吳然然，孫浩淼，陳情情，戎貴文

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232000)

1 引言

近幾十年來，為進(jìn)一步開發(fā)水能資源和提高防洪水平，在世界范圍內(nèi)建造了許多梯級水庫，其所發(fā)揮的經(jīng)濟(jì)效益日漸顯著。在考慮水庫經(jīng)濟(jì)效益的同時，梯級水庫大壩安全風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。在我國所有類型的水庫大壩中，土石壩為數(shù)量最多的壩型，土石壩在供水、灌溉、水力發(fā)電和航運(yùn)等方面發(fā)揮著重要的作用[1]。但許多土石壩服役時間較長，存在一定的安全隱患，尤其是惡劣環(huán)境下土石壩安全運(yùn)行保障面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。歷史上發(fā)生過多起壩體潰決事故，自1954年有較系統(tǒng)潰壩記錄以來，到2014年的61年間共發(fā)生水庫潰壩3529座，年均57.9座[2]。水庫大壩一旦潰決將造成嚴(yán)重的社會影響和環(huán)境影響。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，土石壩潰決的原因有漫頂、管涌、滑坡和壩下埋管漏水等[2,3]。管涌滲透和漫頂破壞是土石壩潰決的兩種主要方式。在參數(shù)分析、數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究漫頂破壞模式對土石壩潰決有了更好的認(rèn)識[4]。但現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在單水庫大壩壩體潰決問題上，而探討梯級水庫條件下土石壩漫頂潰決的研究成果較少[5～12]。因此，研究梯級水庫土石壩漫頂潰決對發(fā)展和完善土石壩潰決機(jī)理具有重要意義。

2 物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h2>

2.1 室外模型簡介

物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蓛勺畮?、四座模型壩和渠道組成，為了更好地模擬天然河道的形態(tài)，人工開挖渠道的深度和寬度均沿程變化。兩座梯級水庫分別是由長為3.8 m、寬為3.4 m、深為0.5 m的矩形水庫和直徑為1.8 m、深度為0.7 m的圓形水庫共同組成。渠道由長直平坡渠段、彎曲正坡渠段和長直正坡渠段三部分組成，總長為23.9 m。

矩形水庫位于河道上游，圓形水庫位于河道彎曲段。從渠道上游至下游依次堆砌4座土石壩模型。模型壩1位于矩形水庫出口處，模型壩2位于圓形水庫出口處，模型壩3設(shè)置于圓形水庫下游長直平坡渠段內(nèi)，模型壩4設(shè)置于彎曲正坡渠段末端。

模型壩筑壩用土的最大粒徑為5.85 mm，中值粒徑為2.65 mm，不均勻系數(shù)Cu=6.8，曲率系數(shù)Cc=1.62。Cu大于5，Cc介于1～3之間，表明試驗(yàn)用土級配良好且連續(xù)。

2.2 模型壩建立過程

根據(jù)模型試驗(yàn)需要，取大量土樣進(jìn)行晾曬，實(shí)時測量其含水率，當(dāng)其含水率達(dá)到最佳區(qū)間時，用碎土機(jī)對所取土樣進(jìn)行破碎，根據(jù)破碎程度不同對土樣進(jìn)行粒徑篩選，篩選留下來的土樣用來填筑模型壩體。筑壩時，首先將兩塊長形木板固定在渠道間，然后根據(jù)不同粒徑的土樣分層填筑，最后根據(jù)模型壩的斷面設(shè)計(jì)尺寸對模型壩進(jìn)行削坡，使得尺寸與設(shè)計(jì)尺寸相一致。為確保壩體和壩坡的穩(wěn)定性，需要對削坡結(jié)束后的壩體進(jìn)行反復(fù)壓實(shí)，壩體穩(wěn)定之后，撤去兩塊長方形木板。各模型壩的斷面設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 模型壩的斷面設(shè)計(jì)參數(shù) m

2.3 坡面網(wǎng)格和潰口參數(shù)

在4個模型壩上均預(yù)留一定尺寸的潰口，具體尺寸見表2。為了便于用視頻記錄、捕捉試驗(yàn)過程，模型壩堆砌結(jié)束后，用生石灰在壩面繪制5 cm×5 cm方形網(wǎng)格。

表2 模型壩預(yù)設(shè)潰口參數(shù) m

2.4 試驗(yàn)設(shè)備及布設(shè)過程

室外物理試驗(yàn)過程中使用WR110型水壓力傳感器、WR7100型智能無紙記錄儀、WR2088LT型水位變送器、攝像機(jī)等儀器對模型壩漫頂潰決過程進(jìn)行記錄。

填筑模型壩的過程中，在模型壩1和模型壩2內(nèi)分別布設(shè)3個水壓力傳感器，模型壩3和模型壩4內(nèi)分別布設(shè)2個水壓力傳感器。在整個渠道中，每隔0.5 m布設(shè)1個水位變送器。在上游渠道、模型壩2下游、模型壩4下游的岸邊分別布設(shè)3部攝像機(jī)，拍攝追蹤和捕捉潰壩過程。

3 試驗(yàn)過程

室外物理模型試驗(yàn)分為兩種工況，即兩個水庫組成的梯級水庫土石壩漫頂潰決試驗(yàn)和單水庫土石壩漫頂潰決試驗(yàn)。

第一種工況下，上游矩形水庫中先蓄滿水，使得模型壩1發(fā)生漫頂潰決時產(chǎn)生的潰壩洪水流量讓模型壩2處于漫頂條件下發(fā)生潰決。由于梯級水庫洪水具有疊加效應(yīng)，模型壩3和模型壩4在大流量洪水漫頂沖刷之后發(fā)生潰決。

第二種工況下，僅上游圓形水庫中蓄滿水，允許水流流過模型壩2壩頂，上游產(chǎn)生洪水對模型壩3和模型壩4的壩體進(jìn)行漫頂沖刷，直至壩體完全坍塌。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)所獲數(shù)據(jù)和視頻資料，分析在兩種工況下潰口發(fā)展和壩體坍塌的規(guī)律。

4 結(jié)論

通過觀察比較分析兩種工況下的試驗(yàn)現(xiàn)象，可以得出以下3個方面的結(jié)論。

(1)模型壩1和模型壩2的潰口發(fā)展過程一致，均是潰口先受到水流沖刷，然后發(fā)生縱向下切，形成最終潰決發(fā)生的潰口，直至潰決結(jié)束。

(2)水庫數(shù)量對漫頂洪水的初始水流條件和漫頂破壞的連續(xù)過程有顯著影響。

(3)梯級水庫系統(tǒng)中洪水具有疊加效應(yīng)，水庫數(shù)量的增加往往會顯著加快早期的潰口發(fā)展過程。