羅利環(huán),黃 爾,呂文翠,張 婧

(四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室,四川成都 610065)

堰塞湖是由于地震活動、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)生的堰塞湖問題時刻威脅著下游人民的安危,據(jù)統(tǒng)計資料[5]顯示,堰塞湖形成后,10d內(nèi)潰決者超過50%,2個月內(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,許多學者紛紛利用各種模型進行以唐家山為代表的四川堰塞湖潰壩洪水分析,其中主要有長江科學院朱勇輝等[6]進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]、張細兵等[8]以及其他學者都對唐家山堰塞湖的洪水演進問題進行了研究。

前人提出的方法使?jié)魏樗难芯坑辛撕艽蟮倪M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識清楚,針對此情況,筆者采用水位計測量壩前庫區(qū)水位,對整個壩體形狀及水流的變化進行全方位攝影,并進行各個影響因素的對比試驗,總結(jié)了不同因素對潰壩洪水的影響規(guī)律,為進一步的科學研究提供基礎資料,為工程實踐提供參考。

1 試驗方法簡介

1.1 設備及參數(shù)

試驗水槽為玻璃水槽,長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,在水槽一側(cè)對堰塞壩開槽,下游為單側(cè)斜坡定床床面。

本試驗是以唐家山堰塞壩為原型的概化模型試驗,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。由相似準則計算得到模型與原型之間物理量相似比尺,流速比尺1∶20,時間比尺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;壩頂長度是沿水流方向堰塞壩頂?shù)拈L度,分別取10cm,20cm和25cm共3種工況;上游入庫流量分別取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;按起動流速相似原理選取壩體顆粒組成為定級配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)量分數(shù)分別確定為0,10%,20%,30%共4種工況。

1.2 測量方法

水位計采用南京水利科學研究院制作的WYG-Ⅱ型水位測量儀觀測水位。將水位測量儀的探頭置于壩上游庫區(qū)中距壩址3.1m處,每秒自動采集5次水位,分別在堰塞壩的正、側(cè)面用2臺數(shù)碼攝像機對試驗過程進行攝像,觀察堰塞壩潰決全過程。

2 潰壩洪水水力計算

堰塞壩潰口流量根據(jù)水位計測得的堰塞湖動態(tài)水位計算庫容變化,再采用水庫水量動態(tài)平衡方程計算潰口下泄流量。

堰塞湖庫容估算公式為

式中:V為庫容;As(h)為堰塞湖水面面積;dV為單位時間步長內(nèi)庫容的變化;dt為時間步長;Qin為入庫流量;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。

水庫水量動態(tài)平衡方程為

3 試驗結(jié)果

3.1 上游入庫流量與潰壩洪水的關(guān)系

在庫容、壩后坡度、壩頂長度、開槽寬度、壩體含粗沙量及壓實度等相同,上游入庫流量不同的情況下進行試驗。圖1為試驗得到的3組不同入庫流量下的下泄流量過程線。

圖1 不同入庫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)生時間(峰現(xiàn)時間)較早。當入庫流量減少Q(mào)in/3和Qin/2時,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)時間推遲約35 s和120s,推遲時長約為0.33T和1.2T(T為Qin=1.2L/s時的峰現(xiàn)時間),入庫流量與潰壩洪峰流量正相關(guān),與峰現(xiàn)時間反相關(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,而與上游庫區(qū)水的勢能有密切的關(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,本文上游來流量按汛期洪水考慮,最大一級流量接近20年一遇設計洪水。根據(jù)分析可能是入庫流量通過影響潰決過程的速度來影響洪峰流量的大小。上游來流量大會提高潰決初期潰口發(fā)生的速度,進而使?jié)Q過程加快,峰現(xiàn)時間提前,潰決洪峰流量較大。在其他條件相同的情況下,減小入庫流量使得潰口縱向下切和橫向展寬速度變慢,其峰現(xiàn)時間有所推后,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

在庫容、入庫流量、壩頂長度、開槽寬度、壩體壓實度、壩后坡度等相同但壩體粗沙含量不同的情況下進行試驗。圖2為試驗得到的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)量分數(shù)增加10%,20%和30%時,其峰現(xiàn)時間推遲約40s,80s和140s,推遲時長約占無粗沙含量峰現(xiàn)時間的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峰現(xiàn)時間的影響較大,峰現(xiàn)時間與壩體粗沙含量正相關(guān),而對潰壩洪峰流量的影響相對較小,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,庫區(qū)水位降低速度快,相應的峰現(xiàn)時間靠前,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區(qū)水位。當增加壩體粗沙含量時,壩體穩(wěn)定性增強使得潰決速度變慢,庫區(qū)水位降低速度慢,峰現(xiàn)時間延長,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

在庫容、入庫流量、壩頂長度、開槽寬度、壩體物質(zhì)組成及壓實度等相同但壩后坡度不同的情況下進行試驗。圖3為試驗得到的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)時間較早。逐漸將壩后坡度減緩為1∶2.5,1∶3 和1∶4時,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)時間逐漸推遲約50s,100s和250s,推遲時長約占1∶2壩后坡度峰現(xiàn)時間的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)時間反相關(guān)。

當壩前蓄水位超過泄流槽頂部高程時,水流通過泄流槽表面較低位置流動,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。當壩后坡度逐漸減緩時,壩體穩(wěn)定性逐漸增強,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,相應的峰現(xiàn)時間也就越靠后,產(chǎn)生的潰壩最大流量就越小。

3.4 壩頂長度與潰壩洪水的關(guān)系

在庫容、入庫流量、壩后坡度、開槽寬度、壩體含粗沙量及壓實度等相同但壩頂長度不同的情況下進行試驗。圖4為試驗得到的3組不同壩頂長度下的潰口流量過程線。

圖4 不同壩頂長度下的潰口流量過程線

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

壩體前、后坡度不變,壩頂長度較小,順著河流的壩體長度也相應減少,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,相應的峰現(xiàn)時間也就越靠前,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,相應的峰現(xiàn)時間靠后,庫區(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

在庫容、入庫流量、壩頂長度、壩體含粗沙量及壓實度、壩后坡度等相同但開槽寬度不同的情況下進行試驗。圖5為試驗得到的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)時間較早。當壩頂開槽寬度減少1/4和3/8時,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)時間有所推遲,推遲時長約45%和100%。壩頂開槽寬度與潰壩洪峰流量、峰現(xiàn)時間反相關(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時的潰口尺寸和庫區(qū)水位,而泄流槽的尺寸影響潰口尺寸和庫區(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)過泄流槽時下泄速度較慢,隨著時間的推移,其縱向下切速度很快,但橫向展寬速度相對緩慢,使得庫區(qū)積蓄大量來不及下泄的水量,庫區(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庫區(qū)水位較低,潰決洪峰流量較小。

4 結(jié) 語

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

a.當入庫流量為Qin,Qin/3和Qin/2(Qin=1.2L/s)時,相應的潰壩洪峰流量分別為Q,4/5Q和3/5Q(Q=5.5 L/s),峰現(xiàn)時間約為T,1.33T和2.2T(T=200s)。上游入庫流量與潰壩洪峰流量正相關(guān),與峰現(xiàn)時間反相關(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.當壩體粗沙含量增加10%,20%和30%時,相應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%,推遲時長約占無粗沙含量峰現(xiàn)時間的28%,55%和96%。堰塞壩的粗沙含量對潰壩峰現(xiàn)時間的影響較大,峰現(xiàn)時間與粗沙含量正相關(guān)。而對潰壩洪峰流量的影響相對較小,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,相應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)時間,進而影響潰決洪峰流量。

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

e.當壩頂開槽寬度減少1/4和3/8時,其潰壩洪峰流量增加量約占洪峰流量的5%和40%。其峰現(xiàn)時間推遲時長約為45%和100%。堰塞壩開槽寬度與潰壩洪峰流量、峰現(xiàn)時間反相關(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區(qū)水位,進而影響潰決洪峰流量。

f.堰塞壩的入庫流量、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,在堰塞壩防災減災對策上,可以通過減小入庫流量、增加壩體粗沙含量、減緩壩后坡度、加寬壩頂長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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[1]柴賀軍,劉漢超.一九三三年疊溪地震滑坡堵江事件及其環(huán)境效應[J].地質(zhì)災害與環(huán)境保護,1995,6(1):7-17.

[2]周魁一,蘇克忠.十四世紀以來我國地震次生水災的研究[J].自然災害學報,1992,1(3):83-91.

[3]晏鄂川,鄭萬模,唐輝明,等.滑坡堵江壩潰決洪水及其演進的理論分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2001,28(6):15-17;22.

[4]王光謙,傅旭東,李鐵建,等.汶川地震災區(qū)堰塞湖應急處置中的計算分析[J].中國水土保持科學,2008,6(22):1-2.

[5]聶高眾,高建國,鄧硯.地震誘發(fā)的堰塞湖初步研究[J].第四紀研究,2004,24(3):293-301.

[6]朱勇輝,范北林,盧金友,等.唐家山堰塞湖潰壩洪水分析及泄流沖刷模擬[J].人民長江,2008,39(22):79-82.

[7]黃明海,金峰,楊文俊.唐家山堰塞壩潰決洪水計算分析研究[C]//中國水利學會.中國水利學會2008學術(shù)年會論文集(下冊).北京:中國水利水電出版社,2008:961-966.

[8]張細兵,盧金友,范北林,等.唐家山堰塞湖潰壩洪水演進及下泄過程復演[J].人民長江,2008,39(22):76-79.

[9]CASSANDR A R F,ROBERT H W,THURE E C.Peak discharge of a Pleistocene lava-dam outburst floods in Grand Canyon,Arizona,USA[J].Quaternary Research,2006(7):324-335.

[10]DANIEL A C,ELLEN E W.Peak discharge estimates of glacia-lake outburst floods and“normal”climatic floods in the Mount Everest region,Nepal[J].Geomorphology,2001(1):57-90.