堰塞壩漫頂破壞潰口演變機制試驗研究

徐富剛，楊興國，周家文

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

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堰塞壩漫頂破壞潰口演變機制試驗研究

徐富剛1，楊興國2，周家文1

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

以枷擔(dān)灣堰塞壩為原型，考慮壩料粒徑、壩體高度、壩體下游坡度等影響因素，設(shè)置了4種試驗工況，制備了相應(yīng)的試驗用壩，并在上游來流量相同的條件下(0.15 L/s)，觀察不同工況下各壩體的破壞過程，進而分析堰塞壩潰口演變機制。結(jié)果表明：堰塞壩的潰決主要可以分為持續(xù)時間較長、潰決過程較緩和的潰口貫穿階段，及持續(xù)時間較短、潰決過程較劇烈的潰口拓展階段兩大階段；潰口演變在縱向上主要體現(xiàn)在陡坎侵蝕和溯源推進，橫向上體現(xiàn)在水流淘腳、邊坡坍塌；堰塞壩顆粒粒徑?jīng)Q定了壩體的抗沖刷能力，顆粒越大，壩體抗沖刷能力越強；壩高反映了水流的沖擊能力，壩體越高，壩體潰決時能量越大，危害性也越大；壩體下游坡度反映了壩體的穩(wěn)定程度，坡度越緩，壩體穩(wěn)定性越好。

水利工程；堰塞壩；潰決過程；演變機制；物理模型試驗；影響因素

0 引 言

近年來，隨著氣候條件的不斷惡化，地震、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害愈發(fā)頻繁，在河谷地區(qū)形成大量的堰塞湖?；露陆瓕⒃斐珊觾?nèi)水位的快速上升，產(chǎn)生大量淹沒，發(fā)生災(zāi)難性的潰壩事故，形成二次災(zāi)害，對下游人民生命財產(chǎn)安全及生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，潰壩問題再一次成為研究的焦點問題[1]。堰塞壩的潰決機理極其復(fù)雜，其致災(zāi)后果很大程度上取決于壩體潰口演變和流量規(guī)模。弄清其潰口演變機理對于預(yù)測潰口出流過程具有重要意義。

潰口的演變過程是水流和土石相互作用的結(jié)果，對下泄流量大小及潰壩洪水破壞性具有重大影響。關(guān)于潰口演變過程，同仁進行了大量研究，并取得豐碩成果。美國D.L.Fread[2-3]成功開發(fā)了只考慮潰口形狀參數(shù)z的DAMBRK模型及潰壩模型BREACH模型。DAMBRK模型中，參數(shù)z的變化范圍在0～2之間，通過該參數(shù)，可以區(qū)別潰口是矩形、三角形，還是梯形；BREACH模型假定潰口初始為矩形，其后為線性變化；1996年，V.P.Singh[4]開發(fā)了BEED模型，將潰口斷面假定為梯形，并且把潰口沿河槽軸向分為兩部分：壩頂水平潰口段和壩下潰口槽；2013年，陳華勇等[5]通過試驗，研究了不同潰決模式下潰口發(fā)展規(guī)律。與人工筑壩不同，堰塞壩是快速堆積而成的，其結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)性差、強度較低，一般在形成后較短時間內(nèi)發(fā)生潰決[6]。J.E.Costa等[7]經(jīng)過對大量的堰塞湖統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，堰塞湖形成后能夠度過一個汛期的不到10%，50%的在10 d內(nèi)潰決，80%的在半年內(nèi)潰決，絕大部分堰塞壩的存在時間不超過1 年。潰決方式主要以漫頂潰壩、管涌潰壩為主，如圖1，而漫頂潰壩幾乎占90%[8]。

圖1 堰塞壩常見破壞形態(tài)

一般堰塞壩沿河道長度較大，往往大于壩體寬度，形成貫穿壩體的通道概率較低，而且堰塞壩主要是由滑坡形成，后續(xù)壩料的碰撞擠壓，使得壩體具有一定的密實性，增大了通道形成的難度，故而管涌潰壩情況較少。而漫頂破壞主要是因為庫區(qū)沒有泄洪通道，在上游來水情況下，水位不斷抬升，最終漫過壩頂，產(chǎn)生壩頂沖刷，并且水流下滲，導(dǎo)致壩體的強度降低，進而發(fā)生潰壩。漫頂潰壩的水位高，庫水多，形成的潰壩洪水洪峰流量大、沖擊力強，其破壞是災(zāi)難性的。因此，研究堰塞壩的漫頂破壞更具有現(xiàn)實意義。

堰塞壩的潰決過程極其復(fù)雜，涉及水力學(xué)、水文學(xué)、泥沙動力學(xué)等多門學(xué)科，目前還沒有關(guān)于其潰決過程普遍接受的理論。筆者通過試驗研究了堰塞壩的破壞過程及潰口演進機制，豐富了堰塞壩潰決理論。

1 堰塞壩漫頂潰決試驗設(shè)計

1.1 試驗裝置及材料

堰塞壩的穩(wěn)定主要取決于壩體結(jié)構(gòu)、幾何特征、顆粒組成、庫區(qū)面積等因素。筆者通過試驗分析了不同粒徑、不同壩高、不同壩體下游坡度情況下的潰口演變過程，探討漫頂破壞機理。

試驗裝置如圖2，主要分為供水箱、水槽及泥沙收集池。其中，供水箱長寬高均為1.0 m，通過水泵對其供水，試驗中保持水箱滿水狀態(tài)，在水箱下游側(cè)安設(shè)LZB-25玻璃轉(zhuǎn)子流量計，控制試驗流量；水槽由直線段接曲線段組成，寬高均為0.5 m，坡降為5%；水槽下游連接泥沙收集池。

圖2 試驗裝置示意

試驗的砂石料來自文家溝泥石流溝上下游兩不同部位。剔除了 40 mm以上的顆粒，篩分得出粗、細顆粒兩種級配，級配曲線如圖3。

圖3 試驗材料級配曲線

從圖3可以看出：細顆粒級配較均勻，以0.1～10 mm為主；粗顆粒級配分布相對較集中，主要集中在0.5～20 mm之間。兩種級配在20～40 mm范圍的顆粒級配相似。

1.2 試驗方案

統(tǒng)計調(diào)查表明[9-10]，大多數(shù)堰塞壩是在河流拐彎段發(fā)生滑坡而形成的。因此，試驗時壩體設(shè)置在河流彎曲段，以枷擔(dān)灣堰塞湖(位于四川省都江堰境內(nèi))為原型的概化模型(圖4)進行試驗，保持模型與原型的幾何相似與重力相似，幾何比尺為1∶400，流量比尺為1∶1 000 000，上下游壩坡參照原型壩坡。模擬堰塞壩的壩寬W為水槽寬度，W=50 cm，壩長L=18 cm，壩高H取兩種工況分別為15，20 cm，上游壩坡i1=1∶1.5，下游壩坡i2=1∶1.5，1∶2.5，上游來水量Q=0.15 L/s，試驗共分為4種工況，如表1。

圖4 試驗壩示意

表1 試驗方案

試驗開始時，在水槽內(nèi)按設(shè)計方案均勻堆設(shè)壩體，為了降低水槽邊壁影響，引導(dǎo)潰口在壩體中部形成，壩體中部略低。然后打開水箱開關(guān)，緩慢往水槽內(nèi)注水，快到達壩頂時，停止放水，靜置2 h，充分浸潤后，繼續(xù)放水，控制流量計保持流量為0.15 L/s，直到壩體漫頂潰決完成。試驗過程中，在壩體上下游安設(shè)2個攝像機實時監(jiān)控，同時在壩頂中央安置2個垂直的鋼尺，以方便的監(jiān)測壩體潰口變化，如圖5。

圖5 潰口變化監(jiān)測

2 試驗結(jié)果分析

通過分析監(jiān)控錄像來了解潰口的變化過程。

2.1 試驗過程

在初始階段，4個工況潰口變化緩慢，主要是淘沖細沙的過程，待水能積累到一定程度，能夠搬移較大礫石后，流速驟然增大，搬移更大礫石，導(dǎo)致壩體短時間潰決。隨著大量水體的下泄，流速逐漸變小，到無法沖刷搬移較小粒徑，殘余壩體趨于穩(wěn)定，潰壩過程結(jié)束。潰口大小變化過程能有力地反應(yīng)壩料粒徑、壩體高度、壩體下游坡度等因素在潰口拓展中所起的作用，如圖6，圖7。

圖6 壩體中軸線潰口深度

圖7 壩體中軸線潰口頂部展寬

圖6中，各工況試驗在1 min內(nèi)，潰口深度變化較小，壩體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。1 min后各工況深度變化區(qū)別較大，工況1在1～3 min內(nèi)深度變化較大，然后相對穩(wěn)定，最大深度近10 cm；工況2深度變化也集中在1～3 min，但變化較劇烈，然后相對穩(wěn)定，最大深度為16 cm；工況3深度變化主要發(fā)生在2.5～3.5 min，最大深度為8 cm；工況4深度變化較小，在3.5～4 min內(nèi)有短暫的增大，但最大潰口深度只有5 cm。

圖7中，不同工況下潰口寬度變化區(qū)別較小，潰口拓寬在整個潰決過程中都有體現(xiàn)，其拓寬劇烈程度由強到弱依次為工況4﹥工況3﹥工況2﹥工況1，其中工況2較工況3初期拓寬較快，然后工況2趨于穩(wěn)定，而工況3仍有增長。

2.2 試驗影響因素分析

2.2.1 顆粒粒徑對潰口影響

細顆粒表面積較小，其抗沖刷能力較差，水流下切阻力更小，浸蝕速率大，陡坎的形成時間要比粗顆粒壩體早，并且細顆粒在飽水后呈現(xiàn)一定的黏性，其陡坎深度較粗顆粒大；細顆粒組潰決時間更短，其潰口呈窄深型，而粗顆?？箾_刷能力較大，減緩了水流的運動速度，潰口呈現(xiàn)淺寬型，潰決不徹底。

2.2.2 壩體高度對潰口影響

對于不同的壩體高度，壩體越高，上下水頭差越大，壩體所受壓力也越大，穩(wěn)定性越低。在水流沖刷過程中，陡坎現(xiàn)象明顯，溯源用時較短，產(chǎn)生的下泄流速最大，潰口呈窄深型，潰口形成后，由于潰口邊坡較陡，其坍塌現(xiàn)象也較嚴(yán)重。

2.2.3 壩體下游坡度對潰口影響

對于不同的壩體下游坡度，坡度越緩，壩體體積越大，穩(wěn)定性越好，而且在漫頂水流陡坎沖蝕過程中，沖蝕出的壩料距離壩腳更近，增大了其穩(wěn)定性，侵蝕速率的峰值越小，潰口呈淺寬型。

3 堰塞壩漫頂潰決機理

漫頂破壞是由于庫區(qū)水體無法宣泄導(dǎo)致水位不斷上升引起的。當(dāng)來水量高于滲流量時，水流漫頂就將不可避免[11]。試驗表明，漫頂破壞主要經(jīng)歷了水位上升、水流溢壩、貼坡侵蝕、陡坎沖蝕、水流溯源等多個階段，如圖8。

圖8 堰塞壩漫頂破壞過程

漫頂潰壩破壞是一種溯源沖刷破壞，首先發(fā)生于壩頂和下游坡面接觸部位，流量較小，沖刷較緩慢，逐漸形成沖溝并向上游發(fā)展；當(dāng)潰口發(fā)展到上游邊緣時，流量迅速增大，沖刷劇烈，潰口不斷加深拓寬，潰口兩側(cè)邊坡發(fā)生間歇性坍塌。因此，壩體的潰決按先后順序主要可以分為兩大階段：

1)潰口貫通階段。該階段屬于緩慢侵蝕階段，圖8(a)～(e)都屬于該階段，主要發(fā)生陡坎沖蝕和溯源推進；

2)潰口拓展階段。該階段屬于快速侵蝕階段，潰口形成后至潰壩完成都屬于該階段，如圖8(f)～(i)階段。

3.1 潰口貫通過程

潰口貫通是一個較緩慢的過程。當(dāng)水位達到壩頂時，水流總是尋找最低、最薄弱處運動，清水呈舌狀緩緩向前流動。當(dāng)發(fā)生水流漫頂后，水流產(chǎn)生的剪應(yīng)力作用于整個過流界面，在壩體的薄弱部位發(fā)生局部破壞，同時滲流降低了壩體的抗剪強度，形成大量的孤粒，由于顆粒的大小不一、分布不均，形成的剪應(yīng)力強弱各異。細小顆粒間接觸面積小，水流只需克服其摩擦力，很容易將其搬移，形成初始潰口，為進一步的破壞提供了作用空間；大顆粒抗剪強度較大，只能在小顆粒搬移后發(fā)生蠕動，堆積于潰口表面，穩(wěn)定性較高，兩個過程相繼發(fā)生且互為補充。此時，庫區(qū)水位仍在不斷上升，壩體上游側(cè)呈現(xiàn)出水深大、流速小的特點；而在壩體下游側(cè)下切作用較強，在下游面以喇叭狀不斷擴大，潰口垂向發(fā)展迅速但橫向發(fā)展緩慢，該過程延續(xù)時間較長。隨著水流的下泄，由于水體的重力作用及侵蝕性，水流對下游坡面進行淘刷，形成陡坎沖蝕，此時水流不再貼著坡面流動，下游坡度越緩，陡坎現(xiàn)象越明顯。

垂直于跌水面的陡坎由于剪應(yīng)力的沖刷作用，使沖坑深度增大，水頭落差變大，陡坎的坡度變陡。進而增大陡坎剪應(yīng)力，壩體和水流相互促進。潰口水流的沖刷不僅包括表面沖刷，還包括溯源沖刷。在產(chǎn)生陡坎沖蝕過程中，剪應(yīng)力不斷侵蝕壩底，使陡坎不斷向上游發(fā)展，逐漸形成溯源沖蝕，陡坎面不斷向上游推進，潰口內(nèi)的大顆粒隨水流向跌檻滾落。該階段潰口變化以下切為主，橫向拓展相對緩慢。當(dāng)沖蝕到達壩頂前緣，形成了貫通的潰口，潰口逐漸發(fā)展，不斷拓寬淘深，流量迅速增大，壩體劇烈破壞。

3.2 潰口演化過程

潰口貫通后，水流流速迅速增大，庫水大量涌向潰口，使得庫區(qū)水位迅速降低，壩體沖蝕加劇，潰口不斷拓寬淘深，兩側(cè)壩坡發(fā)生間歇性崩塌，加速了壩體的潰決過程。當(dāng)橫向拓展達到一定程度后，潰口邊坡發(fā)生失穩(wěn)，潰口突然增大。由于壩料顆粒及結(jié)構(gòu)的不均勻，潰口也呈不對稱性，水流將在坡腳形成繞流，進一步切割坡腳。

隨著水流的大量下泄，上游水位降低，上游部位的侵蝕逐漸衰減并露出水面，潰口的垂向侵蝕減緩，水流的侵蝕重點主要集中于下游邊壁，水流通過淘刷潰口坡腳，引起邊坡的坍塌，坍塌壩料下落，隨后被水流帶至下游，為下一次的坍塌提供空間，如圖9。

圖9 潰口橫向發(fā)展 (邊坡坍塌)

橫向拓展主要受水流流速和壩體物質(zhì)組成控制，潰口的拓展直至水流降低至壩料的啟動流速，壩體潰決基本結(jié)束，潰口流量接近于上游來水量，潰口底部仍存在微弱的沖刷，潰口邊坡可能發(fā)生較小的坍塌，水流與顆粒達到動態(tài)平衡。

4 結(jié) 論

1)潰壩過程主要經(jīng)歷了潰口貫通階段和潰口拓展兩個階段，水流對潰口的沖刷從缺陷處或最低處開始，開始階段緩慢漸進，持續(xù)時間較長，當(dāng)沖刷發(fā)展到壩頂上游邊緣后潰決過程十分迅速劇烈，伴隨著邊壁坍塌。

2)在潰口貫通階段，潰口主要以陡坎沖蝕、溯源推進為主，潰口深度變化較大，而寬度變化較??；在潰口拓展階段，水流流速較大，直接淘刷潰口底部，潰口坡腳處淘沖嚴(yán)重，導(dǎo)致邊坡坍塌，坍塌料繼而被水流帶到下游，為下一次坍塌提供空間，潰口不斷拓寬。

3)潰口邊壁失穩(wěn)坍塌是一個間歇性的過程，由于浸潤的壩料存在一定的黏滯性，邊坡隨著水流沖蝕而變陡，當(dāng)垂向下切深度達到臨界深度時，潰口邊坡發(fā)生間歇性失穩(wěn)坍塌。

4)壩料粒徑、壩高、下游壩坡對潰口發(fā)展具有較大影響，其中細顆粒的壩體抗沖刷能力較弱，水流在壩體形成過程中以淘深為主，潰口呈窄深型；壩體高度決定了水流的能量，高度越大，能量越大，沖刷越徹底，危害性也越大；下游壩坡對壩體穩(wěn)定性有較大影響，壩坡越緩，重心越靠后，穩(wěn)定性越好，而且在陡坎沖蝕階段，沖淘而出的壩料將直接堆積在壩體上，阻滯水流運動，提高了其抗沖刷性能。

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Experimental Study on Dyke Evolution Mechanismin Dam-Break Process of Landslide Dam

Xu Fugang1, Yang Xingguo2, Zhou Jiawen1

(1. State Key Laboratory of Hydraulics & Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065,Sichuan, China; 2. College of Water Resource & Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China)

Taking the Jiadanwan Landslide Dam as the prototype, four kinds of test conditions were set up and the corresponding experimental dams were made, with the consideration of impact factors, such as the dam material particle size, the dam height and the dam slope in the downstream. The failure process of the various experimental dams under the same upstream flow (0.15 L/s) was observed and then the evolvement mechanism of the dyke was analyzed. The results show that the dam-break process of the landslide dam could be divided into two stages: the throughout dyke stage with a long duration and a rather slow break; the dyke development stage with a small duration and a rather acute break. The dyke evolution is mainly scarp erosion and traceability in the longitudinal direction and feet erosion and slope collapse in the transverse direction. At the same time, the dam material particle size, the dam height and the dam slope in the downstream have a significant impact on the dyke development. The particle size determines the erosion resistance of the dam body, and the bigger the particle size, the greater the scour resistance ability of the dam body; the dam height reflects the impact force of water flow, and the greater the dam height, the greater the energy during the dam-break process and the greater the destructive effect; the downstream slope reflects the stability of the dam, the smaller the slope, the better the stability of dam body.

hydraulic engineering; landslide dam; breaking process; evolution mechanism; physical modeling experiment; impact factor

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.15

2014-11-21；

2015-03-11

中科院重點部署項目(KZZD-EW-05-01-02)；四川大學(xué)優(yōu)秀青年學(xué)者基金項目(2013SCU04A07)

徐富剛(1988—)，男，江西高安人，博士研究生，主要從事地質(zhì)災(zāi)害方面的研究。E-mail:xufugang785315056@126.com。

周家文(1982—)，男，江西吉安人，副研究員，博士，主要從事巖石力學(xué)與工程方面的研究。E-mail:jwzhou@scu.edu.cn。

TV122.4

A

1674-0696(2015)06-079-05