堰塞坝漫顶破坏溃口演变机制试验研究

徐富刚，杨兴国，周家文

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065)



堰塞坝漫顶破坏溃口演变机制试验研究

徐富刚1，杨兴国2，周家文1

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065)

以枷担湾堰塞坝为原型，考虑坝料粒径、坝体高度、坝体下游坡度等影响因素，设置了4种试验工况，制备了相应的试验用坝，并在上游来流量相同的条件下(0.15 L/s)，观察不同工况下各坝体的破坏过程，进而分析堰塞坝溃口演变机制。结果表明：堰塞坝的溃决主要可以分为持续时间较长、溃决过程较缓和的溃口贯穿阶段，及持续时间较短、溃决过程较剧烈的溃口拓展阶段两大阶段；溃口演变在纵向上主要体现在陡坎侵蚀和溯源推进，横向上体现在水流淘脚、边坡坍塌；堰塞坝颗粒粒径决定了坝体的抗冲刷能力，颗粒越大，坝体抗冲刷能力越强；坝高反映了水流的冲击能力，坝体越高，坝体溃决时能量越大，危害性也越大；坝体下游坡度反映了坝体的稳定程度，坡度越缓，坝体稳定性越好。

水利工程；堰塞坝；溃决过程；演变机制；物理模型试验；影响因素

0 引 言

近年来，随着气候条件的不断恶化，地震、滑坡、泥石流等自然灾害愈发频繁，在河谷地区形成大量的堰塞湖。滑坡堵江将造成河内水位的快速上升，产生大量淹没，发生灾难性的溃坝事故，形成二次灾害，对下游人民生命财产安全及生态环境造成严重破坏，溃坝问题再一次成为研究的焦点问题[1]。堰塞坝的溃决机理极其复杂，其致灾后果很大程度上取决于坝体溃口演变和流量规模。弄清其溃口演变机理对于预测溃口出流过程具有重要意义。

溃口的演变过程是水流和土石相互作用的结果，对下泄流量大小及溃坝洪水破坏性具有重大影响。关于溃口演变过程，同仁进行了大量研究，并取得丰硕成果。美国D.L.Fread[2-3]成功开发了只考虑溃口形状参数z的DAMBRK模型及溃坝模型BREACH模型。DAMBRK模型中，参数z的变化范围在0～2之间，通过该参数，可以区别溃口是矩形、三角形，还是梯形；BREACH模型假定溃口初始为矩形，其后为线性变化；1996年，V.P.Singh[4]开发了BEED模型，将溃口断面假定为梯形，并且把溃口沿河槽轴向分为两部分：坝顶水平溃口段和坝下溃口槽；2013年，陈华勇等[5]通过试验，研究了不同溃决模式下溃口发展规律。与人工筑坝不同，堰塞坝是快速堆积而成的，其结构松散、胶结性差、强度较低，一般在形成后较短时间内发生溃决[6]。J.E.Costa等[7]经过对大量的堰塞湖统计发现，堰塞湖形成后能够度过一个汛期的不到10%，50%的在10 d内溃决，80%的在半年内溃决，绝大部分堰塞坝的存在时间不超过1 年。溃决方式主要以漫顶溃坝、管涌溃坝为主，如图1，而漫顶溃坝几乎占90%[8]。

图1 堰塞坝常见破坏形态

一般堰塞坝沿河道长度较大，往往大于坝体宽度，形成贯穿坝体的通道概率较低，而且堰塞坝主要是由滑坡形成，后续坝料的碰撞挤压，使得坝体具有一定的密实性，增大了通道形成的难度，故而管涌溃坝情况较少。而漫顶破坏主要是因为库区没有泄洪通道，在上游来水情况下，水位不断抬升，最终漫过坝顶，产生坝顶冲刷，并且水流下渗，导致坝体的强度降低，进而发生溃坝。漫顶溃坝的水位高，库水多，形成的溃坝洪水洪峰流量大、冲击力强，其破坏是灾难性的。因此，研究堰塞坝的漫顶破坏更具有现实意义。

堰塞坝的溃决过程极其复杂，涉及水力学、水文学、泥沙动力学等多门学科，目前还没有关于其溃决过程普遍接受的理论。笔者通过试验研究了堰塞坝的破坏过程及溃口演进机制，丰富了堰塞坝溃决理论。

1 堰塞坝漫顶溃决试验设计

1.1 试验装置及材料

堰塞坝的稳定主要取决于坝体结构、几何特征、颗粒组成、库区面积等因素。笔者通过试验分析了不同粒径、不同坝高、不同坝体下游坡度情况下的溃口演变过程，探讨漫顶破坏机理。

试验装置如图2，主要分为供水箱、水槽及泥沙收集池。其中，供水箱长宽高均为1.0 m，通过水泵对其供水，试验中保持水箱满水状态，在水箱下游侧安设LZB-25玻璃转子流量计，控制试验流量；水槽由直线段接曲线段组成，宽高均为0.5 m，坡降为5%；水槽下游连接泥沙收集池。

图2 试验装置示意

试验的砂石料来自文家沟泥石流沟上下游两不同部位。剔除了 40 mm以上的颗粒，筛分得出粗、细颗粒两种级配，级配曲线如图3。

图3 试验材料级配曲线

从图3可以看出：细颗粒级配较均匀，以0.1～10 mm为主；粗颗粒级配分布相对较集中，主要集中在0.5～20 mm之间。两种级配在20～40 mm范围的颗粒级配相似。

1.2 试验方案

统计调查表明[9-10]，大多数堰塞坝是在河流拐弯段发生滑坡而形成的。因此，试验时坝体设置在河流弯曲段，以枷担湾堰塞湖(位于四川省都江堰境内)为原型的概化模型(图4)进行试验，保持模型与原型的几何相似与重力相似，几何比尺为1∶400，流量比尺为1∶1 000 000，上下游坝坡参照原型坝坡。模拟堰塞坝的坝宽W为水槽宽度，W=50 cm，坝长L=18 cm，坝高H取两种工况分别为15，20 cm，上游坝坡i1=1∶1.5，下游坝坡i2=1∶1.5，1∶2.5，上游来水量Q=0.15 L/s，试验共分为4种工况，如表1。

图4 试验坝示意

表1 试验方案

试验开始时，在水槽内按设计方案均匀堆设坝体，为了降低水槽边壁影响，引导溃口在坝体中部形成，坝体中部略低。然后打开水箱开关，缓慢往水槽内注水，快到达坝顶时，停止放水，静置2 h，充分浸润后，继续放水，控制流量计保持流量为0.15 L/s，直到坝体漫顶溃决完成。试验过程中，在坝体上下游安设2个摄像机实时监控，同时在坝顶中央安置2个垂直的钢尺，以方便的监测坝体溃口变化，如图5。

图5 溃口变化监测

2 试验结果分析

通过分析监控录像来了解溃口的变化过程。

2.1 试验过程

在初始阶段，4个工况溃口变化缓慢，主要是淘冲细沙的过程，待水能积累到一定程度，能够搬移较大砾石后，流速骤然增大，搬移更大砾石，导致坝体短时间溃决。随着大量水体的下泄，流速逐渐变小，到无法冲刷搬移较小粒径，残余坝体趋于稳定，溃坝过程结束。溃口大小变化过程能有力地反应坝料粒径、坝体高度、坝体下游坡度等因素在溃口拓展中所起的作用，如图6，图7。

图6 坝体中轴线溃口深度

图7 坝体中轴线溃口顶部展宽

图6中，各工况试验在1 min内，溃口深度变化较小，坝体处于相对稳定状态。1 min后各工况深度变化区别较大，工况1在1～3 min内深度变化较大，然后相对稳定，最大深度近10 cm；工况2深度变化也集中在1～3 min，但变化较剧烈，然后相对稳定，最大深度为16 cm；工况3深度变化主要发生在2.5～3.5 min，最大深度为8 cm；工况4深度变化较小，在3.5～4 min内有短暂的增大，但最大溃口深度只有5 cm。

图7中，不同工况下溃口宽度变化区别较小，溃口拓宽在整个溃决过程中都有体现，其拓宽剧烈程度由强到弱依次为工况4﹥工况3﹥工况2﹥工况1，其中工况2较工况3初期拓宽较快，然后工况2趋于稳定，而工况3仍有增长。

2.2 试验影响因素分析

2.2.1 颗粒粒径对溃口影响

细颗粒表面积较小，其抗冲刷能力较差，水流下切阻力更小，浸蚀速率大，陡坎的形成时间要比粗颗粒坝体早，并且细颗粒在饱水后呈现一定的黏性，其陡坎深度较粗颗粒大；细颗粒组溃决时间更短，其溃口呈窄深型，而粗颗粒抗冲刷能力较大，减缓了水流的运动速度，溃口呈现浅宽型，溃决不彻底。

2.2.2 坝体高度对溃口影响

对于不同的坝体高度，坝体越高，上下水头差越大，坝体所受压力也越大，稳定性越低。在水流冲刷过程中，陡坎现象明显，溯源用时较短，产生的下泄流速最大，溃口呈窄深型，溃口形成后，由于溃口边坡较陡，其坍塌现象也较严重。

2.2.3 坝体下游坡度对溃口影响

对于不同的坝体下游坡度，坡度越缓，坝体体积越大，稳定性越好，而且在漫顶水流陡坎冲蚀过程中，冲蚀出的坝料距离坝脚更近，增大了其稳定性，侵蚀速率的峰值越小，溃口呈浅宽型。

3 堰塞坝漫顶溃决机理

漫顶破坏是由于库区水体无法宣泄导致水位不断上升引起的。当来水量高于渗流量时，水流漫顶就将不可避免[11]。试验表明，漫顶破坏主要经历了水位上升、水流溢坝、贴坡侵蚀、陡坎冲蚀、水流溯源等多个阶段，如图8。

图8 堰塞坝漫顶破坏过程

漫顶溃坝破坏是一种溯源冲刷破坏，首先发生于坝顶和下游坡面接触部位，流量较小，冲刷较缓慢，逐渐形成冲沟并向上游发展；当溃口发展到上游边缘时，流量迅速增大，冲刷剧烈，溃口不断加深拓宽，溃口两侧边坡发生间歇性坍塌。因此，坝体的溃决按先后顺序主要可以分为两大阶段：

1)溃口贯通阶段。该阶段属于缓慢侵蚀阶段，图8(a)～(e)都属于该阶段，主要发生陡坎冲蚀和溯源推进；

2)溃口拓展阶段。该阶段属于快速侵蚀阶段，溃口形成后至溃坝完成都属于该阶段，如图8(f)～(i)阶段。

3.1 溃口贯通过程

溃口贯通是一个较缓慢的过程。当水位达到坝顶时，水流总是寻找最低、最薄弱处运动，清水呈舌状缓缓向前流动。当发生水流漫顶后，水流产生的剪应力作用于整个过流界面，在坝体的薄弱部位发生局部破坏，同时渗流降低了坝体的抗剪强度，形成大量的孤粒，由于颗粒的大小不一、分布不均，形成的剪应力强弱各异。细小颗粒间接触面积小，水流只需克服其摩擦力，很容易将其搬移，形成初始溃口，为进一步的破坏提供了作用空间；大颗粒抗剪强度较大，只能在小颗粒搬移后发生蠕动，堆积于溃口表面，稳定性较高，两个过程相继发生且互为补充。此时，库区水位仍在不断上升，坝体上游侧呈现出水深大、流速小的特点；而在坝体下游侧下切作用较强，在下游面以喇叭状不断扩大，溃口垂向发展迅速但横向发展缓慢，该过程延续时间较长。随着水流的下泄，由于水体的重力作用及侵蚀性，水流对下游坡面进行淘刷，形成陡坎冲蚀，此时水流不再贴着坡面流动，下游坡度越缓，陡坎现象越明显。

垂直于跌水面的陡坎由于剪应力的冲刷作用，使冲坑深度增大，水头落差变大，陡坎的坡度变陡。进而增大陡坎剪应力，坝体和水流相互促进。溃口水流的冲刷不仅包括表面冲刷，还包括溯源冲刷。在产生陡坎冲蚀过程中，剪应力不断侵蚀坝底，使陡坎不断向上游发展，逐渐形成溯源冲蚀，陡坎面不断向上游推进，溃口内的大颗粒随水流向跌槛滚落。该阶段溃口变化以下切为主，横向拓展相对缓慢。当冲蚀到达坝顶前缘，形成了贯通的溃口，溃口逐渐发展，不断拓宽淘深，流量迅速增大，坝体剧烈破坏。

3.2 溃口演化过程

溃口贯通后，水流流速迅速增大，库水大量涌向溃口，使得库区水位迅速降低，坝体冲蚀加剧，溃口不断拓宽淘深，两侧坝坡发生间歇性崩塌，加速了坝体的溃决过程。当横向拓展达到一定程度后，溃口边坡发生失稳，溃口突然增大。由于坝料颗粒及结构的不均匀，溃口也呈不对称性，水流将在坡脚形成绕流，进一步切割坡脚。

随着水流的大量下泄，上游水位降低，上游部位的侵蚀逐渐衰减并露出水面，溃口的垂向侵蚀减缓，水流的侵蚀重点主要集中于下游边壁，水流通过淘刷溃口坡脚，引起边坡的坍塌，坍塌坝料下落，随后被水流带至下游，为下一次的坍塌提供空间，如图9。

图9 溃口横向发展 (边坡坍塌)

横向拓展主要受水流流速和坝体物质组成控制，溃口的拓展直至水流降低至坝料的启动流速，坝体溃决基本结束，溃口流量接近于上游来水量，溃口底部仍存在微弱的冲刷，溃口边坡可能发生较小的坍塌，水流与颗粒达到动态平衡。

4 结 论

1)溃坝过程主要经历了溃口贯通阶段和溃口拓展两个阶段，水流对溃口的冲刷从缺陷处或最低处开始，开始阶段缓慢渐进，持续时间较长，当冲刷发展到坝顶上游边缘后溃决过程十分迅速剧烈，伴随着边壁坍塌。

2)在溃口贯通阶段，溃口主要以陡坎冲蚀、溯源推进为主，溃口深度变化较大，而宽度变化较小；在溃口拓展阶段，水流流速较大，直接淘刷溃口底部，溃口坡脚处淘冲严重，导致边坡坍塌，坍塌料继而被水流带到下游，为下一次坍塌提供空间，溃口不断拓宽。

3)溃口边壁失稳坍塌是一个间歇性的过程，由于浸润的坝料存在一定的黏滞性，边坡随着水流冲蚀而变陡，当垂向下切深度达到临界深度时，溃口边坡发生间歇性失稳坍塌。

4)坝料粒径、坝高、下游坝坡对溃口发展具有较大影响，其中细颗粒的坝体抗冲刷能力较弱，水流在坝体形成过程中以淘深为主，溃口呈窄深型；坝体高度决定了水流的能量，高度越大，能量越大，冲刷越彻底，危害性也越大；下游坝坡对坝体稳定性有较大影响，坝坡越缓，重心越靠后，稳定性越好，而且在陡坎冲蚀阶段，冲淘而出的坝料将直接堆积在坝体上，阻滞水流运动，提高了其抗冲刷性能。

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Experimental Study on Dyke Evolution Mechanismin Dam-Break Process of Landslide Dam

Xu Fugang1, Yang Xingguo2, Zhou Jiawen1

(1. State Key Laboratory of Hydraulics & Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065,Sichuan, China; 2. College of Water Resource & Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China)

Taking the Jiadanwan Landslide Dam as the prototype, four kinds of test conditions were set up and the corresponding experimental dams were made, with the consideration of impact factors, such as the dam material particle size, the dam height and the dam slope in the downstream. The failure process of the various experimental dams under the same upstream flow (0.15 L/s) was observed and then the evolvement mechanism of the dyke was analyzed. The results show that the dam-break process of the landslide dam could be divided into two stages: the throughout dyke stage with a long duration and a rather slow break; the dyke development stage with a small duration and a rather acute break. The dyke evolution is mainly scarp erosion and traceability in the longitudinal direction and feet erosion and slope collapse in the transverse direction. At the same time, the dam material particle size, the dam height and the dam slope in the downstream have a significant impact on the dyke development. The particle size determines the erosion resistance of the dam body, and the bigger the particle size, the greater the scour resistance ability of the dam body; the dam height reflects the impact force of water flow, and the greater the dam height, the greater the energy during the dam-break process and the greater the destructive effect; the downstream slope reflects the stability of the dam, the smaller the slope, the better the stability of dam body.

hydraulic engineering; landslide dam; breaking process; evolution mechanism; physical modeling experiment; impact factor

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.15

2014-11-21；

2015-03-11

中科院重点部署项目(KZZD-EW-05-01-02)；四川大学优秀青年学者基金项目(2013SCU04A07)

徐富刚(1988—)，男，江西高安人，博士研究生，主要从事地质灾害方面的研究。E-mail:xufugang785315056@126.com。

周家文(1982—)，男，江西吉安人，副研究员，博士，主要从事岩石力学与工程方面的研究。E-mail:jwzhou@scu.edu.cn。

TV122.4

A

1674-0696(2015)06-079-05