初始含水率及人工干预对堰塞坝溃决影响试验研究

2019-03-12周传兴

重庆交通大学学报(自然科学版) 2019年3期

刘杰，颜婷，周传兴，陈伟

(1. 攀枝花学院土木与建筑工程学院，四川攀枝花 617000； 2. 四川大学水力学与山区河流开发与保护国家重点实验室，四川成都 610044； 3. 四川省水利水电勘测设计研究院，四川成都 610072)

0 引言

堰塞坝是自然界中因特殊因素(如暴雨，地震等)诱导河岸山体滑坡冲入河中阻断河水形成的天然坝体，其结构松散、强度低、极易被水流冲刷失稳[1]。随着时间增长，坝前水位不断升高，坝体随时有漫顶溃决可能性[2]。一般而言，堰塞坝很难长时间存在，41%的堰塞坝在一周或更短时间内会溃决，80%左右的1年内会溃决，只有极少数可保存更长时间甚至不会溃决[3]。然而，堰塞坝一旦溃决，对下游人民生命财产安全的威胁不可估量。堰塞坝溃决过程受众多因素影响，很难对溃坝洪水进行有效准确预测，因此对堰塞坝溃决过程受到的影响因素和影响规律进行研究显得十分必要[4]。

堰塞坝是由河道岸坡坍塌滑动等形成的天然松散堆积体，受降雨、渗流等因素影响，不同堰塞坝坝体实际初始含水率不一致，从而造成不同坝体的物理性质会有所差异，进而也影响了漫顶溃决过程中坝体变形破坏规律，因此学界的很多结论不具有通用性。为分析含水率对堰塞坝溃决过程影响，学界已经展开了研究。S. L. BRITTON等[5]通过两组大尺度室外试验，对堰塞坝溃决过程中溃口展宽进行了研究，他们认为展宽率受到坝体含水率变化影响，并给出相应的回归公式。然而该回归公式缺乏更多组次的试验验证，其准确性有待考证。CAO Zhixian等[6]通过28组室内小水槽试验，考虑含水率情况下研究了不同上游来流、不同坝体形状和不同初始溃口对溃坝洪水影响，但其含水率是转换为坝体压实度来进行分析的，并未单独讨论含水率对溃坝影响规律。M. AL-RIFFAI[7]通过3组大型水槽试验，研究了不同含水率对均质非黏性土石坝溃决过程影响；他的研究将含水率转换为干容重，其3种不同含水率对应的干容重分别为17.8、16.8、15.5 kN/m3；然而该研究只讨论了含水率对溃口流量过程影响，对横向展宽等方面没做进一步分析。除此之外，XU Fugang等[8]，J.S.WALDER等[9]，杨阳等[10]，周兴波等[11]也在研究过程中充分考虑了含水率因素。

目前，大型高危堰塞坝溃决需要进行人工干预，规模和危害不大的堰塞坝一般采用自然溃决处理。人工干预措施一般是在堰塞坝发生自然溃决前对坝体开挖引流槽，以降低溃坝水头。在溃坝过程中很少采取人工干预，溃坝过程是否需要采取人工干预，目前还处于实验室研究阶段。陈晓清等[12-13]采用向溃口抛投预制块体方法干预堰塞坝溃坝过程，发现四面体实心框架对溃口发展影响明显，滞洪效果最为显著。赵万玉等[14]对地震堰塞湖人工排泄断面的优化方案进行了初步探讨，提出在堰塞湖应急排险过程中，采用三角形槽复式泄流槽排泄，可提升溃决初期库水的排泄效率。此外，如白金朋等[15]，邓宏艳等[16]，杨启贵[17]，徐富刚[18]等也对堰塞坝溃决人工干预进行了初步分析，研究结论表明：在溃坝过程进行人工干预十分有必要[18]。

综上所述，初始含水率和人工干预对堰塞坝溃决过程影响明显，只是很少有学者将含水率作为一单独因素进行重点研究，使得学界基于这些因素对堰塞坝溃坝过程影响认识不够全面而深刻。因此，笔者通过一系列水槽试验，探究初始含水率和人工干预对堰塞坝溃决影响，为工程领域和数值研究提供理论参考。

1 水槽试验分析

1.1 试验装置

模型试验最重要的是要具有适用性。M.AL-RIFFAI[7]认为：大多数工程应用措施都起源于实验室测试，只有在实验室中被发现和证实的结论才对工程有适用性和指导意义。笔者开展的模型水槽试验在四川大学水力学与山区河流保护国家重点实验室陡槽实验厅进行。

试验水槽装置选用自循环变坡试验系统。系统由供水装置、水槽段组成，如图1。模型可近似重现真实溃坝的触发条件和过程，对含水率控制较为准确。对抛投石块干预对溃坝流量的影响也可及时观测，因此试验结果可在一定程度上指导工程实践，具有一定适用性。

图1 试验水槽和仪器布置示意Fig. 1 Experimental flume and equipment setting layout

模型水槽供水装置采用钢结构形式，长2.5 m，后接水槽段，槽身直线长12.5 m，宽0.5 m，高0.6 m，边壁及底板均为透明有机玻璃面板，方便试验观测及测量。在距离供水装置4 m处堆积堰塞体，堰塞体底部长度1.5 m，顶部宽度0.5 m，高0.25 m。试验过程采用3个浪高仪记录库区水位时时变化，3个高清数码相机(编号为D1、D2、D3)记录溃口演化过程。其中：D1用于记录溃口展宽过程和通过图像处理计算溃口水流表面流速；D2用于记录坝体下坡面冲刷过程；D3用于记录下游溃坝洪水及坝体溃决全貌。试验开始后，在坝前不断抛撒小纸片作为示踪粒子，用于跟踪坝前和溃口表面流速变化过程。所有电子设备都通过数据线传输到同一台笔记本电脑，通过电脑可控制设备的启停和数据的存储。

1.2 试验材料

由于原型试验在时间和经济上存在不少困难，只能开展缩比试验。按照相似理论，几何相似是运动相似和动力相似的前提。对模型试验而言(特别是溃坝试验)，要做到所有参数都与原型完全相似几乎不可能，只能取部分相似，即近似模型试验。

文中材料粒径与坝体尺寸采用相同几何比尺参考了文献[19]的处理方法[19]，同时假设材料粒径进行缩比后材料容重、泊松比、剪切强度、弹性模量等参数也满足相同相似比。此外，本次试验采用的坝体材料充分参考了老鹰岩堰塞湖、红石岩堰塞湖和小岗剑堰塞湖的坝体物料组成情况。从以上堰塞坝坝体物料组成情况来看，这些坝主要由巨石(孤石)、块碎石、以及砾石土等非黏性物料组成。物料所占比重大致为：巨石(孤石)为20%，块石为30%，碎石为40%，砾石土为20%[20～22]。文中模型坝尺寸受水槽尺寸限制，按照几何相似，相似比尺取1∶400。根据原型坝物料组成，文中所有模型坝体物料参数为：细砾5 mm(4～6 mm)20%，粗砂1 mm(0.5～2 mm)30%，中细砂(0.5～0.2 mm)50%的非连续级配砂，这3个原型坝物料组成如表1。

表1 堰塞坝坝体物料组成情况Table 1 Material composition of dam body of landslide dam

笔者研究的是非黏性堆石堰塞坝的溃坝过程，忽略了黏聚力影响，认为所有工况坝体黏聚力一致。因为即使是原型坝，其黏聚力也很难精确测量，只能通过土力学关系换算。黏滞力在溃坝过程中对水流与溃口底床剪切力有抵抗作用，影响的是溃口纵向下切过程。所有试验工况都近似假设为单变量试验，认为只要所有组次黏聚力相同即可，无需探究黏聚力的具体数值。若要测量黏聚力，在实验室试验条件下，可通过测量流体流速和溃口底部高程变化率反算黏聚力，这部分将在下一阶段研究中重点展开。

1.3 试验工况

试验工况如表2。

表2 不同坝体初始含水率下漫顶溃决试验参数Table 2 Test parameters of overtopping collapse underdifferent initial moisture content of dam body

试验共分5组，初始含水率从高到低分别为19.59%、8.90%、5.50%、4.2%、2.97%。与实际堰塞体含水率相比，含水率19.59%、8.90%偏高；含水率5.50%比较适中，其试验结果对工程有一定适用性；含水率2.97%偏低，接近干土的状态。这5组含水率值跨度较大，有利于分析出含水率对坝体溃决影响规律。每组试验按照相同压实方法对坝体进行堆筑，坝体堆筑完成后利用环刀在坝体3个不同地方(坝顶、坝中和坝脚)采样，对采样材料混合后立即进行含水量测定。经调查发现：老鹰岩堰塞湖、红石岩堰塞湖和小岗剑堰塞湖的平均流量为1 000～3 000 m3/s。试验固定来流不是研究变量，仅仅代表模型坝的一水力条件，比尺为，则根据几何比尺1∶400，换算出模型流量在0.000 3～0.000 9 m3/s区间内，故文中固定来流取0.000 9 m3/s，以体现上游河道处于河水暴涨季节这一情形。

2 初始含水率试验结果分析

2.1 溃口演化过程分析

为观察不同初始含水率条件下堰塞坝溃决过程中溃口演化差异，笔者选取了高(19.59%)、中(5.50%)、低(2.97%)这3种不同含水率工况进行对比，如图2。

图2 不同含水率条件下溃口演化过程对比Fig. 2 Contrast of evolution process of breach under different moisture content conditions

由图2可看出：水流通过引流槽首先侵蚀坝体下坡面，在坝顶和下坡面交界处形成一个逐渐扩大的“陡坎”，“陡坎”向上游发展到上游库区水位线后，溃口流速增大，冲刷转变为层状冲刷，这与其他研究者的试验结果较吻合[23]。同一时刻，初始含水率越高，“陡坎”向上游发展速度越快，如图2(a)；含水率越高，溃口最窄处位置越靠近上游库区，如图2(c)；并且在各个时刻，含水率越高则溃口宽度越大。从这些典型现象可看出：含水率对溃坝过程影响十分显著。选取图2中3种工况同一断面(图2中红色双箭头线位置)溃口宽度变化过程进行对比，如图3(a)，相应溃口展宽速度变化如图3(b)。

图3 3种工况下溃口展宽过程和展宽速度对比Fig. 3 Comparison of breach width change process and width change rate under 3 kinds of conditions

由图3可看到：坝体初始含水率为5.5%时，其溃口展宽速率最大值最大，均高于较高含水率(19.6%)和较低含水率(2.96%)的溃口展宽速率最大值。在坝体溃决中期，当含水率为5.5%时，其边坡失稳坍塌规模较大，故展宽速率会明显高于其余含水率；当含水率为19.6%时，溃口发展在前期就已经开始，土体没有被过多累积，其发生大规模坍塌的可能性小，溃口展宽速率平缓；当含水率为2.96%时，由于含水率降低，坝体基质吸力增加。从下游坡面到坝顶溃口，土体更不容易发生大规模崩塌，溃口展缓速率相对5.5%含水率时也有所降低。

2.2 溃决流量过程

图4为不同含水率下坝体溃决流量过程曲线对比。由图4可看出：在坝体溃决前期，随着含水率降低，溃口流量增长速率也相应变慢，即曲线上升变得缓慢。这个阶段，当含水率较高时，溃口发展过程较快，下泄水量也就相应增加；到溃决中期，如含水率为5.5%工况，由于溃口发生大规模坍塌，横向扩展迅速增加，此时积累在水库的水体短时间大规模下泄，导致流量突然陡增；到坝体溃决后期，如若含水率较高，坝体基质吸力较小，溃口边坡更容易随着水流被冲蚀淘刷，土体累积量少，溃口呈现较大规模坍塌现象减弱，横向扩展速率减小，下泄流量过程线也因此变得平缓。

图4 不同含水率下坝体溃决流量过程Fig. 4 Flow process of dam breaking under different moisture content

总体而言，相比含水率为19.6%的工况，当含水率降低时，坝体溃决历时从435s(含水率19.6%)增加到588 s(含水率2.97%)；相对含水率为19.6%的工况，随着含水率降低，峰值流量出现时间向后延迟，延迟时间分别为19、33、43、54 s；以含水率5.50%为转折点，溃口峰值流量先增大后变小，含水率为5.5%时，峰值流量最大，为0.005 5 m3/s。因此可以认为：含水率越大，溃坝速度越快，峰值流量出现时间越早。

2.3 坝体初始含水率与溃决峰值流量关系

通过坝体不同初始含水率对堰塞坝溃决过程的试验发现，初始含水率不同导致堰塞坝溃决过程差异明显。为总结初始含水率与溃坝峰值流量之间关系，笔者将5个工况峰值流量出现时刻对应的溃口平均展宽率总结如表3。

表3 坝体初始含水率与溃决峰值流量和溃口平均展宽速率关系Table 3 Relationship of initial moisture content of dam body, peakdischarge and average breach change rate

由表3可看出：随着初始含水率减小，堰塞坝溃决峰现时间滞后，溃口平均展宽率量呈现先增大再减小的趋势，在初始含水率为5.5%左右达到最大。对于这个现象，可认为在含水率为5.5%左右时，溃口两侧土体易出现间歇性大规模坍塌失稳，由此造成的溃口平均展宽速率较其它含水率下为最高。

图5(a)展示的是峰值流量与坝体初始含水率之间关系。图5(b)为溃口平均展宽速率与坝体初始含水率关系。由图5可看出：随着含水率增大，峰值流量呈现先增大后减小趋势，当初始含水率为5.5%时，峰值流量达到最大。结合表2发现：在含水率为5.5%时，溃口峰值流量和溃口平均展宽率均为最大。对于这一现象，文献[24]认为很大程度上与非饱和土体基质吸力有关[24]。同时也说明堰塞坝溃决存在一个最不利于降低堰塞坝溃决洪峰流量的含水率，本试验中的最不利含水率为5.5%。

图5 峰值流量和溃口平均展宽速率与坝体初始含水率关系Fig. 5 Relationship between peak discharge, average breach width change rate and the initial moisture content of dam body

3 人工干预措施

3.1 工况设置

堰塞坝溃决过程存在一个最不利坝体的含水率，在这个含水率条件下溃口峰值流量最大，溃口流量线在短时间内急剧增大到峰值，这在堰塞坝应急处置中是不愿看到的情况。目前，对大型堰塞坝溃决应急处理主要以人工泄流为主，而规模和危害不大的堰塞坝一般采用自然溃决处理。人工干预措施一般为开挖引流槽，以降低溃坝水头，在溃坝过程很少采取人工干预。

溃坝过程是否需要采取人工干预，目前还处于实验室研究阶段。根据陈晓清等[11]的研究，在堰塞坝溃决过程向溃口抛投预制块体可起到降低堰塞坝溃决峰值流量的效果。为进一步探索人工干预必要性，笔者借鉴水利工程中大坝截流相关技术和堰塞坝应急处理过程抛投材料方法，在堰塞坝溃决过程中分别抛投3种不同粒径的块石，如图6。

图6 抛投块石粒径Fig. 6 The particle size of the thrown stone

抛投块石的粒径分别为0.5、1.0、1.5 cm，并观察和记录溃坝流量差异。堰塞坝溃决过程中的溃口流量受到溃口入口几何参数影响[17]。因此，本试验抛投石块位置为无抛投石块条件下峰值流量出现时刻溃口入口位置，如图7。

图7 块石抛投位置Fig. 7 The position of throwing stone

为使试验结果更具有可比性，选取试验中的最不利初始含水率(5.5%)条件作为对比工况，在抛投块石时刻对每组试验坝体溃决流量进行统计。由于初始含水率为5.5%接近实际堰塞坝含水率，因此该工况的人工干预对工程实际具有一定参考价值。所有试验参数均采用相同数值，即坝高25 cm、入库流量0.000 9 m3/s，初始含水率5.5%，坝顶中部开槽，顶部、底部和深度尺寸分别为13 cm×3 cm×3 cm，具体工况如表4。

表4 抛投天然石块(改变粒径)滞洪试验参数Table 4 Test parameters of flood detention by throwing natural stones (changing particle size)

3.2 滞洪效果对比

图8显示了不同抛投粒径对堰塞坝溃决流量过程影响。

图8 不同粒径对堰塞坝溃口流量过程线影响对比Fig. 8 Comparison of the influence of different particle sizes onthe flow process line of dam breach

由图8可明显看出：不同粒径块石作用下和没有抛投块石情况(d=0 cm)相比，堰塞坝溃决洪峰流量值均得到削减，峰现时间滞后，块石粒径越大，峰值流量削减量越多，峰值流量时间点滞后越长，说明抛投块石对堰塞坝滞洪能起到效果。

将图8中特征值和各工况坝体残余高度统计如表5。

表5 抛投不同粒径块石滞洪效果参数对比Table 5 Contrast of flood detention effect parameters of throwingstones with different particle sizes

由表5可看出：当抛投粒径为0.5 cm碎石时，相比没有抛投碎石情况下流量过程曲线，峰值流量从0.005 5 m3/s降低为0.005 2 m3/s，峰值流量消减量为5.45%；当抛投粒径增加到1.0、1.5 cm时，峰值流量削减从0.004 9 m3/s减小为0.004 7 m3/s，相比未抛投块石峰值流量分别降低了10.9%和14.55%，削减效果明显；并且抛投块石粒径越大，残余坝体越高，剩余量越多。

对于以上现象，从土力学和流体力学角度可解释为：抛投块石力学性质受到材料的密度、材料块体形状、块体粒径大小、迎水面积修正系数等因素影响。粒径越大，材料稳定性越好，在相同溃口水力条件下，抛投材料停留时间越长，溃口附近泥沙颗粒迁移受到块石阻碍作用越大；在块石影响下，溃口纵向下切速度变缓，溃口横向大规模边坡坍塌失稳受到抑制，峰值流量因此得到控制，并且粒径越大，控制作用越好。