滑坡堰塞坝越顶溢流破坏的物理模型实验

付建康, 罗 刚, 胡卸文,2

1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610031 2.西南交通大学抗震工程技术四川省重点实验室，成都 610031

0 引言

滑坡堰塞坝是指由于降雨、地震、火山喷发等原因引起山体滑坡而截堵山谷、河道形成的坝体[1]。由于其组成物质往往不均匀且松散多孔隙[1-3]，当上游水位达到一定高度时，堰塞坝可能会突然溃决形成异常洪水，冲毁下游河道沿途一定范围内的基建设施和人类房屋。所以，深入研究堰塞坝的失稳机理和溃决过程能为人工排险与区域的防灾减灾工作提供重要指导。

自20世纪90年代以来，欧美国家着手实施了多个溃坝研究计划[4-6]，包括欧洲IMPACT项目、美国NSDP计划和Floodsite项目等，其分别对不同材料的坝体溃决过程进行研究，并取得了不错的成果。1975年8月，河南板桥水库溃坝，铁道部科学研究院对水库溃坝洪水进行了调查[7]和水工模型实验[8]，并在不同尺寸的实验水槽和溃坝模型上，针对不同溃坝要素共进行了约600次实验，获得了大量实验数据。张建云等[9]针对我国现有土石坝黏粒含量范围，开展了国内外最高均质黏土坝漫顶溃决实体实验，提出了坝体材料黏性(c值)对坝体溃决方式的具体影响机制。国内学者对滑坡堰塞坝也进行了大量研究[10-11]，包括“5.12”汶川地震在四川省境内造成的257个滑坡堰塞坝[12]，其中对于威胁最大的唐家山堰塞坝，水利部、清华大学等[13-17]开展了大量工作，认为：堰塞坝为高风险性，溃坝机理为越顶溢流破坏，坝体暂时稳定可迅速开挖泄洪槽降低洪水位；沟槽部位表层松散体将被水流逐级淘刷，整体溃坝可能性小，洪峰流量在可控范围之内。此外，杨华等[18]通过对汶川地震所产生的上百座堰塞湖调查发现，堰塞坝按照其组成大致可分为均质细坝、均质粗坝及分层坝。张大伟等[19]针对当前土石坝溃决机理实验研究现状，采用粒径对比明显的两组砂样进行了土石坝漫顶溃决实验。段文刚等[20]以室内实验为技术手段，首次尝试采用“埋入式轻型冲蚀捕捉器”动态记录溃决过程。国小龙等[21]以均质土石坝漫溃过程中“陡坎”冲刷为研究对象，对均质土石坝漫溃过程中“陡坎”冲刷过程进行了详细的描述。郑欣等[22]通过进行管涌的现场实验和室内砂槽模型实验，观察并分析了管涌发生、发展并导致溃坝的机理和过程。Zhao W等[2]通过模型实验模拟漫顶溃坝机制观察得知，当水位漫过坝顶后斜坡侵蚀是主要的破坏形式，下游坡面开始由水流冲刷的小冲沟在侵蚀作用下逐渐扩大合并。近年来，学者们对滑坡堰塞坝的稳定性提出了新的评估方法，Dong Jianjun 等[23]参照日本43个滑坡堰塞坝资料库，提出了用对数变换后的汇水面积、坝高、堆积体积等变量更能很好地预测坝体稳定性；Carlo Tacconi Stefanelli等[24]提出了滑坡堰塞坝地貌形态限制指标(MOI)和水文地貌形态坝体稳定性指标(HDSI)，包括河流长度和坝体宽度等常规指标用以区别坝体是否稳定。

综上所述，国内外学者对堰塞坝溃决机制已经进行了大量的模型实验研究和数值分析，并获得了丰富的研究成果；但是关于坝体溃决时间与上游蓄水体积，以及坝体位移变形与组成颗粒粒径的相互关系的研究并不多。本文以唐家山滑坡堰塞坝为研究对象，通过采用室内水槽物理模型实验，模拟了不同体积蓄水量和不同颗粒粒径坝体变形破坏机理，观测和监测了水位上升过程中坝体不同位置的水平位移及坝体整个破坏过程，以期揭示坝体的破坏规律。

1 模型实验设计

1.1 实验设备

“5.12”汶川地震促使北川县上游通口河右岸唐家山斜坡顺层高速下滑，撞击对岸元河坝山体而急速停积堵江，形成顺河向长803.4 m、横河向最大宽度611.8 m、高82.0～124.0 m、体积为2 037万m3的唐家山堰塞坝堆积体(图1)。坝体堆积物为灰岩，从上到下依次为风化松散堆积物和块状新鲜岩体(保存有完整的层理结构)，堆积体下部为原河床堆积物和基岩体，由于滑体高速运动堆积夯实作用，坝体堆积密实，稳定性较好。堰塞湖最高蓄水面积3 550 km2，体积1亿m3。

图1 唐家山高速滑坡并堵江Fig.1 Tangjiashan high-speed landslide and damming

本实验以唐家山滑坡堰塞坝为原型，考虑到实验室水槽尺寸，选择几何相似系数K为1 000，即模型缩小为原型尺寸的1/500(长为0.8 m，宽为0.6 m，高为0.1 m)，但受限于模型槽及储水要求，作者将坝体尺寸进行了进一步调整，最终坝体尺寸为0.8 m×0.6 m×0.1 m(长×宽×高，其中坝体长度指顺河方向长度)，根据坝体实际颗粒粒径(图2)组成，调整实验材料粒径的大小和体积分数(表1)。除此之外，本实验的注水设备采用玻璃转子流量计，用千分表来测量坝体位移。

图2 唐家山堰塞坝颗粒级配曲线[17]Fig.2 Barrier dam grading curve of Tangjiashan landslide [17]

1.2 实验设计

按表1配比堆筑坝体(图3)。考虑滑坡冲击夯实的特性，堆坝过程采用均匀抛洒，使砂土发生自由落体运动压密，之后用小刀精致塑形，上下游坝体坡度均为1∶2.5。堆坝完成后，通过流量计向坝体上游以70 mL/min缓慢注水，实时观察坝体的破坏情况并记录千分表的读数。

表1原型土体和模型物质体积分数

Table1Relationoftheprototypegraingradingandmodelgraingrading

序号堰塞坝实际粒径/mm物质体积分数/%模型粒径/mm物质体积分数/%1<37.520<0.075202<50.022<0.100223<125.024<0.250244<250.030<0.500305<1000.090<2.00090

图3 坝体示意图Fig.3 Sketch of the dam

本试验设计了2个方案，其中：方案一的材料级配组成见表1，分3组实验，改变最大蓄水量，但控制3组实验的注水速度、坝体几何尺寸和坝体密实程度相同，坝体迎水坡坡脚与上游模型箱后壁之间的水平距离及对应最大蓄水量见表2；方案二中，令坝后最大蓄水量不变，坝体颗粒粒径分为0.500～2.000 mm、>2.000 mm两组做对比实验，然后重复实验设计中的步骤，最后观测记录坝体的变形破坏情况。

表2 实验方案设计

注：方案二实验2粒径组成为筛分后>2.000 mm的沙粒，但粒径均匀，无特大块体。

图4 方案二实验1级配曲线图Fig.4 Grading curve from Experiment 1 of Project 2

2 实验结果

2.1 方案一结果

2.1.1 实验1结果

实验1坝后最大蓄水量为29 600 cm3。在实验初始阶段，坝体水位较低，静水压力较小，坝体未出现任何变形破坏(图5a)；当实验进行到第18 h，坝体下游出现轻微渗漏，渗漏水体颜色清澈；21 h20 min时，坝高3.0 cm处(A)千分表出现读数，坝-体开始出现变形，且变形在1 h内迅速增长(图5b)；24 h，水位上升到5.5 cm，渗流坡降增加，坝体中部出现渗漏，B、C处千分表相继出现读数；27 h20 min，水位上升至7.5 cm，坝体下游渗漏加重，特别在坝体的底部和坝体的两侧均有较严重的渗漏，渗漏水体浑浊度增加，坝体表面开始被冲刷，形成较小的冲沟、陡坎，但未完全破坏，坝体水平位移趋于稳定；当水位上升至10.0 cm，水体漫顶，再经过12 min水体对坝体表面的冲刷(图5c)，表面冲沟加深并且合并，细小颗粒被带走，留下粗颗粒物质；当上游继续注水时，侵蚀继续加深，水体漫顶往下游的流速达到大颗粒物质的启动速度，坝体突然于47 h27 min向下游方向左坝肩发生漫顶溃坝现象；随着水流不断向下泄流，上游水位迅速下降，流速随之迅速降低，留下最大宽度12.0 cm、最小宽度8.0 cm的溃口(图5d)。A点位移最终为0.035 mm，明显大于B、C点位移，说明坝体下游坡变形呈现上小下大的规律(图6)。

a.坝体底部饱水；b.细颗粒随渗漏水体流出；c.漫顶溢流；d.坝体左肩溃决。图5 方案一实验1坝体变形破坏过程Fig.5 Dam deformation and failure process from Experiment 1 of Project 1

图6 方案一实验1坝体溃决前不同高度处水平位移图Fig.6 Horizontal displacement diagram in different height before dam break from Experiment 1 of Project 1

以实验1为例，坝体溃口演化过程及坝后水位变化经历了以下几个阶段：在水位漫顶之后，水体逐渐对沙堆顶部冲蚀(图7a)；一段时间之后，溃口逐渐向下扩展，溃口截面呈现“上窄下宽”的情况(图7b)；随着水流的不断冲刷，溃口不断向下扩展，“上窄下宽”情况更加明显，且上面悬空砂体有少量掉落，水位有所降低(图7c)；最后上部悬空砂体垮塌，形成倒梯形溃口(图7d)，水位降低明显，水流速也急剧下降。

2.1.2 实验2结果

实验2坝后最大蓄水量为41 600 cm3。注水6 h，坝体底部开始出现渗漏现象；注水23 h，A点处

图7 坝体溃口破坏演化图Fig.7 Evolution diagram of dam breach

先出现水平位移，坝体出现变形，渗漏比较轻微，渗漏水体清澈；25 h后，B点处千分表出现读数，同时坝体的渗漏加重，且渗漏水体颜色浑浊度增加，变成淡黄色；35 h，水位上涨至7.0 cm，坝体的渗漏继续加重，坝体表面的少许沙粒由于坝体中部的渗流作用而被冲刷带走，冲沟内水流流速加快；注水53 h，坝体渗漏异常严重，渗流颜色高度浑浊，冲沟向两侧扩张，冲沟内水体单位流量继续增大，坝体水平位移不再发生变化；55 h33 min，水体出现漫顶，坝体表面被大面积冲刷，水流与之前渗漏水体形成的冲沟合并，形成溯源侵蚀(图8a)；55 h40 min，坝体右肩出现溃口，坝后水体从溃口奔涌而出，流量较大且持续时间较实验1长，溃口尺寸更大，最大宽度达16.0 cm(图8b)。A点最终位移为0.038 mm，大于B、C点位移，说明坝体下游坡变形从下向上逐渐减小(图9)。

2.1.3 实验3结果

实验3坝后最大蓄水量为53 600 cm3。注水10 h后，坝体底部出现轻微渗漏，渗漏水体清澈；24 h，A点最先出现水平位移，此时水位3.8 cm；26 h，B、C点千分表出现读数，坝体渗漏加重，有少量细沙带出；45 h，水位达到7.0 cm，在坝体的中部出现渗漏现象，坝体表面受到冲刷的作用，形成小冲沟，渗流水体浑浊，A点处千分表读数明显增加；54 h，水位达到8.5 cm，坝体发生变形破坏，出现溯源侵蚀现象；72 h25 min，坝后水体漫顶(图10a，b)，又经过5 min，坝体顶部左侧位置出现溃决破坏(图10c)，开始时溃口较小，在水体高速持续的冲刷作用下，溃口迅速扩大，且冲刷时间较前两组实验更长，形成最宽23.0 cm、最小12.0 cm的溃口(图10d)。A点位移最终为0.045 mm，明显大于B、C点位移，说明坝体下游坡变形从下向上逐渐减小(图11)。

a.坝体水位漫顶；b.坝后水体局部溢流；c.坝体出现溃口；d.坝体最终破坏图。图10 方案一实验3坝体变形破坏过程Fig.10 Dam deformation and failure process from Experiment 3 of Project 1

图11 方案一实验3坝体溃坝前不同高度处平位移图Fig.11 Horizontal displacement diagram in different height before dam break from Experiment 3 of Project 1

2.2 方案二结果

2.2.1 实验1结果

方案二实验1，按照实验方案控制颗粒级配(图4)，向水槽注水。17 h后，水位达到3.0 cm，坝体底部出现较为严重的渗漏现象(图12a)，但渗漏水体较清澈，夹带少量细小颗粒；19 h，坝体的渗漏更为严重，小颗粒被不断冲刷带出，坝体出现小范围管涌破坏(图12b)，局部渗漏水流呈小股流出，坝体有轻微下陷，C点千分表出现读数；20 h，坝体下沉迹象明显，A和B处出现位移(因为肉眼可看到千分表处土体剥落，遂不将其作为坝体整体位移的参考量)，坝体出现严重变形；30 h，坝体中部也出现严重渗漏，水流清澈，坝体表面被冲刷，坝体前沿移动变形(图12c)；48 h，注水速度小于渗漏速度，调整注水流量达到流量计最大值(100 mL/min)，直到71 h28 min，水位发生漫顶，2 min之后，坝体右侧坝肩发生溃坝，水体一泻而出，持续时间极短，在溃口左侧土体不断被急速的水流冲刷带走。最终溃口最大宽度为17.0 cm(图12d)。

2.2.2 实验2结果

方案二实验2控制材料粒径大于2.000 mm，颗粒骨架间的孔隙过大，导致开始注水时，坝体的渗漏已经非常严重，小颗粒被持续带出；4 h，坝体底部出现轻微下沉，B点先出现水平位移，A和C处未出现明显位移，渗流稳定；30 h，水位下降；注水速度调至最大(100 mL/min)，水流渗漏速度仍远大于注水速度，导致无法继续蓄水；最终实验在72 h停止，渗流极为严重，未形成漫顶破坏(图13)。

a.坝后水位即将漫顶；b.坝体下游出现溯源侵蚀；c.坝体底部冲沟和陡坎；d.坝体右肩溃坝。图12 方案二实验1坝体破坏过程Fig.12 Dam deformation and failure process from Experiment 1 of Project 2

图13 方案二实验2坝体变形破坏图Fig.13 Dam deformation and failure process from Experiment 2 of Project 2

3 结果分析

3.1 坝体溃口大小

通过方案一可知，堰塞坝溃坝的发展过程主要分为渗流—漫顶—冲刷—溃决4个阶段。漫顶之前，坝体内部逐渐饱和并渗流，岩土体的抗剪强度降低，渗流水体造成下游坡表面形成小冲沟和小陡坎，随着水位升高，渗流加剧，渗流水体速度增大，冲沟扩大；当漫顶发生时，由于堰塞坝坝体材料的松散性和不均匀性，漫顶水体冲刷而下，松散颗粒被水流冲走，局部漫顶水体与之前的冲沟汇流；冲沟内水体流速继续增大，向两侧侵蚀更为严重，冲沟扩大合并，且发生溯源侵蚀作用，坝体厚度减小；之后，坝体溃口在顶部形成并迅速向坝底和两侧侵蚀扩大，最终导致坝体溃决破坏。3组实验在水体漫顶之前的位移变形和渗流现象较为相似。在漫顶之后，由于坝后水体体积不同，水体潜在势能不同，溃口一旦形成，实验1溃口进一步侵蚀破坏持续的时间较短，所以溃口尺寸最小，实验2次之，实验3溃口受快速水流冲刷作用持续时间最长，最终溃口尺寸最大。

3.2 管涌破坏

方案二中两组实验均控制坝后最大存储水体体积为41 600 cm3，通过改变实验土体的粒径尺寸，分别使用了0.500～2.000 mm的河沙(图4)和粒径>2.000 mm河沙进行坝体的堆筑。结果表明：当砂土粒径级配不均匀时(实验1)，由于大小颗粒之间结合较差，在渗流作用下，随着坝体上游水位上升，渗流坡降增大；当坡降达到一定值时，水体从坝体下游坡面渗出，小颗粒被渗出水流持续冲走，形成渗流通道；当颗粒骨架间的孔隙过大，坝体发生管涌破坏，当砂土粒径>2.000 mm时(实验2)，坝体由于渗流速度大于注水速度，导致坝后水体无法漫顶。

3.3 粒径大小与渗流作用关系

对比方案一的实验2和方案二的实验1渗流情况可知，控制坝后水体体积相同、水位相同，后者渗流现象更明显；进一步分析可知，随着上游水位上升，坝体堆积粒径级配越不均匀，坝体的允许渗流坡降就越小，当渗流坡降大于允许渗流坡降时，就越容易发生渗流破坏。

3.4 坝体位移

由图6、图9、图11知，坝体的位移均呈现从底部至顶部递减的情况，且坝体底部先出现位移变形。该位移变形可能与坝体形状以及渗透浸润线有关。随着水位上升，浸润线抬升，坝体下部先出现饱水状态，使得坝体内部出现孔隙水压力，土体颗粒结构强度降低，颗粒间结合度降低，从而出现坝体下游的宏观位移。

4 结论

1)级配组成良好的坝体，随着上游水位缓慢增长，主要分为渗流—漫顶—冲刷—溃决4个阶段，最终溃坝。随着坝体上游水位的不断上涨，坝体底部往往最先出现位移，且最终底部位移量大于其余部位。

2)在坝体堆积颗粒粒径组成相同，坝体上游水位不变的情况下，坝后蓄水量越大，溃口处峰值流量越大，且整个漫顶溃坝过程持续时间越长，水流对溃口两侧和底部的侵蚀作用强度更大，最终溃口横截面尺寸越大。

3)坝体堆积物颗粒粒径级配越差，坝体堆积越不稳定；由于小颗粒迅速被渗流水体冲走，堰塞坝允许渗流坡降变小，坝体易形成管涌破坏。

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