上游來流量對堰塞壩潰決過程影響試驗研究

于夢真 牛志攀＊ 苑如瑋 朱 嘉 王璐瑤

（1、四川大學 水利水電學院，四川 成都610065 2、四川大學 災后重建與管理學院，四川 成都610065 3、四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都610065）

1 概述

堰塞湖是由地震、滑坡等自然災害造成河道堵塞而形成的湖泊，堰塞壩是堵塞河道的壩體。由于堰塞壩直接由崩滑的土石堆積而成，往往結構不穩，材料不均，物質松散[1]，有學者曾對堰塞壩壽命進行統計，結果表示86%的堰塞壩壽命小于1 年[2]。地震或降雨可能會在同一個地區形成多個堰塞壩，發展為堰塞壩群，僅5·12 大地震后就形成了256 座堰塞壩[3]，堰塞壩一旦潰決，可能會引起下游發生嚴重的洪水災害，威脅下游人民的生命安全并帶來嚴重的經濟損失。因此研究堰塞壩潰決過程的影響因素十分重要。

國內外已有許多學者指出上游來流量是影響堰塞壩潰決過程不可忽略的因素之一，張康等[4]通過現場調查測量指出，對于洪峰流量大于30m3/s 的河流，堰塞壩的穩定性與其洪峰時的水流能量有關，并在調查測量中得出16 組堰塞壩泄洪道穩定的情況下階梯－深潭的發育程度與其單寬水流能量的關系曲線。盡管上游來流量對水流能量有著決定性作用。意大利學者Stefanelli 等[5]通過由上游來流量、坡降及河水容重決定的流功率定義了用以判斷堰塞壩穩定性的HDSI 指標。蔣先剛等[6]通過開展堰塞壩潰決試驗，分析了不同壩型及不同上游來流量條件下的堰塞壩潰口下切過程與侵蝕規律。綜上，盡管許多國內外學者都已注意到了上游來流量對堰塞壩穩定性及其潰決過程的影響，但依然少有學者對上游來流量與堰塞壩潰決流量的關系進行單獨研究。

因此，本文通過一系列水槽實驗，探究了上游來流量對堰塞壩潰決流量及潰口特征的影響，研究成果能夠為認識水文條件對堰塞壩潰決的影響規律提供理論參考。

2 試驗設置

2.1 試驗土料

試驗采用人工配置泥沙，壩體土料參數為：3-5mm 細礫32.52%，2-3mm 細礫32.52%，0.075-0.1mm 細砂34.96%的非連續級配土料,土料不均勻系數為24，曲率系數為0.047。試驗采用的土料顆粒級配曲線如圖1 所示。

圖1 試驗土料顆粒級配曲線

2.2 試驗裝置

試驗模型中的水槽部分長10m、寬0.5m、高0.5m，坡度設置為15°，水槽側壁及底板均為有機鋼化玻璃，堰塞壩設置在距離供水裝置5m 處，上游來流量通過供水裝置處的電磁流量計控制，壩前水槽底板處埋置有孔隙水壓力傳感器，以便得出不同時刻壩前水位，用以計算潰決流量。在水槽側面、水槽末端及堰塞壩頂架設攝像機，記錄整個試驗過程。試驗裝置如圖2 所示。

圖2 試驗裝置示意圖

2.3 試驗工況

試驗模型以金沙江白格堰塞壩為原型，原型中壩體高度為61～100m，根據幾何相似的原則取模型與原型的壩體高度之比為1:300，作為幾何比尺λL。試驗中壩體高度設置為0.25m，壩頂長0.15m，壩底長0.65m，壩寬0.5m，壩體迎水坡及背水破傾角均為45°。試驗根據上游來流量的不同共分為5 組，上游來流量從小到大依次為0.3L/s、0.6L/s、0.8L/s、2L/s、6L/s，按照流量比尺λQ=λL2.5=1:3002.5換算成原型中的上游來流量分別對應為470m3/s、935m3/s、1250m3/s、3120m3/s、9350m3/s，5 組 流 量 值 跨 度較大，足夠模擬現實中大多數情況下的上游來流量條件，能夠得到不同上游來流量對潰決流量的影響規律。試驗工況如表1。

表1 不同工況下的試驗條件

3 試驗結果

3.1 堰塞壩潰決流量各階段特征

通過五組試驗發現，不同上游來流量條件下的堰塞壩潰決都是由漫頂造成的，五組試驗中潰決流量的發展過程基本相同，可大致將這一發展過程分為三個階段。以上游來流量為0.8L/s 時的潰決流量發展過程為例進行分析，其發展過程曲線如圖3 所示。

圖3 上游來流量為0.8L/s 時的潰決流量發展過程曲線

結合發展過程曲線對各階段潰決流量特征進行分析：從潰決開始到潰決進程達到10%左右為潰決過程第一階段，在此階段中潰決流量穩定增長，上游集水區水位超過堰塞壩壩高，堰塞壩由于漫頂溢流開始潰決，潰決流量從0 開始迅速增長，但由于此階段水流對堰塞壩侵蝕能力較弱，僅在堰塞壩背水坡形成一條較窄的沖溝，水流對堰塞壩的下切侵蝕尚不明顯，堰塞壩高度也沒有顯著改變，故潰決流量接近上游來流量后增長相對變緩；第二階段從潰決進程達到10%開始到潰決進程發展到60%左右結束，為峰值流量出現階段，隨著潰決流量的增加，壩頂及背水坡以上水位逐漸增高，水流侵蝕能力也逐漸增強，潰決流量在潰決進程發展到30%～40%左右達到峰值流量，隨后由于壩前水位的降低而開始緩慢減小；第三階段為潰決流量趨于穩定階段，從潰決進程達到60%后直至潰決過程結束，在此階段，隨著壩前水位的降低，上游集水區的下泄流量迅速減小，故潰決流量也開始迅速減小，最終與上游來流量保持一致，堰塞壩潰決過程結束。

3.2 上游來流量對潰決流量的影響

不同上游來流量下的潰決流量的發展過程曲線如圖4 所示，從圖4 中可以看出：不同上游來流量下的潰決流量發展趨勢基本一致；隨著上游來流量的增大，潰決流量發展曲線的波動程度顯著增大，峰值流量逐漸增大；圖中不同上游來流量下的潰決流量發展過程曲線經歷的時間隨著上游來流量的增大而逐漸縮短，由此可見上游來流量越大，堰塞壩潰決歷時越短；同時，隨著上游來流量的增大，發展過程曲線的峰值點也逐漸提前，可見，潰決流量的峰現時間隨著上游來流量的增大會有所提前，即上游來流量越大，峰現時間越早。

圖4 不同上游來流量時的潰決流量發展過程曲線

3.3 上游來流量對潰口的影響

為了分析上游流量對潰口的影響，選取了上游來流量分別為0.6L/s、2L/s 和6L/s 的三組分別代表低、中、高三種上游來流量的工況下的試驗進行對比觀察，如圖5。

從圖5（a）中可以看出，上游來流量增大，堰塞壩發生漫頂時的溢流面積也隨之增大，圖5（b）中則顯示，上游來流量增大，侵蝕作用結束后的壩體殘余體積將隨之減小。這是由于水流侵蝕作用范圍隨溢流面積的增大而有所擴大，故當上游來流量較小時，水流的侵蝕作用將主要集中在壩體中較為薄弱的一部分，潰口也就更容易集中在這一區域發展，潰口范圍較小，壩體殘余體積較大；而上游來流量大時水流則會對壩體進行整體沖刷侵蝕，潰口的范圍也會隨之擴大，故壩體殘余體積也就隨之減小。

圖5 堰塞壩不同潰決階段的潰口形態

4 結論

為探究上游來流量對堰塞壩潰決過程的影響，進行了一系列水槽試驗，得到的結論如下：

（1）不同上游來流量下的堰塞壩潰決流量發展過程基本相同，均可分為三個階段，峰值流量均在第二個階段出現，且潰決流量都在第三階段下降至與上游來流量保持一致。

（2）潰決歷時會隨上游來流量的增大而縮短；潰決流量的峰現時間會隨著上游來流量的增大而提前；峰值流量隨上游來流量的增大而增大。

（3）上游來流量越小，水流對壩體的侵蝕作用越容易集中在某一范圍內，潰口越小，堰塞壩潰決過程結束后的殘余壩體體積越大，上游來流量越大，則結果反之。