付建康, 羅 剛, 胡卸文,2

1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031 2.西南交通大學(xué)抗震工程技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031

0 引言

滑坡堰塞壩是指由于降雨、地震、火山噴發(fā)等原因引起山體滑坡而截堵山谷、河道形成的壩體[1]。由于其組成物質(zhì)往往不均勻且松散多孔隙[1-3]，當(dāng)上游水位達(dá)到一定高度時(shí)，堰塞壩可能會突然潰決形成異常洪水，沖毀下游河道沿途一定范圍內(nèi)的基建設(shè)施和人類房屋。所以，深入研究堰塞壩的失穩(wěn)機(jī)理和潰決過程能為人工排險(xiǎn)與區(qū)域的防災(zāi)減災(zāi)工作提供重要指導(dǎo)。

自20世紀(jì)90年代以來，歐美國家著手實(shí)施了多個(gè)潰壩研究計(jì)劃[4-6]，包括歐洲IMPACT項(xiàng)目、美國NSDP計(jì)劃和Floodsite項(xiàng)目等，其分別對不同材料的壩體潰決過程進(jìn)行研究，并取得了不錯(cuò)的成果。1975年8月，河南板橋水庫潰壩，鐵道部科學(xué)研究院對水庫潰壩洪水進(jìn)行了調(diào)查[7]和水工模型實(shí)驗(yàn)[8]，并在不同尺寸的實(shí)驗(yàn)水槽和潰壩模型上，針對不同潰壩要素共進(jìn)行了約600次實(shí)驗(yàn)，獲得了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。張建云等[9]針對我國現(xiàn)有土石壩黏粒含量范圍，開展了國內(nèi)外最高均質(zhì)黏土壩漫頂潰決實(shí)體實(shí)驗(yàn)，提出了壩體材料黏性(c值)對壩體潰決方式的具體影響機(jī)制。國內(nèi)學(xué)者對滑坡堰塞壩也進(jìn)行了大量研究[10-11]，包括“5.12”汶川地震在四川省境內(nèi)造成的257個(gè)滑坡堰塞壩[12]，其中對于威脅最大的唐家山堰塞壩，水利部、清華大學(xué)等[13-17]開展了大量工作，認(rèn)為：堰塞壩為高風(fēng)險(xiǎn)性，潰壩機(jī)理為越頂溢流破壞，壩體暫時(shí)穩(wěn)定可迅速開挖泄洪槽降低洪水位；溝槽部位表層松散體將被水流逐級淘刷，整體潰壩可能性小，洪峰流量在可控范圍之內(nèi)。此外，楊華等[18]通過對汶川地震所產(chǎn)生的上百座堰塞湖調(diào)查發(fā)現(xiàn)，堰塞壩按照其組成大致可分為均質(zhì)細(xì)壩、均質(zhì)粗壩及分層壩。張大偉等[19]針對當(dāng)前土石壩潰決機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀，采用粒徑對比明顯的兩組砂樣進(jìn)行了土石壩漫頂潰決實(shí)驗(yàn)。段文剛等[20]以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)為技術(shù)手段，首次嘗試采用“埋入式輕型沖蝕捕捉器”動態(tài)記錄潰決過程。國小龍等[21]以均質(zhì)土石壩漫潰過程中“陡坎”沖刷為研究對象，對均質(zhì)土石壩漫潰過程中“陡坎”沖刷過程進(jìn)行了詳細(xì)的描述。鄭欣等[22]通過進(jìn)行管涌的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)砂槽模型實(shí)驗(yàn)，觀察并分析了管涌發(fā)生、發(fā)展并導(dǎo)致潰壩的機(jī)理和過程。Zhao W等[2]通過模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M漫頂潰壩機(jī)制觀察得知，當(dāng)水位漫過壩頂后斜坡侵蝕是主要的破壞形式，下游坡面開始由水流沖刷的小沖溝在侵蝕作用下逐漸擴(kuò)大合并。近年來，學(xué)者們對滑坡堰塞壩的穩(wěn)定性提出了新的評估方法，Dong Jianjun 等[23]參照日本43個(gè)滑坡堰塞壩資料庫，提出了用對數(shù)變換后的匯水面積、壩高、堆積體積等變量更能很好地預(yù)測壩體穩(wěn)定性；Carlo Tacconi Stefanelli等[24]提出了滑坡堰塞壩地貌形態(tài)限制指標(biāo)(MOI)和水文地貌形態(tài)壩體穩(wěn)定性指標(biāo)(HDSI)，包括河流長度和壩體寬度等常規(guī)指標(biāo)用以區(qū)別壩體是否穩(wěn)定。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對堰塞壩潰決機(jī)制已經(jīng)進(jìn)行了大量的模型實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值分析，并獲得了豐富的研究成果；但是關(guān)于壩體潰決時(shí)間與上游蓄水體積，以及壩體位移變形與組成顆粒粒徑的相互關(guān)系的研究并不多。本文以唐家山滑坡堰塞壩為研究對象，通過采用室內(nèi)水槽物理模型實(shí)驗(yàn)，模擬了不同體積蓄水量和不同顆粒粒徑壩體變形破壞機(jī)理，觀測和監(jiān)測了水位上升過程中壩體不同位置的水平位移及壩體整個(gè)破壞過程，以期揭示壩體的破壞規(guī)律。

1 模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

“5.12”汶川地震促使北川縣上游通口河右岸唐家山斜坡順層高速下滑，撞擊對岸元河壩山體而急速停積堵江，形成順河向長803.4 m、橫河向最大寬度611.8 m、高82.0～124.0 m、體積為2 037萬m3的唐家山堰塞壩堆積體(圖1)。壩體堆積物為灰?guī)r，從上到下依次為風(fēng)化松散堆積物和塊狀新鮮巖體(保存有完整的層理結(jié)構(gòu))，堆積體下部為原河床堆積物和基巖體，由于滑體高速運(yùn)動堆積夯實(shí)作用，壩體堆積密實(shí)，穩(wěn)定性較好。堰塞湖最高蓄水面積3 550 km2，體積1億m3。

圖1 唐家山高速滑坡并堵江Fig.1 Tangjiashan high-speed landslide and damming

本實(shí)驗(yàn)以唐家山滑坡堰塞壩為原型，考慮到實(shí)驗(yàn)室水槽尺寸，選擇幾何相似系數(shù)K為1 000，即模型縮小為原型尺寸的1/500(長為0.8 m，寬為0.6 m，高為0.1 m)，但受限于模型槽及儲水要求，作者將壩體尺寸進(jìn)行了進(jìn)一步調(diào)整，最終壩體尺寸為0.8 m×0.6 m×0.1 m(長×寬×高，其中壩體長度指順河方向長度)，根據(jù)壩體實(shí)際顆粒粒徑(圖2)組成，調(diào)整實(shí)驗(yàn)材料粒徑的大小和體積分?jǐn)?shù)(表1)。除此之外，本實(shí)驗(yàn)的注水設(shè)備采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，用千分表來測量壩體位移。

圖2 唐家山堰塞壩顆粒級配曲線[17]Fig.2 Barrier dam grading curve of Tangjiashan landslide [17]

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

按表1配比堆筑壩體(圖3)?？紤]滑坡沖擊夯實(shí)的特性，堆壩過程采用均勻拋灑，使砂土發(fā)生自由落體運(yùn)動壓密，之后用小刀精致塑形，上下游壩體坡度均為1∶2.5。堆壩完成后，通過流量計(jì)向壩體上游以70 mL/min緩慢注水，實(shí)時(shí)觀察壩體的破壞情況并記錄千分表的讀數(shù)。

表1原型土體和模型物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)

Table1Relationoftheprototypegraingradingandmodelgraingrading

序號堰塞壩實(shí)際粒徑/mm物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)/%模型粒徑/mm物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)/%1<37.520<0.075202<50.022<0.100223<125.024<0.250244<250.030<0.500305<1000.090<2.00090

圖3 壩體示意圖Fig.3 Sketch of the dam

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2個(gè)方案，其中：方案一的材料級配組成見表1，分3組實(shí)驗(yàn)，改變最大蓄水量，但控制3組實(shí)驗(yàn)的注水速度、壩體幾何尺寸和壩體密實(shí)程度相同，壩體迎水坡坡腳與上游模型箱后壁之間的水平距離及對應(yīng)最大蓄水量見表2；方案二中，令壩后最大蓄水量不變，壩體顆粒粒徑分為0.500～2.000 mm、>2.000 mm兩組做對比實(shí)驗(yàn)，然后重復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的步驟，最后觀測記錄壩體的變形破壞情況。

表2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

注：方案二實(shí)驗(yàn)2粒徑組成為篩分后>2.000 mm的沙粒，但粒徑均勻，無特大塊體。

圖4 方案二實(shí)驗(yàn)1級配曲線圖Fig.4 Grading curve from Experiment 1 of Project 2

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 方案一結(jié)果

2.1.1 實(shí)驗(yàn)1結(jié)果

實(shí)驗(yàn)1壩后最大蓄水量為29 600 cm3。在實(shí)驗(yàn)初始階段，壩體水位較低，靜水壓力較小，壩體未出現(xiàn)任何變形破壞(圖5a)；當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第18 h，壩體下游出現(xiàn)輕微滲漏，滲漏水體顏色清澈；21 h20 min時(shí)，壩高3.0 cm處(A)千分表出現(xiàn)讀數(shù)，壩-體開始出現(xiàn)變形，且變形在1 h內(nèi)迅速增長(圖5b)；24 h，水位上升到5.5 cm，滲流坡降增加，壩體中部出現(xiàn)滲漏，B、C處千分表相繼出現(xiàn)讀數(shù)；27 h20 min，水位上升至7.5 cm，壩體下游滲漏加重，特別在壩體的底部和壩體的兩側(cè)均有較嚴(yán)重的滲漏，滲漏水體渾濁度增加，壩體表面開始被沖刷，形成較小的沖溝、陡坎，但未完全破壞，壩體水平位移趨于穩(wěn)定；當(dāng)水位上升至10.0 cm，水體漫頂，再經(jīng)過12 min水體對壩體表面的沖刷(圖5c)，表面沖溝加深并且合并，細(xì)小顆粒被帶走，留下粗顆粒物質(zhì)；當(dāng)上游繼續(xù)注水時(shí)，侵蝕繼續(xù)加深，水體漫頂往下游的流速達(dá)到大顆粒物質(zhì)的啟動速度，壩體突然于47 h27 min向下游方向左壩肩發(fā)生漫頂潰壩現(xiàn)象；隨著水流不斷向下泄流，上游水位迅速下降，流速隨之迅速降低，留下最大寬度12.0 cm、最小寬度8.0 cm的潰口(圖5d)。A點(diǎn)位移最終為0.035 mm，明顯大于B、C點(diǎn)位移，說明壩體下游坡變形呈現(xiàn)上小下大的規(guī)律(圖6)。

a.壩體底部飽水；b.細(xì)顆粒隨滲漏水體流出；c.漫頂溢流；d.壩體左肩潰決。圖5 方案一實(shí)驗(yàn)1壩體變形破壞過程Fig.5 Dam deformation and failure process from Experiment 1 of Project 1

圖6 方案一實(shí)驗(yàn)1壩體潰決前不同高度處水平位移圖Fig.6 Horizontal displacement diagram in different height before dam break from Experiment 1 of Project 1

以實(shí)驗(yàn)1為例，壩體潰口演化過程及壩后水位變化經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：在水位漫頂之后，水體逐漸對沙堆頂部沖蝕(圖7a)；一段時(shí)間之后，潰口逐漸向下擴(kuò)展，潰口截面呈現(xiàn)“上窄下寬”的情況(圖7b)；隨著水流的不斷沖刷，潰口不斷向下擴(kuò)展，“上窄下寬”情況更加明顯，且上面懸空砂體有少量掉落，水位有所降低(圖7c)；最后上部懸空砂體垮塌，形成倒梯形潰口(圖7d)，水位降低明顯，水流速也急劇下降。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)2結(jié)果

實(shí)驗(yàn)2壩后最大蓄水量為41 600 cm3。注水6 h，壩體底部開始出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象；注水23 h，A點(diǎn)處

圖7 壩體潰口破壞演化圖Fig.7 Evolution diagram of dam breach

先出現(xiàn)水平位移，壩體出現(xiàn)變形，滲漏比較輕微，滲漏水體清澈；25 h后，B點(diǎn)處千分表出現(xiàn)讀數(shù)，同時(shí)壩體的滲漏加重，且滲漏水體顏色渾濁度增加，變成淡黃色；35 h，水位上漲至7.0 cm，壩體的滲漏繼續(xù)加重，壩體表面的少許沙粒由于壩體中部的滲流作用而被沖刷帶走，沖溝內(nèi)水流流速加快；注水53 h，壩體滲漏異常嚴(yán)重，滲流顏色高度渾濁，沖溝向兩側(cè)擴(kuò)張，沖溝內(nèi)水體單位流量繼續(xù)增大，壩體水平位移不再發(fā)生變化；55 h33 min，水體出現(xiàn)漫頂，壩體表面被大面積沖刷，水流與之前滲漏水體形成的沖溝合并，形成溯源侵蝕(圖8a)；55 h40 min，壩體右肩出現(xiàn)潰口，壩后水體從潰口奔涌而出，流量較大且持續(xù)時(shí)間較實(shí)驗(yàn)1長，潰口尺寸更大，最大寬度達(dá)16.0 cm(圖8b)。A點(diǎn)最終位移為0.038 mm，大于B、C點(diǎn)位移，說明壩體下游坡變形從下向上逐漸減小(圖9)。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)3結(jié)果

實(shí)驗(yàn)3壩后最大蓄水量為53 600 cm3。注水10 h后，壩體底部出現(xiàn)輕微滲漏，滲漏水體清澈；24 h，A點(diǎn)最先出現(xiàn)水平位移，此時(shí)水位3.8 cm；26 h，B、C點(diǎn)千分表出現(xiàn)讀數(shù)，壩體滲漏加重，有少量細(xì)沙帶出；45 h，水位達(dá)到7.0 cm，在壩體的中部出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，壩體表面受到?jīng)_刷的作用，形成小沖溝，滲流水體渾濁，A點(diǎn)處千分表讀數(shù)明顯增加；54 h，水位達(dá)到8.5 cm，壩體發(fā)生變形破壞，出現(xiàn)溯源侵蝕現(xiàn)象；72 h25 min，壩后水體漫頂(圖10a，b)，又經(jīng)過5 min，壩體頂部左側(cè)位置出現(xiàn)潰決破壞(圖10c)，開始時(shí)潰口較小，在水體高速持續(xù)的沖刷作用下，潰口迅速擴(kuò)大，且沖刷時(shí)間較前兩組實(shí)驗(yàn)更長，形成最寬23.0 cm、最小12.0 cm的潰口(圖10d)。A點(diǎn)位移最終為0.045 mm，明顯大于B、C點(diǎn)位移，說明壩體下游坡變形從下向上逐漸減小(圖11)。

a.壩體水位漫頂；b.壩后水體局部溢流；c.壩體出現(xiàn)潰口；d.壩體最終破壞圖。圖10 方案一實(shí)驗(yàn)3壩體變形破壞過程Fig.10 Dam deformation and failure process from Experiment 3 of Project 1

圖11 方案一實(shí)驗(yàn)3壩體潰壩前不同高度處平位移圖Fig.11 Horizontal displacement diagram in different height before dam break from Experiment 3 of Project 1

2.2 方案二結(jié)果

2.2.1 實(shí)驗(yàn)1結(jié)果

方案二實(shí)驗(yàn)1，按照實(shí)驗(yàn)方案控制顆粒級配(圖4)，向水槽注水。17 h后，水位達(dá)到3.0 cm，壩體底部出現(xiàn)較為嚴(yán)重的滲漏現(xiàn)象(圖12a)，但滲漏水體較清澈，夾帶少量細(xì)小顆粒；19 h，壩體的滲漏更為嚴(yán)重，小顆粒被不斷沖刷帶出，壩體出現(xiàn)小范圍管涌破壞(圖12b)，局部滲漏水流呈小股流出，壩體有輕微下陷，C點(diǎn)千分表出現(xiàn)讀數(shù)；20 h，壩體下沉跡象明顯，A和B處出現(xiàn)位移(因?yàn)槿庋劭煽吹角Х直硖幫馏w剝落，遂不將其作為壩體整體位移的參考量)，壩體出現(xiàn)嚴(yán)重變形；30 h，壩體中部也出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏，水流清澈，壩體表面被沖刷，壩體前沿移動變形(圖12c)；48 h，注水速度小于滲漏速度，調(diào)整注水流量達(dá)到流量計(jì)最大值(100 mL/min)，直到71 h28 min，水位發(fā)生漫頂，2 min之后，壩體右側(cè)壩肩發(fā)生潰壩，水體一瀉而出，持續(xù)時(shí)間極短，在潰口左側(cè)土體不斷被急速的水流沖刷帶走。最終潰口最大寬度為17.0 cm(圖12d)。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)2結(jié)果

方案二實(shí)驗(yàn)2控制材料粒徑大于2.000 mm，顆粒骨架間的孔隙過大，導(dǎo)致開始注水時(shí)，壩體的滲漏已經(jīng)非常嚴(yán)重，小顆粒被持續(xù)帶出；4 h，壩體底部出現(xiàn)輕微下沉，B點(diǎn)先出現(xiàn)水平位移，A和C處未出現(xiàn)明顯位移，滲流穩(wěn)定；30 h，水位下降；注水速度調(diào)至最大(100 mL/min)，水流滲漏速度仍遠(yuǎn)大于注水速度，導(dǎo)致無法繼續(xù)蓄水；最終實(shí)驗(yàn)在72 h停止，滲流極為嚴(yán)重，未形成漫頂破壞(圖13)。

a.壩后水位即將漫頂；b.壩體下游出現(xiàn)溯源侵蝕；c.壩體底部沖溝和陡坎；d.壩體右肩潰壩。圖12 方案二實(shí)驗(yàn)1壩體破壞過程Fig.12 Dam deformation and failure process from Experiment 1 of Project 2

圖13 方案二實(shí)驗(yàn)2壩體變形破壞圖Fig.13 Dam deformation and failure process from Experiment 2 of Project 2

3 結(jié)果分析

3.1 壩體潰口大小

通過方案一可知，堰塞壩潰壩的發(fā)展過程主要分為滲流—漫頂—沖刷—潰決4個(gè)階段。漫頂之前，壩體內(nèi)部逐漸飽和并滲流，巖土體的抗剪強(qiáng)度降低，滲流水體造成下游坡表面形成小沖溝和小陡坎，隨著水位升高，滲流加劇，滲流水體速度增大，沖溝擴(kuò)大；當(dāng)漫頂發(fā)生時(shí)，由于堰塞壩壩體材料的松散性和不均勻性，漫頂水體沖刷而下，松散顆粒被水流沖走，局部漫頂水體與之前的沖溝匯流；沖溝內(nèi)水體流速繼續(xù)增大，向兩側(cè)侵蝕更為嚴(yán)重，沖溝擴(kuò)大合并，且發(fā)生溯源侵蝕作用，壩體厚度減??；之后，壩體潰口在頂部形成并迅速向壩底和兩側(cè)侵蝕擴(kuò)大，最終導(dǎo)致壩體潰決破壞。3組實(shí)驗(yàn)在水體漫頂之前的位移變形和滲流現(xiàn)象較為相似。在漫頂之后，由于壩后水體體積不同，水體潛在勢能不同，潰口一旦形成，實(shí)驗(yàn)1潰口進(jìn)一步侵蝕破壞持續(xù)的時(shí)間較短，所以潰口尺寸最小，實(shí)驗(yàn)2次之，實(shí)驗(yàn)3潰口受快速水流沖刷作用持續(xù)時(shí)間最長，最終潰口尺寸最大。

3.2 管涌破壞

方案二中兩組實(shí)驗(yàn)均控制壩后最大存儲水體體積為41 600 cm3，通過改變實(shí)驗(yàn)土體的粒徑尺寸，分別使用了0.500～2.000 mm的河沙(圖4)和粒徑>2.000 mm河沙進(jìn)行壩體的堆筑。結(jié)果表明：當(dāng)砂土粒徑級配不均勻時(shí)(實(shí)驗(yàn)1)，由于大小顆粒之間結(jié)合較差，在滲流作用下，隨著壩體上游水位上升，滲流坡降增大；當(dāng)坡降達(dá)到一定值時(shí)，水體從壩體下游坡面滲出，小顆粒被滲出水流持續(xù)沖走，形成滲流通道；當(dāng)顆粒骨架間的孔隙過大，壩體發(fā)生管涌破壞，當(dāng)砂土粒徑>2.000 mm時(shí)(實(shí)驗(yàn)2)，壩體由于滲流速度大于注水速度，導(dǎo)致壩后水體無法漫頂。

3.3 粒徑大小與滲流作用關(guān)系

對比方案一的實(shí)驗(yàn)2和方案二的實(shí)驗(yàn)1滲流情況可知，控制壩后水體體積相同、水位相同，后者滲流現(xiàn)象更明顯；進(jìn)一步分析可知，隨著上游水位上升，壩體堆積粒徑級配越不均勻，壩體的允許滲流坡降就越小，當(dāng)滲流坡降大于允許滲流坡降時(shí)，就越容易發(fā)生滲流破壞。

3.4 壩體位移

由圖6、圖9、圖11知，壩體的位移均呈現(xiàn)從底部至頂部遞減的情況，且壩體底部先出現(xiàn)位移變形。該位移變形可能與壩體形狀以及滲透浸潤線有關(guān)。隨著水位上升，浸潤線抬升，壩體下部先出現(xiàn)飽水狀態(tài)，使得壩體內(nèi)部出現(xiàn)孔隙水壓力，土體顆粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，顆粒間結(jié)合度降低，從而出現(xiàn)壩體下游的宏觀位移。

4 結(jié)論

1)級配組成良好的壩體，隨著上游水位緩慢增長，主要分為滲流—漫頂—沖刷—潰決4個(gè)階段，最終潰壩。隨著壩體上游水位的不斷上漲，壩體底部往往最先出現(xiàn)位移，且最終底部位移量大于其余部位。

2)在壩體堆積顆粒粒徑組成相同，壩體上游水位不變的情況下，壩后蓄水量越大，潰口處峰值流量越大，且整個(gè)漫頂潰壩過程持續(xù)時(shí)間越長，水流對潰口兩側(cè)和底部的侵蝕作用強(qiáng)度更大，最終潰口橫截面尺寸越大。

3)壩體堆積物顆粒粒徑級配越差，壩體堆積越不穩(wěn)定；由于小顆粒迅速被滲流水體沖走，堰塞壩允許滲流坡降變小，壩體易形成管涌破壞。

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