(shí)刻作為初始0時(shí)刻，通過高清攝像機(jī)繪制涌浪沖擊并侵蝕壩體的特征時(shí)刻（圖6，圖7）。滑坡涌浪由落水處產(chǎn)生后傳至壩體，由于慣性作用會沿壩體的斜坡爬升，5s時(shí)便越過壩頂，侵蝕壩體背水側(cè)。初期涌浪能量較高，除沿著預(yù)設(shè)泄流槽底部流出外，其余水體沿整個(gè)壩頂寬度向下發(fā)展，壩體開始侵蝕。圖7是橫向侵蝕過程，由圖7可知，壩體表面的標(biāo)志線在首波水流漫頂時(shí)便被沖掉，表明表層細(xì)砂隨著水流輸移至壩腳處；反復(fù)多次沖刷后，水體沿著預(yù)設(shè)的泄流槽口迅速形成潰口。侵蝕初期，水流流速較小，沖蝕作用較弱，壩頂?shù)撞坑猩倭磕嗌秤俜e；伴隨溢流沖刷，潰口處不斷加深、加寬，水流淘蝕壩體內(nèi)部，表層土體出現(xiàn)懸空狀態(tài)；水流繼續(xù)侵蝕壩體內(nèi)部至無法支撐表層土體后，表層土體坍塌；隨后由于水庫大量泄流，水位迅速下降，潰壩流量增加至峰值流量后逐漸下降，侵蝕能力減弱；直至水流沖刷能力小于剩余土體的抗沖刷能力，壩體體積不再發(fā)生變化，視為潰決結(jié)束。

為便于分析，將整個(gè)過程劃分為3個(gè)階段。其中，階段1為涌浪明顯作用階段（0～lt;25s），該階段內(nèi)涌浪沖擊壩體頂部及壩體背水側(cè)部分并沿著初始潰口沖刷形成初始泄流通道，潰口的橫向拓寬和下切效應(yīng)不明顯，此階段的標(biāo)志是壩體侵蝕從背水側(cè)發(fā)展到迎水側(cè)，形成貫通的初始泄流通道；階段2為水流溢流沖蝕階段（25～lt;90s），該階段內(nèi)涌浪作用已衰減至不明顯，水流沿著初始泄流通道持續(xù)沖刷，潰口逐漸加深和擴(kuò)寬，過程中偶爾發(fā)生小范圍坍塌，此階段內(nèi)潰口的發(fā)展類似于水位上漲發(fā)生漫頂潰決的潰口發(fā)展過程，并且壩體垂向侵蝕均發(fā)生在此階段，橫向侵蝕主要發(fā)生在此階段，階段內(nèi)侵蝕率先逐漸加快，達(dá)到峰值后再持續(xù)減?。浑A段3為侵蝕衰減期（90～135s），該階段內(nèi)垂向侵蝕已發(fā)展完全，橫向侵蝕繼續(xù)發(fā)展，直至潰決結(jié)束。

2.2.2涌浪波形分析

通過高清攝像機(jī)繪制涌浪各特征時(shí)刻，涌浪波幅為6.8cm，周期約1s。選取9#、1#波高儀水深結(jié)果進(jìn)行分析（圖8），黑色虛線代表冰崩體入水前平衡狀態(tài)的水位，黑線以上為波峰、以下為波谷。1#波高儀先出現(xiàn)涌浪波峰，約5s后波峰傳至9#波高儀位置。涌浪高度在傳播過程中緩慢衰減，形態(tài)上涌浪波形狀由“高而瘦”逐漸發(fā)展為“矮而胖”，證明穩(wěn)定涌浪呈現(xiàn)近似孤立波的形態(tài)傳播[20]。

2.3初始槽型對潰決峰值流量的影響

3種工況下，涌浪激發(fā)的漫頂潰決過程中峰值流量及水深變化結(jié)果如圖9所示。由圖9（a）可知，Y1、Y5、Y6工況下峰值流量分別為63.6、62.2、61.7L/s，峰現(xiàn)時(shí)間分別81、89、92s。工況Y1峰值流量較Y5和Y6分別大2.17%和3.05%，峰現(xiàn)時(shí)間早10s左右。圖中流量曲線上下波動明顯是因?yàn)楸敬畏治鏊昧髁繑?shù)據(jù)是通過水深變化得出的，而涌浪作用下水深在短時(shí)間內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)波峰和波谷，波動較大。

由圖9（b）可得，工況Y1在水深快速下降前期（66～lt;105s）和后期（105～130s）水深下降速率分別約0.49、0.32cm/s；工況Y5和Y6在水深快速下降前期（70～lt;120s）和后期（120～150s）下降速率分別約0.39、0.24cm/s。

2.4初始槽型對壩體侵蝕過程的影響

2.4.1潰決現(xiàn)象及特征分析

壩體上游坡面受涌浪影響，下游坡面受溢流影響。上游坡面侵蝕很快停止，形成侵蝕基準(zhǔn)面。潰決過程中20s時(shí)會出現(xiàn)侵蝕基準(zhǔn)面（圖10），3種工況下，其與水平線的夾角分別為19°、18°和19°，差異并不明顯。工況Y6首波水流沿預(yù)設(shè)的復(fù)式泄流槽底部的三角形流至背水側(cè)，第2、3波水流沿著全斷面漫過壩體頂部及背水側(cè)，至第4波水流漫過初設(shè)泄流槽后，周圍土體被持續(xù)侵蝕，背水側(cè)形成1條貫通的泄流通道，寬度為4.48cm，至此后壩體潰決過程類似于漫頂潰決工況。而工況Y1和Y5首波水流分別沿復(fù)式泄流槽底部的三角形和預(yù)設(shè)的三角形槽出流，逐漸形成初始泄流通道，寬度分別為3.28和6.18cm。

通過圖像識別可分析得到壩體表面剖面的變化過程，選取斷面A—D（圖10），分別代表x=0、20、40、60cm處斷面，提取出各特征時(shí)刻下垂向及橫向潰口特征，繪制壩體在不同時(shí)刻下的垂向和橫向輪廓，便于分析4個(gè)斷面下壩體的侵蝕發(fā)展過程。比較不同工況下的橫向侵蝕率（）及垂向侵蝕率（），其中，dw和dh分別為橫向?qū)挾燃按瓜蛏疃茸兓?，dt為時(shí)間變化量，通過記錄的壩體潰決特征和侵蝕率，定量分析3種工況下的壩體侵蝕規(guī)律。

2.4.2侵蝕率變化

3種工況下，壩體斷面A—D的橫向和垂向侵蝕率隨時(shí)間的變化如圖11—圖13所示。工況Y1壩體垂向侵蝕率在10～50s逐漸增大，且在50s達(dá)到峰值；而橫向侵蝕率在50s后才有明顯增加，說明壩體垂向侵蝕率出現(xiàn)明顯變化的時(shí)刻早于橫向?？赡艿脑蚴?，泄流初期水流從預(yù)設(shè)泄流槽流出，受重力影響先沿背水坡向下發(fā)展，發(fā)生垂向侵蝕；隨著潰口流量的增大，侵蝕逐漸增加，沖刷壩體，壩體失穩(wěn)發(fā)生橫向坍塌。

類似的，工況Y5和Y6的3個(gè)階段分別為：0～lt;30s、30～lt;100s、100～160s；0～lt;28s、28～lt;94s、94～132s。由圖12和圖13可知，工況Y5和Y6的壩體橫向侵蝕率在階段1分別不超過全過程侵蝕率均值的43.50%和36.80%，橫向侵蝕明顯增加的時(shí)刻分別為80和90s；垂向侵蝕集中在階段2，其中工況Y5和Y6的垂向侵蝕率均在20～60s逐漸增大，且在60s達(dá)到峰值，70s已發(fā)展完全。與漫頂工況相比[13]，垂向侵蝕集中的時(shí)間縮短約30～40s。

侵蝕率在不同斷面間的變化規(guī)律為：A和B斷面垂向侵蝕率均明顯大于C和D斷面，斷面橫向侵蝕最大值發(fā)生時(shí)間（tm）與斷面位置間無明顯規(guī)律。如工況Y1下，斷面A—C的tm均為100s，斷面D為70s；工況Y5下，斷面A、B的tm均為100s，斷面C、D的tm均為80s。斷面A—C垂向侵蝕最大值發(fā)生在同一時(shí)刻（50s），且4個(gè)斷面發(fā)生明顯垂向侵蝕的時(shí)間范圍相差不大。下游斷面C和D斷面侵蝕率明顯小于上游斷面，原因是下游斷面初始深度較小，且水流在流經(jīng)斷面A和B時(shí)沿程克服阻力，到下游斷面C和D時(shí)流速減緩。

2.4.3泄流槽型式對潰決特征的影響

所有工況下，階段2的橫向和垂向侵蝕率均大于階段1和3。且侵蝕在工況Y1較工況Y5和Y6先開始，這與流量出現(xiàn)顯著增加的順序一致。工況Y1的橫向侵蝕自60s起出現(xiàn)明顯增大，而工況Y5和Y6的橫向侵蝕分別自80s和90s起出現(xiàn)明顯增大。原因是工況Y5和Y6的底部均為三角形，初始過流面積小、侵蝕流量小，侵蝕力較弱。選取3種工況下斷面侵蝕歷時(shí)、侵蝕率范圍、平均侵蝕率3個(gè)參數(shù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表1所示。

數(shù)據(jù)顯示，A斷面工況Y1的橫向平均侵蝕率比工況Y5、Y6分別大16.90%和4.70%，垂向平均侵蝕率比工況Y5、Y6分別大18.50%和17.30%；B斷面工況Y1的橫向平均侵蝕率比工況Y5、Y6分別大19.80%和9.70%，垂向平均侵蝕率與工況Y5相等、較工況Y6大16.60%；C和D斷面的橫向侵蝕較小，僅占A和B斷面侵蝕的一半甚至更小，故不再分析。泥沙試驗(yàn)的重復(fù)試驗(yàn)閾值常取為20.00%，基于以上試驗(yàn)認(rèn)為，在涌浪激發(fā)的漫頂潰決試驗(yàn)中，初設(shè)泄流槽的槽型對侵蝕發(fā)展影響不大，這與峰值流量比較結(jié)果一致?？赡艿脑蚴怯坷藳_刷作用下，3種工況下初始泄流通道寬度的差距不超過2cm，而由于前期出流寬度接近，此時(shí)壩前上游水深也接近，壩前水體勢能決定了水位下降速率，故涌浪作用下壩體潰決峰值流量和侵蝕率受初設(shè)槽型的影響較小。

3結(jié)論

本文考慮冰湖形狀、壩體級配、土體顆粒組成等多因素，搭建了冰湖潰決物理模型試驗(yàn)研究平臺。通過設(shè)置三角形、梯形和復(fù)式3種泄流槽型式，研究了泄流槽深度及開挖量一定的情況下，涌浪激發(fā)導(dǎo)致冰湖潰決過程中，泄流槽型式對涌浪誘發(fā)的冰磧壩潰決流量發(fā)展及壩體侵蝕過程的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）涌浪誘發(fā)冰磧壩潰決的壩體侵蝕從迎水側(cè)開始，侵蝕同時(shí)發(fā)生在迎水側(cè)與背水側(cè)部分。潰壩過程可分為3個(gè)階段：階段1為涌浪明顯作用階段，涌浪沖擊壩體頂部及壩體背水側(cè)并沿初始潰口沖刷形成初始泄流通道，潰口的橫向拓寬和下切效應(yīng)不明顯；階段2為水流溢流沖蝕階段，涌浪作用衰減至不明顯，水流沿初始泄流通道持續(xù)沖刷，潰口加深、擴(kuò)寬速率明顯加快；階段3為侵蝕衰減期，侵蝕變緩，直至殘余體積不再發(fā)生變化，潰決結(jié)束。

（2）泄流槽槽型對潰口峰值流量和壩體侵蝕發(fā)展的影響不明顯。涌浪反復(fù)沖刷壩體并逐漸形成狹窄泄流通道，3種工況下初始泄流通道寬度的差距不超過2cm，而初始出流寬度對后續(xù)潰決進(jìn)程影響較大。