不同渾濁度潰壩流體流動(dòng)特性研究

張宏剛　張園園　方有令

摘要：為了研究不同渾濁度潰壩流體流動(dòng)特性，用4種質(zhì)量濃度的黏土混合液模擬不同的水體渾濁度，通過自行研制的水庫潰壩流體流動(dòng)特性模擬試驗(yàn)裝置研究了不同渾濁度流體的流動(dòng)特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：① 潰壩流體的淹沒高程隨渾濁度的增加而增大，4種渾濁度（10%，20%，30%，40%）的流體到達(dá)下游2 m處3 s后產(chǎn)生的淹沒高程分別為6.5，7.7，9.0，10.5 cm;② 沖擊力隨流體渾濁度的增加而減小，Ⅰ級(jí)（10%）、Ⅱ級(jí)（20%）、Ⅲ級(jí)（30%）、Ⅳ級(jí)（40%）渾濁度流體在距壩趾4 m處產(chǎn)生的沖擊力峰值分別為4.1，1.6，0.6，0.5 kPa，同時(shí)沖擊力在潰壩后4 s（相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)80 s）內(nèi)即可達(dá)到峰值;③ 流體的流速隨渾濁度的增加而減少，且流體在1 s（相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)20 s）內(nèi)即可達(dá)到速度峰值。

關(guān)鍵詞：潰壩流體; 沖擊力; 流動(dòng)特性; 渾濁度; 模型試驗(yàn)

中圖法分類號(hào)： TV133

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.033

0引 言

水庫雖給人類社會(huì)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但同時(shí)也是一座具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源，若水庫在諸多外界因素影響下發(fā)生潰壩，會(huì)嚴(yán)重危及下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，且造成的損失是無法估計(jì)的，如法國的Malpassset拱壩事故、意大利的Vajont拱壩事故、中國的石漫灘水庫事故以及美國的Teton大壩事故，均給下游造成了災(zāi)難性的后果[1]。因此急需對(duì)其進(jìn)行深入研究，以完善防災(zāi)減災(zāi)工程。通過資料搜集與研讀，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)者們對(duì)水庫壩體已進(jìn)行了諸多研究[2-5]，且獲得了卓有成效的研究成果，但大多未考慮到壩體潰壩后流體往下游傾泄的時(shí)空演化過程。

為此，劉慧[6]、楊忠勇[7]、徐江[8]、陳宇豪[9]等采用相似模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法對(duì)水庫潰壩后潰壩流體的動(dòng)態(tài)演進(jìn)過程進(jìn)行了研究，闡

述了潰壩洪水在下游的發(fā)展規(guī)律。同時(shí)趙海鑫[10]、曾超[11]、于獻(xiàn)彬[12]等研究了水庫潰壩后流體在流動(dòng)過程中對(duì)下游物體的沖擊力，發(fā)現(xiàn)流體的沖擊力隨流體容重、溝谷坡度的增加而增大，并提出了諸多防護(hù)措施。

然而，在庫水渾濁度對(duì)潰壩流體流動(dòng)特性影響方面的研究還相對(duì)較少。而實(shí)際情況中不同的水庫大壩其渾濁度是截然不同的，潰壩后流體對(duì)下游的影響程度也就不同。鑒于此，本文通過自行研制的水庫潰壩試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了不同渾濁度下的潰壩試驗(yàn)，探析了渾濁度對(duì)水庫潰壩流體流動(dòng)特性的影響，分析了流體在下游的淹沒高程、流速及沖擊力，為庫區(qū)下游的防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考。

1試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)裝置為根據(jù)秧田箐尾礦庫的幾何尺寸，以1∶400的比例自行研制的水庫潰壩模型試驗(yàn)臺(tái)，整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)包括庫區(qū)、黏土混合液攪拌系統(tǒng)、潰壩閘門、下游沖溝、下游沖擊力測(cè)量裝置、流態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、坡度調(diào)節(jié)裝置、彎度調(diào)節(jié)裝置等組成部分。此裝置可實(shí)現(xiàn)一定的坡度變化及彎度變化。沖擊力測(cè)量裝置由壓力傳感器、傳感器支撐板（模擬下游建筑物）、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀及電腦組成，具體操作步驟是：將傳感器支撐板固定于下游沖溝底面，傳感器安設(shè)于支撐板上，潰壩流體在流動(dòng)過程中對(duì)支撐板的沖擊力作用在傳感器上，通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀及電腦記錄支撐板所受沖擊力的變化情況。為便于清晰地分析流體在下游沖溝的流態(tài)演進(jìn)過程，整個(gè)試驗(yàn)裝置除支架及沖溝支撐底板外全部采用全透明鋼化玻璃制作。其中庫區(qū)的幾何尺寸為200 cm×60 cm×50 cm（長×寬×高），下游沖溝的幾何尺寸為650 cm×30 cm×30 cm（長×寬×高）。整個(gè)水庫潰壩流體模型試驗(yàn)裝置全貌如圖1所示。

1.2試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過水庫潰壩模型試驗(yàn)臺(tái)對(duì)水庫瞬間全潰后不同渾濁度流體的流態(tài)演進(jìn)過程，及流體運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)力場(chǎng)和流場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，全面分析潰壩災(zāi)害的影響范圍和程度（淹沒高程及流速），為下游的防災(zāi)減災(zāi)工程等一系列安全問題提供可靠、堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。同時(shí)設(shè)計(jì)單位可根據(jù)潰壩試驗(yàn)數(shù)據(jù)決定是否在壩體下游建立攔擋壩、導(dǎo)流槽，以減輕潰壩流體對(duì)下游重要建筑物的沖擊力度，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。

1.3試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料來源于重慶某土質(zhì)邊坡，采用專業(yè)的激光顆粒分析儀對(duì)黏土顆粒進(jìn)行粒徑分析測(cè)試，獲得試驗(yàn)土的顆粒粒徑分布情況如圖2所示。然后通過室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)（滲透實(shí)驗(yàn)、壓縮實(shí)驗(yàn)以及三軸剪切實(shí)驗(yàn)）對(duì)6組黏土試樣開展力學(xué)性能測(cè)試，以獲得如表1所列的部分性能指標(biāo)。

以10%，20%，30%，40%四種質(zhì)量濃度的黏土混合液分別模擬Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)渾濁度的流體。以2%的坡比作為下游沖溝的坡度，并對(duì)其進(jìn)行水泥拉毛處理，以模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)下游沖溝的粗糙度（用粗糙度檢測(cè)儀測(cè)定出沖溝的粗糙度為0.012 μm）。接著在不同的研究斷面（距壩趾2，4，6 m）安置傳感器及量尺，其中傳感器與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀及電腦連接，以此來測(cè)量研究斷面的淹沒高程、沖擊力及流速（采用位移示蹤點(diǎn)法）的變化情況。試驗(yàn)前對(duì)所有測(cè)量裝置進(jìn)行調(diào)試（包括動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀數(shù)據(jù)歸零、攝像機(jī)角度調(diào)整等），然后通過攪拌系統(tǒng)配制不同渾濁度漿體，并通過輸送管道將漿體輸送至水庫庫區(qū)。最后待庫區(qū)內(nèi)漿體靜止后迅速將潰口閘門提升以模擬水庫瞬間全潰。為減小試驗(yàn)誤差，每種渾濁度的流體潰壩試驗(yàn)均進(jìn)行3次，文中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3次試驗(yàn)的算術(shù)平均值;同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)[13]的建議比尺（淹沒高程、沖擊力、時(shí)間的比尺分別為1∶400，1∶557.3，1∶20）放大試驗(yàn)數(shù)據(jù)以了解現(xiàn)場(chǎng)的影響程度。

2結(jié)果與分析

2.1流態(tài)特性

圖3為不同渾濁度的庫區(qū)漿體在潰壩后到達(dá)下游2 m（距壩趾2 m）后3 s時(shí)的淹沒高程。從圖3可以看出：水體渾濁度為Ⅰ級(jí)時(shí)，潰壩流體到達(dá)下游2 m后3 s時(shí)的淹沒高程為6.5 cm（相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)26 m）;而當(dāng)水體渾濁度為Ⅱ級(jí)時(shí)，淹沒高程增加為7.7 cm（相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)30.8 m）;最后當(dāng)水體渾濁度增加到Ⅳ級(jí)后，潰壩流體到達(dá)下游2 m后3 s時(shí)的淹沒高程增至10.5 cm（相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)42 m）。這說明水體渾濁度對(duì)流體在下游產(chǎn)生的淹沒高程具有顯著影響，表現(xiàn)為流體在下游產(chǎn)生的淹沒高程隨水體渾濁度的增加而增大。

同時(shí)，以下游沖溝2 m（與壩趾的距離）處為研究斷面，記錄不同時(shí)刻流體在該斷面的淹沒高程，獲得不同渾濁度流體在下游沖溝2m處的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，如圖4所示（以I級(jí)渾濁度流體到達(dá)參考點(diǎn)的時(shí)間為坐標(biāo)原點(diǎn)）。從圖4中可以得知：每條曲線的起始時(shí)刻不同，說明水壩潰壩后，不同渾濁度的流體到達(dá)下游沖溝2m處所需要的時(shí)間存在一定的差異。Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)流體相比Ⅰ級(jí)渾濁度流體到達(dá)研究斷面所耗時(shí)間分別增加了0.3，0.6，1.0 s，說明流體到達(dá)研究斷面的耗費(fèi)時(shí)間隨渾濁度的增加而增加，即下游居民有更多的時(shí)間用于撤離。但并不意味著流體渾濁度越高越有利于居民撤離，因?yàn)闇啙岫葞淼难蜎]高程、沖擊力變化是不可忽視的。

從圖4還可知，流體在各斷面處產(chǎn)生的淹沒高程隨渾濁度的增加而增長，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是流體的黏度隨流體渾濁度或濃度的增大而增大，同時(shí)黏度越大的流體與接觸面之間的摩擦力越大[14]，從而使流體在接觸面（研究斷面）上的滯留時(shí)間增加，即流體不能快速流出研究斷面，從而使動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，并以淹沒高程增加的形式呈現(xiàn)出來[15]。分析淹沒高程隨時(shí)間的變化曲線可知，從潰壩開始，流體在較短時(shí)間內(nèi)即可到達(dá)最大淹沒高程，隨后流體的淹沒高程先后經(jīng)歷快速下降和緩慢下降兩個(gè)階段，此結(jié)論與文獻(xiàn)[15-16]研究成果相吻合。

2.2沖擊力特性

通過沖擊力測(cè)量裝置獲得了潰壩流體沖擊力隨時(shí)間變化的曲線，如圖5所示，從上至下依次為距壩址2，4，6 m。從圖5中可以看出：流體在下游產(chǎn)生的沖擊力隨流體渾濁度的增加而減小;如Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)渾濁度流體在距壩趾4 m處產(chǎn)生的沖擊力峰值分別為4.1，1.6，0.6，0.5 kPa（相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)2.28 MPa、0.89 MPa、0.33 MPa、0.28 MPa）。這是因?yàn)闇啙岫仍酱螅黧w的黏度增大，致使流體內(nèi)各分子間的相互作用力增強(qiáng)，流體與接觸面之間的摩擦力增大，從而降低流體的流速。又由于流體的流速與沖擊力呈正相關(guān)關(guān)系[17]，因此流體的沖擊隨渾濁度的增加而減小。而且流體內(nèi)顆粒的大小會(huì)對(duì)沖擊力產(chǎn)生影響，而渾濁度也在一定程度上反映了流體內(nèi)的顆粒大小，因此再次說明了渾濁度與流體的沖擊力大小存在不可忽視的關(guān)系。從圖5中還可得知：距壩趾越遠(yuǎn)，流體的沖擊力越小，這是因?yàn)榱黧w在流動(dòng)過程中由于其與溝槽的相互作用使其一直在經(jīng)歷能量的耗散過程，同時(shí)動(dòng)能也部分轉(zhuǎn)化成了勢(shì)能，因此流體的沖擊力隨著距離的增加而逐漸減小，直至流體停止流動(dòng)。從圖5中可知潰壩流體到達(dá)研究斷面后在4 s內(nèi)即可達(dá)到?jīng)_擊力的峰值。

2.3流 速

通過位移示蹤點(diǎn)法（通過流體在研究斷面的流動(dòng)時(shí)間及路程求其流速）測(cè)得不同斷面處的流速，如圖6所示，從上至下依次為距壩趾2，4，6 m處。需要補(bǔ)充說明的是，由于技術(shù)方面的因素，本次試驗(yàn)測(cè)試的是不同時(shí)間段的平均流速。從圖6中可以看出：流體的流速隨流體渾濁度的增加而減小，如Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)渾濁度流體在距壩趾2 m處的峰值流速分別為3.20，2.85，2.53，2.45 m/s。這是因?yàn)闇啙岫仍礁撸黧w的黏度越大，而黏度體現(xiàn)了流體內(nèi)各物質(zhì)之間的摩擦力，黏度越大則摩擦力越大，從而使流體與溝槽之間的摩擦力增大，繼而減小流體的流速。同時(shí)還可分析出流體在1 s（相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)20 s）內(nèi)即可達(dá)到速度最大值，可見當(dāng)水庫潰壩時(shí)，下游一定范圍內(nèi)的居民完全來不及撤離，故做好水庫大壩的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作是做好防災(zāi)減災(zāi)工作的必備環(huán)節(jié)。

3討 論

通過試驗(yàn)研究可以看出，渾濁度越大，流體在下游產(chǎn)生的淹沒高程（溝谷兩測(cè)）越大，對(duì)下游建筑物的沖擊力越小。水庫潰壩時(shí)流體所具有的總能量源于庫水的總重力勢(shì)能，潰壩后，流體的重力勢(shì)能逐漸轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，繼而沿沖溝往下游發(fā)展。而渾濁度的變化影響著流體內(nèi)物質(zhì)之間的吸附力大小，隨著渾濁度降低，流體的黏度逐漸減小，使流體內(nèi)各物質(zhì)較為松散，而非大量聚集在一起，這樣就會(huì)減少物質(zhì)之間的相互作用力，流體在流動(dòng)過程中受到流體內(nèi)物質(zhì)向后的拉扯力相應(yīng)較小，最后以流體在溝谷中流動(dòng)速度相對(duì)較快的形式表現(xiàn)出來。而速度越快，潰壩后流體總勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的速度越快，在有限的空間范圍內(nèi)，保留的勢(shì)能也就越小，繼而在下游產(chǎn)生的淹沒高程越小。同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[17]可知，流沙沖擊力與速度的平方呈正比，因此潰壩后流體對(duì)下游物體產(chǎn)生的沖擊力因庫水渾濁度的降低而增大，可見渾濁度是表征潰壩災(zāi)害程度的一個(gè)重要因素，且對(duì)潰壩災(zāi)害程度的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，只有綜合分析流體在下游產(chǎn)生的淹沒高程及對(duì)下游物體沖擊力的大小，才能較好地衡量災(zāi)害程度的大小。而且不同地區(qū)的水庫，其庫水渾濁度參差不齊，如黃河、金沙江地帶庫水比較渾濁、長江地帶庫水比較清澈，故分析渾濁度對(duì)潰壩流體在下游流態(tài)演進(jìn)過程的影響，即是分析了不同地區(qū)水庫潰壩流體的流態(tài)演進(jìn)規(guī)律。這對(duì)分類處理水庫大壩潰壩事故及庫區(qū)災(zāi)害評(píng)估具有重要意義。

4結(jié) 論

本文利用自行研制的水庫潰壩流體流動(dòng)特性模擬試驗(yàn)裝置，通過不同質(zhì)量濃度的黏土混合液改變庫水的渾濁度，開展了多組潰壩試驗(yàn)，獲得了以下結(jié)論。

（1） 水壩潰壩后，流體在下游產(chǎn)生的淹沒高程隨流體渾濁度的增加而增大，且流體到達(dá)同一斷面的耗費(fèi)時(shí)間也隨渾濁度的增加而增加。

（2） 潰壩后，流體在同一斷面所產(chǎn)生的沖擊力及流速均隨流體渾濁度的增加而減小，且距壩趾越遠(yuǎn)，沖擊力及流速越小。

（3） 潰壩流體在下游產(chǎn)生的淹沒高程、沖擊力及流速的時(shí)間變化曲線均包括快速增長、快速下降以及緩慢下降3個(gè)階段，最后直至流體停止流動(dòng)。

（4） 潰壩流體到達(dá)研究斷面后4 s內(nèi)即可達(dá)到峰值沖擊力，而在研究斷面經(jīng)歷1 s（相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)20 s）后即可達(dá)到峰值流速。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：In order to study the flow characteristics ofdam-breaching fluid with different turbidity，four mass concentrations of clay mixtures were used to simulate different water turbidity through self-developed simulation test device.The test results showed that：① The submerged elevation of the fluid after dambreach increased with the increasing of turbidity，and the submerged elevations of the four kinds of turbidity（10%，20%，30%，40%）respectively were 6.5，7.7，9.0cm and10.5 cm after reaching the downstream 2 m for 3 s.② The impact force decreased with the increasing of fluid turbidity，and the peak values of impact force generated byturbidity fluids of grade I（10%），grade II（10%），grade III（10%）and grade IV（10%）at 4 m from the dam toe were 4.1，1.6，0.6 kPa and 0.5 kPa，respectively.At the same time，the impact force can reach the peak value within 4 s（equivalent to 80 s on site）after dam failure.③ The velocity of fluid decreased with the increasing of turbidity，and the fluid can reach the peak velocity within 1s（ equivalent to 20 s on site）.

Key words：dam-breaching fluid;impact force;flow characteristic;turbidity;physical model test