堰塞壩潰壩洪水影響因素試驗(yàn)

羅利環(huán),黃 爾,呂文翠,張 婧

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610065)

堰塞湖是由于地震活動(dòng)、火山熔巖流、冰磧物等原因引起山體崩塌、滑坡堵截山谷或河谷后儲(chǔ)水而形成的湖泊。歷史上,四川 1786年康定大地震、1933年疊溪大地震形成的堰塞湖都發(fā)生了潰決洪水,潰壩慘劇造成的死亡人數(shù)數(shù)倍于地震直接死亡人數(shù)[1-3]。四川“5.12”汶川大地震形成的34處主要堰塞湖,超過50%處于中危以上[4]。由地震產(chǎn)生的堰塞湖問題時(shí)刻威脅著下游人民的安危,據(jù)統(tǒng)計(jì)資料[5]顯示,堰塞湖形成后,10d內(nèi)潰決者超過50%,2個(gè)月內(nèi)潰決者超過60%,1年內(nèi)潰決者超過90%。

“5.12”汶川大地震發(fā)生之后,許多學(xué)者紛紛利用各種模型進(jìn)行以唐家山為代表的四川堰塞湖潰壩洪水分析,其中主要有長(zhǎng)江科學(xué)院朱勇輝等[6]進(jìn)行的唐家山堰塞湖潰壩洪水分析和泄流沖刷模擬。黃明海等[7]、張細(xì)兵等[8]以及其他學(xué)者都對(duì)唐家山堰塞湖的洪水演進(jìn)問題進(jìn)行了研究。

前人提出的方法使?jié)魏樗难芯坑辛撕艽蟮倪M(jìn)步。但由于潰壩洪水特性和堰塞湖的邊界條件變化迅速,潰壩洪水的各種影響因素尚未認(rèn)識(shí)清楚,針對(duì)此情況,筆者采用水位計(jì)測(cè)量壩前庫(kù)區(qū)水位,對(duì)整個(gè)壩體形狀及水流的變化進(jìn)行全方位攝影,并進(jìn)行各個(gè)影響因素的對(duì)比試驗(yàn),總結(jié)了不同因素對(duì)潰壩洪水的影響規(guī)律,為進(jìn)一步的科學(xué)研究提供基礎(chǔ)資料,為工程實(shí)踐提供參考。

1 試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)備及參數(shù)

試驗(yàn)水槽為玻璃水槽,長(zhǎng)20 m、寬0.5 m、高0.5m,底坡為0.3%,采用自循環(huán)水泵供水,可通過閥門調(diào)節(jié)供水量。堰塞體采用非均勻無黏性沙直接堆放在水槽指定位置。為便于觀測(cè),在水槽一側(cè)對(duì)堰塞壩開槽,下游為單側(cè)斜坡定床床面。

本試驗(yàn)是以唐家山堰塞壩為原型的概化模型試驗(yàn),模型保持與原型幾何相似和重力相似,最終確定幾何比尺為1∶400。由相似準(zhǔn)則計(jì)算得到模型與原型之間物理量相似比尺,流速比尺1∶20,時(shí)間比尺1∶20,流量比尺1∶3200000,粒徑比尺1∶400。模擬堰塞壩的高度為30cm,壩頂開槽深度為10cm,開槽寬度分別取12.5cm,15cm和20cm共3種工況;壩頂長(zhǎng)度是沿水流方向堰塞壩頂?shù)拈L(zhǎng)度,分別取10cm,20cm和25cm共3種工況;上游入庫(kù)流量分別取1.2L/s,0.8L/s和0.6L/s共3種工況,其中1.2L/s按原型汛期約20年一遇洪水流量3920m3/s考慮;泄流槽一側(cè)邊坡為水槽邊壁,另一側(cè)為 1∶1邊坡,壩前坡度為1∶1,壩后坡度擬定 1∶2,1∶2.5,1∶3和 1∶4 共4種工況;按起動(dòng)流速相似原理選取壩體顆粒組成為定級(jí)配1cm以下泥沙,中值粒徑d50=1.45mm,揀選系數(shù)φ=2.2,通過添加1～2cm粗沙調(diào)整,粗沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別確定為0,10%,20%,30%共4種工況。

1.2 測(cè)量方法

水位計(jì)采用南京水利科學(xué)研究院制作的WYG-Ⅱ型水位測(cè)量?jī)x觀測(cè)水位。將水位測(cè)量?jī)x的探頭置于壩上游庫(kù)區(qū)中距壩址3.1m處,每秒自動(dòng)采集5次水位,分別在堰塞壩的正、側(cè)面用2臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行攝像,觀察堰塞壩潰決全過程。

2 潰壩洪水水力計(jì)算

堰塞壩潰口流量根據(jù)水位計(jì)測(cè)得的堰塞湖動(dòng)態(tài)水位計(jì)算庫(kù)容變化,再采用水庫(kù)水量動(dòng)態(tài)平衡方程計(jì)算潰口下泄流量。

堰塞湖庫(kù)容估算公式為

式中:V為庫(kù)容;As(h)為堰塞湖水面面積;dV為單位時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)庫(kù)容的變化;dt為時(shí)間步長(zhǎng);Qin為入庫(kù)流量;Qc為通過壩體和壩基滲漏的流量;Qs為通過泄流渠下泄的流量。

水庫(kù)水量動(dòng)態(tài)平衡方程為

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 上游入庫(kù)流量與潰壩洪水的關(guān)系

在庫(kù)容、壩后坡度、壩頂長(zhǎng)度、開槽寬度、壩體含粗沙量及壓實(shí)度等相同,上游入庫(kù)流量不同的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。圖1為試驗(yàn)得到的3組不同入庫(kù)流量下的下泄流量過程線。

圖1 不同入庫(kù)流量下的下泄流量過程線

從圖1可知,Qin=1.2L/s的壩體潰決速度快,潰壩洪峰流量值較大,洪水最大值發(fā)生時(shí)間(峰現(xiàn)時(shí)間)較早。當(dāng)入庫(kù)流量減少Q(mào)in/3和Qin/2時(shí),壩體潰決速度變慢,潰壩洪峰流量減小且減少量約占峰值流量的 20%和40%,峰現(xiàn)時(shí)間推遲約35 s和120s,推遲時(shí)長(zhǎng)約為0.33T和1.2T(T為Qin=1.2L/s時(shí)的峰現(xiàn)時(shí)間),入庫(kù)流量與潰壩洪峰流量正相關(guān),與峰現(xiàn)時(shí)間反相關(guān)。

堰塞壩潰決所形成的潰決洪水最大流量往往是入庫(kù)流量的數(shù)百、數(shù)千倍,構(gòu)成潰決洪水的決定性因素不是上游來流量,而與上游庫(kù)區(qū)水的勢(shì)能有密切的關(guān)系[9-10]。在非汛期,上游來流量與潰決洪峰流量相比很小,是潰決洪峰流量的數(shù)百分之一、數(shù)千分之一。為安全計(jì),本文上游來流量按汛期洪水考慮,最大一級(jí)流量接近20年一遇設(shè)計(jì)洪水。根據(jù)分析可能是入庫(kù)流量通過影響潰決過程的速度來影響洪峰流量的大小。上游來流量大會(huì)提高潰決初期潰口發(fā)生的速度,進(jìn)而使?jié)Q過程加快,峰現(xiàn)時(shí)間提前,潰決洪峰流量較大。在其他條件相同的情況下,減小入庫(kù)流量使得潰口縱向下切和橫向展寬速度變慢,其峰現(xiàn)時(shí)間有所推后,潰決洪峰流量變小。

3.2 堰塞壩壩體物質(zhì)組成與潰壩洪水的關(guān)系

在庫(kù)容、入庫(kù)流量、壩頂長(zhǎng)度、開槽寬度、壩體壓實(shí)度、壩后坡度等相同但壩體粗沙含量不同的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。圖2為試驗(yàn)得到的4組不同粗沙含量下的潰口流量過程線。

圖2 不同粗沙含量下的下泄流量過程線

從圖2可知,在其他條件相同的情況下,與無粗沙含量相比,壩體粗沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加10%,20%和30%時(shí),其峰現(xiàn)時(shí)間推遲約40s,80s和140s,推遲時(shí)長(zhǎng)約占無粗沙含量峰現(xiàn)時(shí)間的28%,55%和96%,其潰口峰值流量逐漸減小且減小流量約占無粗沙潰口峰值流量的5%,10%和20%。堰塞壩的粗沙含量對(duì)峰現(xiàn)時(shí)間的影響較大,峰現(xiàn)時(shí)間與壩體粗沙含量正相關(guān),而對(duì)潰壩洪峰流量的影響相對(duì)較小,潰壩洪峰流量與壩體粗沙含量反相關(guān)。

無粗沙含量的壩體抗沖性差,縱向下切速度及橫向展寬速度快,形成潰口的速度快,庫(kù)區(qū)水位降低速度快,相應(yīng)的峰現(xiàn)時(shí)間靠前,產(chǎn)生的潰壩洪峰流量大。潰口最大流量主要取決于潰口尺寸和庫(kù)區(qū)水位。當(dāng)增加壩體粗沙含量時(shí),壩體穩(wěn)定性增強(qiáng)使得潰決速度變慢,庫(kù)區(qū)水位降低速度慢,峰現(xiàn)時(shí)間延長(zhǎng),潰壩洪峰流量減小。堰塞壩的粗沙含量主要影響潰壩峰現(xiàn)時(shí)間,間接影響潰壩洪峰流量。

3.3 堰塞壩壩后坡度與潰壩洪水的關(guān)系

在庫(kù)容、入庫(kù)流量、壩頂長(zhǎng)度、開槽寬度、壩體物質(zhì)組成及壓實(shí)度等相同但壩后坡度不同的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。圖3為試驗(yàn)得到的4組不同壩后坡度下的潰口流量過程線。

圖3 不同壩后坡度下的潰口流量過程線

從圖3可知,壩后坡度為1∶2的堰塞壩潰壩洪峰流量較大,峰現(xiàn)時(shí)間較早。逐漸將壩后坡度減緩為1∶2.5,1∶3 和1∶4時(shí),其洪峰流量逐漸減小且減小量約占1∶2壩后坡度峰值的20%,25%和50%。其峰現(xiàn)時(shí)間逐漸推遲約50s,100s和250s,推遲時(shí)長(zhǎng)約占1∶2壩后坡度峰現(xiàn)時(shí)間的30%,60%和150%。堰塞壩壩后坡度與潰壩洪峰流量正相關(guān),與峰現(xiàn)時(shí)間反相關(guān)。

當(dāng)壩前蓄水位超過泄流槽頂部高程時(shí),水流通過泄流槽表面較低位置流動(dòng),由于壩體壩后坡度變陡,水流由緩流轉(zhuǎn)變?yōu)榧绷?開始沖刷壩體下游坡面,在坡面上產(chǎn)生沖溝,沖溝拉通泄流槽底部,形成潰口,壩頂水位急劇降低,流量增加,伴隨著流量的增加,堰塞壩潰決,大量泥沙向下游移動(dòng)。當(dāng)壩后坡度逐漸減緩時(shí),壩體穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng),壩下游坡面沖刷速度變慢,形成潰口的速度變慢,使得壩體潰決速度減慢,相應(yīng)的峰現(xiàn)時(shí)間也就越靠后,產(chǎn)生的潰壩最大流量就越小。

3.4 壩頂長(zhǎng)度與潰壩洪水的關(guān)系

在庫(kù)容、入庫(kù)流量、壩后坡度、開槽寬度、壩體含粗沙量及壓實(shí)度等相同但壩頂長(zhǎng)度不同的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。圖4為試驗(yàn)得到的3組不同壩頂長(zhǎng)度下的潰口流量過程線。

圖4 不同壩頂長(zhǎng)度下的潰口流量過程線

從圖4可知,壩頂長(zhǎng)度為10cm的潰口最大洪峰流量較大,峰現(xiàn)時(shí)間較早,當(dāng)壩頂長(zhǎng)度增長(zhǎng)為2倍和2.5倍時(shí),其最大洪峰流量減小且減小量約為25%和40%,其峰現(xiàn)時(shí)間推遲約40s和80s,推遲時(shí)長(zhǎng)約為20%和45%。堰塞壩的壩頂長(zhǎng)度與潰壩洪峰流量反相關(guān),與峰現(xiàn)時(shí)間正相關(guān)。

壩體前、后坡度不變,壩頂長(zhǎng)度較小,順著河流的壩體長(zhǎng)度也相應(yīng)減少,水流通過泄流槽下泄經(jīng)過的路程較短,壩體的整體抗沖性較差,從而形成潰口的速度快,相應(yīng)的峰現(xiàn)時(shí)間也就越靠前,洪峰流量變大。在其他條件相同的情況下增加壩頂長(zhǎng)度,水流通過泄流槽下泄的流速變慢,壩體潰決速度變慢,相應(yīng)的峰現(xiàn)時(shí)間靠后,庫(kù)區(qū)水位下降速度變慢,潰決洪峰流量變小。堰塞壩的壩頂長(zhǎng)度主要影響壩體初期潰口形成的速度,從而影響潰口潰壩洪峰流量及峰現(xiàn)時(shí)間。

3.5 堰塞壩壩頂開槽寬度與潰壩洪峰流量的關(guān)系

在庫(kù)容、入庫(kù)流量、壩頂長(zhǎng)度、壩體含粗沙量及壓實(shí)度、壩后坡度等相同但開槽寬度不同的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。圖5為試驗(yàn)得到的3組不同開槽寬度下的潰口流量過程線。

圖5 不同開槽寬度下的潰口流量過程線

從圖5可知,壩頂開槽寬度為20cm的堰塞壩潰壩洪峰流量較小,峰現(xiàn)時(shí)間較早。當(dāng)壩頂開槽寬度減少1/4和3/8時(shí),其潰壩洪峰流量增加,增加量約占洪峰流量的5%和40%。其峰現(xiàn)時(shí)間有所推遲,推遲時(shí)長(zhǎng)約45%和100%。壩頂開槽寬度與潰壩洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間反相關(guān)。

泄流槽邊坡相同,壩頂開槽寬度不一樣則其斷面尺寸就不一樣,潰口最大流量主要取決于當(dāng)時(shí)的潰口尺寸和庫(kù)區(qū)水位,而泄流槽的尺寸影響潰口尺寸和庫(kù)區(qū)水位。在其他條件相同的情況下,泄流槽尺寸變小,水流剛開始經(jīng)過泄流槽時(shí)下泄速度較慢,隨著時(shí)間的推移,其縱向下切速度很快,但橫向展寬速度相對(duì)緩慢,使得庫(kù)區(qū)積蓄大量來不及下泄的水量,庫(kù)區(qū)水位消落速度慢,潰決洪峰流量變大。而開槽寬度大的相應(yīng)庫(kù)區(qū)水位較低,潰決洪峰流量較小。

4 結(jié) 語(yǔ)

在模型試驗(yàn)中分別就5個(gè)主要影響因素對(duì)堰塞壩潰壩洪水進(jìn)行研究,分析比較發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:

a.當(dāng)入庫(kù)流量為Qin,Qin/3和Qin/2(Qin=1.2L/s)時(shí),相應(yīng)的潰壩洪峰流量分別為Q,4/5Q和3/5Q(Q=5.5 L/s),峰現(xiàn)時(shí)間約為T,1.33T和2.2T(T=200s)。上游入庫(kù)流量與潰壩洪峰流量正相關(guān),與峰現(xiàn)時(shí)間反相關(guān)。構(gòu)成潰決洪水的決定因素不是上游來水量,但上游來水量通過影響潰決初期潰口發(fā)生的速度來影響潰壩洪水。

b.當(dāng)壩體粗沙含量增加10%,20%和30%時(shí),相應(yīng)的潰口峰值流量減小流量約占無粗沙潰口峰值流量的5%,10%和20%,推遲時(shí)長(zhǎng)約占無粗沙含量峰現(xiàn)時(shí)間的28%,55%和96%。堰塞壩的粗沙含量對(duì)潰壩峰現(xiàn)時(shí)間的影響較大,峰現(xiàn)時(shí)間與粗沙含量正相關(guān)。而對(duì)潰壩洪峰流量的影響相對(duì)較小,潰壩洪峰流量與粗沙含量反相關(guān)。堰塞壩的粗沙含量主要影響峰現(xiàn)時(shí)間,間接影響潰壩洪峰流量。

c.堰塞壩壩后坡度為 1∶2,1∶2.5,1∶3和 1∶4時(shí),相應(yīng)的最大洪峰流量分別約為Q,4Q/5,3Q/4和Q/2(Q=3.8 L/s),峰現(xiàn)時(shí)間分別為T,1.3T,1.6T和2.5T(T=280 s)。堰塞壩壩后坡度與潰壩洪峰流量正相關(guān),與峰現(xiàn)時(shí)間反相關(guān)。壩后坡度主要通過壩下游坡面沖刷速度影響峰現(xiàn)時(shí)間,進(jìn)而影響潰決洪峰流量。

d.當(dāng)壩頂長(zhǎng)度增長(zhǎng)2倍和2.5倍時(shí),其最大洪峰流量減小且減小量約為25%和40%,推遲時(shí)長(zhǎng)約為20%和45%。堰塞壩的壩頂長(zhǎng)度與潰壩洪峰流量反相關(guān),與峰現(xiàn)時(shí)間正相關(guān)。堰塞壩的壩頂長(zhǎng)度主要影響壩體初期潰決速度,進(jìn)而影響潰口潰壩洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間。

e.當(dāng)壩頂開槽寬度減少1/4和3/8時(shí),其潰壩洪峰流量增加量約占洪峰流量的5%和40%。其峰現(xiàn)時(shí)間推遲時(shí)長(zhǎng)約為45%和100%。堰塞壩開槽寬度與潰壩洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間反相關(guān)。堰塞壩開槽寬度主要通過潰口尺寸影響壩體潰決速度及庫(kù)區(qū)水位,進(jìn)而影響潰決洪峰流量。

f.堰塞壩的入庫(kù)流量、壩體粗沙含量、壩后坡度、壩頂寬度及開槽寬度等是堰塞壩潰壩洪水的主要影響因素,在堰塞壩防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策上,可以通過減小入庫(kù)流量、增加壩體粗沙含量、減緩壩后坡度、加寬壩頂長(zhǎng)度和泄流槽寬度等手段來削減潰壩洪水峰值流量。

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