堰塞坝溃坝过程分析及影响因素研究

高海涵 刘小毓

(1.四川大学水利水电学院，四川成都 610065;2.西南民族大学，四川成都 610041)

堰塞坝溃坝过程分析及影响因素研究

高海涵1刘小毓2

(1.四川大学水利水电学院，四川成都 610065;2.西南民族大学，四川成都 610041)

本文通过堰塞坝漫顶溃坝模拟实验，将堰塞坝溃坝归纳概括为初始溃口形成、溃口发展、最终稳定三个阶段。在其他参数相同的情况下，通过对3组实验流量变化的比较，研究了坝体高度、长度与洪峰流量、洪峰来临时间、洪峰持续过程的相互关系，并研究了溃口形状特点，对相关工程应用有一定借鉴意义。

堰塞坝;溃坝过程;流量;影响因素;分析

1 前 言

堰塞湖是在一定地质地貌条件下，由于地震、降雨或火山喷发等原因引起山崩、滑坡或泥石流等自然现象堵截山谷、河谷，造成上游段壅水形成的湖泊。阻塞山谷、河谷的堆积体为堰塞坝［1］。据统计资料［2］显示，在形成后10d便发生溃决的堰塞湖百分比超过50%，2个月内溃决的百分比超过60%，1年内发生溃决者超过90%。堰塞坝拥有如此高的溃坝率，一旦发生溃坝，后果将十分严重。在1933年8月25日，四川叠溪发生7.4级大地震，强烈的地震使岷江两岸山体崩塌形成3座高达100余m的堰塞坝，14d后最下游的1个堰塞坝发生溃决，形成高40m左右的洪水倾斜而下，将河流下游两岸的村庄摧毁［3］。对于堰塞坝溃坝过程的研究主要有3种途径:原型观测、数值模拟和模型试验。数值模拟已经发展了许多成熟的模型，其中模拟溃坝的主要模型有:DAMBRK模型，BEED模型，BREACH模型，LOU模型，HW模型，Cristofano模型，Nogueira模型等［4］。一般堰塞湖溃坝主要由漫顶或渗透管涌引起。漫顶溃坝情况是由于坝体本身没有导流或泄洪设施，水位最终发生漫顶，而坝体内部发生渗流，使坝体本身的强度降低，最终发生溃坝。该种溃坝情况水位高，溃坝洪峰流量大，破坏力极大。因此漫

顶溃坝更应该得到重视与研究。

2 堰塞坝漫顶模拟实验

2.1 实验布置及材料

该实验旨在模拟土石坝漫顶时发生溃坝的情况，收集实验数据用以概括溃口形成过程，分析不同坝高、不同坝后坡度对漫顶溃坝过程的影响。该实验在一矩形水泥河道中进行，实验装置分为供水箱、水槽、泥沙收集池3个部分。供水箱长宽高均为1.0m，通过水泵供水，实验过程中水箱中一直保持满水，水箱下游侧安置最大流量为0.17L/s的LZB-25玻璃转子流量计。水槽段宽高均为0.5m，坡降为5°，水槽下游连接泥沙收集池，上游库区安置水位仪(E1)，在坝下游区安装摄像机(C1)，拍摄溃口变化过程。如图1所示。此次实验取无黏性沙作为填坝材料，其级配曲线如图2所示。

图1 实验装置示意

图2 填料级配曲线

2.2 实验方案

此次实验设置坝高分别为13cm和15cm，顶长分别为20cm与25cm，上游坝坡1∶1.5，下游坝坡1∶1.5，上游来水量为0.17L/s，实验分为3组，如右侧表所示。

实验方案表

该实验先在水槽内按设计方案堆设坝体，为引导溃口在坝体中部产生，堆设时坝体中部略低。缓慢向水槽中灌水，快达坝顶时，关水静置1h，使坝体上游面与水充分接触。之后打开流量仪，固定流量0.17L/s放水，直到整个溃坝过程完成。整个实验过程，水位仪实时监测坝体上游水位变化，摄像机拍摄溃口变化过程。

2.3 溃口变化过程分析

漫顶破坏的一大特点是溯源冲刷破坏，溃口发展过程可分为3个阶段:初始溃口形成阶段、溃口发展阶段和最终稳定阶段。

阶段Ⅰ初始溃口形成阶段。当上游水位上升时，坝体发生渗流现象。当水位达到坝顶高度时，发生漫顶，水流总是向最低点运动，因此水流在坝顶中部成股水流缓慢向前移动，水流产生剪应力作用于过流界面，产生微小的局部破坏，微小颗粒因被水流包裹，相互之间摩擦力大幅度降低，因此水流很容易将其带走，使坝体顶部强度降低。当水流到达坝顶与下游坡面接触位置时，水流在交接处冲刷出一个小缺口，但由于此时水流流量较小，水流的破坏力有限，因此下游坡面未出现大面积的失稳破坏现象。但此时在坝体下游下切作用较强，缺口以喇叭状不断扩大，横向拓宽速度较为缓慢，纵向下切速度较快，因此溃口下切深度增长较快。随着水流的不断冲刷，由于水体自身的重力及冲蚀作用，水流使下游坡面出现凹槽，形成陡坎冲蚀，流量开始增大。下游坡度越缓，陡坎现象越明显。在水流的持续冲刷作用下，下游坡面的陡坎深度不断增加，同时也在不断拓宽，水流流量逐渐变大，此时下游坡底部分向远端呈扇形扩大。同时，陡坎的上半部分，在纵向深度与横向宽度不断增加的同时，陡坎的轮廓不断扩大，侵蚀向上游扩展，在水流的携带作用下，陡坎靠近上游

边缘的边沿细颗粒被冲向下游，一些大粒径颗粒在自身重力作用与水流冲刷作用下掉落，使得陡坎规模进一步扩大。当水流向上冲蚀达到上游坝顶边缘时，坝体顶部形成贯通的凹槽，此时初始溃口形成，如图3。

图3 水流侵蚀形成溃口

阶段Ⅱ溃口发展阶段。当凹槽贯通时，形成了初始溃口。此时的溃口断面形状大致为矩形，见图4。此时溃口流量开始急剧增加，大股水流的涌入也使溃口的下切速度与扩宽速度大幅度增加。由于水流的剪切力作用，溃口横向拓宽的速度明显大于溃口纵向下切的速度，溃口宽度迅速增加。洪峰流量也在该阶段达到最大值。此时，溃口两侧边坡基部的泥沙被大量冲刷带走，使边坡的稳定性进一步降低，为边坡失稳坍塌提供发展空间。根据BREACH模型［6］建立的溃口模型，当溃口的下切深度达到某一临界深度时，边坡大量泥沙被水流带向下游，提供强度保证的大粒径颗粒失去稳定最终使边坡失稳坍塌，溃口形状由矩形转变为梯形。

图4 水流冲蚀为矩形溃口

阶段Ⅲ最终稳定阶段。当边坡失稳坍塌后，溃口流量开始减小，当水流减小至一定程度后，不足以维持泥沙的层移运动，泥沙开始贴着底部滚动运动。大粒径颗粒因自身重力过大先停止运动，细颗粒受到阻碍也停止运动。水流与颗粒达到动态平衡。溃口此时稳定最终形状为梯形，见图5。

图5 最终梯形溃口

3 溃坝流量与影响因素分析

对于溃口的分析，除需确定溃口形状外，溃口流量也是根本任务之一。一般情况下，溃坝的下泄流量可由水库水量动态平衡方程计算:

式中 V——库区容量;

Qin——入库流量，包括降雨、径流等;

Qout——出库流量。

在该实验中，不考虑蒸发等因素，水量出库方式主要为渗透和溃口出流，因此可得出:

式中 Qs——渗透出流量;

Qb——溃口出流量。

则式(1)可变为:

在该实验中入库流量Qin概化为恒定的上游来水流量0.17L/s。因水位仪测得上游实时水位变化，因此dV/dt也为已知量。在此，设［7］:

式中 Q*为无量纲化的出库流量。

由于在水位达到坝顶高度前，水位持续上升，并未发生异象，因此以水流漫顶后达到坝顶边缘与下游坡面交界处、产生初始溃口时为时间起点，一直到溃口形状稳定，水流与颗粒达到动态平衡时的溃坝流量过程制成图6。

图6 Q*随时间变化关系曲线

通过图3～图5可以看出，3组试验的溃坝流量过程的总体变化趋势是一致的。开始时，流量较小，在很长一段时间内，流量变化不大，之后流量突然增大;达到洪峰流量，该最大流量保持时间较短;之后流量开始减小，最终趋于稳定。在时间起点，溃口还未形成，溃口流量为零，因此Q*在此时应为渗透流量Qs，3组试验渗透流量Qs≈(0.5～0.6)Qin，之后初始溃口形成，并未贯通，流量在一定时间内变化不大，但此时溃口对流量的影响远大于渗流对流量的影响，则Q*≈Qb;溃口贯通后，大量水流涌入溃口，Q*在短时间内达到峰值，为洪峰流量。大量水流在短时间内下泄，流量下降迅速，最终趋于稳定，此时溃口也保持稳定。

通过3组试验流量变化图可以发现:坝体高度与洪峰流量大小成正相关，并且坝体越高，洪峰来临的时间越为延后。因坝体高度越高，上游水位越高，壅水总量越大，因此溃坝后，更多的水量下泄，洪峰流量较大。而坝体的高度越高，水位到达坝顶高度的时间也越长，因此洪峰来临时间相比低坝高工况较为延后;坝体长度越短，洪峰来临的时间越短，持续时间也越短，洪峰流量越大。究其原因，坝体长度越短，漫顶水流到达坝顶边缘与下游坡面交界处的时间越短，能更早地形成陡坎冲刷，形成初始溃口，水流溯源的时间也越短，能更早贯通溃口。相对于坝顶长度较长的坝体，坝顶长度较短的坝体结构强度较低，水流的剪切能力和冲刷能力更强，更容易较快地冲毁坝体。因此，应根据实际情况适当控制坝高，尽可能加大坝长，对上游进行水土保护，尽量减少泥沙入库［8］，保证库区有效库容，防止溃坝发生，尽可能减小溃坝带来的危害。

4 结 论

堰塞坝具有极高的溃坝几率，溃口的形成与溃口流量是决定溃坝严重程度的重要因素。本文通过模拟溃坝实验得出以下结论:

溃口形成可以概化为3个阶段:ⓐ初始溃口形成阶段、ⓑ溃口发展阶段和ⓒ最终稳定阶段。在初始溃口形成阶段，水流对坝体冲蚀形成初始矩形溃槽，同时，水体的渗流作用也加速了该过程。溃口的纵向加深与横向拓宽同时进行，但纵向下切速度大于横向拓宽速度。水流发生溯源冲蚀，使溃槽贯通;在溃口发展阶段，水流流量快速增大，在短时间内达到洪峰流量，横向拓宽速度更快，此时大量水流不仅冲蚀溃槽底部，也带走大量边坡基部泥沙，当溃口深度超过临界深度，边坡失稳坍塌，溃口形状变为梯形;在最终稳定阶段，水流流量减小，水流与泥沙颗粒达到动态平衡，溃口不再发展。

在其他参数相同的情况下，坝体高度越高，洪峰流量越大，洪峰来临时间越迟;坝体长度越短，洪峰流量越大，持续时间越短，洪峰来临时间越短。因此应根据实际情况控制坝高，对上游进行水土保护，在尽可能降低坝高的情况下保证有效库容，增加坝长，减小溃坝产生的威胁。

［1］严祖文，魏迎奇，彩虹．堰塞坝形成机理及稳定性分析［J］．中国地质灾害与防治学报，2009，20(4):55-59．

［2］聂高众，高建国，邓砚．地震诱发的堰塞湖初步研究［J］．第四纪研究，2004，24(3):293-301．

［3］任强，陈生水，钟启明，等．堰塞坝的形成机理与溃决风险［J］．水利水电科技进展，2011，31(5):30-34．

［4］魏勇，许开立，郑欣．常见溃坝模型综述［J］．工业安全与环保，2009，35(4):45-60．

［5］魏红艳，余明辉，梁艳洁．无粘性土堤漫顶溃决水流运动试验研究［J］．水科学进展，2011，22(4):532-538．

［6］陈生水，钟启明，陶建基．土石坝溃决模拟及水流计算研究进展［J］．水科学进展，2008，19(6):903-910．

［7］杨阳，曹叔尤．堰塞坝溃决机理实验研究［J］．水力学报，2012，43(2):60-67．

［8］张淑玉，闻喜县土石坝溃坝原因与防治对策［J］．中国水利，2010，(12):44-47．

Analysis of weir dam break process and study of influence factors

GAO Haihan1，LIU Xiaoyu2
(1．Sichuan University Water Conservancy and Hydropower Institute，Chengdu 610065，China; 2．Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，China)

In the paper，weir dam breaks are concluded into three stages of initial dam break formation，dam development and ultimate stability through weir dam overflow dam break simulation experiment．Under the condition that other parameters are the same．Experiment flow changes of the three groups are compared for studying mutual relationship between dam height and length with flood peak flow，flood peak coming time and flood peak duration，and the characteristics of break shapes are studied，thereby providing certain

ignificance for related projects．

weir dam;dam break process;flow;influencing factors;analysis

TV122.4

A

1005-4774(2015)05-0026-04