特大洪水演变过程及不确定性研究项目专题（二）——溃决形成专题的试验数据和结论

崔弘毅编 译

（国家电力监管委员会大坝安全监察中心，浙江杭州 310014）

1 概 述

特大洪水演变过程及不确定性研究项目专题（IMPACT）之WP2专题（即溃决形成专题）的重点是通过对大坝或防水堤的研究来提高预测溃决形成的能力。其核心工作是将现场试验和室内试验（现场试验和室内试验的数据可以相互对照、比较以确定有效性和了解基本的溃决形成过程）与数字模型试验联系起来进行比较和分析。另外，还考察了影响溃坝地址的各种因素，也对与溃坝模型相关的不确定性进行了考察。研究过程包括了相当数量的现场试验、室内试验和数据校核工作。本文主要回顾重点工作和其中要点。

2 现场数据和实验室数据

2.1 目标和方法

IMPACT项目WP2专题中建模工作的目的如下：（1）对大坝溃决过程有更好的了解；（2）为模型验证、校准和测试提供数据，优化建模工具性态；（3）为评估现场试验和实验室试验间的规模效应提供数据和信息；（4）识别出最好的方法来模拟大坝溃决形成；（5）评估和量化现有溃决模型技术的不确定性水平。

该项研究分为3个子专题，即现场模型、试验模型和数字模型分析，见图1。

2.2 数据收集

过程中收集了大量现场数据和试验数据。每个试验都收集了一系列数据，包括水位、流量、大量的照片和录像。

2.2.1 现场数据

第一年和第二年，在挪威进行了五次现场试验。这五次现场试验的目的是为考察均质复合坝的溃决形成过程（因漫顶和管涌而溃决）提供大量数据。试验现场位置如图2所示。

图2 Rossvass坝及溃决试验现场Fig.2 Røssvass dam and breach test site

通常来说，每个现场试验收集的数据如下：（1）大坝上下游水位；（2）上游水库释放的进入试验水库的洪水流量；（3）大坝孔隙水压力；（4）溃决发展过程（依据位移传感器监测到的溃决的时间发展）；（5）上下游设置的数字摄像机和照相机监测到的溃决发展情况。

图3显示了这五次现场溃坝试验的不同阶段。

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2.2.2 室内试验数据

（2）溃决地址对溃决过程的影响

图3 五次现场溃坝试验的不同阶段Fig.3 Breach development stages in five field tests

第3、4、5点过程与系列1的试验非常类似，但该系列滑塌的频率更小。溃决口增宽侵蚀的速率和最后的宽度也同样比系列1中小。

2.2.2.1 系列1

溃决过程：（1）水流冲蚀下游坝坡，下游坝坡变软，但没观察到溯源侵蚀；（2）坝顶受到侵蚀，并向下冲蚀；（3）一旦溃决完全形成，即坝体材料基本被冲蚀到坝基，则水下的坝体材料已全部被蚀；（4）以上过程会一直持续，直到水量不够冲蚀更多的坝体材料；（5）在上游坡观察到了冲蚀，导致溃决时形成了喇叭口，这个喇叭口控制着溃决流量。因为冲蚀，在上游面也能观察到滑塌。

图4 系列1的溃决过程Fig.4 Breach processes of Series 1

测试了以下两种不同材料类型和级配对溃坝过程的影响：①细粒粘土材料，D50=0.005 mm，粘土含量为24%～43%（这使用于所有试验中，除了一个冰碛土坝未使用外）；②冰碛土材料，D50=0.715 mm，细粒含量少于10%。

（1）D50和级配对溃决过程的影响

选取2018年1月～8月我院收治的接受医学检验在医学检验分析前产生了误差的患者130例，其中，男96例，女34例，年龄22～67岁，平均年龄（44.3±1.5）岁。所有患者一般资料对比，差异无统计学意义（P＞0.05）[1] 。

青田县国土资源局“四化”并举 打造纪检监察特色品牌（陈昭昭） ..............................................................2-57

图8为坝顶宽度变化情况下的试验流入量和流出量过程线和坝顶溃决宽度的时间过程线。

图5为第二种和第三种级配情况下的流入量和流出量过程线和坝顶溃决宽度的时间过程线。由图可见，流出量峰值、峰值时间、溃决增长速度和最后的溃决宽度对过程几乎没有影响。这两个试验表明，在室内试验规模，级配对溃坝过程的影响很小。请注意，这里说的是规模效应。在原型规模时，通常认为级配对溃口增大是有影响的。

对照组中,男女之比为30/20,年龄范围为35岁-62岁,年龄均值为(47.60±5.10)岁,病程范围为2年-8年,病程均值为(3.42±1.10)年。

多年的经验表明，在选煤厂煤流及介质流动环节，选择母板加衬板的方式是提高耐磨性能、降低设备成本的有效方式。但由于物料粒度、速度、物理性质等差异，应结合衬板市场供应情况合理选择衬板，才能达到整体设计的最优化。

为了测试溃决地址对溃坝过程的影响，试验中，在两座相似特性、结构相同的坝上设置了最初的溃决切口，但切口位置不同，一个设置在中间，另一个设置在边上。图6为这两个试验流入量和流出量过程线和坝顶溃决宽度的时间过程线。

图5 级配变化结果Fig.5 Grading variation results

图6 溃决地址变化结果Fig.6 Breach location variation results

由图可见，从边上溃决的大坝，峰值出流量、冲蚀速率和最后的溃决宽度都小一些。这两个试验表明，在室内试验规模，溃决地址对溃坝过程有很大的影响。

（3）结构变化对溃决过程的影响

为寻找直接证据，也为明确右骶棘肌粗大是代偿性增粗还是损伤所致，进一步行腰椎MRI检查。横断面MRI可见L4/L5及L5/S1节段右骶棘肌横径及面积明显增大（Advantage work-station自带软件测量），但信号正常，明确右骶棘肌无损伤，同时未见黄韧带肥厚（图4）。

测试了以下两种不同结构对溃坝过程的影响：①上下游坡比由1∶1.7增加到1∶2；②坝顶宽度由0.2 m增加到0.3 m。图7为坝坡变化情况下的试验流入量和流出量过程线和坝顶溃决宽度的时间过程线。由图可见，加大坡比稍微延迟了一些冲蚀和到达峰值出流量的时间，但峰值出流量和最后的溃决宽度还是非常相似的。

测试了以下三种不同材料级配对溃坝过程的影响：①均一的粗粒料，D50=0.70～0.90 mm；②均一的细粒料，D50=0.25 mm；③大范围级配（用了四种砂土），D50=0.25 mm。

由图可见，这两个试验中，增加坝顶宽度对峰值出流量、到达峰值出流量的时间和冲蚀速率没有影响。总的来说，在实验室规模，结构变化对溃决过程的影响非常小。

通常情况下，裂隙面处的水平位移最大，两相邻裂隙中间位置的水平位移为零。由土力学原理可知，通常情况下(不考虑剪胀软化)，由于土体能够承受的极限拉应变很小，故可假定裂隙底部处剪切应力τ与该点水平位移u成正比，即令τ=-Cu，C为水平阻力系数，kPa/cm；“-”表示应力与位移的方向相反。

图7 坡比变化结果Fig.7 Slope variation results

图8 坝顶宽度变化结果Fig.8 Crest width variation results

2.2.2.2 系列2

溃决过程：（1）相比于系列1试验的过程，系列2试验中，在下游面观察到了溯源侵蚀，并且不止一处（见图9a）；（2）溯源侵蚀结合形成一处纵深的侵蚀，引起上游冲蚀并向下发展；（3）一旦溃决完全形成，即坝体材料基本被冲蚀到坝基，则水下的坝体材料已全部被蚀，最后淘刷边坡引起坝段溃决；（4）以上过程会一直持续，直到水量不够冲蚀更多的坝体材料；（5）在上游坡观察到了冲蚀，形成与系列1试验类似的喇叭口，同样，因为冲蚀，在上游面也能观察到滑塌。

英国HR Wallingford公司一共进行了22项室内试验，总目的是为了更好地了解大坝的溃决过程（这些大坝因管涌和漫顶而溃决），并识别出影响溃决过程的重要因素。这些试验被分为三个系列，本文着重分析系列一和系列二。

各因素对溃决过程的影响：在这一系列试验中，测试了各种因素对溃决过程的影响，包括级配、压实度、含水量和结构等。

注2 发展算子Φ(t，t0)是一致指数不稳定的当且仅当存在常数N>0和v>0使得对所有(t，s)，(s，t0)∈Δ和x∈X，有

（1）材料类型和级配对溃决过程的影响

各因素对溃决过程的影响：在这一系列试验中，测试了各种因素对溃决过程的影响，包括级配和结构等。

图9 系列2的溃决过程Fig.9 Breach processes of Series 2

图10为两种不同材料情况下的流入量和流出量过程线和坝顶溃决宽度的时间过程线。很明显，冰碛土材料比粘土材料更易被冲蚀，且加速了冲蚀过程，导致峰值流出量和最后的溃决口宽度都更大。

图10 材料变化结果Fig.10 Material variation results

（2）压实度对溃决过程的影响

为测试压实度在粘土材料上的效应，使用了两种压实度，其中一个压实度数值是另一个的一半。图11为不同压实度情况下的流入量和流出量过程线和坝顶溃决宽度的时间过程线。两个试验可见，压实度降低一半对溃决过程是有影响的，但它的影响被压实含水量的影响覆盖住了，压实含水量对溃决过程的影响下个章节讨论。在室内试验规模下，压实度效应的减弱加速了冲蚀过程，导致了峰值出流量和最后溃决口宽度加大。高压实度试验中的压实含水量为25%，压实度为一半的试验中，压实含水量为22%。含水量的减少同样也加速了冲蚀速率，这在下节讨论。

三组被试的自尊水平差异不显著，是本研究采用的整群随机分组方式造成的。 本研究的被试同为医学影像专业，在入学时他们被随机分到10个班级中，在确定被试接受何种实验处理时，研究者以班级为单位，随机将这10个班级分配到三个实验处理小组，这种整群随机分组的方式确保了被试相关特性在三个小组中的均匀分布。

图11 压实度变化的结果Fig.11 Compaction variation results

（3）含水量对溃决过程的影响

谈及生态肥料，田树刚表示，应厘清生态肥的概念，生态肥是一项标准而非某一肥料种类，符合生态级肥料标准的大、中、微量元素化肥、复合肥及各类肥料产品都是生态肥料。因此，肥料市场应避免盲目求新、求特，肥料生产企业应致力于保障产品质量和提升产品功效，以绿色、高效的肥料满足农业种植和生态环境的需要，以理性、长远的态度推动行业的绿色升级。

为测试压实含水量的效应，使用了两种含水量：一个非常接近于系列试验中采用的材料的最优含水量（30%），另一个采用材料的天然含水量（24%），其数值低于最优含水量。

图12 含水量变化的结果Fig.12 Water content variation results

这两个试验中，压实度的影响基本没区别，因此，对冲蚀和出流量的影响基本归结于压实含水量的变化。图12为含水量变化情况下的流入量和流出量过程线和坝顶溃决宽度的时间过程线。含水量增至最优含水量对材料的冲蚀性能影响很大。相比于其它大坝，最优含水量的大坝能较好地抵抗溃决，试验最后阶段，溃决以后，仅小部分大坝溃掉，溃决口更小，峰值出流量也更小。室内试验采用Jet试验仪器（ASTM，1996），试验表明，两座大坝之间的侵蚀度差距约为93%。

（4）结构变化对溃决过程的影响

试验采用了以下两种结构：①下游坝坡由1V∶2H变为1V∶1H；②下游坝坡由1V∶2H变为1V∶3H。

图13为第一种情况下的流入量和流出量过程线和坝顶溃决宽度的时间过程线。在这两个试验（一个1V∶1H，另一个1V∶3H）中，溃决速度都加快了，峰值出流量也更大。相比于其它两种大坝，坡比为1V∶3H的大坝耗用了更多的材料，原以为溃决时间会更长，溃决速度更快是意想之外的。其原因可能是这两个大坝的密度比坡比为1V∶2H的大坝更低，且含水量也更低。这些因素掩盖了两个试验可能的真实结果，使这两个试验的结果不具有确定性。

图13 结构变化的结果Fig.13 Geometry variation results

3 结语

项目过程中，通过一系列的现场试验和实验室试验，研究人员收集到了大量的数据，在对数据的有效性进行分析和校核后，这些数据成为下一步建模和模拟研究的重要基础，发挥了相当重要的作用。

[1]Final Technical Report of Investigation of Extreme Flood Processes And Uncertainty[R].2005.