堰塞壩背水面坡度對潰決過程影響機理大尺度試驗

黃 衛(wèi)，齊子杰，段文剛，汪利先，李 利，於思瀚

(1.水能資源利用關鍵技術湖南省省重點實驗室，湖南 長沙 410014；2.水利部長江水利委員會 長江科學院，湖北 武漢 430010；3.武漢理工大學 船海與能源動力工程學院，湖北 武漢 430070)

堰塞壩潰決是自然界廣泛存在的地質(zhì)災害之一，為避免堰塞壩潰決對下游人民生命財產(chǎn)、道路交通的威脅，減少對生態(tài)環(huán)境的危害，有必要開展堰塞壩潰決研究。與經(jīng)過壓實和防滲處理的人工壩不同，堰塞壩是由較松散的砂、石構(gòu)成，更可能發(fā)生潰決破壞。大部分堰塞壩潰決災害可分為漫頂潰決、管涌潰決和壩坡失穩(wěn)3種模式。Peng等研究了144個堰塞壩潰決案例，其中漫頂破壞的情況占比高達91%。目前，針對堰塞壩潰決的研究方法主要有原型觀測、數(shù)值模擬和模型試驗。由于原型觀測的危險性及局限性，現(xiàn)有研究資料并不多見。因此，很多學者通過基于參數(shù)與基于物理過程的數(shù)學模型模擬堰塞壩的潰決過程及流量過程?；趨?shù)的數(shù)學模型需要大量原型資料進行參數(shù)分析，導致該類模型可靠性不高；基于物理過程的數(shù)學模型從理論角度對潰決過程進行分析，但引入了大量人為假設，其預測精度仍然沒有保證。潰決過程中的水沙作用機理是數(shù)學模型建立的基礎，故模型試驗是揭示水沙作用機理的主要研究方法。Wu等于2011年對堰塞壩潰決試驗研究進行了較為系統(tǒng)地綜述，認為盡管對堰塞壩潰決有一定認識，但仍有許多方面需要繼續(xù)開展研究。Stephen等在上游水位恒定的條件下開展?jié)卧囼灒芯苛朔丘ば詨误w溢流沖刷的潰決過程。Yang等分析了堰塞壩壩體的蝕退坡度在不同潰壩階段的變化過程。楊陽等分析了滲流作用下堰塞壩潰決過程及其洪水演進過程。Wang等通過大尺度堰塞壩潰決試驗，分析了堰塞壩潰決前的發(fā)生征兆（壩體變形、滲流的渾濁度、壩體上游水頭等），用以輔助堰塞壩潰壩預判。趙天龍和Zhao等參考唐家山堰塞湖壩體材料的級配，開展了離心潰壩試驗，分析了堰塞壩漫溢沖刷潰決過程。為探究上游來流量對潰決過程的影響，Yan等開展了非黏性堰塞壩漫頂潰決試驗，在堰塞壩體積相同的條件下改變壩高、底面長度、初始潰口深度及上游來流量，結(jié)果表明，上游流量和壩體本身結(jié)構(gòu)對潰決過程起到關鍵影響。楊陽等初步考慮了入庫流量的影響，指出隨著入庫流量的增大，峰值流量的到來時間會提前且峰值流量曲線較“尖瘦”。Zhou等對寬級配堰塞壩潰決過程開展了試驗，研究了上游來流量對潰決過程中的流量起漲過程和峰值流量等的影響。張建楠等通過試驗研究得出，在初始來流量較小時增加入庫流量，峰值流量增加比重較小，意味著上游來流量在一定程度內(nèi)的變化對峰值流量的影響相對其他因素較小。此外，壩體形狀對堰塞壩潰決過程的影響較大，部分研究者對其開展了試驗研究，結(jié)果表明：背水面坡度對壩體穩(wěn)定性有較大影響，壩坡越緩，重心越靠后，穩(wěn)定性越好，在沖蝕過程中壩體材料更易在壩體坡面堆積，阻滯水流運動，提高壩體抗沖刷性能；坡度與潰口下切、展寬速率呈正相關關系；壩高的增加會直接影響整個過程的侵蝕率。但關于背水面壩坡對潰口發(fā)展過程及潰決洪水特征的影響的研究仍然不足。主要表現(xiàn)為現(xiàn)有試驗對不同坡度下的潰決特征、坡面水流特征、流量過程、淤積特征等分析和考慮不夠深入。此外，堰塞湖庫容大小直接決定了庫水位下降速度，進而決定了潰口發(fā)展速度、最終潰口形態(tài)和潰口流量過程。現(xiàn)有試驗研究主要是在試驗室水槽中進行，未考慮庫容的影響，導致水位下降速率與實際情況差異明顯，造成潰決過程的不相似和部分典型現(xiàn)象的缺失。根據(jù)現(xiàn)有公開文獻，已有堰塞壩潰決水槽試驗壩高0.3～0.8 m，壩寬0.5～1.2 m，總體尺度較小。由于試驗中庫容不足導致潰決過程嚴重不相似，所以，在窄槽內(nèi)試驗，部分研究結(jié)論與實際堰塞湖潰決過程相差甚遠。這在前期開展的堰塞壩潰決試驗中也得到證實。段文剛等對壩高1 m、壩寬2 m、水槽庫容60 m的土石壩開展試驗研究，認識到由于試驗水槽庫容較小，壩前水位降落過快，壩體橫向尺度較小，未能模擬出最終潰口形態(tài)，導致潰口峰值流量和近似陡坎沖蝕以后的潰決過程與實際偏差較大。同樣地，在土石壩潰決研究中，研究者也同樣認識到了小尺度試驗存在的不足，為更加清晰地揭示漫頂潰決機理，開展了大尺度的試驗研究，如美國農(nóng)業(yè)部、歐盟IMPACT項目和中國南京水利科學研究院。因此，本文在最大庫容約為380 m的室內(nèi)大型堰塞壩試驗系統(tǒng)中開展堰塞壩潰決試驗研究，解決了因庫容不足導致潰決過程不相似的問題；同時，開展背水面坡度對堰塞壩潰口發(fā)展過程及潰決洪水特征的影響研究，為堰塞壩應急處置提供支撐。

1 試驗條件

1.1 試驗系統(tǒng)

堰塞壩試驗系統(tǒng)位于長江科學院沌口科學試驗基地，主要由上游水庫、試驗水槽、下游水池、供水系統(tǒng)等構(gòu)成，平面布置見圖1。圖1中：上游水庫長20.0 m，寬12.0 m，高1.6 m，最大庫容384.0 m；下游水池長22.0 m，寬14.0 m，深1.8 m，最大庫容550 m；試驗水槽長17.5 m，寬4.0 m，高0.8～1.6 m。采用水泵從下游水池供水，最大供水流量為0.05 m/s。下游水池設計了3道沉砂池，能夠充分沉降試驗中進入水池的泥沙。少量細顆粒泥沙以懸移質(zhì)形式在經(jīng)過沉砂池后繼續(xù)在水池中擴散，當試驗時間特別長時，細顆粒懸沙可能到達水泵抽水口。在本文試驗工況下，尚未發(fā)現(xiàn)上游水庫來流變渾的情況，因此，來流攜帶泥沙對潰決過程的影響可忽略。由于試驗庫容對堰塞壩潰決過程模擬的相似性有重要影響，通過對現(xiàn)有堰塞壩事件的統(tǒng)計，得出無量綱的堰塞湖形狀指數(shù)（（庫容）/壩高）為5.2～17.9，本文試驗中該值為6.2，故很大程度上改善了因庫容不足而導致的潰決過程不相似。

圖1 試驗系統(tǒng)平面布置圖Fig. 1 Plain layout of the experiment system

為使?jié)卧囼灳哂锌芍貜托?，購置了堰塞壩筑壩系統(tǒng)，包括卷揚皮帶傳輸機2臺（分別長7.5和6.0 m）、攪拌機1臺（1.0 m）、碾壓鋼管1根（20 kg）。每次試驗前，先將所有筑壩材料經(jīng)過攪拌機充分混合均勻；然后，采用皮帶傳輸機輸送到水槽內(nèi)，按照設計壩體尺寸進行筑壩，每鋪20 cm厚，采用鋼管來回碾壓5次。挖槽采用預埋定制的有機玻璃槽進行開挖，完成后用水準儀進行復核和修正。筑壩完成后，在背水坡面和壩頂繪制20 cm×20 cm的網(wǎng)格供后期圖像識別。

測量系統(tǒng)采用多種儀器綜合測量：1）堰塞壩壩體上下游共布置10支水位儀，如圖2（a）所示，量程為1 600 mm，精度為±1 mm，采集頻率為0.9 s；其中，9支用于記錄與校核上游水位，1支布置于下游河道用于記錄下游河道水位。2）在上下游不同方位布置4臺高清攝像儀記錄試驗過程，如圖2（b）所示；其中，2臺為4 mm焦距，2臺為6 mm焦距，均為800萬像素。

圖2 測量記錄設備Fig. 2 Equipment for the recording and measurement

1.2 試驗控制與工況

決定堰塞壩穩(wěn)定性的因素有很多，除了壩體的組成材料和上下游坡度外，還有壩體高度、上游來流量、下游河道情況等。因此，堰塞壩組成材料級配和空間分布的異質(zhì)性會對堰塞壩的潰決過程有一定影響。考慮到天然堰塞壩組成級配較寬，試驗材料采用寬級配的無黏性砂石料（粒徑0.075～10 mm），實測壩體材料顆粒級配如表1所示，其中

D

=0.690 mm。

表1 模型材料顆粒級配
Tab. 1 Grain-size distribution of the landslide dam material

分類 粒徑/mm 占比/%中礫 >10 0 10～5 11.7細礫 5～2 18.8粗砂 2～0.5 28.3中砂 0.5～0.25 12.9細砂 0.25～0.075 27.3粉粒 ＜0.075 1.0

同時，為保證不同工況間結(jié)果具有可比性，試驗中壩體材料未考慮空間分布的異質(zhì)性。天然堰塞壩壩坡比土石壩要緩，其下游坡面坡度范圍一般在1∶40～1∶17，本文試驗設計時綜合考慮了試驗條件和天然堰塞壩的幾何特征。堰塞壩壩頂順河向長

L

=0.5 m，壩高

H

=1.0 m，堰塞壩橫向?qū)?.0 m，迎水面坡度為1∶2，背水面坡度為1∶3～1∶6。為獲取潰決過程中潰口數(shù)據(jù)，在背水坡面上建立3個特征觀測斷面，如圖3（a）所示：1）由于壩頂處潰口變化可用于直觀判斷潰決過程，在壩頂處建立觀測斷面；2）由于臨近壩頂處的壩坡更易直接受到壩頂洪水的影響，將壩頂斷面下游水平距離0.75 m處設置為壩坡觀測斷面（1號斷面）；3）由于壩腳處土體易被水面覆蓋，在壩腳上游水平距離1.25 m處建立觀測斷面（2號斷面），用于觀測壩底處潰口。為避免全線漫頂潰決，人工開挖了規(guī)則梯形引流槽（圖3（b）），上底寬33.80 cm、下底寬3.80 cm、高10.00 cm，邊坡比為1.0∶1.5。為驗證試驗的可重復性，以及測試模型的一致性，開展兩組背水面坡度為1∶4的重復試驗。在重復試驗工況的基礎上，再分別增大和減小背水面坡度各一個工況（1∶3、1∶6），研究堰塞壩背水面坡度對潰決過程的影響。堰塞壩潰決試驗工況見表2。

圖3 壩體形態(tài)與初始潰口形態(tài)Fig. 3 Shape of dam body and initial breach

表2 堰塞壩潰決機理試驗工況
Tab. 2 Experiment conditions for landslide dam breach failure mechanism

工況編號 背水坡坡度1 1∶4 1∶4 3 1∶3 4 1∶6 2

1.3 試驗過程與數(shù)據(jù)處理

試驗開始前，先用水泵從下游水池中抽入一定量的水至上游水庫，至水位沒過9支水位儀器后，再經(jīng)過人工校準每支儀器，保證其達到相同水位讀數(shù)。試驗過程中的主要控制條件為來流流量，在水位到達進口斷面挖槽底高程之前，充水流量為0.05 m/s，以縮短前期充水時間，避免壩體長時間浸泡出現(xiàn)滲漏；當水庫水位接近引流槽進口底高程時，將潰決過程中的來流量減小至設定值0.008 3 m/s，直至堰塞壩潰口停止發(fā)展。試驗過程中記錄水位，并通過上游水位庫容曲線推算出其對應時刻的潰口流量。同時，采用4組高清攝像頭記錄整個試驗過程，后期以網(wǎng)格圖像識別（圖4）方法記錄壩頂斷面、1號斷面及2號斷面的潰口發(fā)展過程。在潰決前期潰口沖蝕較均勻時，一般以40 s左右的時間間隔截取視頻信息進行潰口識別；當潰口發(fā)生較大變化時，增加提取時刻點，在潰口發(fā)展較迅速時的截取視頻信息時間間隔約為10 s。為便于反映出不同試驗工況下的不同水位流量特性，排除其他因素干擾，潰決過程以水流全線通過引流槽的時刻作為零時刻進行分析。

圖4 基于網(wǎng)格的潰口寬度圖像后處理Fig. 4 Image-based post-processing grids for breach width

2 試驗結(jié)果

2.1 潰決過程分析

從試驗過程來看，堰塞壩潰決過程根據(jù)其潰口發(fā)展模式可分為4個階段，分別為沿程沖刷階段、溯源沖刷階段、快速發(fā)展階段和發(fā)展穩(wěn)定階段。第1個階段為沿程沖刷階段，該階段水流從引流槽流出后在背水坡坡面沿程沖刷，坡面表現(xiàn)為“辮狀”河道的特征，水流在坡面較大范圍內(nèi)游蕩演進，堰塞壩背水坡坡面由上至下水面逐漸增寬，如圖5（a）所示。由于坡面沖刷的泥沙被帶到下游河床淤積，使得水流經(jīng)過的河床坡度變緩，此階段引流槽基本沒有發(fā)生沖刷。第2階段為溯源沖刷階段，如圖5（b）所示，溯源沖刷由下游往上游發(fā)展，背水坡面水流沿程形成小波浪沖蝕或出現(xiàn)多級跌坎，壩頂挖槽沖刷較緩。隨著水位上漲，潰口流量增加，溯源沖刷發(fā)展速度加快。當溯源沖刷發(fā)展到上游坡面時，上游潰口開始加速擴大，進入第3階段，即快速發(fā)展階段，如圖5（c）所示?？焖侔l(fā)展階段垂向沖深和橫向展寬速度都非常迅速，橫向展寬主要是由于潰口邊坡坡腳水流沖刷導致邊坡失穩(wěn)，坍塌進入水體的壩體材料被水流迅速帶走，從而實現(xiàn)了潰口的迅速展寬。該階段水位下降迅速，在潰口口門處呈現(xiàn)出巨大的水跌。坡面下游多級跌坎逐漸合并為少數(shù)落差較大的跌坎，隨著庫水位的不斷下降，潰口水頭不斷減小，水面梯度也變小，如圖5（d）所示，潰口展寬過程基本停止，河床仍在緩慢沖刷，床面推移質(zhì)運動仍然較為劇烈?？梢钥闯?，在上游大庫容水位及較大壩體橫向尺度條件下，堰塞壩潰決過程的前3個階段沖蝕特點與天然堰塞壩潰決過程基本一致，并且發(fā)展穩(wěn)定后能夠呈現(xiàn)完整殘留壩體形態(tài)。同時，與大尺度土石壩潰決過程相比，試驗中也觀測到了下游坡面“陡坎”溯源沖刷和潰口邊坡失穩(wěn)坍塌的現(xiàn)象。

圖5 堰塞壩潰決各特征階段照片F(xiàn)ig. 5 Photos for typical-stages of landslide dam breaching

2.2 潰口水力特征與潰口寬度發(fā)展過程

通過對比不同工況潰決過程，發(fā)現(xiàn)每個工況的上下游水位與流量過程的特征時刻基本對應。不同工況的上游峰值水位差別較小，水位及流量變化特征基本一致，僅存在時間與數(shù)值上的差異。以背水面坡度為1∶6的工況4為例，對堰塞壩潰決過程中的水力特征及潰口寬度發(fā)展的基本過程進行描述。

在水庫恒定來流0.008 3 m/s條件下，從引流槽全線過流時刻（

t

=0）開始，上游水庫水位為93.8 cm。之后，壩體上游水位變化大致可分為4個階段：1）緩慢抬升（

t

=0～500 s）：該階段為沿程沖刷全階段及溯源沖刷前中期，壩頂斷面潰口未得到發(fā)展，泄流流量小于上游來流流量，上游來水在少量泄流的同時繼續(xù)蓄于水庫，引起水庫庫容增加，上游水位緩慢抬升至峰值水位94.7 cm。2）緩慢下降（

t

=500～620 s）：該階段為溯源沖刷末期及快速發(fā)展初期，潰口由背水面下游至上游開始顯著增大。當壩頂斷面潰口開始加速發(fā)展，進入快速發(fā)展階段，泄流量逐漸提升。3）快速下降（

t

=620～1 030 s）：該階段為快速發(fā)展中后期及發(fā)展穩(wěn)定階段初期，此時期壩頂斷面已發(fā)展了一定寬度，導致上游水庫大量泄流，水位下降速度較快。4）緩慢下降（

t

=1 030～1 400 s）：該階段為發(fā)展穩(wěn)定階段后期，在經(jīng)過長時間大流量泄流，水位降低至一定程度后其下降速率逐漸降低?？梢钥闯?，在上游庫容較大的情況下，潰決過程中的水位過程變化合理，各個階段歷時較長，未出現(xiàn)水位持續(xù)下降過快的情況。與水位相對應的壩體下泄流量大致可分為5個階段：1）小流量泄流（

t

=0～500 s）：該階段對應上游水位緩慢抬升階段，水位已達到初始引流槽底高程并開始小流量泄流。2）緩慢增加（

t

=500～620 s）：該階段對應為上游水位的緩慢下降階段。3）快速增加（

t

=620～810 s）：該階段為水位快速下降的前中期，上游水位的加速下降導致流量快速增加，并于

t

=810 s達到流量峰值0.490 m/s，同時下游河道水位達到峰值22.9 cm。4）快速減?。?p>t

=810～1 030 s）：該階段為水位快速下降末期，經(jīng)過流量峰值后，水位仍以較快的速度下降，但下降速率明顯減小，因此流量快速減小。5）緩慢減?。?p>t

=1 030～1 400 s）：該階段對應為上游水位的緩慢下降階段。流量過程與水位過程對應良好，各特征時刻基本對應，如圖6所示。

原有普通盤根盒盤根墊大頭朝上，小頭朝下，光桿上沖程的過程沒有起到拉緊盤根墊的作用，密封效果不好（圖2）。

圖6 水庫水位和潰口流量過程 （工況4）Fig. 6 Water level in the reservoir and discharge hydrographs at the breach (Case 4)

圖7為潰口寬度發(fā)展過程。由圖7可知，潰口寬度發(fā)展過程大致可分為4個階段：1）沿程沖刷階段（

t

=0～300 s）：該階段下泄流量較小，上游水位繼續(xù)緩慢抬升。壩頂斷面初始潰口寬度幾乎保持穩(wěn)定，潰口先后從1號、2號斷面開始發(fā)展；

t

=100 s左右，1號斷面形成穩(wěn)定水面及潰口；

t

=300 s左右，2號斷面形成穩(wěn)定水面及潰口。2）溯源沖刷階段（

t

=300～560 s），溯源沖刷前中期下泄流量仍小于上游來流量，潰口由背水面下游往上游開始發(fā)展，1、2號斷面潰口同時擴大，壩頂斷面潰口仍保持一段時間的穩(wěn)定后，3個斷面潰口在

t

=500 s左右開始同時擴大；至溯源沖刷末期，壩頂斷面潰口逐漸擴大，導致下泄流量緩慢提升，上游水位開始緩慢下降。3）快速發(fā)展階段（

t

=560～810 s），該階段下泄流量快速增加，各斷面潰口展寬速率較快，發(fā)展至

t

=810 s左右，經(jīng)過流量峰值后，潰口寬度發(fā)展速度逐漸降低，開始進入發(fā)展穩(wěn)定階段。4）發(fā)展穩(wěn)定階段（

t

=810～950 s），經(jīng)過峰值流量后各斷面潰口已得到充分發(fā)展，其寬度發(fā)展趨于穩(wěn)定。該階段潰口由于壩體橫向尺度較大，未被沖蝕完全，殘留壩體形態(tài)保存完好，潰口發(fā)展過程與水位流量過程對應良好。從最終潰口寬度來看，該工況的壩頂斷面（351.7 cm）>2號斷面（270.0 cm）>1號斷面（248.1 cm）。

圖7 潰口寬度發(fā)展過程（工況4）Fig. 7 Breach width process (Case 4)

2.3 潰決流量過程比較分析

圖8為不同工況下潰決流量過程比較。

圖8 各工況潰決流量過程比較Fig. 8 Discharge hydrographs of different cases

如圖8所示：工況1與2為試驗條件一致的兩組重復性試驗，從潰決流量過程來看，兩組試驗的洪水過程差異很小，工況1洪水峰值流量為0.67 m/s，工況2峰值流量為0.69 m/s，峰值流量相對誤差僅約為3%，表明模型的可重復性很好。工況3的背水面坡度為1∶3，峰值流量為0.92 m/s。相對于工況1，工況3峰值流量提高了37.3%；同時，根據(jù)峰值流量出現(xiàn)的時間可以看出：工況3的峰值流量出現(xiàn)時間明顯提前約50 s，流量過程曲線更加“尖瘦”（洪水快速抬升至峰值流量后快速下降歷時較短）。工況4的背水面坡度為1∶6，峰值流量為0.48 m/s，相對于工況1，峰值流量減小了30%；同時，峰值流量出現(xiàn)時間顯著延后約320 s，流量過程曲線變得“矮胖”（洪水快速抬升至峰值流量后快速下降歷時較長）。因此，在其他條件不變的前提下，背水面坡度越大，潰決洪水過程出現(xiàn)越早，峰值流量越大，洪水過程曲線越“尖瘦”。

2.4 潰口發(fā)展過程比較分析

隨著背水面坡度發(fā)生變化，潰口的垂向切深與展寬過程也隨之受到影響。觀察試驗過程發(fā)現(xiàn)，所有工況的沿程沖刷階段發(fā)展過程比較類似：水流自引流槽流出后，于背水面上游至下游緩慢流動，形成較狹窄沖溝，沿途攜帶的較大顆粒泥沙淤積于下游，使下游河床變緩，水流流速變慢，泥沙的淤積對水流起阻礙作用，導致水流改變流動方向，逐漸形成“辮狀”地形特征。水流逐漸增加后，形成上窄下寬的“喇叭形”泄流槽，并進入溯源沖刷階段；該階段潰口由背水面下游至上游開始發(fā)展，不同工況的潰口發(fā)展過程出現(xiàn)顯著差異，如圖9所示。根據(jù)試驗中潰口水流和床面形態(tài)特征，可大致分為：1）小波浪沖蝕（圖9（a））：此時水流沿坡面流動，各波浪的垂向落差較小，潰口的垂向沖深發(fā)展較緩慢；2）跌坎沖蝕（圖9（b））：此時水流發(fā)展成具有一定垂向落差的跌坎，水流垂向沖蝕性能較強；3）陡坎沖蝕（圖9（c））：各跌坎得到充分發(fā)展后逐漸合并成一個垂向落差極大的瀑布式陡坎，此時水流垂向動能巨大。從不同潰口特征可以看出，陡坎的形態(tài)取決于水流能量，其實質(zhì)是床面形態(tài)對水流侵蝕能力的適應調(diào)整，取決于水流侵蝕力和床面抗沖力的相互作用。

圖9 潰口沖蝕特征示意圖Fig. 9 Schematic illustration of erosion features at the breach

不同工況下的潰口潰決過程如圖10所示。工況1的溯源沖刷階段最初為小波浪式?jīng)_蝕，此時水流沿下游坡面流動，各小波浪間擁有極小的垂向落差；經(jīng)過一段時間的發(fā)展，小波浪逐漸合并，于各斷面形成擁有較小垂向落差的小型跌坎水流，壩頂斷面垂向沖深相比于橫向展寬并不太明顯；隨著壩頂潰口處土體逐漸坍落，進入快速發(fā)展階段，并于壩頂斷面潰口口門處與1號斷面處形成水流垂向落差較明顯的多級跌坎（圖10（a））。工況2與工況1試驗條件相同，潰口發(fā)展過程與工況1類似（圖10（b））。工況3的溯源沖刷階段由最初的小波浪式?jīng)_蝕，經(jīng)過一段時間的發(fā)展，于各斷面處形成多個小型跌坎狀水流；隨著潰口兩側(cè)土體不斷失穩(wěn)向水流坍落，潰口逐漸擴大，斷面處多個小型跌坎逐漸合并，于壩頂潰口口門與1號斷面處形成多級跌坎，此時壩頂斷面潰口處垂向沖深較為明顯（圖10（c））。工況3中，由于堰塞壩土體級配良好，導致壩體擁有一定的穩(wěn)定性，壩頂斷面在較快速的跌坎水流作用下形成類似“懸臂”型潰口，能維持短暫時間，此時潰口局部邊坡可能為負坡，之后便快速坍落，壩頂斷面潰口在短時間內(nèi)擴大明顯，進入快速發(fā)展階段；壩頂斷面跌坎與1號斷面跌坎合并，于潰口口門處形成流量較大、垂向落差極大的陡坎式洪水，此時，各斷面在大流量沖擊下不斷失穩(wěn)坍落，潰口加速擴大。工況4的溯源沖刷階段最初為小波浪沖蝕，1號與2號斷面的潰口開始較均勻地發(fā)展，小波浪隨著流量的增大逐漸合并，形成較為穩(wěn)定的多級跌坎沖蝕，壩頂斷面開始均勻發(fā)展；進入快速發(fā)展階段后，潰口處并未形成陡坎沖蝕，如圖10（d）所示。綜上所述，不同工況下的沿程沖刷階段無明顯差異，溯源沖刷階段背水坡坡度的增大更有利于跌坎沖蝕的形成和發(fā)展，導致潰口的垂向沖深更明顯；在快速發(fā)展階段，坡度為1:3的工況下會形成陡坎洪水沖蝕。需要指出的是，由于嚴格的級配相似難以實現(xiàn)，試驗采用較寬的級配模擬天然堰塞壩材料的寬級配特性。試驗中壩體顆粒級配較為連續(xù)且粒徑較小，可能導致壩體材料的黏性增加，使?jié)⒖谔幫馏w穩(wěn)定性增強，從而導致潰口邊坡較天然壩體陡，甚至出現(xiàn)負坡情形。但是，當潰決過程進入快速發(fā)展階段時，潰口以快速下切和失穩(wěn)破壞為主，黏性增加的影響在一定程度上可以忽略。

圖10 堰塞壩潰決過程Fig. 10 Breach development for landslide dam

圖11為不同工況潰口發(fā)展過程比較。不同工況的潰口發(fā)展所經(jīng)歷的階段相同，潰口寬度發(fā)展曲線較為相似。沿程沖刷階段，壩頂斷面保持為初始潰口寬度，1號及2號斷面先后形成潰口；溯源沖刷階段，2號斷面潰口率先開始發(fā)展，其潰口寬度始終大于1號斷面潰口，待壩頂斷面開始加速發(fā)展，進入快速發(fā)展階段，不同工況的3個斷面寬度在大流量沖蝕下開始快速發(fā)展至穩(wěn)定。

圖11 不同工況潰決潰口發(fā)展過程比較Fig. 11 Comparison of development processes of breach under different conditions

由表3可知，工況1與工況2的潰口發(fā)展過程相差不大，3個斷面最終潰口寬度差別皆低于2.5%，再次表明試驗可重復性良好。由于發(fā)展穩(wěn)定階段存在較多不確定因素，在不考慮發(fā)展穩(wěn)定階段的歷時情況下，工況1、2、3、4的潰口發(fā)展歷時分別約為530、500、450、810 s?？梢钥闯?，潰決歷時隨著坡度變化非線性地增加，坡度越小，潰決歷時增加得越明顯。其中，沿程沖刷階段及溯源沖刷階段受坡度影響最為明顯，當背水面坡度變小，由水流導致的泥沙堆積進一步使河床坡度變緩，導致水流通過更為緩慢。反觀快速沖刷階段，由于坡度較小時壩頂斷面潰口沒有一個突變過程，不存在一個特別明確的界定，難以根據(jù)潰口沖蝕特征精確定量該段歷時，但根據(jù)其流量特征可大致推斷其發(fā)展歷時，可以發(fā)現(xiàn)，快速沖刷階段也存在隨坡比減小而呈延長趨勢。值得指出的是，雖然工況3的總歷時較短，但該工況下的流量及潰口沖蝕特點使該工況的快速沖刷階段開始較早且持續(xù)時間較長，相對于工況2，其快速發(fā)展階段歷時并沒有明顯縮短。在較大壩體橫向尺度條件下，每個工況都保留有較完整的壩體殘留形態(tài)，能夠得到壩體最終潰口寬度。從最終潰口寬度來看，當坡度變大，流量發(fā)展更迅速，展寬明顯。其中，1號斷面潰口受坡度增加而擴大得最明顯，工況3相對于工況4提升約24.7%，工況1相對于工況4提升約4.4%。應當指出的是，無論是坡度較大（工況3為1∶3）或較?。ür4為1∶6），2號斷面潰口均有不同程度的擴大，相對于工況1分別高出約8.6%和5.6%；雖然工況4的流量發(fā)展較緩慢，但隨著坡度變緩，2號斷面（壩底斷面）壩體材料較為薄弱，加上沖刷歷時較長，其潰口會伴隨著水面的展寬而擴大。

表3 不同工況潰口發(fā)展參數(shù)對比
Tab. 3 Comparison of breach development parameters under different conditions

工況編號 沿程沖刷歷時/s 溯源沖刷歷時/s 快速沖刷歷時/s 壩頂斷面潰口寬度/cm 1號斷面潰口寬度/cm 2號斷面潰口寬度/cm 1 200 100 230 346.6 258.9 255.6 2 200 100 200 341.5 252.5 250.7 3 150 90 210 355.1 309.2 277.5 4 300 260 250 351.7 248.1 270.0

2.5 堰塞壩下游坡腳淤積機理

由于現(xiàn)有文獻中的試驗未能重現(xiàn)天然堰塞壩下游淤積現(xiàn)象，對于下游河道兩岸淤積機理鮮有涉及。本文在大庫容、大尺度的試驗條件下，較好地重現(xiàn)了實際堰塞壩潰決中的下游淤積現(xiàn)象，其產(chǎn)生機理分析如下。

當堰塞壩潰決過程進入快速發(fā)展階段，各斷面潰口加速擴大，導致洪水攜帶大量壩體材料進入下游河道。由于下游河道坡度較緩且橫向較寬，洪水從較窄潰口流入下游河道后寬度突然放寬，潰決洪水流速急劇減小，進而導致水流挾沙能力急劇減小，較大粒徑顆粒首先于壩底潰口處沉降形成淤積，細小顆粒由水流攜帶繼續(xù)向下游運動，河道淤積呈現(xiàn)扇形狀。扇形淤積地形導致洪水主流流速較快，兩邊水流較慢，呈“扇狀”發(fā)散。隨著潰口流量的進一步增加，主流水流速增加，挾砂能力增強，淤積的泥沙被重新沖蝕形成新的河道，而河道兩岸洪水流速較小，且部分洪水在壩腳與左右岸之間區(qū)域形成流速緩慢的回流，如圖12（a）所示；洪水攜帶泥沙不能進一步向下游輸移，大量細小顆粒逐漸沉降淤積，導致該片區(qū)域出現(xiàn)了主要由細小顆粒堆積而形成的河床抬高現(xiàn)象，如圖12（b）所示。2018年10月13日白格堰塞壩潰決后，在靠近右岸處形成寬約80～120 m的天然泄流槽，堰塞壩下游潰口附近出現(xiàn)了明顯的泥沙淤積，且在殘留壩體下游河道與左右岸區(qū)域之間形成明顯的淤積區(qū)，如圖12（c）所示。

圖12 試驗和天然堰塞壩淤積特征比較Fig. 12 Comparison of deposition areas features between experiment and natural cases

3 結(jié) 論

以無黏性、寬級配砂礫料堰塞壩為對象，開展多組室內(nèi)大尺度試驗；控制堰塞壩背水面坡度為變量，記錄分析開槽引流堰塞壩的潰決過程，分析了在不同背水坡面下的潰口特征、水力特征、沖蝕過程的差異。通過試驗可以看出，上游庫容較大的大尺度試驗能模擬出更為真實和完整的堰塞壩潰決過程，不僅能夠重現(xiàn)上游水位過程、流量過程、堰塞壩潰口沖蝕特點，還能夠呈現(xiàn)堰塞壩潰決終止?jié)⒖谛螒B(tài)、下游河道淤積等現(xiàn)象，得到如下結(jié)論：

1）堰塞壩潰決過程大致可以分為沿程沖刷、溯源沖刷、快速發(fā)展和潰口穩(wěn)定4個階段，每個階段的水流特性及潰口發(fā)展主導因素各不相同。

2）在其他條件不變的前提下，背水面坡度越大，潰決洪水過程出現(xiàn)越早，峰值流量越大，洪水過程曲線越“尖瘦”（洪水快速抬升至峰值流量后快速下降歷時短），發(fā)展越迅速。

3）隨著背水面坡度增加，潰決總歷時非線性縮短；坡度越大，潰決總歷時縮短得越明顯。其中，沿程沖刷階段及溯源沖刷階段歷時縮短較明顯，但當坡度增加至一定范圍時，會導致其快速發(fā)展階段提前，在潰決總歷時中的占比有所提升。坡度的提升更有利于溯源沖刷階段中跌坎水流的發(fā)展，當坡度提高至1∶3時，會形成較明顯的陡坎沖蝕。

4）背水坡坡度越大，潰口擴大越明顯，其中，1號斷面（壩坡斷面）潰口寬度隨著坡度變大有著較大增幅，但相較于中等坡度（1∶4），坡度的增大與減小對2號斷面（壩底斷面）潰口均有一定擴大趨勢。

5）試驗很好地重現(xiàn)了堰塞壩下游河道兩岸淤積現(xiàn)象，并初步揭示了該現(xiàn)象產(chǎn)生的機理。