張宏剛　張園園　方有令

摘要：為了研究不同渾濁度潰壩流體流動特性，用4種質量濃度的黏土混合液模擬不同的水體渾濁度，通過自行研制的水庫潰壩流體流動特性模擬試驗裝置研究了不同渾濁度流體的流動特性。試驗結果表明：① 潰壩流體的淹沒高程隨渾濁度的增加而增大，4種渾濁度（10%，20%，30%，40%）的流體到達下游2 m處3 s后產生的淹沒高程分別為6.5，7.7，9.0，10.5 cm;② 沖擊力隨流體渾濁度的增加而減小，Ⅰ級（10%）、Ⅱ級（20%）、Ⅲ級（30%）、Ⅳ級（40%）渾濁度流體在距壩趾4 m處產生的沖擊力峰值分別為4.1，1.6，0.6，0.5 kPa，同時沖擊力在潰壩后4 s（相當于現(xiàn)場80 s）內即可達到峰值;③ 流體的流速隨渾濁度的增加而減少，且流體在1 s（相當于現(xiàn)場20 s）內即可達到速度峰值。

關鍵詞：潰壩流體; 沖擊力; 流動特性; 渾濁度; 模型試驗

中圖法分類號： TV133

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.033

0引 言

水庫雖給人類社會帶來了巨大的經濟效益，但同時也是一座具有高勢能的人造泥石流危險源，若水庫在諸多外界因素影響下發(fā)生潰壩，會嚴重危及下游居民的生命財產安全，且造成的損失是無法估計的，如法國的Malpassset拱壩事故、意大利的Vajont拱壩事故、中國的石漫灘水庫事故以及美國的Teton大壩事故，均給下游造成了災難性的后果[1]。因此急需對其進行深入研究，以完善防災減災工程。通過資料搜集與研讀，筆者發(fā)現(xiàn)學者們對水庫壩體已進行了諸多研究[2-5]，且獲得了卓有成效的研究成果，但大多未考慮到壩體潰壩后流體往下游傾泄的時空演化過程。

為此，劉慧[6]、楊忠勇[7]、徐江[8]、陳宇豪[9]等采用相似模型試驗、數(shù)值模擬等方法對水庫潰壩后潰壩流體的動態(tài)演進過程進行了研究，闡

述了潰壩洪水在下游的發(fā)展規(guī)律。同時趙海鑫[10]、曾超[11]、于獻彬[12]等研究了水庫潰壩后流體在流動過程中對下游物體的沖擊力，發(fā)現(xiàn)流體的沖擊力隨流體容重、溝谷坡度的增加而增大，并提出了諸多防護措施。

然而，在庫水渾濁度對潰壩流體流動特性影響方面的研究還相對較少。而實際情況中不同的水庫大壩其渾濁度是截然不同的，潰壩后流體對下游的影響程度也就不同。鑒于此，本文通過自行研制的水庫潰壩試驗裝置，進行了不同渾濁度下的潰壩試驗，探析了渾濁度對水庫潰壩流體流動特性的影響，分析了流體在下游的淹沒高程、流速及沖擊力，為庫區(qū)下游的防災減災工作提供參考。

1試驗設備及方法

1.1試驗設備

試驗裝置為根據秧田箐尾礦庫的幾何尺寸，以1∶400的比例自行研制的水庫潰壩模型試驗臺，整個試驗臺包括庫區(qū)、黏土混合液攪拌系統(tǒng)、潰壩閘門、下游沖溝、下游沖擊力測量裝置、流態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、坡度調節(jié)裝置、彎度調節(jié)裝置等組成部分。此裝置可實現(xiàn)一定的坡度變化及彎度變化。沖擊力測量裝置由壓力傳感器、傳感器支撐板（模擬下游建筑物）、動態(tài)應變儀及電腦組成，具體操作步驟是：將傳感器支撐板固定于下游沖溝底面，傳感器安設于支撐板上，潰壩流體在流動過程中對支撐板的沖擊力作用在傳感器上，通過動態(tài)應變儀及電腦記錄支撐板所受沖擊力的變化情況。為便于清晰地分析流體在下游沖溝的流態(tài)演進過程，整個試驗裝置除支架及沖溝支撐底板外全部采用全透明鋼化玻璃制作。其中庫區(qū)的幾何尺寸為200 cm×60 cm×50 cm（長×寬×高），下游沖溝的幾何尺寸為650 cm×30 cm×30 cm（長×寬×高）。整個水庫潰壩流體模型試驗裝置全貌如圖1所示。

1.2試驗目的

通過水庫潰壩模型試驗臺對水庫瞬間全潰后不同渾濁度流體的流態(tài)演進過程，及流體運動過程中應力場和流場分布規(guī)律進行模型試驗研究，全面分析潰壩災害的影響范圍和程度（淹沒高程及流速），為下游的防災減災工程等一系列安全問題提供可靠、堅實的理論基礎。同時設計單位可根據潰壩試驗數(shù)據決定是否在壩體下游建立攔擋壩、導流槽，以減輕潰壩流體對下游重要建筑物的沖擊力度，達到防災減災的目的。

1.3試驗材料及方法

試驗材料來源于重慶某土質邊坡，采用專業(yè)的激光顆粒分析儀對黏土顆粒進行粒徑分析測試，獲得試驗土的顆粒粒徑分布情況如圖2所示。然后通過室內土工實驗（滲透實驗、壓縮實驗以及三軸剪切實驗）對6組黏土試樣開展力學性能測試，以獲得如表1所列的部分性能指標。

以10%，20%，30%，40%四種質量濃度的黏土混合液分別模擬Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級渾濁度的流體。以2%的坡比作為下游沖溝的坡度，并對其進行水泥拉毛處理，以模擬實際現(xiàn)場下游沖溝的粗糙度（用粗糙度檢測儀測定出沖溝的粗糙度為0.012 μm）。接著在不同的研究斷面（距壩趾2，4，6 m）安置傳感器及量尺，其中傳感器與動態(tài)應變儀及電腦連接，以此來測量研究斷面的淹沒高程、沖擊力及流速（采用位移示蹤點法）的變化情況。試驗前對所有測量裝置進行調試（包括動態(tài)應變儀數(shù)據歸零、攝像機角度調整等），然后通過攪拌系統(tǒng)配制不同渾濁度漿體，并通過輸送管道將漿體輸送至水庫庫區(qū)。最后待庫區(qū)內漿體靜止后迅速將潰口閘門提升以模擬水庫瞬間全潰。為減小試驗誤差，每種渾濁度的流體潰壩試驗均進行3次，文中的試驗數(shù)據為3次試驗的算術平均值;同時結合文獻[13]的建議比尺（淹沒高程、沖擊力、時間的比尺分別為1∶400，1∶557.3，1∶20）放大試驗數(shù)據以了解現(xiàn)場的影響程度。

2結果與分析

2.1流態(tài)特性

圖3為不同渾濁度的庫區(qū)漿體在潰壩后到達下游2 m（距壩趾2 m）后3 s時的淹沒高程。從圖3可以看出：水體渾濁度為Ⅰ級時，潰壩流體到達下游2 m后3 s時的淹沒高程為6.5 cm（相當于現(xiàn)場26 m）;而當水體渾濁度為Ⅱ級時，淹沒高程增加為7.7 cm（相當于現(xiàn)場30.8 m）;最后當水體渾濁度增加到Ⅳ級后，潰壩流體到達下游2 m后3 s時的淹沒高程增至10.5 cm（相當于現(xiàn)場42 m）。這說明水體渾濁度對流體在下游產生的淹沒高程具有顯著影響，表現(xiàn)為流體在下游產生的淹沒高程隨水體渾濁度的增加而增大。

同時，以下游沖溝2 m（與壩趾的距離）處為研究斷面，記錄不同時刻流體在該斷面的淹沒高程，獲得不同渾濁度流體在下游沖溝2m處的動態(tài)演化規(guī)律，如圖4所示（以I級渾濁度流體到達參考點的時間為坐標原點）。從圖4中可以得知：每條曲線的起始時刻不同，說明水壩潰壩后，不同渾濁度的流體到達下游沖溝2m處所需要的時間存在一定的差異。Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級流體相比Ⅰ級渾濁度流體到達研究斷面所耗時間分別增加了0.3，0.6，1.0 s，說明流體到達研究斷面的耗費時間隨渾濁度的增加而增加，即下游居民有更多的時間用于撤離。但并不意味著流體渾濁度越高越有利于居民撤離，因為渾濁度帶來的淹沒高程、沖擊力變化是不可忽視的。

從圖4還可知，流體在各斷面處產生的淹沒高程隨渾濁度的增加而增長，產生這一現(xiàn)象的原因是流體的黏度隨流體渾濁度或濃度的增大而增大，同時黏度越大的流體與接觸面之間的摩擦力越大[14]，從而使流體在接觸面（研究斷面）上的滯留時間增加，即流體不能快速流出研究斷面，從而使動能逐漸轉化為勢能，并以淹沒高程增加的形式呈現(xiàn)出來[15]。分析淹沒高程隨時間的變化曲線可知，從潰壩開始，流體在較短時間內即可到達最大淹沒高程，隨后流體的淹沒高程先后經歷快速下降和緩慢下降兩個階段，此結論與文獻[15-16]研究成果相吻合。

2.2沖擊力特性

通過沖擊力測量裝置獲得了潰壩流體沖擊力隨時間變化的曲線，如圖5所示，從上至下依次為距壩址2，4，6 m。從圖5中可以看出：流體在下游產生的沖擊力隨流體渾濁度的增加而減小;如Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級渾濁度流體在距壩趾4 m處產生的沖擊力峰值分別為4.1，1.6，0.6，0.5 kPa（相當于現(xiàn)場2.28 MPa、0.89 MPa、0.33 MPa、0.28 MPa）。這是因為渾濁度越大，流體的黏度增大，致使流體內各分子間的相互作用力增強，流體與接觸面之間的摩擦力增大，從而降低流體的流速。又由于流體的流速與沖擊力呈正相關關系[17]，因此流體的沖擊隨渾濁度的增加而減小。而且流體內顆粒的大小會對沖擊力產生影響，而渾濁度也在一定程度上反映了流體內的顆粒大小，因此再次說明了渾濁度與流體的沖擊力大小存在不可忽視的關系。從圖5中還可得知：距壩趾越遠，流體的沖擊力越小，這是因為流體在流動過程中由于其與溝槽的相互作用使其一直在經歷能量的耗散過程，同時動能也部分轉化成了勢能，因此流體的沖擊力隨著距離的增加而逐漸減小，直至流體停止流動。從圖5中可知潰壩流體到達研究斷面后在4 s內即可達到沖擊力的峰值。

2.3流 速

通過位移示蹤點法（通過流體在研究斷面的流動時間及路程求其流速）測得不同斷面處的流速，如圖6所示，從上至下依次為距壩趾2，4，6 m處。需要補充說明的是，由于技術方面的因素，本次試驗測試的是不同時間段的平均流速。從圖6中可以看出：流體的流速隨流體渾濁度的增加而減小，如Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級渾濁度流體在距壩趾2 m處的峰值流速分別為3.20，2.85，2.53，2.45 m/s。這是因為渾濁度越高，流體的黏度越大，而黏度體現(xiàn)了流體內各物質之間的摩擦力，黏度越大則摩擦力越大，從而使流體與溝槽之間的摩擦力增大，繼而減小流體的流速。同時還可分析出流體在1 s（相當于現(xiàn)場20 s）內即可達到速度最大值，可見當水庫潰壩時，下游一定范圍內的居民完全來不及撤離，故做好水庫大壩的監(jiān)測預警工作是做好防災減災工作的必備環(huán)節(jié)。

3討 論

通過試驗研究可以看出，渾濁度越大，流體在下游產生的淹沒高程（溝谷兩測）越大，對下游建筑物的沖擊力越小。水庫潰壩時流體所具有的總能量源于庫水的總重力勢能，潰壩后，流體的重力勢能逐漸轉化為動能，繼而沿沖溝往下游發(fā)展。而渾濁度的變化影響著流體內物質之間的吸附力大小，隨著渾濁度降低，流體的黏度逐漸減小，使流體內各物質較為松散，而非大量聚集在一起，這樣就會減少物質之間的相互作用力，流體在流動過程中受到流體內物質向后的拉扯力相應較小，最后以流體在溝谷中流動速度相對較快的形式表現(xiàn)出來。而速度越快，潰壩后流體總勢能轉化為動能的速度越快，在有限的空間范圍內，保留的勢能也就越小，繼而在下游產生的淹沒高程越小。同時根據文獻[17]可知，流沙沖擊力與速度的平方呈正比，因此潰壩后流體對下游物體產生的沖擊力因庫水渾濁度的降低而增大，可見渾濁度是表征潰壩災害程度的一個重要因素，且對潰壩災害程度的影響是一個復雜的過程，只有綜合分析流體在下游產生的淹沒高程及對下游物體沖擊力的大小，才能較好地衡量災害程度的大小。而且不同地區(qū)的水庫，其庫水渾濁度參差不齊，如黃河、金沙江地帶庫水比較渾濁、長江地帶庫水比較清澈，故分析渾濁度對潰壩流體在下游流態(tài)演進過程的影響，即是分析了不同地區(qū)水庫潰壩流體的流態(tài)演進規(guī)律。這對分類處理水庫大壩潰壩事故及庫區(qū)災害評估具有重要意義。

4結 論

本文利用自行研制的水庫潰壩流體流動特性模擬試驗裝置，通過不同質量濃度的黏土混合液改變庫水的渾濁度，開展了多組潰壩試驗，獲得了以下結論。

（1） 水壩潰壩后，流體在下游產生的淹沒高程隨流體渾濁度的增加而增大，且流體到達同一斷面的耗費時間也隨渾濁度的增加而增加。

（2） 潰壩后，流體在同一斷面所產生的沖擊力及流速均隨流體渾濁度的增加而減小，且距壩趾越遠，沖擊力及流速越小。

（3） 潰壩流體在下游產生的淹沒高程、沖擊力及流速的時間變化曲線均包括快速增長、快速下降以及緩慢下降3個階段，最后直至流體停止流動。

（4） 潰壩流體到達研究斷面后4 s內即可達到峰值沖擊力，而在研究斷面經歷1 s（相當于現(xiàn)場20 s）后即可達到峰值流速。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：In order to study the flow characteristics ofdam-breaching fluid with different turbidity，four mass concentrations of clay mixtures were used to simulate different water turbidity through self-developed simulation test device.The test results showed that：① The submerged elevation of the fluid after dambreach increased with the increasing of turbidity，and the submerged elevations of the four kinds of turbidity（10%，20%，30%，40%）respectively were 6.5，7.7，9.0cm and10.5 cm after reaching the downstream 2 m for 3 s.② The impact force decreased with the increasing of fluid turbidity，and the peak values of impact force generated byturbidity fluids of grade I（10%），grade II（10%），grade III（10%）and grade IV（10%）at 4 m from the dam toe were 4.1，1.6，0.6 kPa and 0.5 kPa，respectively.At the same time，the impact force can reach the peak value within 4 s（equivalent to 80 s on site）after dam failure.③ The velocity of fluid decreased with the increasing of turbidity，and the fluid can reach the peak velocity within 1s（ equivalent to 20 s on site）.

Key words：dam-breaching fluid;impact force;flow characteristic;turbidity;physical model test