摘要：為研究堤防漫溢潰決機理及潰決影響因素作用規(guī)律，考慮河道來流量、堤高以及誘導(dǎo)潰口寬度3個影響因素，開展了5組均質(zhì)土堤大尺度漫溢潰決試驗。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，潰口發(fā)展過程可分為初期較快發(fā)展期、中間快速增長期、后期緩慢增長期和穩(wěn)定期4個階段。研究表明：在第1個階段存在陡坎侵蝕現(xiàn)象，峰值潰決流量則出現(xiàn)在第2個階段；初始誘導(dǎo)潰口較寬時，第1個階段潰口無明顯擴寬；潰決過程中，潰口附近水位及水流不對稱，進而導(dǎo)致潰口上下游側(cè)均呈左右不對稱發(fā)展；來流量和堤頂高程的增加均使得潰決峰值流量增大，而初始潰口寬度的增大則導(dǎo)致潰決初期坡面沖刷形態(tài)發(fā)生變化；來流量較大時，潰口初期擴寬速度較大。初始潰口寬度越窄，潰口平均擴寬速度越大。研究成果可為堤防建設(shè)與防汛搶險提供參考。

關(guān) 鍵 詞：堤防潰決；漫頂水流；潰決機理；物理試驗

中圖法分類號：TV871

文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.029

0 引 言

堤防工程是防洪體系的重要組成部分，在保護沿岸生命財產(chǎn)安全中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用^［1］。在超標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下，堤防漫溢潰決風(fēng)險較大^［2-4］。堤壩潰決一直是國內(nèi)外洪水研究的焦點問題。相對于壩體潰決研究，堤防潰決相關(guān)研究要少得多。堤防與壩體（包括土石壩、堰塞體、冰磧體等）潰決過程^［5-10］，既有相似之處，又有顯著差異。首先，從潰決過程看，壩體潰決垂向侵蝕與橫向展寬一般同時發(fā)生，而堤防高度相對于土石壩壩高小很多，潰口的垂向沖刷發(fā)展過程較快，垂向沖刷到達堤基后，潰口發(fā)展以橫向展寬為主。其次，從水流方向看，堤前與壩前的水流條件相差較大，堤前水流流向與堤身平行，而壩前水流流向與壩體垂直^［8］，壩前流速較小，并且壩體潰決后水流主要沿下游河道演進，而堤防潰決后主要為漫流，沒有明顯的河道^［11］。最后，從物質(zhì)組成看，堤身的土體與壩體的材料也不相同，堤身土體大都就地取材，其抗沖能力相對較差^［12］。因此，堤防潰決的機理、過程及關(guān)鍵影響因素作用規(guī)律與土石壩有較大差異，土石壩相關(guān)研究成果不能直接應(yīng)用于堤防潰決預(yù)測、搶險等工作。國內(nèi)外現(xiàn)有研究表明，影響堤防潰決過程的因素眾多，部分學(xué)者采用水槽試驗、物理模型試驗等手段開展了一定的探索。Tabrizi^［13］通過水槽試驗，研究了不同流量條件下堤防的潰決過程，發(fā)現(xiàn)潰口處的流速越大，潰口的展寬速率越快。Zhu等^［14］進行了堤壩潰決水槽試驗，發(fā)現(xiàn)混合土料中黏粒含量越高，堤防被沖刷的速度越慢；黏土和沙土的潰決破壞方式也不相同，其中“陡坎”沖刷（溯源沖刷）是由黏性混合土料填筑的堤壩潰決的主要形式，而水流剪切沖刷是沙質(zhì)堤壩潰決的主要形式。Yu^［15］、魏紅艷^［16］、Wu^［17］等利用彎道水槽開展了一系列非黏性和黏性土江河堤防漫溢潰決水槽概化模型試驗，總結(jié)和分析了土堤漫潰機理、潰口垂向侵蝕發(fā)展過程和橫向擴寬過程，比較了非黏性和黏性土堤潰決過程的差異，研究了筑堤材料物理特性以及水流條件等對潰決過程的影響。田治宗等^［18］通過動床實體模型試驗，測量了潰口口門區(qū)水流處于穩(wěn)態(tài)時的流速分布與水面縱比降。果鵬等^［19］對生產(chǎn)堤潰口展寬過程開展了概化試驗研究，潰口橫向展寬的機理主要表現(xiàn)為水流沖刷堤身下層土體伴隨上層懸臂土體發(fā)生繞軸崩塌。Kakinuma等^［20］開展了不同上游來流量、不同堤防斷面形狀以及不同筑堤材料的室外大型江河堤防潰決試驗，根據(jù)堤防潰決過程和水力特性將潰口發(fā)展過程分為4個階段，推導(dǎo)得出了潰決土體的體積與流速、水位以及希爾茲參數(shù)的關(guān)系式。Violeau等^［21］通過江河非黏性土堤防潰決試驗，將堤防潰決過程分為兩個階段：潰口同時下切和擴寬，潰口中心線不斷向下游移動；潰口下游側(cè)邊坡失穩(wěn)坍塌而后退。

然而，現(xiàn)有的堤防潰決研究試驗尺度較?。ǖ谈叽蠖嘈∮?0 cm，且河道寬度很?。?，因試驗系統(tǒng)河道槽蓄能力過小導(dǎo)致水位下降過快，不能充分反映實際潰決過程中的特征現(xiàn)象，潰決過程各階段歷時相對占比與實際相差較大，且不能反映蓄滯洪區(qū)水位上漲對潰決過程的影響。同時，關(guān)于初始誘導(dǎo)潰口寬度對潰決過程和潰口特征參數(shù)的影響較少涉及。因此，本文通過建立大尺度堤防潰決試驗系統(tǒng)，開展系列堤防潰決機理試驗，對均質(zhì)堤防潰口形成與發(fā)展過程以及各種土體侵蝕現(xiàn)象和規(guī)律進行研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗系統(tǒng)平面布置

堤防潰決試驗系統(tǒng)平面布置如圖1所示。試驗區(qū)域主要分為河道與蓄滯洪區(qū)兩個部分，河道區(qū)域左側(cè)岸坡固定，右側(cè)修筑堤防。堤防右側(cè)為蓄滯洪區(qū)，蓄滯洪區(qū)設(shè)置攔沙坎口門，試驗時口門打開，以便水流下泄。堤防長度為18 m，河道部分寬3 m，蓄滯洪區(qū)寬4.1 m。在堤防偏上游段設(shè)誘導(dǎo)潰口，深10 cm，河道水位高于誘導(dǎo)潰口底部高程時發(fā)生漫溢。通過對大量堤防型式調(diào)研的結(jié)果，結(jié)合試驗場地條件確定堤防河道側(cè)邊坡為1∶2，蓄滯洪區(qū)側(cè)邊坡為1∶3，堤防高度為0.5 m，堤頂寬度為0.4 m。與已有試驗研究相比，本試驗中河道較寬，河寬/堤高為6，大致相當(dāng)于中小河流的比值，在一定程度上改善了因河道槽蓄能力不足造成的潰決過程中水位下降過快的問題。同時，試驗中設(shè)置了蓄滯洪區(qū)，以考慮蓄滯洪區(qū)水位上漲對潰決過程的影響。

1.2 測量和數(shù)據(jù)分析方法

試驗主要測量水位過程，用以分析潰決過程中河道和蓄滯洪區(qū)的水位變化過程和計算潰口流量。河道側(cè)與淹沒區(qū)均布設(shè)水位測點，其中S1、S2、S3三個水位測點主要測量堤防潰決過程中河道的水位變化，分別位于潰口上游、潰口和潰口下游斷面，S4水位測點布設(shè)于尾門后的三角堰前，測量堰頂水頭變化過程，用以計算河道出流流量，S5、S6、S7水位測點布設(shè)于蓄滯洪區(qū)，用以記錄堤防潰決后蓄滯洪區(qū)水位變化過程，各水位測點處布設(shè)自動水位計，所測水位數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸至計算機客戶端。在堤防背水側(cè)畫有白色網(wǎng)格線（10 cm×10 cm），以便后期通過錄制的潰決過程視頻輔助識別不同時刻的潰口寬度。本文統(tǒng)計潰口寬度為堤防背水側(cè)堤腳附近的寬度，因此不包含初始潰口寬度。

試驗主要過程為：打開水泵后，水流進入河道，河道水位緩慢上升，水位上升至誘導(dǎo)潰口底部高程后水流開始漫溢，潰決過程開始。淹沒區(qū)側(cè)設(shè)有高清攝像機，全程記錄潰口發(fā)展過程。試驗結(jié)果分析時，均以水流漫過誘導(dǎo)潰口底部的時刻為零時刻。

潰決流量Q通過水量守恒法計算，即Q=Q-Q+Q。其中，Q為各工況的試驗來流量，采用電磁流量計讀數(shù)；Q為從河道尾門流出的流量，通過尾門處的三角堰測量水位計算得到，計算公式為Q=1.4H^5/2，H為堰頂水頭；Q=V/Δt， V為在Δt時間內(nèi)河道中由于水位降低而減少的水量，水位降低為河道內(nèi)3個水位計的平均值。

1.3 工況設(shè)計

試驗修筑堤防的材料為青沙，其級配如圖2所示。該細沙主要成分為砂粒（粒徑0.02 mm<d<2 mm），中值粒徑d為0.151 mm。

考慮河道來流量、堤高、誘導(dǎo)潰口寬度3個影響因素，試驗工況設(shè)定如表1所列。各工況的誘導(dǎo)潰口深度均為0.1 m。工況1～3誘導(dǎo)潰口處橫剖面見圖3（a），工況4和5誘導(dǎo)潰口處橫剖面見圖3（b）。

2 潰決機理與過程

以工況1為例，介紹堤防漫溢潰決過程并闡釋堤防潰決機理。從試驗結(jié)果看潰口發(fā)展包括4個階段：初期較快發(fā)展期、中間快速增長期、后期緩慢增長期和穩(wěn)定期。

第1階段為潰口初期較快發(fā)展期。水流漫過初始挖槽底高程以后，首先在堤防背水側(cè)形成沖溝，沖溝攜帶的泥沙在水流下游有部分淤積（圖4（a））。隨著河道水位不斷上漲，通過初始挖槽的流量逐漸增加。由于堤防抗沖能力、水流切應(yīng)力分布不均，加之漫溢水流存在較強紊動，導(dǎo)致沖溝各處侵蝕程度不同，從而在局部位置形成小的陡坎，水流呈現(xiàn)類似瀑布狀流動，形成溢流水舌（圖4（b））。溢流水舌在陡坎底部施加垂直剪應(yīng)力，并形成反向漩渦不斷淘刷基礎(chǔ)面，導(dǎo)致陡坎失穩(wěn)坍塌，“陡坎”不斷向上游發(fā)展。在陡坎侵蝕過程中，同時伴隨著潰口兩側(cè)邊坡的坍塌，坍塌土體延緩了陡坎侵蝕速度，但最終被流速不斷增大的漫溢水流沖刷殆盡。這說明，陡坎侵蝕不僅存在于黏性土堤防漫溢潰決過程中，也同樣存在于非黏性土堤防漫溢潰決過程中，這取決于水流剪切應(yīng)力與土體抗沖蝕能力的相互較量。該階段從潰決開始至陡坎整體被沖蝕到堤頂迎水面。

第2階段為快速增長階段。陡坎整體移動至堤防的迎水面后，潰口水深突然顯著增加，伴隨著堤頂水頭的增大，潰口流量陡然增大，蓄滯洪區(qū)水位迅速上升（圖4（c））。該階段潰口不斷下切侵蝕直至不可沖刷底部，潰口兩側(cè)不斷受到水流的掏刷作用，還不斷伴隨著潰口邊坡重力坍塌，導(dǎo)致潰口迅速展寬。隨著潰口流量的不斷增加，當(dāng)潰口流量大于來流流量時，河道水位開始下降。該階段水流出現(xiàn)了明顯的水躍和水跌現(xiàn)象，部分時刻水流頂沖蓄滯洪區(qū)邊墻，大量上階段淤積在堤防坡腳附近的泥沙被水流帶走。該階段至潰口不斷下切侵蝕直至不可沖刷底部后，潰口處堤內(nèi)外水流無明顯水跌現(xiàn)象時結(jié)束。

第3階段為后期緩慢增長階段。當(dāng)水位下降到一定程度后，盡管在水流沖刷作用以及重力坍塌的作用下潰口仍在不斷擴寬，擴寬速度明顯變緩。該階段至堤內(nèi)外水位基本齊平時結(jié)束。

第4階段為發(fā)展穩(wěn)定期。隨著蓄滯洪區(qū)水位逐漸升高，河道和蓄滯洪區(qū)的水頭差減小，潰堤水流流速也逐漸降低，潰口寬度基本不繼續(xù)擴寬，漸趨穩(wěn)定（圖4（d））。

從潰口發(fā)展的4個典型階段的持續(xù)時間來看（表2），第1個階段持續(xù)時間最長，約占總發(fā)展時長的58.8%，第2個階段持續(xù)時間約占總發(fā)展時長的17.6%，第3個階段持續(xù)時間約占總發(fā)展時長的23.5%。

工況2～4潰決機理和過程與工況1基本類似，在峰值流量時刻，潰口口門處水頭差大、下游蓄滯洪區(qū)水位還不會對潰口水流產(chǎn)生影響、潰口寬度尚未達到最大值（圖5），峰值流量出現(xiàn)于潰口發(fā)展第二階段，其數(shù)值大約為主體潰決時段內(nèi)平均潰決流量的1.6倍。

誘導(dǎo)潰口加寬以后（工況5），水流漫溢以后，初始會在堤防背水坡形成多個沖溝，但最終合并為一個（圖6）。由于水流分散后，潰口形成瀑布狀水流，溯源沖刷并不完全是從背水面坡腳開始形成然后以陡坎形式逐漸后退的過程，這與已有小誘導(dǎo)潰口試驗現(xiàn)象有較大區(qū)別。在陡坎侵蝕過程中，潰口擴寬不明顯。

堤防潰決過程中，由于河道水流的影響，潰口附近水位以及流速不對稱，導(dǎo)致潰口呈不對稱發(fā)展，如圖4（d）以及圖6（d）所示?？擅黠@看出，潰口最后的穩(wěn)定形態(tài)中，上、下游邊坡形態(tài)不同，邊坡邊緣呈斜向下游方向，這與水流的流向是一致的，另外，背水側(cè)堤腳處下游邊坡的沖蝕后退距離也大于上游邊坡沖蝕后退距離。

從圖7～8可以看出，水流漫過堤頂?shù)?00 s內(nèi)，由于潰口頂部高程還較高，堤頂水深較小，通過潰口的流量很小，河道水位仍然持續(xù)升高。潰決流量逐漸增至與來流量大小相當(dāng)時，河道達到峰值水位。S2水位計位于河道中潰口上游，S3水位計位于河道中潰口下游。

從圖7中可以看出，在水位上漲階段，河道水流具有一定流速，水面存在梯度，S2水位比S3水位高，在水位下降階段，S2和S3水位基本重合。河道水位迅速降低的同時，蓄滯洪區(qū)水位迅速升高。當(dāng)河道水位與蓄滯洪區(qū)水位基本持平時，潰決流量也減小至與河

道來流大致相等。潰口寬度變化過程顯示，潰口發(fā)展包括初期較快發(fā)展期、中間快速增長期、后期緩慢增長期和穩(wěn)定期。

從流量過程來看（圖8），包括了緩慢增長期、迅速增加期、快速下降期和穩(wěn)定期。在潰口初期較快發(fā)展期，潰決流量開始迅速增加，導(dǎo)致潰口寬度迅速增長，河道內(nèi)水位迅速下降，蓄滯洪區(qū)水位快速增加。后期河道與蓄滯洪區(qū)水頭差的減小，減小了潰口流量，潰口展寬逐漸停止。

3 討 論

堤防潰決的影響因素眾多，在已有關(guān)于壩體材料、初始水深、幾何形狀等因素對潰決過程影響研究的基礎(chǔ)上，本文主要研究河道上游來流量和堤防型式對潰決過程的影響。由于試驗中所有工況的堤防坡度、結(jié)構(gòu)型式一致，本文主要關(guān)注堤高和誘導(dǎo)潰口寬度兩個堤防型式參數(shù)對潰決過程的影響。

3.1 河道來流量對潰決過程的影響

工況1～3的堤防土體組成、堤防高度以及堤防誘導(dǎo)潰口寬度均相同，只是來流量不同，分別為0.030，0.045，0.060 m³/s。工況1～3的潰決流量以及潰口寬度變化過程見圖9。由圖9可看出，來流量越大，峰值潰決流量也越大，3個工況的峰值潰決流量分別為0.23，0.26，0.30 m³/s。從堤防潰決過程可以發(fā)現(xiàn)，最大流量時刻（圖5），潰堤漫溢水流屬于非淹沒堰流，因此受淹沒區(qū)水位影響較小，根據(jù)堰流公式，最大潰決流量與其發(fā)生時刻的河道水位和潰口寬度有關(guān)。河道水位變化過程如圖10所示。最大潰決流量時刻，河道水位分別為0.31，0.33，0.40 m，潰口寬度差別不大，均為0.9 m左右，因此最大潰決流量主要受河道水位的影響。受潰決流量影響，來流量較大的組次潰口發(fā)展速度也較快。但是，潰口發(fā)展穩(wěn)定后的最終寬度受來流量大小的影響不明顯。這表明，最終潰口的大小可能是由堤防高度決定，與河道來流量關(guān)系不大。

3.2 堤防高度與誘導(dǎo)潰口寬度對潰決過程的影響

工況2和工況4的來流量、堤防土體組成以及堤防誘導(dǎo)潰口寬度均相同，只是堤防高度不同，分別為0.5 m和0.4 m。工況2和工況4的潰決流量以及潰口寬度變化過程見圖11。由圖11可看出，堤防較高時，潰決流量增大以及峰值出現(xiàn)時間較早，且峰值流量較大，如工況2和工況4潰決流量開始增大時刻分別為86 s和99 s，潰決峰值流量出現(xiàn)時刻分別為161 s和178 s，潰決峰值流量分別為0.26 m³/s和0.21 m³/s。潰口擴寬速度差別不大，堤防較低情況下穩(wěn)定潰口寬度略寬，如工況2和工況4條件下穩(wěn)定潰口寬度分別為1.51 m和1.70 m。

工況4和工況5的來流量、堤防土體組成以及堤防高度均相同，只是初始潰口寬度不同，分別為0.2 m和1.0 m。工況4和工況5的潰決流量以及潰口寬度變化過程見圖12。由圖可看出，初始潰口寬度較寬時，潰決流量增加以及峰值出現(xiàn)時間較晚，且峰值流量較小，如工況4和工況5潰決流量開始增大時刻分別為125 s和152 s，潰決峰值流量出現(xiàn)時刻分別為178 s和235 s，潰決峰值流量分別為0.21 m³/s和0.20 m³/s。初始潰口寬度為1 m條件下，平均潰口擴寬速度約為0.005 8 m/s；初始潰口寬度為0.2 m條件下，平均擴寬速度約為0.007 m/s。初始潰口寬度為1 m 條件下的穩(wěn)定潰口寬度約為1.8 m，初始潰口寬度為0.2 m時穩(wěn)定潰口寬度約為1.7 m。

4 結(jié) 論

通過系列堤防潰決機理試驗研究，初步揭示了河道來流、堤防幾何型式對堤防潰決機理和堤防潰決過程的影響。主要結(jié)論如下：

（1）從試驗結(jié)果來看，潰口發(fā)展包括初期較快發(fā)展期、中間快速增長期、后期緩慢增長期和穩(wěn)定期4個典型發(fā)展階段。均質(zhì)堤防潰決的機理主要為：潰決初期發(fā)展主要為陡坎溯源侵蝕，中間快速增長期沖刷下切和橫向展寬均發(fā)展迅速，展寬以側(cè)向沖刷和坍塌交替方式實現(xiàn)，后期緩慢增長期以潰口兩側(cè)沖刷為主，穩(wěn)定期除了潰口底部推移質(zhì)泥沙運動外，潰口基本不再發(fā)生變化。

（2）從潰口發(fā)展的4個典型階段的持續(xù)時間來看，第1個階段持續(xù)時間最長，約占總發(fā)展時長的58.8%，第2個階段持續(xù)時間約占總發(fā)展時長的17.6%，第3個階段持續(xù)時間約占總發(fā)展時長的23.5%。潰決峰值流量出現(xiàn)在潰決的第2個階段，即快速增長期，其數(shù)值大約為平均潰決流量的1.6倍。

（3）不同影響因素對潰決特征參數(shù)的影響如下：河道上游來流越大，潰決峰值流量越大，這是由于潰決初始階段，流量大的情況下，水位上漲快，水頭高，潰決迅速，同時潰決過程中，來流量較大時河道水位降低較慢，水頭較大，潰決迅速；潰口最終寬度受來流量大小的影響不明顯。堤頂高程越大，潰決水頭越大，因此峰值流量越大。初始誘導(dǎo)潰口寬度會改變潰決過程特征，當(dāng)初始誘導(dǎo)潰口寬度較大時，初始階段會形成多條沖溝，然后隨著潰口流量增加而逐漸合并。

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（編輯：鄭 毅）

Experimental study on overtopping breaching mechanism of homogeneous river dikesHUANG Wei^1，2，WEI Hongyan¹，SHI Deliang¹，DUAN Wengang¹

（1.Department of Hydraulics，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.Intelligent Changjiang Innovation Team of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China ）

Abstract： To investigate breaching mechanism of homogeneous river dikes due to overtopping and the impact of factors on the breaching processes，five experimental cases on dike breaching were conducted considering factors of inflow discharge，initial dike height and initial notch width.Results showed that breaching processes can be divided into four stages，namely initial stage of fast developing，middle stage of fast multiplying，later stage of developing gently and last stable stage.The head cut scour appeared during the first stage and the peak breaching discharge appeared at the second stage.When the initial notch width was wide，the breaching width wasn’t likely to expand in the first stage.The water level and flow were both asymmetrical near the breaching notch，which made the breaching notches on both upstream and downstream sides develop asymmetrically in the left and right.Larger inflow discharge and dike height both resulted in larger peak discharge.While larger initial notch width resulted in variation of back slope erosion form.Increase of inflow discharge led to increase of initial breach widening rate，and the narrower the initial notch was，the faster breaching notch widen.The results can provide reference for dike construction and emergency treatment in flood controlling.

Key words： dike breaching；overtopping flow；breach mechanism；physical experiment