淤地坝柔性溢洪道泄流模型试验研究

于 沭，陈祖煜，杨小川，2，苏安双，李炎隆，周嘉伟

（1. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048；2. 西安建筑科技大学，陕西西安 710055；3. 黑龙江省水利科学研究院，黑龙江哈尔滨 150078；4. 西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安 710048）

1 研究背景

黄土高原丘陵沟壑区是我国乃至世界水土流失最为严重的地区，淤地坝是解决水土流失问题的有效工程措施，具有拦泥、滞洪、淤地造田、改善生态环境等综合效益［1-5］。然而淤地坝水毁现象频频发生，水毁灾害给人民的生命及财产造成了很大损失，水毁问题也是困扰黄土高原地区淤地坝建设发展的一个主要因素［6-9］。溢洪道作为淤地坝“三大件”（坝体、泄水洞、溢洪道）［10］之一，在降低淤地坝水毁、溃决风险方面具有重要作用。目前，拥有溢洪道的淤地坝比例较低，除部分骨干坝、中型坝工程之外，大多数工程无溢洪道，增设溢洪道需求迫切［11］，也是我国目前淤地坝除险加固的一项主要工作。目前，淤地坝增设的溢洪道主要型式是浆砌石溢洪道和混凝土溢洪道，增设这类溢洪道，每项工程平均投资在80 ～120万元。据不完全数据统计，经认定、核查的黄土高原地区存在病险的中型以上淤地坝有5282座［12］，由于淤地坝除险加固资金有限，很难实现在短期内覆盖全部工程。

国内外学者对于溢洪道消能特性做过大量研究［13-16］，光滑式和台阶式是溢洪道两种典型结构型式。光滑式溢洪道因其适应性良好，被广泛应用，由于其消能率低，往往需配套工程量庞大的消力池。台阶式溢洪道是一种古老的泄水建筑物，随着碾压式混凝土筑坝技术的发展才被广泛的应用［17］。两种溢洪道型式在国内外的混凝土坝体上都广为应用，但在土坝尤其淤地坝上应用较为少见。

为加速淤地坝工程除险加固进度，降低淤地坝系的水毁、溃决风险，急需一种造价低廉、适用于淤地坝的新型溢洪道。本文提出了布置在淤地坝坝身的柔性溢洪道，并通过对光滑及台阶两种型式柔性溢洪道进行长时间过水对比试验，研究两种型式柔性溢洪道的消能率、抗冲刷变形等特性。通过无防护条件的坝体泄流对比试验，对比分析有、无柔性溢洪道条件下坝体表面过流对坝体安全特性的影响。

2 模型试验概况

2.1 试验目的模型试验主要有三个试验目的：（1）对比分析柔性光滑、台阶溢洪道泄流时水流流态及消能率；（2）研究柔性溢洪道模型在长时间（20 h）泄水后的结构及材料表现；（3）对比分析有、无柔性溢洪道条件下坝体表面过流对坝体安全特性的影响。

2.2 试验仪器设备本次试验采用自主设计研发的大型循环水模型槽（如图1），该模型槽长10 m，宽3 m，高2.2 m，可提供最大流量340 L/s的循环水。

图1 试验装置

本文主要测量不同流量下两种溢洪道泄流的水流流速，通过3 个高清摄像头对试验过程进行录像。采用水流测速仪和毕托管共同对溢洪道断面的流速进行采集。主要数据采集仪器有高清摄像头、SL-300流速仪、毕托管、钢尺、激光测距仪等（图2）。

其中SL-300流速仪量测范围为0.01 ～4.0 m/s，测流误差小于1.5%。试验前对SL-300流速仪和毕托管在水流中进行测流标定比对，两种仪器在水流小于4 m/s 时，测量结果很相近，测量误差小于2%，说明两种仪器测量精度良好。螺旋桨式的流速仪最大量程为4 m/s，当流速小于4 m/s时，采用螺旋桨式流速仪测量，同时采用毕托管复测；当流速大于4 m/s时，采用毕托管测量。用于测量柔性溢洪道变形的激光测距仪的量程为0.05 ～80 m/±60°，测量精度为±1.5 mm/±0.2°。

图2 试验测量仪器

2.3 试验材料本文提出了一种抗冲刷、抗侵蚀复合土工材料，该材料在常规土工材料基础上设计加工而成（图3）。该材料利用聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate 简称PET）的拉伸强度高、抗老化的优点和土工布透水保土的优点，将2 mm 宽PET 丝按照400 根×400 根经纬密度编织而成，再与土工布热熔结合而成。将材料命名为“抗冲刷、抗侵蚀PET 复合土工材料”，下文简称为PET复合土工材料。经过检测，该材料力学及抗老化性能指标见表1。

表1 PET复合土工材料性能参数

用PET 土工复合材料制成土工袋试样，其内部装入黄土并缝制封闭，放入圆筒冲刷试验设备进行冲刷试验［18］。圆筒冲刷测试仪基本原理：圆形钢筒内部安装有螺旋叶轮，通过叶轮转动带动水流转动，冲刷圆筒底部的试样。通过观察窗观察试样在冲刷过程中的变化以及水流颜色的变化。土工袋试样内土样及后文介绍的模型试验采用的土样来源相同，为陕西省延安市宝塔区湫沟附近的黄土。土样物理特性及制样控制指标见表2。

表2 土样物理特性指标

将土工袋试样置于圆筒冲刷测试仪底部的试样槽内并用细绳加以固定，防止试样被高速水流冲离试样槽。测试时，保证土样完全浸没于水内，水深为0.5 m，控制叶轮转速保证试样表面流速为试验方案设定值，具体方案及结果见表3。随着流速的不断增加，水流对试样的拖曳力逐渐加大，当流速大于2.1 m/s时，试样无法在试样槽内固定，且没有找到很好的解决办法，因此，试验控制条件以2.1 m/s作为最大流速。淤地坝工程洪峰持续时间很短，一般在30 min内完成泄流，因此，以30 min作为每次试验的持续时间。记录在不同冲刷流速下，土工袋内黄土损失量，并观察试样能否发生明显破坏（图3）。

冲刷试验前、后分别对土工袋及袋内干土进行称重，以差值作为试验冲刷量。具体测量方法为：试验前、后分别对土工袋及袋内土进行烘干处理，假设烘干对土工袋的重量没有影响，试验前、后两次烘干称重差值即为土工袋内黄土冲刷量。采用冲刷量与总重量的百分比评价土工袋试样的冲蚀程度。以试样单位时间内单位表面积的冲刷量作为表面冲刷率，用于评价PET复合材料保护土体承受水流冲刷的能力。为消除试验偶然性带来的误差，同一条件的试验进行了4次，以4次试验结果的平均值作为评价依据。

通过对试验结果分析（如表3所示），冲刷率总体呈现随着水流流速增加而增加的规律，水流流速小于1.05 m/s 时冲刷率几乎为0，当流速达到2.1 m/s 时冲刷率为1 g/（m2·s）左右、冲刷重量百分比为2%左右。在试验前水流清澈，随着水流流速增加水流随之变浑浊，但始终处可视状态。在经历长时间水流冲刷，土工袋表面未出现损坏。综上所述，该PET复合土工材料具有很好的抗水流冲刷能力及保土性，初步具备作为柔性溢洪道原材料性能的要求。

图3 土工袋试样冲刷试验仪器及过程

表3 土工袋试样冲刷试验方案及结果

2.4 模型试验方案模型试验共设置三种方案，分别为柔性光滑溢洪道、柔性台阶溢洪道泄洪和坝面无防护措施方案。前两种方案主要用于对比两种溢洪道型式的消能率及结构变形，第三种方案用于对比分析有无溢洪道防护措施对坝体结构安全的影响。具体试验方案见表4。前两种试验方案，分别对泄流时间和溢洪道进水口堰上水位进行控制。通过调节水泵供水量来控制堰上水位，由于供电电压有一定波动性，很难保证两种型式溢洪道堰上对应的水位条件完全一致。试验过程中，尽量保持堰上水位稳定且近似一致。坝面无防护措施方案试验过程中所需水量很大，无法保证堰上固定一定水位，因此，采用固定流量的方式作为试验条件，试验过程中供水量为120 L/s。

2.5 模型设计及监测布置试验制作一个土坝模型模拟淤地坝，坝前空间用来模拟水库，为溢洪道泄流提供供水条件。以此土坝模型为基础，在其下游坡先后制作柔性光滑溢洪道及柔性台阶溢洪道模型。

表4 模型试验方案

土坝模型坝高2.2 m，上游坡比1∶1，下游坡比1∶1.5。溢洪道堰口宽0.45 m，深0.2 m。台阶溢洪道共设计9级尺寸相同的台阶，台阶的具体布置见图4，光滑溢洪道布置形式与台阶溢洪道类似。在堰口位置及溢洪道下游分别设置一个固定流速测量点，为保证测量结果的可靠性，采用毕托管对同一位置流速进行复测。在测量断面布置6个测量点位，测点位置见图4中测量断面图。两种型式溢洪道的变形的测点都布置在泄槽的中心线，见图8。柔性光滑溢洪道的变形测点在斜坡段沿高度方向每隔10 cm布置一个，水平段每隔10 cm布置一个。台阶溢洪道的变形测点布置在每级台阶的踏步、踢脚和棱线的中间位置（见图4局部放大）。

图4 柔性溢洪道模型测量点布置

3 模型试验过程

3.1 溢洪道泄洪流量控制方法通过调整堰上水头高度控制溢洪道泄流流量，运用水力学宽顶堰公式计算泄流量［19］

式中：B为溢流堰净宽，m；H为计入行近流速的堰上总水头，m；m 为流量系数，根据水工设计手册查表可得；C 为上游面坡度影响修正系数，本文取1；ε为侧收缩系数，由闸墩厚度及墩头形状而定；σs为淹没系数，视泄流的淹没程度而定，不淹没时σs=1.0。各试验方案对应流量条件见表5。

3.2 试验现象对于柔性光滑溢洪道，在泄洪过程中，除模型个别部位由于施加固定钉后导致泄槽底面不平顺而产生气泡外，光滑溢洪道未出现明显的掺气现象，如图5（a）。从泄洪前、后溢洪道的变形来看，溢洪道没有产生明显的变形。模型土体未发生明显冲蚀现象，试验前、后水流颜色未发生明显改变，水流保持清澈。

对于柔性台阶溢洪道，小流量泄流时主要为跌落水流状态，随着流量的增加，出现过渡型水流状态。试验泄洪过程中溢洪道产生水花明显，如图5（b），主要由于泄洪水流在台阶跌落过程中产生了明显掺气现象。同光滑溢洪道类似，模型土体未发生明显冲蚀现象，试验前、后水流颜色也未发生明显改变。

图5 柔性溢洪道试验过程

4 模型试验结果分析

4.1 柔性溢洪道消能特性分析为了计算水流能量经过溢洪道的沿程耗散率，选取溢洪道进口断面（堰上断面）和坝脚断面作为对比断面。根据能量守恒原理，通过台阶段的损失率和上游总能量之比作为消能率，即：

表5 溢洪道模型泄洪试验数据

各试验方案结果表明，柔性光滑溢洪道的消能率在28.5%～30.39%之间，柔性台阶溢洪道的消能率在80.8%～87.6%之间。对于柔性光滑溢洪道，堰上水位变化对消能率影响不大，消能率基本都在30%左右。对于柔性台阶溢洪道，随着堰上水位的增加，其消能率逐渐减小，即堰上水位由11 cm增加至19.5 cm，水位增加幅度77.3%，消能率减小7.6%，说明随着堰上水位的增加消能率减小幅度不大。试验过程中发现，随着台阶溢洪道堰上水位增加，堰上跌落水流的流量及流速也随之增大，部分水流出现多级台阶飞跃现象，即一次跌落多个台阶的现象，如图7（b）。水流不像较低堰上水位方案，从溢洪道入口到出口沿程每级台阶都能跌落消能，这种现象导致了台阶溢洪道的消能率随堰上水位和泄流流量的增加而减小。对比分析两种溢洪道泄洪的消能特性，柔性台阶溢洪道的消能率明显大于光滑溢洪道。分析柔性台阶溢洪道消能效果产生的原因，主要由溢洪道材料表面摩擦、水流跌落及台阶变形消耗的能量共同作用产生。

国内外学者对溢洪道的泄洪特性研究很多［20-22］，对刚性溢洪道泄洪消能机理给出了解释。对于柔性溢洪道消能机理的解释并不多。通过观察柔性光滑溢洪道泄洪试验过程，未发现明显的水花，说明泄洪过程未产生掺气消能现象，如图5（a）和图6。认为光滑溢洪道消能作用主要由两个作用共同产生：（1）泄洪水流与柔性泄槽之间的摩阻力；（2）水流冲击泄槽产生的能量耗散。台阶溢洪道泄洪产生了大量水花，如图5（b），其消能作用除了水流与泄槽之间的摩阻力外，泄洪水流的掺气作用和水流从台阶跌落消耗的能量起到了很大作用。这也是台阶溢洪道的消能率远大于光滑溢洪道的原因。台阶溢洪道的泄洪流态随着上游堰上水位的增加，逐渐从跌落水流流态过渡到滑行水流流态，如图7。这种流态变化将使得台阶溢洪道的消能效果减弱，最终表现为随着堰上水深的增加泄洪消能率逐渐减小。

图6 光滑溢洪道不同堰上水深下的泄流特性

图7 台阶溢洪道不同堰上水深下的泄流特性

4.2 柔性溢洪道变形及抗冲刷特性分析通过对比，试验前、后两种型式溢洪道的变形都很小，表观没有明显的坍塌、滑移现象，见图8。试验结束后溢洪道泄槽表面材料未发生冲蚀破坏，整个试验过程循环水流清澈，未出现因溢洪道土体冲蚀而使水流变浑的现象，体现出新型PET复合土工材料的抗冲刷能力良好。溢洪道泄槽的最大变形处并未发生破坏，体现出溢洪道泄槽强度能够满足泄洪要求；模型坝体未出现冲刷破坏且溢洪道泄槽与坝体接触良好，体现出溢洪道泄洪稳定性及变形协调性良好。

光滑溢洪道最大变形量出现在坝脚和下游导流槽。坝脚处主要表现为下沉变形（最大量值1.2 cm），主要为高速水流冲击作用而产生。下游导流槽产生一定上浮变形，主要由于水流从坝基下游进入模型地基部位，对PET 复合土工材料产生一定浮力导致导流槽上浮，最大上浮量值为5 mm。试验前、后泄槽底面位移趋势绘制如图9（a），总体来看光滑溢洪道泄洪后变形很小，泄洪稳定性良好。

图8 柔性溢洪道试验后外观

图9 柔性溢洪道试验前后变形图

台阶溢洪道试验前、后泄槽底面位移趋势如图9（b），除了一个测点出现了3.4 cm位移，其他测点的位移都小于1 cm。说明该结构型式具有良好的稳定性。相对于光滑溢洪道，台阶溢洪道的局部变形略大，但是未发生整体大范围变形。

图10 无防护条件模型坝泄流试验过程

4.3 无防护条件模型坝泄流试验相比较于两种坝体下游面有柔性溢洪道的试验方案，无防护条件的土坝在泄流后很快发生破坏进而溃决。无防护条件土坝冲蚀首先从下游坝坡开始，溃口迅速下切到下游坝脚，在下切过程中伴随着溃口侧壁坍塌向横向扩展（图10）。试验开始时刻，水流漫过坝体堰口后迅速冲蚀下游坝坡（图10（a））；试验3.5 min时，在水流的冲刷作用下，坝体下游坡出现“陡坎”现象，图10（b）；试验7 min时，水流快速冲蚀下游坝坡，下游坝坡出现坍塌（图10（c））；试验10 min时，溃口逐渐扩展，下游坝坡进一步坍塌，溃口处上游坝坡开始冲蚀（图10（d））；试验12.5 min时，溃口进一步扩展，下游坝坡发生剧烈坍塌，上游坝坡冲蚀加剧（图10（e））；试验在25.7 min时，坝体完全溃决，最终形成一个贯穿坝体上下游方向的溃口（图10（f））。由于土体不耐水流冲蚀，且在泄流过程中坝体缺少有效的防护措施，很快形成溃口并发展为坝体最终溃决。与两种柔性溢洪道方案相比，无防护条件模型坝无法保证通过坝体泄流安全。

5 结论

通过对柔性溢洪道材料的抗冲刷性能进行试验，并针对柔性光滑、台阶溢洪道及无防护条件的泄流模型试验进行对比研究，得到以下结论：

（1）提出了一种PET复合土工材料，PET复合土工材料具有很好的抗水流冲刷能力及保土性，初步具备作为柔性溢洪道表面防护材料性能的要求。通过冲刷试验和模型试验综合验证，该材料最大能够承受流速为5.26 m/s的水流冲刷而不发生破坏，也未出现明显土颗粒流失。

（2）柔性光滑溢洪道的消能率在28.5%～30.39%之间，柔性台阶溢洪道的消能率在80.8%～87.6%之间。台阶溢洪道消能效果明显，优于光滑溢洪道。柔性光滑溢洪道泄洪过程水流的流态稳定、掺气量较少，柔性台阶溢洪道泄洪过程流态复杂，掺气量较多。柔性台阶溢洪道消能效果，主要由溢洪道材料表面摩擦、水流跌落及台阶变形消耗的能量共同作用产生的。

（3）泄流前、后溢洪道的变形结果表明，两种溢洪道变形都很小，未发生破坏、结构稳定性良好，与坝体结合良好，验证了柔性结构的可靠性以及适应变形方面的优势。

（4）通过无防护条件的坝体泄流试验表明，在没有溢洪道保护的条件下，土坝坝体是不具备过水能力的，溢洪道保护坝体抗水流冲刷的作用明显。

（5）综合分析，认为柔性台阶溢洪道消能效果、抗水流冲刷能力及变形稳定性都能够满足淤地坝工程的要求，为柔性溢洪道向工程推广提供了理论、试验依据。