滑坡堰塞壩越頂溢流破壞的物理模型實驗

付建康, 羅 剛, 胡卸文,2

1.西南交通大學地球科學與環境工程學院，成都 610031 2.西南交通大學抗震工程技術四川省重點實驗室，成都 610031

0 引言

滑坡堰塞壩是指由于降雨、地震、火山噴發等原因引起山體滑坡而截堵山谷、河道形成的壩體[1]。由于其組成物質往往不均勻且松散多孔隙[1-3]，當上游水位達到一定高度時，堰塞壩可能會突然潰決形成異常洪水，沖毀下游河道沿途一定范圍內的基建設施和人類房屋。所以，深入研究堰塞壩的失穩機理和潰決過程能為人工排險與區域的防災減災工作提供重要指導。

自20世紀90年代以來，歐美國家著手實施了多個潰壩研究計劃[4-6]，包括歐洲IMPACT項目、美國NSDP計劃和Floodsite項目等，其分別對不同材料的壩體潰決過程進行研究，并取得了不錯的成果。1975年8月，河南板橋水庫潰壩，鐵道部科學研究院對水庫潰壩洪水進行了調查[7]和水工模型實驗[8]，并在不同尺寸的實驗水槽和潰壩模型上，針對不同潰壩要素共進行了約600次實驗，獲得了大量實驗數據。張建云等[9]針對我國現有土石壩黏粒含量范圍，開展了國內外最高均質黏土壩漫頂潰決實體實驗，提出了壩體材料黏性(c值)對壩體潰決方式的具體影響機制。國內學者對滑坡堰塞壩也進行了大量研究[10-11]，包括“5.12”汶川地震在四川省境內造成的257個滑坡堰塞壩[12]，其中對于威脅最大的唐家山堰塞壩，水利部、清華大學等[13-17]開展了大量工作，認為：堰塞壩為高風險性，潰壩機理為越頂溢流破壞，壩體暫時穩定可迅速開挖泄洪槽降低洪水位；溝槽部位表層松散體將被水流逐級淘刷，整體潰壩可能性小，洪峰流量在可控范圍之內。此外，楊華等[18]通過對汶川地震所產生的上百座堰塞湖調查發現，堰塞壩按照其組成大致可分為均質細壩、均質粗壩及分層壩。張大偉等[19]針對當前土石壩潰決機理實驗研究現狀，采用粒徑對比明顯的兩組砂樣進行了土石壩漫頂潰決實驗。段文剛等[20]以室內實驗為技術手段，首次嘗試采用“埋入式輕型沖蝕捕捉器”動態記錄潰決過程。國小龍等[21]以均質土石壩漫潰過程中“陡坎”沖刷為研究對象，對均質土石壩漫潰過程中“陡坎”沖刷過程進行了詳細的描述。鄭欣等[22]通過進行管涌的現場實驗和室內砂槽模型實驗，觀察并分析了管涌發生、發展并導致潰壩的機理和過程。Zhao W等[2]通過模型實驗模擬漫頂潰壩機制觀察得知，當水位漫過壩頂后斜坡侵蝕是主要的破壞形式，下游坡面開始由水流沖刷的小沖溝在侵蝕作用下逐漸擴大合并。近年來，學者們對滑坡堰塞壩的穩定性提出了新的評估方法，Dong Jianjun 等[23]參照日本43個滑坡堰塞壩資料庫，提出了用對數變換后的匯水面積、壩高、堆積體積等變量更能很好地預測壩體穩定性；Carlo Tacconi Stefanelli等[24]提出了滑坡堰塞壩地貌形態限制指標(MOI)和水文地貌形態壩體穩定性指標(HDSI)，包括河流長度和壩體寬度等常規指標用以區別壩體是否穩定。

綜上所述，國內外學者對堰塞壩潰決機制已經進行了大量的模型實驗研究和數值分析，并獲得了豐富的研究成果；但是關于壩體潰決時間與上游蓄水體積，以及壩體位移變形與組成顆粒粒徑的相互關系的研究并不多。本文以唐家山滑坡堰塞壩為研究對象，通過采用室內水槽物理模型實驗，模擬了不同體積蓄水量和不同顆粒粒徑壩體變形破壞機理，觀測和監測了水位上升過程中壩體不同位置的水平位移及壩體整個破壞過程，以期揭示壩體的破壞規律。

1 模型實驗設計

1.1 實驗設備

“5.12”汶川地震促使北川縣上游通口河右岸唐家山斜坡順層高速下滑，撞擊對岸元河壩山體而急速停積堵江，形成順河向長803.4 m、橫河向最大寬度611.8 m、高82.0～124.0 m、體積為2 037萬m3的唐家山堰塞壩堆積體(圖1)。壩體堆積物為灰巖，從上到下依次為風化松散堆積物和塊狀新鮮巖體(保存有完整的層理結構)，堆積體下部為原河床堆積物和基巖體，由于滑體高速運動堆積夯實作用，壩體堆積密實，穩定性較好。堰塞湖最高蓄水面積3 550 km2，體積1億m3。

圖1 唐家山高速滑坡并堵江Fig.1 Tangjiashan high-speed landslide and damming

本實驗以唐家山滑坡堰塞壩為原型，考慮到實驗室水槽尺寸，選擇幾何相似系數K為1 000，即模型縮小為原型尺寸的1/500(長為0.8 m，寬為0.6 m，高為0.1 m)，但受限于模型槽及儲水要求，作者將壩體尺寸進行了進一步調整，最終壩體尺寸為0.8 m×0.6 m×0.1 m(長×寬×高，其中壩體長度指順河方向長度)，根據壩體實際顆粒粒徑(圖2)組成，調整實驗材料粒徑的大小和體積分數(表1)。除此之外，本實驗的注水設備采用玻璃轉子流量計，用千分表來測量壩體位移。

圖2 唐家山堰塞壩顆粒級配曲線[17]Fig.2 Barrier dam grading curve of Tangjiashan landslide [17]

1.2 實驗設計

按表1配比堆筑壩體(圖3)。考慮滑坡沖擊夯實的特性，堆壩過程采用均勻拋灑，使砂土發生自由落體運動壓密，之后用小刀精致塑形，上下游壩體坡度均為1∶2.5。堆壩完成后，通過流量計向壩體上游以70 mL/min緩慢注水，實時觀察壩體的破壞情況并記錄千分表的讀數。

表1原型土體和模型物質體積分數

Table1Relationoftheprototypegraingradingandmodelgraingrading

序號堰塞壩實際粒徑/mm物質體積分數/%模型粒徑/mm物質體積分數/%1<37.520<0.075202<50.022<0.100223<125.024<0.250244<250.030<0.500305<1000.090<2.00090

圖3 壩體示意圖Fig.3 Sketch of the dam

本試驗設計了2個方案，其中：方案一的材料級配組成見表1，分3組實驗，改變最大蓄水量，但控制3組實驗的注水速度、壩體幾何尺寸和壩體密實程度相同，壩體迎水坡坡腳與上游模型箱后壁之間的水平距離及對應最大蓄水量見表2；方案二中，令壩后最大蓄水量不變，壩體顆粒粒徑分為0.500～2.000 mm、>2.000 mm兩組做對比實驗，然后重復實驗設計中的步驟，最后觀測記錄壩體的變形破壞情況。

表2 實驗方案設計

注：方案二實驗2粒徑組成為篩分后>2.000 mm的沙粒，但粒徑均勻，無特大塊體。

圖4 方案二實驗1級配曲線圖Fig.4 Grading curve from Experiment 1 of Project 2

2 實驗結果

2.1 方案一結果

2.1.1 實驗1結果

實驗1壩后最大蓄水量為29 600 cm3。在實驗初始階段，壩體水位較低，靜水壓力較小，壩體未出現任何變形破壞(圖5a)；當實驗進行到第18 h，壩體下游出現輕微滲漏，滲漏水體顏色清澈；21 h20 min時，壩高3.0 cm處(A)千分表出現讀數，壩-體開始出現變形，且變形在1 h內迅速增長(圖5b)；24 h，水位上升到5.5 cm，滲流坡降增加，壩體中部出現滲漏，B、C處千分表相繼出現讀數；27 h20 min，水位上升至7.5 cm，壩體下游滲漏加重，特別在壩體的底部和壩體的兩側均有較嚴重的滲漏，滲漏水體渾濁度增加，壩體表面開始被沖刷，形成較小的沖溝、陡坎，但未完全破壞，壩體水平位移趨于穩定；當水位上升至10.0 cm，水體漫頂，再經過12 min水體對壩體表面的沖刷(圖5c)，表面沖溝加深并且合并，細小顆粒被帶走，留下粗顆粒物質；當上游繼續注水時，侵蝕繼續加深，水體漫頂往下游的流速達到大顆粒物質的啟動速度，壩體突然于47 h27 min向下游方向左壩肩發生漫頂潰壩現象；隨著水流不斷向下泄流，上游水位迅速下降，流速隨之迅速降低，留下最大寬度12.0 cm、最小寬度8.0 cm的潰口(圖5d)。A點位移最終為0.035 mm，明顯大于B、C點位移，說明壩體下游坡變形呈現上小下大的規律(圖6)。

a.壩體底部飽水；b.細顆粒隨滲漏水體流出；c.漫頂溢流；d.壩體左肩潰決。圖5 方案一實驗1壩體變形破壞過程Fig.5 Dam deformation and failure process from Experiment 1 of Project 1

圖6 方案一實驗1壩體潰決前不同高度處水平位移圖Fig.6 Horizontal displacement diagram in different height before dam break from Experiment 1 of Project 1

以實驗1為例，壩體潰口演化過程及壩后水位變化經歷了以下幾個階段：在水位漫頂之后，水體逐漸對沙堆頂部沖蝕(圖7a)；一段時間之后，潰口逐漸向下擴展，潰口截面呈現“上窄下寬”的情況(圖7b)；隨著水流的不斷沖刷，潰口不斷向下擴展，“上窄下寬”情況更加明顯，且上面懸空砂體有少量掉落，水位有所降低(圖7c)；最后上部懸空砂體垮塌，形成倒梯形潰口(圖7d)，水位降低明顯，水流速也急劇下降。

2.1.2 實驗2結果

實驗2壩后最大蓄水量為41 600 cm3。注水6 h，壩體底部開始出現滲漏現象；注水23 h，A點處

圖7 壩體潰口破壞演化圖Fig.7 Evolution diagram of dam breach

先出現水平位移，壩體出現變形，滲漏比較輕微，滲漏水體清澈；25 h后，B點處千分表出現讀數，同時壩體的滲漏加重，且滲漏水體顏色渾濁度增加，變成淡黃色；35 h，水位上漲至7.0 cm，壩體的滲漏繼續加重，壩體表面的少許沙粒由于壩體中部的滲流作用而被沖刷帶走，沖溝內水流流速加快；注水53 h，壩體滲漏異常嚴重，滲流顏色高度渾濁，沖溝向兩側擴張，沖溝內水體單位流量繼續增大，壩體水平位移不再發生變化；55 h33 min，水體出現漫頂，壩體表面被大面積沖刷，水流與之前滲漏水體形成的沖溝合并，形成溯源侵蝕(圖8a)；55 h40 min，壩體右肩出現潰口，壩后水體從潰口奔涌而出，流量較大且持續時間較實驗1長，潰口尺寸更大，最大寬度達16.0 cm(圖8b)。A點最終位移為0.038 mm，大于B、C點位移，說明壩體下游坡變形從下向上逐漸減小(圖9)。

2.1.3 實驗3結果

實驗3壩后最大蓄水量為53 600 cm3。注水10 h后，壩體底部出現輕微滲漏，滲漏水體清澈；24 h，A點最先出現水平位移，此時水位3.8 cm；26 h，B、C點千分表出現讀數，壩體滲漏加重，有少量細沙帶出；45 h，水位達到7.0 cm，在壩體的中部出現滲漏現象，壩體表面受到沖刷的作用，形成小沖溝，滲流水體渾濁，A點處千分表讀數明顯增加；54 h，水位達到8.5 cm，壩體發生變形破壞，出現溯源侵蝕現象；72 h25 min，壩后水體漫頂(圖10a，b)，又經過5 min，壩體頂部左側位置出現潰決破壞(圖10c)，開始時潰口較小，在水體高速持續的沖刷作用下，潰口迅速擴大，且沖刷時間較前兩組實驗更長，形成最寬23.0 cm、最小12.0 cm的潰口(圖10d)。A點位移最終為0.045 mm，明顯大于B、C點位移，說明壩體下游坡變形從下向上逐漸減小(圖11)。

a.壩體水位漫頂；b.壩后水體局部溢流；c.壩體出現潰口；d.壩體最終破壞圖。圖10 方案一實驗3壩體變形破壞過程Fig.10 Dam deformation and failure process from Experiment 3 of Project 1

圖11 方案一實驗3壩體潰壩前不同高度處平位移圖Fig.11 Horizontal displacement diagram in different height before dam break from Experiment 3 of Project 1

2.2 方案二結果

2.2.1 實驗1結果

方案二實驗1，按照實驗方案控制顆粒級配(圖4)，向水槽注水。17 h后，水位達到3.0 cm，壩體底部出現較為嚴重的滲漏現象(圖12a)，但滲漏水體較清澈，夾帶少量細小顆粒；19 h，壩體的滲漏更為嚴重，小顆粒被不斷沖刷帶出，壩體出現小范圍管涌破壞(圖12b)，局部滲漏水流呈小股流出，壩體有輕微下陷，C點千分表出現讀數；20 h，壩體下沉跡象明顯，A和B處出現位移(因為肉眼可看到千分表處土體剝落，遂不將其作為壩體整體位移的參考量)，壩體出現嚴重變形；30 h，壩體中部也出現嚴重滲漏，水流清澈，壩體表面被沖刷，壩體前沿移動變形(圖12c)；48 h，注水速度小于滲漏速度，調整注水流量達到流量計最大值(100 mL/min)，直到71 h28 min，水位發生漫頂，2 min之后，壩體右側壩肩發生潰壩，水體一瀉而出，持續時間極短，在潰口左側土體不斷被急速的水流沖刷帶走。最終潰口最大寬度為17.0 cm(圖12d)。

2.2.2 實驗2結果

方案二實驗2控制材料粒徑大于2.000 mm，顆粒骨架間的孔隙過大，導致開始注水時，壩體的滲漏已經非常嚴重，小顆粒被持續帶出；4 h，壩體底部出現輕微下沉，B點先出現水平位移，A和C處未出現明顯位移，滲流穩定；30 h，水位下降；注水速度調至最大(100 mL/min)，水流滲漏速度仍遠大于注水速度，導致無法繼續蓄水；最終實驗在72 h停止，滲流極為嚴重，未形成漫頂破壞(圖13)。

a.壩后水位即將漫頂；b.壩體下游出現溯源侵蝕；c.壩體底部沖溝和陡坎；d.壩體右肩潰壩。圖12 方案二實驗1壩體破壞過程Fig.12 Dam deformation and failure process from Experiment 1 of Project 2

圖13 方案二實驗2壩體變形破壞圖Fig.13 Dam deformation and failure process from Experiment 2 of Project 2

3 結果分析

3.1 壩體潰口大小

通過方案一可知，堰塞壩潰壩的發展過程主要分為滲流—漫頂—沖刷—潰決4個階段。漫頂之前，壩體內部逐漸飽和并滲流，巖土體的抗剪強度降低，滲流水體造成下游坡表面形成小沖溝和小陡坎，隨著水位升高，滲流加劇，滲流水體速度增大，沖溝擴大；當漫頂發生時，由于堰塞壩壩體材料的松散性和不均勻性，漫頂水體沖刷而下，松散顆粒被水流沖走，局部漫頂水體與之前的沖溝匯流；沖溝內水體流速繼續增大，向兩側侵蝕更為嚴重，沖溝擴大合并，且發生溯源侵蝕作用，壩體厚度減小；之后，壩體潰口在頂部形成并迅速向壩底和兩側侵蝕擴大，最終導致壩體潰決破壞。3組實驗在水體漫頂之前的位移變形和滲流現象較為相似。在漫頂之后，由于壩后水體體積不同，水體潛在勢能不同，潰口一旦形成，實驗1潰口進一步侵蝕破壞持續的時間較短，所以潰口尺寸最小，實驗2次之，實驗3潰口受快速水流沖刷作用持續時間最長，最終潰口尺寸最大。

3.2 管涌破壞

方案二中兩組實驗均控制壩后最大存儲水體體積為41 600 cm3，通過改變實驗土體的粒徑尺寸，分別使用了0.500～2.000 mm的河沙(圖4)和粒徑>2.000 mm河沙進行壩體的堆筑。結果表明：當砂土粒徑級配不均勻時(實驗1)，由于大小顆粒之間結合較差，在滲流作用下，隨著壩體上游水位上升，滲流坡降增大；當坡降達到一定值時，水體從壩體下游坡面滲出，小顆粒被滲出水流持續沖走，形成滲流通道；當顆粒骨架間的孔隙過大，壩體發生管涌破壞，當砂土粒徑>2.000 mm時(實驗2)，壩體由于滲流速度大于注水速度，導致壩后水體無法漫頂。

3.3 粒徑大小與滲流作用關系

對比方案一的實驗2和方案二的實驗1滲流情況可知，控制壩后水體體積相同、水位相同，后者滲流現象更明顯；進一步分析可知，隨著上游水位上升，壩體堆積粒徑級配越不均勻，壩體的允許滲流坡降就越小，當滲流坡降大于允許滲流坡降時，就越容易發生滲流破壞。

3.4 壩體位移

由圖6、圖9、圖11知，壩體的位移均呈現從底部至頂部遞減的情況，且壩體底部先出現位移變形。該位移變形可能與壩體形狀以及滲透浸潤線有關。隨著水位上升，浸潤線抬升，壩體下部先出現飽水狀態，使得壩體內部出現孔隙水壓力，土體顆粒結構強度降低，顆粒間結合度降低，從而出現壩體下游的宏觀位移。

4 結論

1)級配組成良好的壩體，隨著上游水位緩慢增長，主要分為滲流—漫頂—沖刷—潰決4個階段，最終潰壩。隨著壩體上游水位的不斷上漲，壩體底部往往最先出現位移，且最終底部位移量大于其余部位。

2)在壩體堆積顆粒粒徑組成相同，壩體上游水位不變的情況下，壩后蓄水量越大，潰口處峰值流量越大，且整個漫頂潰壩過程持續時間越長，水流對潰口兩側和底部的侵蝕作用強度更大，最終潰口橫截面尺寸越大。

3)壩體堆積物顆粒粒徑級配越差，壩體堆積越不穩定；由于小顆粒迅速被滲流水體沖走，堰塞壩允許滲流坡降變小，壩體易形成管涌破壞。

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