冰崩涌浪作用下的冰湖潰決過程試驗研究

阮合春, 陳華勇*, 陳曉清, 趙萬玉, 陳劍剛, 李霄, 俞昀晗

(1.中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室, 成都 610299; 2.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所, 成都 610299; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

全球氣候變暖致使冰川強烈消融退化[1],在水量供給上增加了冰湖潰決風險[2];同時,冰崩也呈增加趨勢;由冰崩形成的涌浪演進至壩體后,對壩體的穩定性構成嚴重威脅[3]。例如:1988 年7月15日米堆溝冰湖潰決型泥石流堵塞帕隆藏布江,潰決洪水危及下游97 km 外的波密縣城,川藏線中斷長達半年之久[4];2013年7月5日然則日阿錯冰湖發生潰決,潰決洪水致使嘉黎縣忠玉鄉大面積受災,受災人數達1 160人,大量交通、房屋、農田被沖毀,直接經濟損失高達2.7億元[5]。

目前,在滑坡型堰塞壩潰決方面取得了大量研究成果,包括壩體潰決過程[6-7]、潰決流量預測[8]、壩體內部孔壓變化[9]等,但滑坡型堰塞壩與冰磧壩在形成過程、幾何形態、壩體內部組成、結構特征、運行狀況、潰決激發因素等方面存在顯著差別,因此,這些成果難以應用于冰磧壩中。揭示冰崩涌浪作用下冰磧壩的潰決過程與機理是對冰湖潰決災害進行準確風險評估的關鍵前提條件。在冰湖潰決方面,劉威等[10]將滑坡誘發冰湖潰決災害鏈危害劃分為滑坡運動、涌浪傳播、冰湖潰決和洪水傳播4個階段,對整個過程進行了模擬,但滑坡涌浪與冰崩涌浪存在很大差別,并且模擬洪峰流量過程中采用了傳統的滑坡壩經驗模型,并不適用于一般的冰磧壩。郝盛藍[11]通過物理模擬實驗研究了冰塊落入冰湖后產生涌浪高度的沿程衰減規律,但并未涉及冰磧壩的潰決等相關內容。Bazai等[12]以庫爾多平冰川(喀喇昆侖)為例,闡明了冰崩涌浪的關鍵行為特征,使用冰湖潰決洪水數據集研究了1880—2020年以19～20 a間隔發生的與Khurdopin冰川相關的7次浪涌周期性規律,但并未涉及冰崩涌浪激發冰磧壩潰決的動力過程。Majeed等[13]使用水動力學模型HEC-RAS進行了2014年Gya冰湖潰決洪水的重建和潛在危險評估,但并未研究冰磧壩的潰決過程及誘因等內容。周路旭等[14]通過模擬建立數學模型,推算出以冰磧湖湖寬和湖長為變量的冰湖體積表達式,并利用龍巴薩巴冰湖進行案例驗算,驗證了公式的有效精確性。以上研究均未對冰崩涌浪引起的冰磧壩潰決過程進行系統深入的研究。

隨著人類經濟活動不斷向山區延伸,特別是眾多關乎國計民生的重大工程(如在建的川藏鐵路、雅魯藏布江梯級水電工程等)不斷向高寒山區展布,冰湖潰決洪水及致災區與重大工程布置區和山區城鎮布局高度重疊。因此,開展冰崩涌浪作用下冰湖潰決過程及機理的研究,為冰湖潰決的防災減災提供參考顯得尤為重要。通過水槽模型試驗,研究在冰崩涌浪作用下,不同顆粒級配、壩高、下游壩坡坡度時冰磧壩的潰決模式和過程,分析冰崩涌浪對冰磧壩潰決的影響以及潰決峰值流量的變化規律,從動力學的角度提出冰磧壩漫頂潰決臨界條件的判別方法。

1 研究方法

1.1 試驗裝置

試驗在中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所的實驗大廳內進行。整個試驗裝置主要由水池、主水槽、廢料池、滑板4個部分組成,均為鋼結構(圖1)。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental apparatus

水池尺寸為1.5 m(長)×1.0 m(寬)×1.0 m(高),可通過進水閥調節上游來水流量,最大供水流量為4.0 L/s,用于充當冰湖的庫盆。主水槽長4 m、寬0.4 m、高0.4 m,縱坡為1°,用于模擬天然河道。水槽兩側為全透明的鋼化玻璃,并貼有1 cm×1 cm的全透明高清網格紙,通過水槽兩側的全透明鋼化玻璃,可以直接觀測到水槽內的試驗現象,尤其是潰口的縱向演化過程和潰口水流的水力特性等。尾料池長1.0 m、寬1.0 m、高0.8 m,用于回收廢料。冰磧壩按設計形狀布置于水池末端,即水槽的首端。滑板布置于水池的首端,長2.0 m,寬0.4 m,坡度為25°,滑塊為邊長為20 cm的立方體,在滑板上的滑動距離為1.2 m,為了保證每一次試驗時,滑塊入水時的沖擊面相同,在滑板中安裝了一個寬度為22 cm的滑軌,避免滑塊在滑動過程中發生旋轉。

1.2 試驗設備

試驗過程中用到試驗所需設備主要為智能數字壓力傳感器、流量計、4 K攝像機、彩色示蹤小球、土工實驗標準篩、激光粒度儀、攪拌車等。智能數字壓力傳感器用于監測孔隙水壓力以及水位。型號為DY202,測量精度為0.1%,最大量程為20 kPa,過載能力為150%;將傳感器布置于壩前,可實時監測上游水位的變化,進一步采用水量平衡方程,可計算得到潰決流量的變化過程,同時還可監測動水壓力。4 k攝像機用于實時監測冰磧壩的潰決過程,幀率為25幀/s,實驗所需的4個攝像機分別布置于壩頂、壩體左側、壩體下游、水池左側,見圖1。土工實驗標準篩和激光粒度儀用于測量壩體的顆粒級配。攪拌車用于制備壩體材料,保證壩體的均質性。

1.3 方案設計

為了研究不同影響因子對冰崩涌浪作用下冰磧壩的潰決機理,選取了顆粒級配、壩高、下游壩坡坡度3個變量;其中,顆粒級配考慮了5種工況,含兩種極端工況:高細顆粒含量(GSD01)、高粗顆粒含量(GSD02),粗細含量以1.0 mm為區分界限,顆粒級配曲線見圖2;壩高考慮了5種工況(壩高分別為10、15、20、25、30 cm),下游壩坡坡度考慮了6種工況(坡度分別為20°、25°、30°、35°、40°、45°),共16種工況,試驗采用控制變量法進行,詳見表1。上游壩坡坡度為35°,來水流量為0.3 L/s,壩頂寬度為10 cm,壩體初始含水量為3.5%。為了觀測潰口的下切過程及潰口水力特性,在冰磧壩壩頂最左側人為開挖一個深4 cm、寬5 cm的初始潰口,引導潰口發生單向側蝕,詳見圖3。此外,為了讓試驗更加接近實際情況,在堆筑壩體時,均未對土體進行壓實,僅將土料放置于設計位置后對土體進行輕微修飾成設計形狀。試驗時,在壩體剛開始溢流時開始釋放冰滑塊。

表1 試驗工況設計Table 1 Design of experimental schemes

圖2 冰磧壩顆粒級配曲線Fig.2 Grain gradation curve of moraine dams

H為壩高;α為下游壩坡坡度

如圖3所示,為了監測涌浪對壩體的作用,在上游壩坡中部布設了一個水壓傳感器(2#),用于監測涌浪給壩體提供的外部荷載。此外,還在壩體上游水面波動較小的區域(上游壩腳角隅處)布設了一個水位傳感器(1#),用于監測庫水位的變化,進而根據水量平衡方程計算潰決流量。

2 試驗結果

2.1 冰磧壩潰決模式

根據試驗研究發現,在冰崩涌浪的激發作用下,冰磧壩的潰決出現了漫頂溢流潰決,壩坡失穩、管涌破壞3種模式,占比分別為68.75%、25.0%、6.25%,不同試驗方案的潰決模式見圖4。

圖4 冰磧壩的潰決模式Fig.4 The modes of moraine dam failure

在蓄水過程中,隨水位的不斷上升,雖然壩體內仍存在明顯的滲流,并在下游坡面上形成了濕潤區[圖4(a)],但壩體并未發生滲透破壞,即使在水位蓄滿和發生冰崩涌浪后仍處于穩定狀態,壩體是以過壩水流逐漸侵蝕下游坡面和壩頂土體顆粒材料而潰決的[圖4(a)],這種潰決模式稱為漫頂潰決,也是最常見的一種潰決模式。

對于壩體細顆粒含量較少的壩體,如工況G02,壩體具有較高的滲透系數,在水位上升過程中,滲流不斷將大顆粒之間的細顆粒帶走,滲流通道不斷發展擴大,致使通道上部土體的穩定性急劇下降[圖4(b)],當滲流通道發展到一定程度或者在上游冰崩涌浪的瞬時荷載作用下,下游壩坡會發生整體失穩,最終導致壩體潰決,放大潰決流量,這種潰決模式稱為管涌破壞。

與漫頂潰決和管涌破壞不同的是,當壩體顆粒級配較為均勻(即細顆粒不能通過較大顆粒的空隙中流出)時,在滲流力作用下,下游坡面的坡腳處會出現流土破壞,從而導致局部土體的流失,削弱了下游壩坡的穩定性,最終在蓄水過程中或者在上游冰崩涌浪的瞬時荷載作用下發生了下游壩坡失穩破壞[圖4(c)]。另外,即使下游坡面沒有發生流土,僅在浸潤線升高和涌浪瞬時荷載作用下,壩體也可能發生下游壩坡的失穩破壞,最終導致壩體潰決,工況S05就屬于該種潰決模式。

2.2 冰磧壩潰決過程

冰磧壩的潰決過程是一個多因素共同作用的結果,因其黏粒含量很低,潰決過程中不像泥石流壩和部分滑坡壩一樣存在明顯的溯源侵蝕,而是壩頂和下游壩坡同時被過壩水流侵蝕下切,潰口的縱向演化全過程并無明顯的特征轉化,潰決歷時也相對較短;但冰崩涌浪形成初期對壩體的侵蝕促進作用較為顯著,涌浪形成后期(即涌浪急劇削弱后)的侵蝕過程類似庫區靜水溢流侵蝕。因此,根據冰崩涌浪對壩體的侵蝕效應,結合潰口的縱向演化過程,將冰磧壩的潰決過程劃分為兩個階段:涌浪侵蝕階段(階段Ⅰ)、庫區小擾動溢流侵蝕階段(階段Ⅱ),其中階段Ⅱ中包含了潰口的快速下切和衰退兩個過程。現以工況G03為例進行解釋。

通過試驗測試得到了工況G03漫頂潰決的潰口縱向和橫向演化過程(圖5、圖6),t=0 s是指壩體剛開始溢流的時刻,隨后在上游施加冰滑塊激發涌浪。

圖5 冰磧壩的潰口縱向演化過程(工況G03)Fig.5 Longitudinal evolution process of the moraine dam failure (G03)

圖6 冰磧壩潰口橫向展寬演化過程(工況G03)Fig.6 Lateral Evolution process of the moraine dam failure (G03)

t=0～40 s為涌浪侵蝕階段(階段Ⅰ)。在此階段,涌浪波強烈,具有強水動力條件的涌浪爬高翻過壩體后對壩頂及下游壩坡產生嚴重侵蝕[圖5(b)、圖6(b)],迅速擴大潰口。在此階段末,涌浪波已嚴重衰減,在壩前已不明顯[圖5(c)、圖6(c)]。此外,此階段中潰口的橫向展寬過程不明顯,因潰口高度較低,發生側向坍塌的概率較低。

t=40～105 s為庫區小擾動溢流侵蝕階段(階段Ⅱ)。在此階段中,由于涌浪波已不再明顯,涌浪對潰決過程的貢獻微弱,但由于涌浪在階段Ⅰ中擴大了潰口,形成了一個暢通的潰決通道,在階段Ⅱ中仍能正常潰決,只是此時的潰決過程基本等同于沒有涌浪時的溢流潰決過程,潰口快速下切和展寬[圖5(c)、圖5(d)、圖6(c)、圖6(d)],并且伴隨著潰口邊坡的間歇性坍塌[圖6(c)],洪峰流量也出現在本階段。在此階段末,潰口發展基本恒定,潰決流量趨于來水流量(0.3 L/s)。

2.3 冰崩涌浪對冰磧壩潰決的影響

為了進一步分析涌浪對冰磧壩潰決過程的影響,選取A、B、C、D、E共5個斷面[圖7(a)]研究涌浪波過壩時的水深h、水流流速v和侵蝕率E,其中,侵蝕率是指單位時間內的侵蝕深度。

當涌浪形成初期,每一波涌浪之間存在明顯的界限,如工況G03[圖7(b)～圖7(d)],t=23 s時剛好為第一波涌浪形成前1 s[圖7(b)],t=24 s時第一波涌浪形成并翻越壩頂[圖7(c)],t=25 s時第一波涌浪結束[圖7(d)],也剛好為第二波涌浪的開始,即第一波涌浪共持續了2 s。通過視頻錄像提取了每個斷面位置處第一波涌浪歷時內及涌浪產生前的平均水深、平均流速和平均侵蝕率,結果如圖8所示。

圖8 第一波涌浪在不同斷面處的動力學參數變化(工況G03)Fig.8 Variation of dynamic parameters of the first surge at different sections (G03)

從圖8中可以看出,涌浪產生前的斷面平均水深、潰口平均流速、平均侵蝕率明顯小于涌浪產生后。表明涌浪的作用加快了壩體的侵蝕,促進了壩體的潰決過程。

圖9為工況G03上游壩面中部(測點2#)階段Ⅰ的水壓變化過程,從圖9中可以看出,在涌浪產生前測點2#的水壓力在0.62 kPa左右,涌浪產生后形成了較大的瞬時荷載作用于壩體上,如第一波涌浪在測點2#處產生的最大水壓力達到0.88 kPa,為無涌浪時測點2#處水壓的1.35倍,這種在涌浪傳播期提供的水壓力作用于壩體上,必將大幅削減壩體的穩定性。

圖9 上游壩面中部(測點2#)階段Ⅰ的水壓變化過程(G03)Fig.9 Change process of water pressure in the middle of upstream dam face (measuring point 2 #) in stage Ⅰ(G03)

綜上所述,冰崩涌浪對冰磧壩潰決的影響主要有兩方面:一方面,涌浪過壩后的強水動力條件增加了壩體的侵蝕率,壩體的初始潰口發展加快,促進了壩體的潰決,當潰口貫通后,涌浪已基本消散,為正常的溢流潰決;另一方面,涌浪提供的瞬時荷載,減小了壩體的穩定性,易導致壩體失穩潰決。

2.4 冰磧壩潰決臨界條件

壩體潰決是一個壩體顆粒材料與過壩水流相互作用的復雜過程,二者共同決定了壩體發生潰決的臨界條件。因壩體含有多種粒徑組成,按以往分析壩體單顆粒的起動條件作為壩體潰決臨界條件的方法與實際情況存在較大差距。從土體侵蝕的角度來分析壩體的臨界潰決條件,當壩體侵蝕率E<0時,壩體不會發生漫頂潰決;侵蝕率E>0時,壩體會發生漫頂潰決;侵蝕率E=0時,壩體處于臨界潰決狀態。

在計算侵蝕率時,通常都從動力學的角度,考慮水流剪切力τ與土體臨界剪切力τc的平衡條件來構建經驗關系式,以下線性關系的侵蝕率模型被廣泛應用于堰塞壩的潰口發展侵蝕計算中[15-16],表達式為

E=k(τ-τc)

(1)

式(1)中:k為侵蝕率系數;τ為水流剪切力,Pa;τc為土體的臨界剪切力,Pa。

水流剪切力τ采用式(2)計算[17-19],表達式為

(2)

式(2)中:ρw為水的密度,取1.0 g/cm3;g為重力加速度,取9.81 m/s2;h為平均水深,m;v為潰口流速,m/s;n為曼寧系數,可用式(3)進行計算[20-21],表達式為

(3)

式(3)中:D50為土體質量累計百分數達到50%時所對應的粒徑大小,即中值粒徑;An是一個經驗系數,對于小比尺室內模型實驗,An=16,對于原型或大比尺模型實驗,An=12[20]。

臨界切應力τc采用經驗公式計算[22-23],表達式為

(4)

式(4)中:g為重力加速度,取9.81 m/s2;ρs為土體顆粒密度,g/cm3;φ為內摩擦角,(°)。

已有研究表明,侵蝕率系數k均大于0[21,24], 故當(τ-τc)>0時,壩體會發生漫頂潰決;當(τ-τc)<0時,壩體不會發生漫頂潰決;當(τ-τc)=0時,壩體處于臨界狀態。通過試驗測試,采用式(1)～式(4)計算了5種不同顆粒級配試驗工況的臨界剪切力(τc)和水流剪切力(τ),計算結果見表2。可以看出工況G01～G05的(τ-τc)均大于0,判定為壩體會發生漫頂潰決,與試驗觀測結果一致。

表2 冰崩涌浪作用下冰磧壩漫頂潰決判別的計算結果Table 2 Calculation results of judgment of overtopping break of moraine dam under the action of glacier avalanche surge

2.5 冰磧壩潰決洪峰流量

潰決峰值流量作為潰壩問題中的一個關鍵參數,直接決定了下游的災害程度。通過試驗得到了所有試驗工況下冰磧壩的潰決峰值流量Qp(圖10)。

圖10 不同影響因素下的潰決洪峰流量Fig.10 Peak discharge under different influencing factors

從圖10中可以看出,隨壩高和下游壩坡的增加,冰湖潰決洪峰流量逐漸增加,且呈線性相關,相關系數分別為0.989、0.958,原因在于壩高的增加,加大了潛在下泄水體的體積和水體勢能;下游壩坡的增大,減小了可被水體侵蝕的泥沙量,導致侵蝕速率不斷加快。隨壩體中值粒徑(D50)的增加,顆粒起動所需的水動力條件加大,故潰決洪峰流量逐漸較小,但幅度逐漸變小。

3 結論

通過水槽模型試驗,研究了在冰崩涌浪作用下,不同顆粒級配、壩高、下游壩坡坡度對冰磧壩潰決過程的影響,主要結論如下。

(1)在冰崩涌浪的激發作用下,冰磧壩的潰決出現了漫頂潰決,壩坡失穩、管涌破壞3種模式,占比分別為68.75%、25.0%、6.25%。

(2)根據冰崩涌浪對壩體的侵蝕效應,結合潰口的縱向演化過程,將冰磧壩的潰決過程劃分為兩個階段:涌浪侵蝕階段(階段Ⅰ)、庫區小擾動溢流侵蝕階段(階段Ⅱ),其中階段Ⅱ中包含了潰口的快速下切和衰退兩個過程。

(3)冰崩涌浪對冰磧壩潰決過程的影響主要有兩方面:一方面,涌浪過壩后的強水動力條件增加了壩體的侵蝕率,壩體的初始潰口發展加快,促進了壩體的潰決,當潰口貫通后,涌浪已基本消散,潰決過程轉為為正常的溢流潰決;另一方面,涌浪提供了作用于壩體的高頻瞬時荷載,減小了壩體的穩定性,易導致壩體失穩潰決。

(4)考慮水流剪切力τ與土體臨界剪切力τc的平衡條件,提出了冰磧壩漫頂潰決臨界條件的判別方法。

(5)冰湖潰決洪峰流量與壩高和下游壩坡呈現正相關,相關系數分別為0.989、0.958,與壩體中值粒徑(D50)呈現負相關關系,相關系數為0.991。