楊犇， 繆海波， 楊震， 沈藝璇

(安徽理工大學土木建筑學院， 淮南 232001)

堰塞壩是斜坡失穩(wěn)體堵塞河道所形成的天然壩體[1]，主要由降雨、地震等誘發(fā)生成[2]，滑坡堰塞壩普遍發(fā)生在世界各地[3]，尤其常見于中國西南地區(qū)[4]，大部分堰塞壩存在水流漫頂潰決的危險[5]。堰塞壩不僅會給上游造成淹沒災害，而且存在潰決的風險，堰塞壩一旦潰決破壞，潰決后產(chǎn)生的洪水會對下游人民的生命財產(chǎn)造成嚴重威脅。例如，1786年6月四川瀘定摩崗嶺滑坡堰塞壩潰決，潰決洪水造成近10萬人死亡[6]。因此，對滑坡堰塞壩潰決過程的研究，有利于深化對滑坡災害鏈的進一步認識，對評估滑坡風險具有一定的參考價值。

鑒于堰塞壩潰決后果的嚴重性，國內(nèi)外許多學者針對滑坡堰塞壩災害開展了相關研究。朱興華等[7]綜述了目前堰塞壩的研究集中在潰壩模式、潰壩模型、潰壩過程、潰壩機理及潰壩洪水等。水槽模型試驗主要研究滑坡堰塞壩潰決機理，這方面研究成果相對豐富。王道正等[8]通過水槽試驗研究壩體顆粒級配對堰塞壩潰決特征的影響，并把潰決過程分為3個階段。石振明等[9]通過水槽模型試驗，分析了均質(zhì)、非均質(zhì)結(jié)構對壩體潰決的影響。黃衛(wèi)等[10]通過大尺度室內(nèi)水槽試驗研究了堰塞壩在不同背水面坡度下的潰決過程，發(fā)現(xiàn)背水坡坡度越大，潰決總歷時越短且潰口擴大越明顯。Takayama等[11]在不同上游壩高、下游壩高和初始下游水庫蓄水量條件下，對兩座滑坡壩的連鎖破壞進行了水槽試驗研究。Gordon等[12]通過水槽試驗研究了滑坡壩的破壞過程，將其劃分為3個階段，并提出了一種新的縱向演化模型。Itoh等[13]通過剛性河床上的水力模型試驗，討論了水流、細泥沙、河床荷載和大漂礫的擴散情況。Nian等[14]認為滑坡壩的形成條件與滑坡流量與水流量的比值有關，提出了一種無量綱的河流阻塞判據(jù)來判斷滑坡壩的形成，并在此基礎上提出河道堵塞時間長度的預測模型，最后通過29個實驗結(jié)果進行了驗證。Meng等[15]研究了滑坡內(nèi)部結(jié)構對堰塞壩潰決的影響，以兩種不同顆粒級配的土體為材料，得出壩體內(nèi)部的滲流飽和過程降低了滑坡壩的穩(wěn)定性，從而影響滑坡壩啟動后破壞過程的演變。前人大都從堰塞壩的侵蝕、潰決兩者中分析其中的一種演變過程及其特征，現(xiàn)考慮堰塞壩的正面破壞潰決過程以及縱向侵蝕過程。

上述研究主要集中于顆粒級配、壩體結(jié)構、上下游壩高、上游壅水流量以及初始含水量等因素對堰塞壩潰決的影響[16-18]，而對水位上升條件下，不同物質(zhì)組成對堰塞壩潰決過程影響的研究相對較少。為此，現(xiàn)針對不同干密度、細顆粒含量開展人工堰塞壩的水槽模型試驗。研究水位上升觸發(fā)堰塞壩潰決過程的影響因素，以及堰塞壩的潰決破壞特征。研究成果將加深對堰塞壩潰決災害的認識和理解，對滑坡堰塞壩災害的發(fā)生機制解析具有一定的參考意義。

1 試驗材料

試驗材料采用鳳陽縣勝利石英砂有限公司的砂土，主要礦物成分為石英。共設置了8 組試驗，S1～S5為5組細顆粒含量相同，但干密度不同的試驗材料；S6～S8為3組干密度相同，但細顆粒含量不同的試驗材料。各組試驗土樣的物性指標參數(shù)如表1所示，顆粒級配參數(shù)如圖1所示。

表1 土樣物性指標參數(shù)

圖1 土樣顆粒級配曲線Fig.1 Particle grading curve of soil sample

2 模型試驗裝置及試驗程序

2.1 水槽模型試驗裝置

試驗裝置如圖2所示,供水裝置保證恒定的入庫流量流入長200 cm，寬40 cm，高40 cm的模型槽，模型槽坡度設為10°，其兩側(cè)為透明亞克力板，便于觀察記錄試驗過程中浸潤線和侵蝕線發(fā)展情況；模型槽底部亞克力板上鋪有硬砂紙，以增大壩體與底部接觸面的摩擦系數(shù)，避免壩體失穩(wěn)。選取了4個典型滑坡堰塞壩作為參考依據(jù)，分別從上下游坡比、壩頂長寬比、壩頂長高比等方面統(tǒng)計了壩體尺寸[19-22]，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 滑坡堰塞壩尺寸統(tǒng)計

由表2可知，4個滑坡堰塞壩的上游坡比范圍為1∶2.5～1∶1，下游坡比范圍為1∶4～1∶1.6，壩頂長寬比范圍為1.25～3.378，壩頂長高比范圍為1～6.25，模型試驗設置的入庫流量范圍為0.001 17～1.5 L/s。根據(jù)所統(tǒng)計的堰塞壩尺寸范圍和試驗室水槽的實際尺寸，試驗中的堰塞壩尺寸設定為：上游、下坡比均為 1∶1.75，壩頂長寬比為2.67，壩頂長高比為2，流量Q設為0.127 L/s。在離模型槽上部10 cm 處堆積堰塞壩(圖2)，堰塞壩組成為粒徑小于2 mm 的砂土。試驗全過程由放置在模型槽側(cè)面、下游壩面的2個攝像頭記錄。

圖2 水槽模型試驗裝置圖Fig.2 Water tank model test device

2.2 試驗程序

為了對比不同物質(zhì)組成下的堰塞壩潰決過程，主要從干密度、細顆粒含量兩個方面考慮，一共設置了8組試驗。以試驗S1～S5為例，試驗程序如下。

(1)試驗開始前，根據(jù)設定的堰塞壩尺寸，在水槽側(cè)壁玻璃上繪制壩體輪廓，調(diào)試供水裝置，直至獲得試驗所需要的穩(wěn)定流量，并架設攝像機。

(2)按照設定的顆粒級配進行篩樣，然后稱取各個組分的土體，以10%的初始含水率配置試樣并進行充分拌勻后進行堆壩。

(3)堆壩過程采用分層堆積，每層5 cm，分4層堆好，并按照設定堰塞壩的尺寸，進行堆壩。在堆壩過程中，由于每層壩體的體積一定，不同干密度的土體，其試驗所需的質(zhì)量不一樣，在堆壩前計算好每組試驗所需的土體質(zhì)量。故稱取不同質(zhì)量的土體，來獲取試驗所需要的不同干密度。為得到密實度均勻的壩體，每次分層堆壩時均壓實土體，每次壓實次數(shù)一致。

(4)堆壩完成后，將模型槽抬升至10°，供水裝置以恒定的流量 0.127 L/s 開始注水，實時觀察壩體的破壞情況。利用一個攝像頭，對下游壩體潰決過程的破壞形態(tài)進行錄制。通過另一個攝像頭拍攝模型槽側(cè)壁，記錄壩體浸潤線發(fā)展過程和潰決過程中壩體側(cè)面的破壞形態(tài)。然后分析錄像視頻，截取不同關鍵時刻的圖片，并繪制出不同材料壩體的浸潤線發(fā)展過程以及水流侵蝕過程線。

試驗S6～S8試驗程序與S1～S5一致，值得注意的是試驗S6～S8干密度一樣，所以堆壩時稱取的土體總質(zhì)量一樣，制樣和取樣時嚴格控制試驗S6～S8細顆粒的質(zhì)量，以便精確獲取試驗所需的不同細顆粒含量。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 干密度對堰塞壩潰決的影響

3.1.1 浸潤線發(fā)展過程

在其他條件相同情況下，堰塞壩不同干密度下浸潤線發(fā)展過程如圖3所示。

圖3 不同干密度下的浸潤線發(fā)展過程Fig.3 Development process of phreatic line under different dry density

由圖3可知：在其他條件相同情況下，砂土滲透系數(shù)與干密度呈現(xiàn)負相關關系并且在一定范圍內(nèi)呈線性關系，即土體干密度越大其滲透系數(shù)越小。干密度較小的兩組 (S1 和S2)，隨著干密度增加，浸潤線下邊發(fā)展速率減小，同樣，干密度較大的3組(S3、S4 和 S5)，隨著干密度增加，浸潤線下邊發(fā)展速率減小，說明水在砂土堰塞壩內(nèi)部滲透速率隨著干密度的增大而減小，且水位上升速率隨著干密度的增大而增大。這與滲透系數(shù)隨著砂土干密度增大而減小的規(guī)律相吻合。

3.1.2 侵蝕過程

從水流漫頂開始計時，記錄壩體在潰決過程中的側(cè)向輪廓形態(tài)，可得壩體不同潰決時刻的縱向侵蝕線如圖4所示。

圖4 不同干密度下的侵蝕過程線Fig.4 Erosion process line under different dry densities

由圖4可知：不同干密度下的侵蝕過程線存在共性但也有一定的區(qū)別。由于S5破壞發(fā)生在壩體中部，側(cè)面無明顯現(xiàn)象，不分析S5的侵蝕過程，僅從正面的潰決破壞進行分析。侵蝕過程可以分為3個階段[22]。

(1)侵蝕第一階段(S1～S4：10 s以前)，侵蝕主要集中在壩體下游坡面以及坡腳的位置，屬于潰口貫通階段，此時整體侵蝕速率低，下游坡面流過的水流主要為細顆粒組成的泥沙懸濁液。

(2)侵蝕第二階段(S1、S2：10～25 s；S3、S4：10～40 s)，侵蝕加速階段，該階段隨著壩頂被侵蝕，上游庫區(qū)水流迅速下泄，水流流速激增，侵蝕能力強，對下游壩體侵蝕加劇，隨著時間推移潰口不斷向上游發(fā)展，下游壩面由于被水流侵蝕而凹陷形成陡坎。

(3)侵蝕第三階段(S1、S2: 25 s以后；S4、S5: 40 s之后)，減速侵蝕階段，此時上游庫水位低，水勢小，水流流量小，侵蝕能力減弱，壩體高度緩慢減小，壩體剩余物質(zhì)量少。

由上述3個階段可以看出，對于干密度較小的兩組其侵蝕速度明顯大于干密度較大的兩組，在侵蝕的第一和第三階段比較明顯，并且在侵蝕第三階段干密度較大的兩組其侵蝕發(fā)展過程十分緩慢，隨著時間推移堰塞壩的高度和厚度在緩慢減小，這也使得其潰決達到穩(wěn)定時的時間明顯大于干密度較小的兩組。并且干密度較小的兩組(S1、S2)堰塞壩的潰決持續(xù)時間遠小于干密度較大的兩組(S3、S4)。這是因為干密度較大，壩體抗侵蝕能力強，不易受到水流沖刷，使得干密度較大的壩體侵蝕速度慢，潰決達到穩(wěn)定時的時間更長。

3.1.3 潰決破壞過程

圖5給出了5種試驗條件下壩體在不同潰決時刻的正面破壞形態(tài)及潰口頂寬形態(tài)。

圖5 不同干密度下壩體潰決過程Fig.5 Dam collapse process under different dry densities

由圖5可知：當水流漫壩后，水流沖刷下游壩面，從而形成沖溝，沖溝向上游不斷發(fā)展，從而形成潰口，此時水流流量小，流速低。隨著水流不斷沖蝕沖溝，沖溝深度變大，水流流量增大，潰口兩側(cè)的土體會發(fā)生不同程度的崩落、坍塌，潰口寬度增大。干密度較小的3組壩體材料(S1～S3),壩體整體有沉降，并且干密度較小的3組壩體呈現(xiàn)從下游到上游的后退型破壞，破壞比較明顯。而對于干密度較大的壩體(S4、S5)基本上無沉降，只是局部有土體坍塌。

壩體干密度不同，在流量恒定的情況下，水流對壩體的侵蝕作用有很大差異。干密度越大，水流侵蝕越慢，潰口發(fā)展越慢。干密度增加能夠限制水的入滲，從而延緩水對壩體的破壞，因此，干密度大的壩體水流侵蝕越慢，壩體抗沖性變強，從而潰口發(fā)展也越慢。S1干密度小，潰決速度比較快，壩體潰口發(fā)展迅速，由于水流的沖蝕作用，潰口兩側(cè)的土體很快發(fā)生坍塌破壞，潰決流量增加，大部分壩體被沖走，隨著水流量減少，壩體潰決破壞過程很快結(jié)束，達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。從水流漫頂開始計時到壩體潰決達到穩(wěn)定所用時間定義為潰決歷時，隨著干密度增加，壩體潰決歷時增加。

圖6 不同干密度下堰塞壩潰口頂寬發(fā)展過程曲線Fig.6 Development process curve of top width of dam break under different dry densities

從壩體水流漫頂開始計時，得到堰塞壩在不同干密度下潰口頂寬發(fā)展過程曲線，如圖6所示。前期潰口的形成主要以水流沖刷為主，形成小沖溝，然后壩腳土體率先滑動，產(chǎn)生潰口，在水流沖刷作用下潰口不斷發(fā)展。由圖6可知，S1條件下潰口頂寬發(fā)展速度最快，S5潰口發(fā)展速度最慢。并且潰決達到穩(wěn)定時，S1潰口頂寬最大，S5潰口頂寬最小。S1潰口寬度大約為S5潰口寬度的兩倍。這是因為，干密度小的抗?jié)B透破壞能力差，容易被水流侵蝕，其潰口就更容易發(fā)展，并且對于同一種土，干密度小的土體，抗剪強度較弱，土顆粒間的摩擦效應小，沖溝形成后產(chǎn)生的潰口發(fā)展越明顯，潰口兩側(cè)壩體易坍塌，導致潰口寬度更大。所以S1干密度最小，其潰口發(fā)展速度也最快，所形成的潰口寬度最大。

3.2 細顆粒含量對砂土堰塞壩潰決的影響

3.2.1 浸潤線發(fā)展過程

在其他條件相同情況下，不同細顆粒含量下砂土堰塞壩浸潤線發(fā)展過程如圖7所示。

圖7 不同細顆粒含量下的浸潤線發(fā)展過程Fig.7 Development process of phreatic line under different fine particle content

由圖7可知：在其他條件相同情況下，砂土滲透系數(shù)與細顆粒含量之間呈現(xiàn)負相關關系。細顆粒含量越大土體滲透系數(shù)越小。隨著細顆粒含量的增大，浸潤線下邊發(fā)展速率減小，說明水在砂土堰塞壩內(nèi)部的滲透速率隨著細顆粒含量的增大而減小，且水位上升速率隨著細顆粒含量的增大而增大。這與隨著細顆粒含量增大，砂土滲透系數(shù)減小的規(guī)律吻合。

3.2.2 侵蝕過程

從水流漫頂開始計時，記錄壩體在潰決過程中的側(cè)向輪廓形態(tài)，可得壩體不同潰決時刻的縱向侵蝕線如圖8所示。

圖8 不同細顆粒含量下的侵蝕過程線Fig.8 Erosion process line under different fine particle content

由圖8可知：不同細顆粒含量下的侵蝕過程線存在共性但也有一定的區(qū)別。這里需要指出由于S8破壞發(fā)生在壩體中部至左側(cè)，右側(cè)面無明顯現(xiàn)象，或許是由于壩體填筑過程中壓實的不均勻性所導致，所以不再分析S8的侵蝕過程，從正面的潰決破壞進行分析。共性在于：在潰決初期(S6：15 s之前；S7：35 s之前)，此階段壩體在水流侵蝕作用下，主要發(fā)生下切侵蝕，壩腳至壩肩位置出現(xiàn)坍塌滑移，然后發(fā)展至整個壩體下游坡，導致壩面不斷變陡。在潰決中期(S6：15～25 s；S7：35～50 s)，此階段壩體厚度和高度都在減小，并形成陡坎(“陡坎”是指壩體在潰決過程中形成的一個陡立的斜坡面)。區(qū)別在于：對于S6，水流漫頂10 s后壩面開始出現(xiàn)裂縫，壩體在水流沖刷作用下發(fā)生土體的坍塌。對于S7，在水流漫頂35 s后才開始出現(xiàn)第一條裂縫，在水流不斷沖刷作用下，發(fā)生土體的坍塌。對于S6細顆粒含量較小，在水流漫頂15 s之后，水流侵蝕引起壩體的高度和厚度的快速減小，直至最后壩體被完全侵蝕，右側(cè)壩體高度變?yōu)?，并且整個潰決過程所產(chǎn)生的裂縫也比較多。對于S7在水流漫頂35 s后，壩體的高度和厚度減小很慢，并且范圍很小，直至潰決穩(wěn)定，右側(cè)壩體也未被完全侵蝕，還保持一定的高程，并且高度減小不明顯，壩體厚度有一定范圍的減小，整個潰決過程所形成的裂縫較少。值得注意的是，在水流漫頂50 s后，壩體形成三條裂縫如圖8(S7，3條綠色線段)所示,最左側(cè)的那條裂縫在水流侵蝕作用下使土體產(chǎn)生坍塌，其他兩條裂縫基本沒有擴展，直至水流漫頂65 s時，水流漫頂50 s時形成的第二條裂縫不斷擴展，然后導致土體失穩(wěn)坍塌，而第三條裂縫基本沒有擴展。并且細顆粒含量較大的組(S7)潰決達到穩(wěn)定時的時間明顯大于細顆粒含量較小的組(S6)，這是因為細顆粒含量較大，壩體不易被水流沖刷，使得細顆粒含量較大的壩體侵蝕速度慢，潰決達到穩(wěn)定時的時間更長。

3.2.3 潰決破壞過程

圖9給出了3種試驗條件下壩體在不同潰決時刻的正面破壞形態(tài)及潰口頂寬形態(tài)。

圖9 不同細顆粒含量下壩體潰決過程Fig.9 Dam collapse process under different fine particle content

由圖9可知，水流漫頂后，首先對壩面進行沖刷，形成沖溝，沖溝不斷向上游發(fā)展，從而形成潰口，潰決初期潰口的形成主要以水流沖刷為主，之后潰口發(fā)展緩慢，但是由于沖溝侵蝕壩體，此時壩體主要受垂直向下切侵蝕(即下切侵蝕)，潰口發(fā)展不明顯。當下切侵蝕達到一定程度時，潰口頂寬增大，水流侵蝕潰口兩側(cè)土體(即側(cè)蝕)，潰口處壩體發(fā)生不同程度的坍塌，會形成陡坎，潰口發(fā)展速率隨之也出現(xiàn)增大，壩體不斷向水流源頭方向發(fā)展，發(fā)生溯源侵蝕。由潰決過程可以看出，3種試驗條件下的壩體潰決都以下切侵蝕為主，當下切侵蝕到一定程度時，潰口兩側(cè)土體受到侵蝕，潰口處發(fā)生土體坍塌，導致潰口不斷增大，直至最后壩體潰決達到穩(wěn)定。但由于細顆粒含量不同，潰決過程中坍塌程度不同，潰口寬度以及潰口發(fā)展速度也不同，最終潰決達到穩(wěn)定時的時間也不同。S8細顆粒含量較大，其坍塌現(xiàn)象比較明顯，并且坍塌持續(xù)時間較長，最終形成的潰口頂寬也越大。統(tǒng)計不同細顆粒含量下壩體的潰決歷時,隨著細顆粒含量增加，壩體潰決歷時也在增加，且S8下壩體潰決歷時是S6壩體潰決歷時的1.6倍左右。細顆粒含量越大，潰口兩側(cè)土體抗剪強度越小，水流更容易侵蝕潰口兩側(cè)的土體，從而潰口寬度更大。

從壩體水流漫頂開始計時，得到堰塞壩在不同細顆粒含量下潰口頂寬發(fā)展過程曲線，如圖10所示。由圖10可知：S8條件下潰口頂寬發(fā)展速度最快，S7次之，S6潰口發(fā)展速度最慢。并且潰決達到穩(wěn)定時，S8潰口頂寬最大，S7次之，S6潰口頂寬最小。S8潰口頂寬大約為S6潰口頂寬的1.5倍。在水流侵蝕作用下，潰口兩側(cè)土體發(fā)生坍塌，細顆粒含量越大，潰口兩側(cè)土體抗剪強度越低，越易發(fā)生坍塌破壞，所以細顆粒含量越大，潰口頂寬發(fā)展速度越快，最終形成的潰口頂寬越大。

圖10 不同細顆粒含量下堰塞壩潰口頂寬發(fā)展過程曲線Fig.10 Top width development process curve of dam break under different fine particle content

4 結(jié)論

為研究壩體物質(zhì)組成對滑坡堰塞壩潰決過程的影響，通過開展室內(nèi)水槽模型試驗，對不同干密度、不同細顆粒含量下壩體的浸潤線發(fā)展過程、縱向侵蝕過程以及潰決破壞特征進行了分析。主要結(jié)論如下。

(1)堰塞壩浸潤線的發(fā)展過程。隨著干密度增大，浸潤線發(fā)展速率減小，且水位上升速率隨著干密度的增大而增大。隨著細顆粒含量的增大，浸潤線下邊發(fā)展速率減小，且水位上升速率隨著細顆粒含量的增大而增大。

(2)堰塞壩的縱向侵蝕過程。幾組干密度不同試驗的侵蝕過程都可分為3個階段：潰口貫通階段、加速侵蝕階段、減速侵蝕階段。但干密度較小的壩體潰決歷時明顯小于干密度較大的壩體，且其侵蝕速度明顯大于干密度較大的壩體。細顆粒含量較大的壩體侵蝕速度慢，潰決達到穩(wěn)定時的時間更長，壩體未被完全侵蝕，潰決過程中形成的裂縫較少。

(3)堰塞壩的潰決過程。干密度越大，水流侵蝕越慢，潰口發(fā)展越慢，潰決達到穩(wěn)定時形成的潰口頂寬越??；隨著干密度增加，壩體從水流漫壩到潰決穩(wěn)定時所用時間也在增加。細顆粒含量越大，壩體坍塌現(xiàn)象越明顯，并且坍塌持續(xù)時間較長，最終形成的潰口寬度也越大；隨著細顆粒含量增加，壩體從水流漫壩到潰決達到穩(wěn)定時所用時間也在增加。