于夢(mèng)真 牛志攀＊ 苑如瑋 朱 嘉 王璐瑤

（1、四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都610065 2、四川大學(xué) 災(zāi)后重建與管理學(xué)院，四川 成都610065 3、四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610065）

1 概述

堰塞湖是由地震、滑坡等自然災(zāi)害造成河道堵塞而形成的湖泊，堰塞壩是堵塞河道的壩體。由于堰塞壩直接由崩滑的土石堆積而成，往往結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，材料不均，物質(zhì)松散[1]，有學(xué)者曾對(duì)堰塞壩壽命進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表示86%的堰塞壩壽命小于1 年[2]。地震或降雨可能會(huì)在同一個(gè)地區(qū)形成多個(gè)堰塞壩，發(fā)展為堰塞壩群，僅5·12 大地震后就形成了256 座堰塞壩[3]，堰塞壩一旦潰決，可能會(huì)引起下游發(fā)生嚴(yán)重的洪水災(zāi)害，威脅下游人民的生命安全并帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此研究堰塞壩潰決過程的影響因素十分重要。

國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者指出上游來(lái)流量是影響堰塞壩潰決過程不可忽略的因素之一，張康等[4]通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量指出，對(duì)于洪峰流量大于30m3/s 的河流，堰塞壩的穩(wěn)定性與其洪峰時(shí)的水流能量有關(guān)，并在調(diào)查測(cè)量中得出16 組堰塞壩泄洪道穩(wěn)定的情況下階梯－深潭的發(fā)育程度與其單寬水流能量的關(guān)系曲線。盡管上游來(lái)流量對(duì)水流能量有著決定性作用。意大利學(xué)者Stefanelli 等[5]通過由上游來(lái)流量、坡降及河水容重決定的流功率定義了用以判斷堰塞壩穩(wěn)定性的HDSI 指標(biāo)。蔣先剛等[6]通過開展堰塞壩潰決試驗(yàn)，分析了不同壩型及不同上游來(lái)流量條件下的堰塞壩潰口下切過程與侵蝕規(guī)律。綜上，盡管許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者都已注意到了上游來(lái)流量對(duì)堰塞壩穩(wěn)定性及其潰決過程的影響，但依然少有學(xué)者對(duì)上游來(lái)流量與堰塞壩潰決流量的關(guān)系進(jìn)行單獨(dú)研究。

因此，本文通過一系列水槽實(shí)驗(yàn)，探究了上游來(lái)流量對(duì)堰塞壩潰決流量及潰口特征的影響，研究成果能夠?yàn)檎J(rèn)識(shí)水文條件對(duì)堰塞壩潰決的影響規(guī)律提供理論參考。

2 試驗(yàn)設(shè)置

2.1 試驗(yàn)土料

試驗(yàn)采用人工配置泥沙，壩體土料參數(shù)為：3-5mm 細(xì)礫32.52%，2-3mm 細(xì)礫32.52%，0.075-0.1mm 細(xì)砂34.96%的非連續(xù)級(jí)配土料,土料不均勻系數(shù)為24，曲率系數(shù)為0.047。試驗(yàn)采用的土料顆粒級(jí)配曲線如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)土料顆粒級(jí)配曲線

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械乃鄄糠珠L(zhǎng)10m、寬0.5m、高0.5m，坡度設(shè)置為15°，水槽側(cè)壁及底板均為有機(jī)鋼化玻璃，堰塞壩設(shè)置在距離供水裝置5m 處，上游來(lái)流量通過供水裝置處的電磁流量計(jì)控制，壩前水槽底板處埋置有孔隙水壓力傳感器，以便得出不同時(shí)刻壩前水位，用以計(jì)算潰決流量。在水槽側(cè)面、水槽末端及堰塞壩頂架設(shè)攝像機(jī)，記錄整個(gè)試驗(yàn)過程。試驗(yàn)裝置如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

2.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵越鹕辰赘裱呷麎螢樵?，原型中壩體高度為61～100m，根據(jù)幾何相似的原則取模型與原型的壩體高度之比為1:300，作為幾何比尺λL。試驗(yàn)中壩體高度設(shè)置為0.25m，壩頂長(zhǎng)0.15m，壩底長(zhǎng)0.65m，壩寬0.5m，壩體迎水坡及背水破傾角均為45°。試驗(yàn)根據(jù)上游來(lái)流量的不同共分為5 組，上游來(lái)流量從小到大依次為0.3L/s、0.6L/s、0.8L/s、2L/s、6L/s，按照流量比尺λQ=λL2.5=1:3002.5換算成原型中的上游來(lái)流量分別對(duì)應(yīng)為470m3/s、935m3/s、1250m3/s、3120m3/s、9350m3/s，5 組 流 量 值 跨 度較大，足夠模擬現(xiàn)實(shí)中大多數(shù)情況下的上游來(lái)流量條件，能夠得到不同上游來(lái)流量對(duì)潰決流量的影響規(guī)律。試驗(yàn)工況如表1。

表1 不同工況下的試驗(yàn)條件

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 堰塞壩潰決流量各階段特征

通過五組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同上游來(lái)流量條件下的堰塞壩潰決都是由漫頂造成的，五組試驗(yàn)中潰決流量的發(fā)展過程基本相同，可大致將這一發(fā)展過程分為三個(gè)階段。以上游來(lái)流量為0.8L/s 時(shí)的潰決流量發(fā)展過程為例進(jìn)行分析，其發(fā)展過程曲線如圖3 所示。

圖3 上游來(lái)流量為0.8L/s 時(shí)的潰決流量發(fā)展過程曲線

結(jié)合發(fā)展過程曲線對(duì)各階段潰決流量特征進(jìn)行分析：從潰決開始到潰決進(jìn)程達(dá)到10%左右為潰決過程第一階段，在此階段中潰決流量穩(wěn)定增長(zhǎng)，上游集水區(qū)水位超過堰塞壩壩高，堰塞壩由于漫頂溢流開始潰決，潰決流量從0 開始迅速增長(zhǎng)，但由于此階段水流對(duì)堰塞壩侵蝕能力較弱，僅在堰塞壩背水坡形成一條較窄的沖溝，水流對(duì)堰塞壩的下切侵蝕尚不明顯，堰塞壩高度也沒有顯著改變，故潰決流量接近上游來(lái)流量后增長(zhǎng)相對(duì)變緩；第二階段從潰決進(jìn)程達(dá)到10%開始到潰決進(jìn)程發(fā)展到60%左右結(jié)束，為峰值流量出現(xiàn)階段，隨著潰決流量的增加，壩頂及背水坡以上水位逐漸增高，水流侵蝕能力也逐漸增強(qiáng)，潰決流量在潰決進(jìn)程發(fā)展到30%～40%左右達(dá)到峰值流量，隨后由于壩前水位的降低而開始緩慢減??；第三階段為潰決流量趨于穩(wěn)定階段，從潰決進(jìn)程達(dá)到60%后直至潰決過程結(jié)束，在此階段，隨著壩前水位的降低，上游集水區(qū)的下泄流量迅速減小，故潰決流量也開始迅速減小，最終與上游來(lái)流量保持一致，堰塞壩潰決過程結(jié)束。

3.2 上游來(lái)流量對(duì)潰決流量的影響

不同上游來(lái)流量下的潰決流量的發(fā)展過程曲線如圖4 所示，從圖4 中可以看出：不同上游來(lái)流量下的潰決流量發(fā)展趨勢(shì)基本一致；隨著上游來(lái)流量的增大，潰決流量發(fā)展曲線的波動(dòng)程度顯著增大，峰值流量逐漸增大；圖中不同上游來(lái)流量下的潰決流量發(fā)展過程曲線經(jīng)歷的時(shí)間隨著上游來(lái)流量的增大而逐漸縮短，由此可見上游來(lái)流量越大，堰塞壩潰決歷時(shí)越短；同時(shí)，隨著上游來(lái)流量的增大，發(fā)展過程曲線的峰值點(diǎn)也逐漸提前，可見，潰決流量的峰現(xiàn)時(shí)間隨著上游來(lái)流量的增大會(huì)有所提前，即上游來(lái)流量越大，峰現(xiàn)時(shí)間越早。

圖4 不同上游來(lái)流量時(shí)的潰決流量發(fā)展過程曲線

3.3 上游來(lái)流量對(duì)潰口的影響

為了分析上游流量對(duì)潰口的影響，選取了上游來(lái)流量分別為0.6L/s、2L/s 和6L/s 的三組分別代表低、中、高三種上游來(lái)流量的工況下的試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比觀察，如圖5。

從圖5（a）中可以看出，上游來(lái)流量增大，堰塞壩發(fā)生漫頂時(shí)的溢流面積也隨之增大，圖5（b）中則顯示，上游來(lái)流量增大，侵蝕作用結(jié)束后的壩體殘余體積將隨之減小。這是由于水流侵蝕作用范圍隨溢流面積的增大而有所擴(kuò)大，故當(dāng)上游來(lái)流量較小時(shí)，水流的侵蝕作用將主要集中在壩體中較為薄弱的一部分，潰口也就更容易集中在這一區(qū)域發(fā)展，潰口范圍較小，壩體殘余體積較大；而上游來(lái)流量大時(shí)水流則會(huì)對(duì)壩體進(jìn)行整體沖刷侵蝕，潰口的范圍也會(huì)隨之?dāng)U大，故壩體殘余體積也就隨之減小。

圖5 堰塞壩不同潰決階段的潰口形態(tài)

4 結(jié)論

為探究上游來(lái)流量對(duì)堰塞壩潰決過程的影響，進(jìn)行了一系列水槽試驗(yàn)，得到的結(jié)論如下：

（1）不同上游來(lái)流量下的堰塞壩潰決流量發(fā)展過程基本相同，均可分為三個(gè)階段，峰值流量均在第二個(gè)階段出現(xiàn)，且潰決流量都在第三階段下降至與上游來(lái)流量保持一致。

（2）潰決歷時(shí)會(huì)隨上游來(lái)流量的增大而縮短；潰決流量的峰現(xiàn)時(shí)間會(huì)隨著上游來(lái)流量的增大而提前；峰值流量隨上游來(lái)流量的增大而增大。

（3）上游來(lái)流量越小，水流對(duì)壩體的侵蝕作用越容易集中在某一范圍內(nèi)，潰口越小，堰塞壩潰決過程結(jié)束后的殘余壩體體積越大，上游來(lái)流量越大，則結(jié)果反之。