堤防潰口特征分析及水流特性研究評述

顏志慶，李 琪，馬洪福，劉明瀟

(1. 華北水利水電大學水利學院，鄭州 450045； 2. 華北水利水電大學水力學及河流研究所，鄭州 450046)

我國是一個洪水多發，潰口頻生的國家。在所有的自然災害中，洪水自身造成的災害比約占一半；同時，在我國比較常見的自然災害中，洪災發生的頻率、影響范圍及所造成的損失情況均居前列[1]。據統計，在過去將近150年中，黃河大堤發生決口96次；在我國每年因洪水災害平均每年經濟損失達150～200 億元人民幣，占全年主要災害損失的30%～30.3%[2]。洪水災害不僅對附近居民的生命財產安全造成威脅，更嚴重影響到社會結構的穩定和經濟發展。而在眾多洪水險情中，堤防潰口是造成損失最嚴重、影響面最大、搶險最為艱難的[3]。

堤防作為最重要、最常用的防洪舉措之一，大多數修建在江河兩側或其他水體的外側，用來約束水流以防止洪水肆虐危害附近。而土堤由于取材方便、建造成本低、被廣泛應用。然而堤防是自然工程，由于技術條件的限制不能夠保證它的絕對安全；當產生的洪水超過堤防的抵御能力，或在汛期搶險不當或不及時，都會導致堤防出現潰口[4]。如：2010年，江西扶河位于靈山何家段的唱凱堤發生潰口，最終潰口寬度為348 m，由于堤防潰決導致外泄水量2.73 億m3，淹沒3個鄉鎮，受淹面積約84.2 km2，最終造成經濟財產損失約9 億元[5]；1998年8月7日, 長江九江段決堤50 m，潰口處流速高達4.5 m/s[6]，導致九江市40萬人的生命財產安全受到嚴重威脅，最終總共沉入9 只船，最大150 t，最小70 t于8月10日將潰口封堵，造成直接損失1 407 萬，間接損失900多萬；2016年7月10日，湖南省華榮河新華垸發生大型潰口，潰口寬度47 m，流速2.61 m/s，水深6.87 m，水勢嚴重，最終不惜采用“卡車敢死隊”的方式，向潰口投入8輛30t重的大卡車將潰口封堵[7]。

江河潰決關乎國計民生，潰口堵復十萬火急。目前江河堵口所采用的方法，均是向潰口自由拋投堵口物料，大都拋投柳枕石，土工包，大塊混凝土等材料；由于其在潰口處的水下穩定性系數僅為0.7～0.8而導致堵口所需時間長，甚至絕大多數堵口物料因為穩定性差而在高速水流中常被沖散并沖向下游導致堵口物料利用率低，通常現場堵口物料的實際使用量為理論計算的1.5倍，如果遇到急流甚至高達2倍以上，因此堵口物料所需費用是巨大的[8]。同時自由拋投的堵口物料在潰口處僅僅依靠自重來維持穩定，它會因承受高速水流的作用或因自身重力不足而難以達到穩定狀態被沖向下游；當用自重過大的拋投物料時，又會因潰口現場條件而受到限制。因此當遇到落差較大，流速較高的大型潰口時，甚至不惜沉船沉車。目前潰口搶堵方法大都具有耗費時間長，堵口物料利用率，低安全等缺點。堤防潰口發生機理和潰口堵復技術是近半個世紀以來國內外研究熱點之一，也是我國防災減災領域的重點研究課題。為此，筆者針對國內外堤防潰口的類型、發展因素、形成特征和堵口技術等研究現狀進行了簡要評述，重點闡述了堤防潰口堵復的技術研究和模擬試驗方法，同時給出了堵口新技術需要解決的關鍵技術問題，以期為堤防潰口的發生、發展及堵復等問題的研究起到推動作用。

1 堤防潰口水力邊界特征分析

1.1 堤防類型

堤防是指為約束水流外溢而修筑的擋水建筑物，通常修筑在江、河、分洪區等外側[9]；其作用為抵御超標準的大洪水泛濫而影響附近居民的生命財產安全以及威脅國家財產安全造成社會經濟損失。根據堤防所在的位置不同可分為河堤、海堤、湖堤、水庫堤防和渠(溝)堤等；根據承擔的功能不同可分為防洪堤、防潮堤、防波堤、防沙堤、濳堤、護城堤、導航堤、導流堤，歷代治河中還有刺水堤、減水堤、遙堤、格堤和月堤[4]等；根據建造的材料不同，堤防劃分為土堤、砂堤、石堤以及混凝土堤4種，見表1。

表1 堤防類型(按建筑材料劃分)

土堤是在眾多堤防中修建過程最為復雜，受水流作用影響最強，同時也是應用最為廣泛的堤防之一。土堤分為黏性土堤與非黏性土堤兩種；非黏性土堤大多由砂壤土建造，由于砂壤土顆粒較粗，比表面積相對較小，黏性礦物質成分很少，粒間的黏聚力較小，因此抵抗水流的主要作用力為泥沙顆粒的有效重力，并且過大的土顆粒間隙容易導致水流的滲流、管涌等破壞；而黏性土堤是由黏性土建造而成，黏性土顆粒比表面積通常較大，并且大量的黏性礦物質成分增強了顆粒間物理化學作用，土顆粒之間的緊密結合能夠很好地防止滲水現象的發生，因此顆粒間的黏結力是黏性土堤防的主要抗沖力。近幾年來，國內外不少工程多選用人工加礫黏土或礫質黏土來完成堤防土方填筑[10]。

1.2 堤防潰口類型及潰口發展的影響因素

1.2.1 堤防潰口類型

根據引發堤防潰口的主要動力，可將堤防潰口劃分為水力潰口型和非水力潰口型兩大類。水力潰口型按照水作用的形態不同可分為漫溢潰口、沖刷潰口、滲透潰口、凌汛潰口等4類；非水力潰口型主要包括出于戰爭目的的潰口和地震誘發的潰口兩類[11]。

1.2.2 影響堤防潰口發展的因素

堤防潰口發展的影響因素主要包括以下3個方面：一是潰口處的水動力因子，包括河道流量、河道水位及其變動情況以及波浪的作用；二是潰口處的邊界條件，主要指筑堤材料的物理特性(黏性土、非黏性土)以及堤防的結構特征等；三是潰口持續時間。在堤防發生潰口時，以上三個影響因素即相互影響又相互制約。

當水流動力因素作用相對較強時，此時由于堤內、外水位的大落差將產生潰口處大流速，筑堤材料會因無法抵抗水流的沖刷作用而導致潰口迅速擴寬，同時伴隨潰口斷面面積的不斷增大，水流的水動力作用將會漸漸減弱，表現為流速的減小。潰口的邊界條件，即其口門形狀，與洪水發生時間及堤防的建造材料特性密切相關；當堤防的建造材料為砂壤土時，由于砂壤土的內黏聚力小、相互之間的作用力小，潰口斷面因容易被水流沖刷迅速增大，最終形成的潰口斷面形狀為矩形；當堤防的建筑材料為黏性土壤時，由于黏性土顆粒之間的相互作用力，即黏聚力較大，潰口會抵御水流的作用很難被沖刷，形成的潰口斷面形狀為三角形或梯形。同時水流對堤防的沖刷時間越長，潰口斷面形成越大、堤防所受破壞越大；洪水持續時間越短，對堤防的影響越小。因此對于潰口的發展，水流的沖擊作用使潰口的邊界發生改變，潰口邊界的變化反過來會對水流產生約束，以上兩者的相互影響最終決定了潰口斷面的變化過程及形狀。

1.3 堤防潰口發展過程

土堤潰口形成的原因不同，導致其發展過程不同。目前土堤潰口的產生大多是由于漫溢和管涌而導致的，那么針對這兩種情況來具體說明。

(1)由于漫溢導致堤防潰口形成的過程，主要分以下4個階段：

第一階段：從堤防頂部漫溢開始，當下游面的侵蝕發展到峰頂的下游邊緣時結束。這個階段會導致上下游很長一段堤防被水流侵蝕，水流不僅侵蝕堤防下游面還可能侵蝕堤防頂部的局部薄弱處。一旦侵蝕現象發生，侵蝕地區的湍流將會加速堤防的侵蝕過程。

第二階段：在階段一結束時開始，當水流侵蝕進行到頂部的上游邊緣時結束。如果在這個過程中水位下降，在第一或第二階段的堤防可能不會出現潰口。

第三階段：在第二階段結束時開始，當水流已經侵蝕到堤防基礎時結束。

第四階段：在階段三結束時開始，當潰口完成成型時結束。

(2)由于管涌導致堤防潰口形成的具體過程如下：

第一階段：在首次觀察管涌出現時開始，但土堤中的土不發生移動，此時堤防中的土壤與滲透水流混合在一起。

第二階段：從階段一結束時開始，并在堤防頂部崩潰時結束。 在第二階段，由于堤防頂部已經出現潰口其附近的部位的材料會停止移動。

第三階段：在階段二結束時開始，當水流已經侵蝕到堤防基礎時(類似于漫溢的第三階段)結束。

第四階段：在階段三結束時開始，并在潰口完成成型時結束。

通過分析這兩種情況下潰口的形成過程發現：雖然各種堤防潰口類型的初始階段趨向于不同，但堤防潰口形成的最后兩個階段是相似的。第三階段堤防的基礎被水流侵蝕，由于堤防基礎的土壤結構被破壞，被侵蝕堤防的基礎失去穩定；第四階段潰口已經形成并最終達到穩定狀態。高速水流的作用使潰口快速形成，當發現潰口并開始調動人力物力來進行搶堵時，堤防潰口往往已經處于第三階段以后。

1.4 堤防潰口理論公式

對于堤防潰口水利要素的理論計算可采用潰壩公式及寬頂堰公式對潰口處的水力參數(流量、流速)進行計算和驗證。

1.4.1 潰壩公式法驗證

潰堤和潰壩都屬于非恒定含間斷的淺水問題[12]．因此在計算和驗證堤防潰口處泄流量時，根據謝任之[13]在《潰壩水力學》中提出的潰壩壩址峰頂流量計算公式：

(1)

式中：Q為峰頂流量，m3/s，在此指堤防潰口處洪峰最大流量；B為壩址河谷寬度，在此指堤防潰口中軸線處的寬度；H0為潰壩前上游水深，在此指堤防出現潰口處上游水深；g為重力加速度(9.81 m/s2)。

任何一個耐密型玉米品種必須通過品種審定，經過多點試驗、示范，才能大面積推廣應用，否則就會帶來麻煩和減產損失。2011年建昌縣某經銷商因為沒有試驗，直接大面積推廣一個品種，結果造成嚴重減產。

1.4.2 寬頂堰公式法驗證

土堤防由于漫溢、滲流等作用出現潰口時，根據劉默，韓程起[14]在河道堤防模擬潰口水力計算簡化算法研究一文中提出，往往因堤防的上游河床為淤泥質河床，在高速水流的沖擊下因淘刷作用導致上游河床出現一定的下陷，并在確定典型研究潰口對象時，堤防潰口處的下游側為土質漫灘區，可見堤防潰口的最終形態與寬頂堰的形式相似，如圖1所示，Z0為河道水位，Z1為灘區水位，V0為潰口流速，V1為河道流速。

圖1 堤防潰口縱斷面Fig.1 Longitudinal section of the levee breaches

故根據寬頂堰流公式對所確定的潰口參數進一步驗證。

(2)

式中：H0為堰頂全水頭，在此帶入堤防潰口處上游水深；b為斷面寬度，在此帶入堤防潰口寬度；m為堰的流量系數，取決于口門的進口形式和堰的相對高度P1/H，可用下列經驗公式計算：

對于口門入口近似為直角的寬頂堰：

(3)

對于口門進口近似為圓角的寬頂堰：

(4)

側向收縮系數ε計算公式為：

(5)

上游河床被淘刷的堤防潰口形狀雖與寬頂堰相似，但堤防潰口上游為主河道，來流面積更廣，示意圖見圖2，故根據公式(3)，在計算側向收縮系數時，A1相比A2為無限，A2/A1=0，則側向收縮系數取為0.57。

圖2 寬頂堰示意Fig.2 The sign of wide weir

2 潰口水流特性研究

2.1 潰口水流數值模擬研究

20世紀末以來，國內外學者針對堤壩(防)潰口處的水流特性和潰口發展機理建立了相關數學模型并進行了數值模擬。Zhang X. F. 等[20]提出了一種平面二維非均勻沙的數值模型，模擬了潰壩后的河床變形過程。陳裙等[21]在已有平面而二維非恒定、非均勻沙不平衡懸移質泥沙數學模型模擬堤防出現潰口完整演變過程的基礎上，通過考慮潰口橫向寬度變化過程的模擬，并借鑒Daffy提出的分析濕性土河岸穩定性的方法，創建了一種能夠模擬堤防潰口寬度變化數學模型。宋利祥[27]提出以堤防潰口處的高速水流作為研究對象，并以二維淺水方程Godunov型有限體積法為基礎，建立了適用于不規則計算域和地形上潰堤洪水演進的高性能二維數學模型來展現潰堤處高速水力的性質。之后，袁晶等[28]利用動網格技術，結合土力學中黏性土河岸的崩塌機理，建立了可變網格下的堤防潰口展寬二維數學模型。Han, K. Y.等[22]通過研究一種從破裂堤防洪泛波傳播的組合，建立一維和二維流體動力學模型，同時該模型以1990年9月12日至13日在韓國漢江發生的堤防潰口為例，采用一維模型通過Preissmann方法解決了Saint-Venant方程，二維模型通過積分有限差分法求解了擴散波方程。同樣的，Yohannis Birhanu Tadess等[25]通過建立二維水動力(Telemac2D)洪水模型，來模擬2013年6月在德國萬治河產生的堤防潰口。S. Huang等[26]通過建立模型并擴展到納入準二維方法和蒙特卡羅分析來進行潰口洪水敏感性分析，以確定水力條件和邊界條件對所得水流的敏感性。并用德國易北河的一個堤防潰口進行驗證。苑希民等[32]提出為解決河道洪峰流量增大和漫潰堤長歷時相伴發生的洪災現象，借鑒全二維氣相色譜理論提出全二維水動力模型概念，建立了模擬河道和灌區洪水演進的漫潰堤洪水聯算全二維水動力模型，并采用Roe格式的近似Rie-mann解對界面通量進行數值求解。潰口數值模擬研究尚只能初步研究堤防潰口處水力特性以及預測堤防潰口未來的發展走向，對于潰口處邊界條件的真實性及準確性尚缺乏優化研究。

2.2 潰口水流模型試驗研究

潰口水流研究機理分為潰壩和潰堤研究，兩者潰口前后的水流特性具有本質上的不同。潰壩前的水流基本處于靜水狀態，潰壩后水流方向基本垂直于壩軸線；而潰堤前的水流為動水，流速方向基本平行于堤防軸線，潰堤后口門水流成為大河支流。目前國內外學者針對潰壩、潰堤進行了水流物理模型研究。潰口水力模型試驗可以為潰口處洪水動力學分析和數值模擬研究提供較為完整的數據資料，但由于研究規模大、經費高、花費時間長等原因，針對現有潰口的水流物理模型試驗研究非常有限。針對潰壩的水力模型試驗研究，Fraz?o、Bellos等[29]人分別在渠道上和變截面水槽開展了潰壩水流實驗，揭示了潰壩洪水波在干底斜坡上的流動特征，以及二維潰壩洪水在收縮段和擴寬段的運動規律。針對潰堤的水力模型試驗研究，孫蘆忠等[30]進行了堤防決口的水力學模型試驗研究，在滿足相似理論的前提下,對不同口門形狀、幾何尺度和水頭的決口模型進行水力學試驗，獲得了決口口門附近的流場分布、流量、流速和水面線等重要水力學參數的變化規律,并給出了計算矩形、U形和V形口門流量的經驗公式，試驗研究成果為進行大型決口搶險提供重要的科學依據。Roger等[29]關注到了潰堤與潰壩的區別，通過物理模型實驗研究和分析了河道水流影響下潰堤后期趨于穩定時分洪水流的特性，但其設計的物理實驗僅測量了潰堤完全穩定后的水面情況，不能提供變化過程中的水面數據。王黨偉等[31]根據潰堤機理研究的基礎上進行了漫頂潰堤水槽試驗，分別以潰堤內外水位差、流量、堤身材料以及密實度作為變量進行了多組試驗，記錄了水位和潰口的發展過程，為潰堤水沙數學模型的建立提供了理論基礎。之后，陸靈威[29]則通過物理模型實驗，模擬了潰堤發生時河道和洪泛區內水流過程，采用壓力傳感器陣列和聲學多普勒流速儀對潰堤洪水演進過程中的關鍵物理量進行了測量，分析研究了洪泛區內洪水波的傳播特征、河道內潰口上下游落水波的不對稱性和潰口流量過程，實驗成果彌補了當前河道潰堤實測和實驗資料不充足的現狀，為河道潰堤洪水基本特性和演變規律研究提供基礎的實驗資。張曉雷[32]進行了堤漫灘洪水的概化模型試驗，模擬了生產堤潰決后主槽內的水位變化及不同程度漫灘洪水的傳播過程。綜上所述，潰口研究不僅需要關心洪水演進程，還需要了解口門局部區域的流場。物理模型實驗不僅可以彌補實際觀測的困難和不足，還可以為數值模擬提供研究數據。因此，相對于數值模擬和實際觀測來說，物理模型試驗是一種便于測取潰口洪水各項數據的可靠的研究方法。

3 堤防潰口水力特征研究的認識與建議

(1)監測和決策系統的建立與完善。堤防潰口發生時間短，持續時間長，造成損失大，更快、更高效的加強堤防出險排查，是各級河務部門更加關注的問題。從源頭預防堤防潰決發生，建立一套完善的汛期堤壩實時監測網絡系統十分必要；處理堤防出險，還需建立和完善堤防搶險決策系統。

(2)潰口堵復技術的關鍵技術問題。潰口堵復難在潰口口門比降大、流速高，拋投物很難在河床穩定生根；而過大的拋投物又受到投放機械設備的限制。堵口物料成體消殺水勢有助于提高潰口堵復效率，因此開發更為先進、科學的潰口河床固結技術與拋投方法十分必要，快速高效的潰口堵復技術必須解決：潰口拋投物迅速生根與拋投體迅速擴展兩個關鍵技術問題。

(3)數值模擬與物理模擬相結合的潰口及堵口研究方法。數值模擬研究為實際潰口搶堵提供研究基礎及為以后的經驗總結提供驗證手段，但由于堤防潰口處邊界條件具有一定的不確定性和特殊性，且在模擬的過程中邊界條件的理想化導致誤差存在，而物理模型試驗可以真實的模擬現場運行環境和水流運動狀態，但缺乏潰口發生機制的定性分析和預判能力，因此數值模擬與實際試驗相結合是研究潰口和潰口堵復技術的高效研究方法。

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