淺論堰塞壩潰壩過程分析及影響因素研究論文
淺論堰塞壩潰壩過程分析及影響因素研究論文
1前言
堰塞湖是在一定地質地貌條件下，由於地震、降雨或火山噴發等原因引起山崩、滑坡或泥石流等自然現象堵截山谷、河谷，造成上游段壅水形成的湖泊。阻塞山谷、河谷的堆積體為堰塞壩。據統計資料顯示，在形成後10d便發生潰決的堰塞湖百分比超過50%，2個月內潰決的百分比超過60%，1年內發生潰決者超過90%。堰塞壩擁有如此高的潰壩率，一旦發生潰壩，後果將十分嚴重。在1933年8月25日，四川疊溪發生7.4級大地震，強烈的地震使岷江兩岸山體崩塌形成3座高達100餘m的堰塞壩，14d後最下游的1個堰塞壩發生潰決，形成高40m左右的洪水傾斜而下，將河流下游兩岸的村莊摧毀。對於堰塞壩潰壩過程的研究主要有3種途徑:原型觀測、數值模擬和模型試驗。數值模擬已經發展了許多成熟的模型，其中模擬潰壩的主要模型有:DAMBRK模型，BEED模型，BREACH模型，LOU模型，HW模型，Cristofano模型，Nogueira模型等。一般堰塞湖潰壩主要由漫頂或滲透管湧引起。漫頂潰壩情況是由於壩體本身沒有導流或洩洪設施，水位最終發生漫頂，而壩體內部發生滲流，使壩體本身的強度降低，最終發生潰壩。該種潰壩情況水位高，潰壩洪峰流量大，破壞力極大。因此漫頂潰壩更應該得到重視與研究。
2堰塞壩漫頂模擬實驗
2.1實驗佈置及材料
該實驗旨在模擬土石壩漫頂時發生潰壩的情況，收集實驗資料用以概括潰口形成過程，分析不同壩高、不同壩後坡度對漫頂潰壩過程的影響。該實驗在一矩形水泥河道中進行，實驗裝置分為供水箱、水槽、泥沙收集池3個部分。供水箱長寬高均為1.0m，透過水泵供水，實驗過程中水箱中一直保持滿水，水箱下游側安置最大流量為0.17L/s的LZB-25玻璃轉子流量計。水槽段寬高均為0.5m，坡降為5°，水槽下游連線泥沙收集池，上游庫區安置水位儀(E1)，在壩下游區安裝攝像機(C1)，拍攝潰口變化過程。此次實驗取無黏性沙作為填壩材料，其級配曲線。
2.2實驗方案
此次實驗設定壩高分別為13cm和15cm，頂長分別為20cm與25cm，上游壩坡1∶1.5，下游壩坡1∶1.5，上游來水量為0.17L/s，實驗分為3組，如右側表所示。
該實驗先在水槽內按設計方案堆設壩體，為引導潰口在壩體中部產生，堆設時壩體中部略低。緩慢向水槽中灌水，快達壩頂時，關水靜置1h，使壩體上游面與水充分接觸。之後開啟流量儀，固定流量0.17L/s放水，直到整個潰壩過程完成。整個實驗過程，水位儀實時監測壩體上游水位變化，攝像機拍攝潰口變化過程。
2.3潰口變化過程分析
漫頂破壞的一大特點是溯源沖刷破壞，潰口發展過程可分為3個階段:初始潰口形成階段、潰口發展階段和最終穩定階段。
階段Ⅰ初始潰口形成階段。當上游水位上升時，壩體發生滲流現象。當水位達到壩頂高度時，發生漫頂，水流總是向最低點運動，因此水流在壩頂中部成股水流緩慢向前移動，水流產生剪應力作用於過流介面，產生微小的區域性破壞，微小顆粒因被水流包裹，相互之間摩擦力大幅度降低，因此水流很容易將其帶走，使壩體頂部強度降低。當水流到達壩頂與下游坡面接觸位置時，水流在交接處沖刷出一個小缺口，但由於此時水流流量較小，水流的破壞力有限，因此下游坡面未出現大面積的失穩破壞現象。但此時在壩體下游下切作用較強，缺口以喇叭狀不斷擴大，橫向拓寬速度較為緩慢，縱向下切速度較快，因此潰口下切深度增長較快。隨著水流的不斷沖刷，由於水體自身的重力及沖蝕作用，水流使下游坡面出現凹槽，形成陡坎沖蝕，流量開始增大。下游坡度越緩，陡坎現象越明顯。在水流的持續沖刷作用下，下游坡面的陡坎深度不斷增加，同時也在不斷拓寬，水流流量逐漸變大，此時下游坡底部分向遠端呈扇形擴大。同時，陡坎的上半部分，在縱向深度與橫向寬度不斷增加的同時，陡坎的輪廓不斷擴大，侵蝕向上遊擴充套件，在水流的攜帶作用下，陡坎靠近上游邊緣的邊沿細顆粒被衝向下游，一些大粒徑顆粒在自身重力作用與水流沖刷作用下掉落，使得陡坎規模進一步擴大。當水流向上衝蝕達到上游壩頂邊緣時，壩體頂部形成貫通的凹槽，此時初始潰口形成。
階段Ⅱ潰口發展階段。當凹槽貫通時，形成了初始潰口。此時的潰口斷面形狀大致為矩形。此時潰口流量開始急劇增加，大股水流的湧入也使潰口的下切速度與擴寬速度大幅度增加。由於水流的剪下力作用，潰口橫向拓寬的速度明顯大於潰口縱向下切的速度，潰口寬度迅速增加。洪峰流量也在該階段達到最大值。此時，潰口兩側邊坡基部的泥沙被大量沖刷帶走，使邊坡的穩定性進一步降低，為邊坡失穩坍塌提供發展空間。根據BREACH模型建立的'潰口模型，當潰口的下切深度達到某一臨界深度時，邊坡大量泥沙被水流帶向下遊，提供強度保證的大粒徑顆粒失去穩定最終使邊坡失穩坍塌，潰口形狀由矩形轉變為梯形。階段Ⅲ最終穩定階段。當邊坡失穩坍塌後，潰口流量開始減小，當水流減小至一定程度後，不足以維持泥沙的層移運動，泥沙開始貼著底部滾動運動。大粒徑顆粒因自身重力過大先停止運動，細顆粒受到阻礙也停止運動。水流與顆粒達到動態平衡。潰口此時穩定最終形狀為梯形。
3潰壩流量與影響因素分析
對於潰口的分析，除需確定潰口形狀外，潰口流量也是根本任務之一。一般情況下，潰壩的下洩流量可由水庫水量動態平衡方程計算:
dV/dt=Qin-Qout(1)
式中
V———庫區容量;
Qin———入庫流量，包括降雨、徑流等;
Qout———出庫流量。
在該實驗中，不考慮蒸發等因素，水量出庫方式主要為滲透和潰口出流，因此可得出:
Qout=Qs+Qb(2)
式中
Qs———滲透出流量;
Qb———潰口出流量。
則式(1)可變為:
Qs+Qb=Qin-dV/dt(3)
在該實驗中入庫流量Qin概化為恆定的上游來水流量0.17L/s。因水位儀測得上游實時水位變化，因此dV/dt也為已知量。在此，設:
Q*=(Qs+Qb)/Qin(4)
式中Q*為無量綱化的出庫流量。
由於在水位達到壩頂高度前，水位持續上升，並未發生異象，因此以水流漫頂後達到壩頂邊緣與下游坡面交界處、產生初始潰口時為時間起點，一直到潰口形狀穩定，水流與顆粒達到動態平衡時的潰壩流量過程製成圖。
透過圖3～圖5可以看出，3組試驗的潰壩流量過程的總體變化趨勢是一致的。開始時，流量較小，在很長一段時間內，流量變化不大，之後流量突然增大;達到洪峰流量，該最大流量保持時間較短;之後流量開始減小，最終趨於穩定。在時間起點，潰口還未形成，潰口流量為零，因此Q*在此時應為滲透流量Qs，3組試驗滲透流量Qs≈(0.5～0.6)Qin，之後初始潰口形成，並未貫通，流量在一定時間內變化不大，但此時潰口對流量的影響遠大於滲流對流量的影響，則Q*≈Qb;潰口貫通後，大量水流湧入潰口，Q*在短時間內達到峰值，為洪峰流量。大量水流在短時間內下洩，流量下降迅速，最終趨於穩定，此時潰口也保持穩定。
透過3組試驗流量變化圖可以發現:壩體高度與洪峰流量大小成正相關，並且壩體越高，洪峰來臨的時間越為延後。因壩體高度越高，上游水位越高，壅水總量越大，因此潰壩後，更多的水量下洩，洪峰流量較大。而壩體的高度越高，水位到達壩頂高度的時間也越長，因此洪峰來臨時間相比低壩高工況較為延後;壩體長度越短，洪峰來臨的時間越短，持續時間也越短，洪峰流量越大。究其原因，壩體長度越短，漫頂水流到達壩頂邊緣與下游坡面交界處的時間越短，能更早地形成陡坎沖刷，形成初始潰口，水流溯源的時間也越短，能更早貫通潰口。相對於壩頂長度較長的壩體，壩頂長度較短的壩體結構強度較低，水流的剪下能力和沖刷能力更強，更容易較快地衝毀壩體。因此，應根據實際情況適當控制壩高，儘可能加大壩長，對上游進行水土保護，儘量減少泥沙入庫，保證庫區有效庫容，防止潰壩發生，儘可能減小潰壩帶來的危害。
4結論
堰塞壩具有極高的潰壩機率，潰口的形成與潰口流量是決定潰壩嚴重程度的重要因素。本文透過模擬潰壩實驗得出以下結論:
潰口形成可以概化為3個階段:K初始潰口形成階段、L潰口發展階段和M最終穩定階段。在初始潰口形成階段，水流對壩體沖蝕形成初始矩形潰槽，同時，水體的滲流作用也加速了該過程。潰口的縱向加深與橫向拓寬同時進行，但縱向下切速度大於橫向拓寬速度。水流發生溯源沖蝕，使潰槽貫通;在潰口發展階段，水流流量快速增大，在短時間內達到洪峰流量，橫向拓寬速度更快，此時大量水流不僅沖蝕潰槽底部，也帶走大量邊坡基部泥沙，當潰口深度超過臨界深度，邊坡失穩坍塌，潰口形狀變為梯形;在最終穩定階段，水流流量減小，水流與泥沙顆粒達到動態平衡，潰口不再發展。
在其他引數相同的情況下，壩體高度越高，洪峰流量越大，洪峰來臨時間越遲;壩體長度越短，洪峰流量越大，持續時間越短，洪峰來臨時間越短。因此應根據實際情況控制壩高，對上游進行水土保護，在儘可能降低壩高的情況下保證有效庫容，增加壩長，減小潰壩產生的威脅。