高危堰塞湖引流槽結構形式優(yōu)化試驗研究

周 招，蔡 耀 軍，彭 文 祥，李 建 清

(1.長江設計集團有限公司，湖北 武漢 430072； 2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430072； 3.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

作為高山峽谷地區(qū)一種重大頻發(fā)自然災害，堰塞湖主要是由于降雨、地震等動力地質作用導致邊坡坍塌失穩(wěn)形成的天然湖泊，堵塞天然河道的固體堆積物則稱為堰塞體。由于堰塞體攔阻天然河道正常下泄，堰塞湖庫水位不斷壅高，一旦漫頂，勢必造成堰塞體短時間內潰決，嚴重威脅下游地區(qū)人民群眾生命財產[1-4]。近年來，受極端氣候影響，堰塞湖形成更為頻繁，僅以2018年為例，西藏地區(qū)便形成4次高危型堰塞湖，其中白格堰塞湖最大潰決洪峰達到3.1萬m3/s，潰決洪水甚至下泄至下游580 km的麗江石鼓鎮(zhèn)才逐漸平息轉化為常態(tài)洪水。

相比于人工土石壩，堰塞體自然形成，物質結構疏松、顆粒級配寬泛，滲流和力學穩(wěn)定性較差，入庫水流持續(xù)侵擾及波浪涌浪極易造成堰塞體漫頂潰決[5-6]。堰塞湖險情具備破壞威力巨大及應急處置窗口期短等特點。眾多學者通過調查堰塞湖潰決歷史資料，指出大部分堰塞湖將在短時間內漫頂潰決[7-8]。石振明等[9]通過收集國內外1 298座堰塞湖潰決案例，指出1 h、1 d、1周、1個月、1 a之內潰決比例依次為9%，34%，50%，67%，86%。

堰塞湖潰決洪水次生災害影響嚴重、波及范圍廣泛，因而需采取一系列措施減輕、緩解潛在威脅，其中應用最為廣泛的工程措施即是引流槽除險技術，其核心思想是在堰塞體頂部縱向開挖引流槽，降低堰塞體過水高程，減小潰決洪峰[10-14]。唐家山堰塞湖及白格堰塞湖均是引流槽應急處置的典型成功案例，實踐表明潰決洪峰削減比例分別達到35%，28%。但蔡耀軍、楊啟貴等[7-8]指出，引流槽雖能一定程度降低堰塞湖潰決洪峰，但針對堰塞體坍塌及潰決洪峰過大等問題，當前并無良好技術手段能有效控制堰塞湖潰決過程。

當前關于堰塞湖引流槽結構形式研究甚少，針對堰塞湖潰決控制研究也鮮見報道。趙萬玉等[10]結合唐家山堰塞湖及小崗劍堰塞湖潰決過程初步提出人工引流槽可控堰塞湖泄流的處置方法，但指出引流槽寬深比等幾何參數(shù)及相應作用時段仍有待試驗進一步研究。本文通過室內物理試驗優(yōu)化調整引流槽橫、縱斷面結構形式，對比研究不同結構形式引流槽潰決洪水特點，為人工干預堰塞湖潰決的引流槽設計提供依據(jù)。

1 試驗設計

1.1 設計思路

根據(jù)白格堰塞湖現(xiàn)場應急處置工程經驗，堰塞湖潰決初期泄流效率低下、堰塞體坍塌緩慢，而潰決后期泄流過快、堰塞體坍塌失控，因此為緩解“初期排泄效率低、后期排泄太快而難于控制”的窘境[10]，本文通過優(yōu)化調整引流槽橫斷面及縱斷面結構形式，根據(jù)物理試驗研究引流槽結構形式對堰塞湖潰決過程的影響，降低堰塞湖潰決洪峰。

1.2 模型設計

本文參照白格堰塞湖幾何規(guī)模修筑堰塞體模型，其中堰塞體上下游壩坡分別為1∶2，1∶5，堰塞體頂寬(順河向)為1.5 m，垂直高度為1.0 m，橫河寬度為4.0 m，堰塞體整體模型順河向長為17.5 m。為保證潰決洪水庫容充足，模型上游側布置18 m×4 m(長×寬)的庫區(qū)，模型最大庫容可達到384 m3。模型整體布置如圖1所示，主要包括上游庫區(qū)、堰塞體試驗段及下游水庫。

圖1 模型布置(尺寸單位：m)Fig.1 Model layout

為記錄堰塞體潰決過程，在堰塞體上下游分別布置高清攝像機，并在堰塞體表面繪制白色膩子粉矩形網格(20×20 cm)，用于參照記錄堰塞體坍塌。庫區(qū)布置高頻水位計監(jiān)控水位變化(精度±1 mm，頻率1 Hz)。

1.3 堰塞體物質組成

堰塞體物質結構組成直接影響潰決水流沖刷掏蝕速度，細顆粒級配堰塞體潰決沖刷速度較快、粗顆粒級配堰塞體潰決速度相對緩慢。為體現(xiàn)堰塞體寬級配特征，本次試驗選用如表1所列砂石料，其中平均粒徑D50=0.69 mm。

表1 堰塞體物質顆粒級配組成Tab.1 Grain gradation composition for the barrier body

1.4 試驗方案設計

結合白格堰塞湖實際入庫流量，選定模型入庫流量Qin=8.3 L/s。引流槽隨潰決過程不斷動態(tài)變化，潰決流量難以實時監(jiān)測，本文所筑堰塞湖庫區(qū)幾何形狀規(guī)整，因而可利用庫水位變化估算潰決實時流量，即堰塞湖潰決流量可通過水量平衡方程計算

dW/dt=Qin-Qout

式中：W為堰塞湖庫容；t為時間；Qin為堰塞湖入庫流量，在試驗過程中保持恒定；Qout為堰塞湖潰決流量。

針對引流槽潰決“初期排泄效率低、后期排泄太快而難于控制”的窘境，本文在梯形斷面引流槽基礎上優(yōu)化調整橫、縱斷面結構形式，提出復式引流槽及陡坎引流槽，對比研究引流槽結構形式對堰塞湖潰決洪水影響。本文共布置6組不同結構形式引流槽試驗方案，各方案具體設計如表2所列。

表2 試驗方案設計Tab.2 Test scheme desigh

其中梯形引流槽Ⅰ為常規(guī)梯形斷面引流槽，梯形兩側邊坡坡比為1∶1.3，底寬和頂寬分別為3.8 cm及52.5 cm，縱向坡降i1=0.01；復式引流槽及陡坎引流槽橫向均為相同復式斷面，即在梯形斷面底部垂直開挖2 cm×2 cm矩形凹槽，但各方案引流槽縱向存在顯著差異。復式引流槽Ⅰ及復式引流槽Ⅱ分別為縱向緩坡引流槽(i1=0.01)及縱向平坡引流槽(i1=0)。

陡坎引流槽即在引流槽下游側垂直開挖陡坎并通過陡坡(i2=0.1)銜接過渡至下游壩坡，陡坎引流槽Ⅰ、陡坎引流槽Ⅱ及陡坎引流槽-陡垂直陡坎高度依次為h=3.8，6.3，6.3 cm。為驗證入庫流量對潰決洪水影響，陡坎引流槽Ⅱ及陡坎引流槽Ⅲ入庫流量分別設置為5.6，8.3 L/s。引流槽典型橫斷面及縱斷面布置如圖2所示。

圖2 復式斷面聯(lián)合垂直陡坎引流槽布置(陡坎引流槽Ⅱ)Fig.2 Compound spillway layout with vertical scarp (Vertical scarp spillway Ⅱ scheme)

1.5 試驗工藝流程

(1) 按照表1所示顆粒級配組成，通過人工篩分砂礫料并攪拌混合均勻，分層填筑堰塞體模型，其中每鋪20 cm厚便利用20 kg鋼管人工碾壓，確保砂石料致密均勻，直至堆積至預設高度。

(2) 待模型填筑完成后，按表2各方案開挖引流槽，并利用水準儀及鋼尺對引流槽高程及幾何尺寸校核，確保誤差控制在±1 mm之內。在堰塞體表面鋪設膩子粉、繪制矩形網格。

(3) 開啟供水閥門，待庫區(qū)水位緩慢上漲至距引流槽底坡30 cm時關閉閥門，充分浸泡堰塞體2 h，模擬堰塞湖水位緩慢上漲過程。

(4) 隨后按照表2所示，開啟供水閥門，調整入庫流量，待庫區(qū)水位上漲至引流槽底坡時，潰決過程開始，記錄該時刻t=0，堰塞體上下游高清攝像機開始記錄堰塞體潰決發(fā)展過程。

(5) 待潰決水流沖刷壩體達到穩(wěn)定時，即堰塞湖水位不會發(fā)生明顯下降時，關閉進水管閥門，停止供水，堰塞湖潰決模擬過程結束。隨后重新堆筑堰塞體模型，重復操作試驗。

2 試驗結果分析

堰塞湖潰決過程復雜，主要涉及到潰決水流橫向展寬及縱向下切掏蝕堰塞體變化過程，本文將從堰塞湖潰決水流流態(tài)、堰塞湖庫水位及潰決流量等方面揭示引流槽結構形式對潰決洪水的影響。

2.1 潰決水流流態(tài)

堰塞湖潰決洪水不斷橫向展寬及縱向下切掏蝕引流槽，造成過流寬度及水頭不斷增大，沖刷能力持續(xù)增強，從而引起堰塞體坍塌。當前關于堰塞體坍塌過程尚存在爭議：牛志攀等[5]指出堰塞體潰決初期主要以縱向下切為主，潰決后期以橫向展寬為主；劉杰等[2]和張婧等[4]認為堰塞湖潰決過程中縱向下切與橫向展寬基本同時進行。本文結合不同結構形式引流槽，通過物理試驗反復觀測堰塞體潰決過程，如圖3所示。將堰塞湖潰決過程劃分為潰決初始階段、溯源沖刷階段、快速發(fā)展階段及恢復穩(wěn)定階段。各階段特征如下。

(1) 潰決初始階段。待庫水位緩慢上漲至引流槽時，引流槽內壅高水流呈縱向“匍匐”前進，待運動至下游壩坡時，因勢能轉換，壩坡面潰決水流流速稍有增大，沖刷搬運能力有所增強，潰決水流不斷呈現(xiàn)停滯-前進狀態(tài)反復交替運行，壩坡面形成如圖3(a)所示“辮狀”細小沖蝕溝，溝沿、溝坡以及溝底清晰可見，大顆粒砂石料則被推移至溝坡兩側呈扇形堆積。待潰決水流運動至下游壩坡坡腳形成貫通連續(xù)式水股時，潰決水流流速明顯增加，壩坡面細顆粒呈連續(xù)式滾動。

(2) 溯源發(fā)展階段。因堰塞體顆粒級配差異，下游壩坡面局部區(qū)域率先形成凹凸起伏跌坎。潰決水流不斷縱向沖擊跌坎水平面，并在跌坎凹角處形引起局部橫軸渦旋，反向掏蝕跌坎垂直面，致使跌坎崩塌并不斷回溯下切，形成更大落差跌坎。與傳統(tǒng)土石壩潰決過程不同，堰塞體壩體厚實，縱向規(guī)模通常遠大于垂直規(guī)模，因而隨著潰決流量增大，如圖3(b)所示，各級跌坎在下游壩坡不斷沿程回溯、甚至交匯融合。待陡坎回溯發(fā)展至引流槽潰口時，因上游壩坡無砂石料等重物覆蓋保護，壩坡面迅速被陡坎回溯“擊穿”，潰決水流水頭及流量急速增大，沖刷掏蝕能力快速增強。

(3) 快速發(fā)展階段。待溯源陡坎回溯“擊穿”堰塞體上游壩坡時，潰決流量迅速增大，潰決水流不斷橫向展寬掏刷引流槽邊坡及縱向下切掏蝕引流槽底坡，堰塞體大幅度坍塌，坍塌砂石料被快速帶走，引流槽內潰決水流如圖3(c)所示，翻滾、涌動，表層清澈潰決水流迅速發(fā)展轉變成渾濁水流，堰塞湖庫水位快速下降。隨后因堰塞湖庫區(qū)囤蓄洪水不足，潰決流量快速下降，但仍遠大于入庫流量，潰決水流沖刷能力逐漸減弱，堰塞體呈間隙性坍塌。

(4) 恢復穩(wěn)定階段。待引流槽內潰決流量逐漸降低，下泄水流流速及沖刷能力亦逐漸減弱，引流槽內水流流態(tài)趨于平穩(wěn)，細顆粒材料呈散粒料式在引流槽內隨潰決水流滾動，粗顆粒材料逐漸裸露出并形成粗化保護層，潰槽內自上而下粗細顆粒砂石料依次堆積，堰塞體坍塌逐漸趨于穩(wěn)定，如圖3(d)所示。

圖3 堰塞湖潰決流態(tài)Fig.3 Flow pattern for outburst flow

盡管各方案堰塞湖潰決洪水過程普遍包含上述階段，但受引流槽結構形式影響，各方案亦存在局部差異。相比于梯形引流槽方案相對較高的堰塞體過水高程，復式引流槽方案因明顯降低了堰塞體過水高程，因此相同庫水位下，引流槽內潰決水流水頭更高、潰決流速更大，因而明顯縮短了潰決初始階段歷程，降低了堰塞湖最大壅高水位及蓄水庫容。尤其是復式引流槽Ⅰ方案，引流槽縱向緩坡有助于增大潰決水流流速，加速潰決初始階段發(fā)展；而復式引流槽Ⅱ方案的平坡引流槽使沿程摩阻增大，因而潰決水流運動相對遲緩，但仍然快于梯形引流槽。

引流槽下游側垂直陡坎及陡坡的存在，使勢能轉化加快，明顯增大了潰決水流流速，使?jié)Q初始階段加速發(fā)展。但因試驗比尺原因，相比于砂石料顆粒粒徑，垂直陡坎高度有限，潰決水流搬運砂石料極易快速填平垂直陡坎，試驗現(xiàn)場難以出現(xiàn)類似于瀑布狀臨空跌落水股。但下游側陡坡仍能明顯增大潰決水流流速，加速水流下切沖刷，相比于梯形斷面引流槽方案，其溯源陡坎的產生明顯提前，尤其是陡坎引流槽Ⅲ方案的大落差跌坎能加速溯源陡坎形成。

綜合圖3各階段潰決水流流態(tài)，可發(fā)現(xiàn)潰決初始階段及溯源沖刷階段潰決水流沖刷掏蝕引流槽主要以縱向下切為主，待溯源陡坎回溯發(fā)展至上游壩坡時，潰決水流迅速縱向下切并造成引流槽邊坡底部坍塌失穩(wěn)，從而引起潰決水流大幅度橫向展寬發(fā)展，使過流斷面寬度及深度不斷增大。

2.2 堰塞湖庫水位變化

各方案堰塞湖庫水位隨堰塞體潰決坍塌的變化過程如圖4所示。普遍呈現(xiàn)先平穩(wěn)上漲后緩慢下降，隨后快速下降直至恢復穩(wěn)定的變化規(guī)律。本文將庫水位變化過程劃分為平穩(wěn)上漲、緩慢下降、快速下降以及恢復穩(wěn)定4個特征階段，各特征階段與堰塞湖潰決過程緊密相關。總結各方案庫水位特征階段的時長發(fā)現(xiàn)，各特征階段時長大致占據(jù)潰決總時長的30%～40%，5%～10%，10%～20%，30%～40%。

圖4 各方案堰塞湖水位變化Fig.4 Reservoir water level variation for each scheme

各方案堰塞湖庫水位特征階段時長如表3所列。梯形引流槽方案各特征階段時長依次為0→1 270 s，1 270→1 400 s，1 400→1 700 s，1 700→2 800 s，堰塞湖最大壅高水位為0.861 m。

表3 堰塞湖水位變化時段Tab.3 Variation period for reservoir water level

相比梯形引流槽庫水位緩慢發(fā)展過程，復式引流槽各方案庫水位平穩(wěn)上漲階段明顯縮短，最大壅高水位明顯降低。復式引流槽Ⅰ方案各特征階段時長依次為0→900 s，900→1 100 s，1 100→1 500 s，1 500→2 600 s，最大壅高水位為0.856 m；復式引流槽Ⅱ方案各特征階段時長依次為0→1 000 s，1 000→1 200 s，1 200→1 700 s，1 700→2 450 s，最大壅高水位為0.859 m。由此說明復式斷面引流槽能提升大潰決初始階段過流效率，加速潰決初始階段發(fā)展，從而減小堰塞湖蓄水庫容，降低潰決洪峰。

相比于復式引流槽庫水位變化過程，陡坎引流槽更進一步加速潰決初始階段發(fā)展、縮短庫水位平穩(wěn)上漲階段時長，尤其是陡坎引流槽Ⅲ方案，其特征階段時長依次為0→680 s，680→900 s，900→1 400 s，1 400→1 920 s，最大壅高水位降低至0.849 m。其主要原因是垂直陡坎有助于增大潰決水流流速、加速溯源陡坎下切掏蝕引流槽底坡。此外，陡坎引流槽Ⅱ方案庫水位變化過程明顯滯后于陡坎引流槽Ⅲ方案，其主要原因是低入庫流量造成引流槽內潰決水流流速較小，沖刷掏蝕能力下降，使堰塞湖潰決過程緩慢發(fā)展，該過程甚至滯后于梯形引流槽方案。

2.3 潰決流量變化

各方案潰決流量變化過程如圖5所示。普遍呈現(xiàn)先緩慢上漲隨后快速上漲、快速下降直至恢復穩(wěn)定的變化規(guī)律。本文將堰塞湖潰決流量變化過程依次劃分為緩慢上漲、快速上漲、快速下降以及恢復穩(wěn)定4個特征階段。

圖5 堰塞湖潰決流量變化過程Fig.5 Variation process for outburst flow

各特征階段時長如表4所列。梯形引流槽方案潰決流量各特征階段時長依次為0→1 300 s，1 300→1 700 s，1 700→2 150 s，2 150→2 800 s，潰決洪峰為386 L/s。與庫水位變化過程類似，復式引流槽潰決流量各特征階段均有所提前，潰決洪峰顯著降低。尤其是復式引流槽Ⅰ方案，其各特征階段時長依次為0→950 s，950→1 320 s，1 320→1 800 s，1 800→2 600 s，潰決洪峰降低至320 L/s，比梯形引流槽方案低17.0%。

表4 堰塞湖潰決洪水各特征階段Tab.4 Characteristic periods of breaching flow

相比于復式引流槽潰決洪水變化過程，陡坎引流槽能更進一步加速堰塞湖潰決發(fā)展，潰決洪水各特征階段普遍提前，但亦會稍稍增大潰決洪峰，并且該趨勢隨陡坎高度增大而越明顯。陡坎引流槽Ⅰ方案及陡坎引流槽Ⅲ方案最大潰決洪峰分別達到323 L/s和342 L/s，依次比復式引流槽Ⅰ方案大0.9%，6.9%，但依然比梯形引流槽方案潰決洪峰低16.3%，11.4%。

相比于陡槽引流槽Ⅲ方案的潰決流量加速發(fā)展過程，陡槽引流槽Ⅱ方案潰決流量發(fā)展顯著滯后(甚至滯后于梯形引流槽方案)，各特征階段時長依次為0→1 750 s，1 750→2 070 s，2 070→2 590 s，2 590→2 990 s，潰決洪峰降低至276 L/s，比陡槽引流槽Ⅲ方案低19.3%。

綜合對比梯形引流槽、復式引流槽及陡坎引流槽潰決流量變化過程可知，復式斷面引流槽降低了堰塞體過水高程，因而加速潰決初始階段發(fā)展，降低堰塞湖潰決洪峰，削峰比例最大可達17.0%；而垂直陡坎能更進一步加速潰決初始階段發(fā)展，但亦會稍稍增大潰決洪峰，并且該趨勢隨陡坎高度增大而更為明顯，因而削峰比例有所降低，但最低仍然可達到11.4%。

3 討 論

由上述研究可知，不同結構形式引流槽對堰塞湖潰決過程影響顯著，但受制于堰塞湖復雜潰決過程，當前關于引流槽結構形式研究相對較少。在堰塞湖應急處置現(xiàn)場，通常根據(jù)庫水位上漲情況及施工開挖進度準備多組引流槽開挖方案，以備臨時調整。

蔣先剛等[16]通過物理模型試驗總結了堰塞湖潰決過程，指出漫頂潰決水流會不斷下切侵蝕引流槽增大過流深度，并側向侵蝕引流槽增大過流寬度，其中側向侵蝕是指潰決水流掏蝕引流槽坡腳造成邊坡懸空而垮塌。Yang等[17]通過水槽試驗指出潰決水流溯源沖刷及展寬下切將直接影響堰塞湖潰決發(fā)展，潰決洪峰將隨潰決流量增大而提前形成。與蔣興剛、Yang等人研究類似，本文亦通過物理試驗，指出潰決水流沖刷掏蝕堰塞體主要包括橫向展寬及縱向下切，其中溯源沖刷階段主要以縱向下切為主、潰決快速發(fā)展階段縱向下切及橫向展寬并行發(fā)展，展寬寬度通常大于下切深度。

陳生水等[18]通過數(shù)學模型指出引流槽斷面型式及深度對堰塞湖潰決洪水有重要影響，隨著引流槽深度增大泄流效率不斷增加，但亦會增大潰決洪峰，造成下游地區(qū)承擔更大風險。趙天龍等[19]利用離心模型對比梯形、三角形及復式斷面引流槽研究堰塞湖潰決洪水過程，指出復式斷面引流槽初期泄流效率較高、潰決洪峰較小，潰決洪水過程曲線具有“矮胖型”特征。周宏偉等[15]則根據(jù)堰塞體物質結構組成，提出寬坦型引流槽適用于細顆粒砂石料組成的堰塞體，窄深型引流槽適用于碎石夾雜大孤石組成的堰塞體。趙萬玉等[10]利用水力最佳斷面概念得出梯形斷面寬深比與邊坡系數(shù)關系，并基于抗沖穩(wěn)定性認為邊坡系數(shù)取值1∶1.5較佳。楊興國等[20]借助唐家山堰塞湖潰決實例，指出縱向坡降亦會直接影響引流槽泄流能力，先陡后緩型引流槽開挖工程量偏大，不利于應急搶險，先緩后陡型引流槽有助于提升初始階段過流效率。與上述學者研究類似，本次物理試驗亦說明復式斷面引流槽能加速潰決初始階段發(fā)展，提升過流效率，降低潰決洪峰；但與前人研究不同的是，垂直陡坎能更進一步加速潰決初始階段發(fā)展，縮短堰塞湖蓄水時間，加速堰塞體坍塌，雖稍稍增大潰決洪峰，但有效降低堰塞湖庫區(qū)最大壅高水位。

總體而言，以降低潰決洪峰為目標，避免下游承擔更大風險為依據(jù)，則3組不同結構形式引流槽泄洪效率由高至低依次為復式引流槽、陡坎引流槽、梯形引流槽。若以提升潰決初期排泄效率為目標，避免上游庫區(qū)更大程度淹沒損失為依據(jù)，則三組不同結構形式引流槽泄洪效率由高至低依次為陡坎引流槽、復式引流槽、梯形引流槽。

4 結 論

本文根據(jù)室內物理試驗，對比研究不同結構形式引流槽潰決洪水特點，重點分析堰塞湖庫水位及潰決流量變化，得出如下結論：

(1) 堰塞湖潰決洪水過程普遍可劃分為潰決初始階段、溯源沖刷階段、快速發(fā)展階段以及恢復穩(wěn)定階段，引流槽結構形式并不改變堰塞湖潰決過程屬性，但復式斷面及垂直陡坎普遍能加速潰決發(fā)展進程。

(2) 復式引流槽降低堰塞體過水高程，能提升潰決初始階段過流效率，加速潰決發(fā)展，降低潰決洪峰，相比于梯形斷面引流槽，其可使最大潰決洪峰降低17.0%。

(3) 垂直陡坎能進一步增大潰決水流局部流速，加速潰決水流溯源沖刷，加快堰塞湖潰決發(fā)展進程，降低堰塞湖最大壅高水位，但亦會稍稍增大潰決洪峰，削峰效果有所降低，但相比于梯形引流槽，陡坎引流槽削減潰決洪峰最低仍能達到11.4%。