上游来流量对堰塞坝溃决过程影响试验研究

2020-06-28于梦真牛志攀苑如玮王璐瑶

科学技术创新 2020年16期

于梦真牛志攀＊苑如玮朱嘉王璐瑶

（1、四川大学水利水电学院，四川成都610065 2、四川大学灾后重建与管理学院，四川成都610065 3、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）

1 概述

堰塞湖是由地震、滑坡等自然灾害造成河道堵塞而形成的湖泊，堰塞坝是堵塞河道的坝体。由于堰塞坝直接由崩滑的土石堆积而成，往往结构不稳，材料不均，物质松散[1]，有学者曾对堰塞坝寿命进行统计，结果表示86%的堰塞坝寿命小于1 年[2]。地震或降雨可能会在同一个地区形成多个堰塞坝，发展为堰塞坝群，仅5·12 大地震后就形成了256 座堰塞坝[3]，堰塞坝一旦溃决，可能会引起下游发生严重的洪水灾害，威胁下游人民的生命安全并带来严重的经济损失。因此研究堰塞坝溃决过程的影响因素十分重要。

国内外已有许多学者指出上游来流量是影响堰塞坝溃决过程不可忽略的因素之一，张康等[4]通过现场调查测量指出，对于洪峰流量大于30m3/s 的河流，堰塞坝的稳定性与其洪峰时的水流能量有关，并在调查测量中得出16 组堰塞坝泄洪道稳定的情况下阶梯－深潭的发育程度与其单宽水流能量的关系曲线。尽管上游来流量对水流能量有着决定性作用。意大利学者Stefanelli 等[5]通过由上游来流量、坡降及河水容重决定的流功率定义了用以判断堰塞坝稳定性的HDSI 指标。蒋先刚等[6]通过开展堰塞坝溃决试验，分析了不同坝型及不同上游来流量条件下的堰塞坝溃口下切过程与侵蚀规律。综上，尽管许多国内外学者都已注意到了上游来流量对堰塞坝稳定性及其溃决过程的影响，但依然少有学者对上游来流量与堰塞坝溃决流量的关系进行单独研究。

因此，本文通过一系列水槽实验，探究了上游来流量对堰塞坝溃决流量及溃口特征的影响，研究成果能够为认识水文条件对堰塞坝溃决的影响规律提供理论参考。

2 试验设置

2.1 试验土料

试验采用人工配置泥沙，坝体土料参数为：3-5mm 细砾32.52%，2-3mm 细砾32.52%，0.075-0.1mm 细砂34.96%的非连续级配土料,土料不均匀系数为24，曲率系数为0.047。试验采用的土料颗粒级配曲线如图1 所示。

图1 试验土料颗粒级配曲线

2.2 试验装置

试验模型中的水槽部分长10m、宽0.5m、高0.5m，坡度设置为15°，水槽侧壁及底板均为有机钢化玻璃，堰塞坝设置在距离供水装置5m 处，上游来流量通过供水装置处的电磁流量计控制，坝前水槽底板处埋置有孔隙水压力传感器，以便得出不同时刻坝前水位，用以计算溃决流量。在水槽侧面、水槽末端及堰塞坝顶架设摄像机，记录整个试验过程。试验装置如图2 所示。

图2 试验装置示意图

2.3 试验工况

试验模型以金沙江白格堰塞坝为原型，原型中坝体高度为61～100m，根据几何相似的原则取模型与原型的坝体高度之比为1:300，作为几何比尺λL。试验中坝体高度设置为0.25m，坝顶长0.15m，坝底长0.65m，坝宽0.5m，坝体迎水坡及背水破倾角均为45°。试验根据上游来流量的不同共分为5 组，上游来流量从小到大依次为0.3L/s、0.6L/s、0.8L/s、2L/s、6L/s，按照流量比尺λQ=λL2.5=1:3002.5换算成原型中的上游来流量分别对应为470m3/s、935m3/s、1250m3/s、3120m3/s、9350m3/s，5 组流量值跨度较大，足够模拟现实中大多数情况下的上游来流量条件，能够得到不同上游来流量对溃决流量的影响规律。试验工况如表1。

表1 不同工况下的试验条件

3 试验结果

3.1 堰塞坝溃决流量各阶段特征

通过五组试验发现，不同上游来流量条件下的堰塞坝溃决都是由漫顶造成的，五组试验中溃决流量的发展过程基本相同，可大致将这一发展过程分为三个阶段。以上游来流量为0.8L/s 时的溃决流量发展过程为例进行分析，其发展过程曲线如图3 所示。

图3 上游来流量为0.8L/s 时的溃决流量发展过程曲线

结合发展过程曲线对各阶段溃决流量特征进行分析：从溃决开始到溃决进程达到10%左右为溃决过程第一阶段，在此阶段中溃决流量稳定增长，上游集水区水位超过堰塞坝坝高，堰塞坝由于漫顶溢流开始溃决，溃决流量从0 开始迅速增长，但由于此阶段水流对堰塞坝侵蚀能力较弱，仅在堰塞坝背水坡形成一条较窄的冲沟，水流对堰塞坝的下切侵蚀尚不明显，堰塞坝高度也没有显著改变，故溃决流量接近上游来流量后增长相对变缓；第二阶段从溃决进程达到10%开始到溃决进程发展到60%左右结束，为峰值流量出现阶段，随着溃决流量的增加，坝顶及背水坡以上水位逐渐增高，水流侵蚀能力也逐渐增强，溃决流量在溃决进程发展到30%～40%左右达到峰值流量，随后由于坝前水位的降低而开始缓慢减小；第三阶段为溃决流量趋于稳定阶段，从溃决进程达到60%后直至溃决过程结束，在此阶段，随着坝前水位的降低，上游集水区的下泄流量迅速减小，故溃决流量也开始迅速减小，最终与上游来流量保持一致，堰塞坝溃决过程结束。

3.2 上游来流量对溃决流量的影响

不同上游来流量下的溃决流量的发展过程曲线如图4 所示，从图4 中可以看出：不同上游来流量下的溃决流量发展趋势基本一致；随着上游来流量的增大，溃决流量发展曲线的波动程度显著增大，峰值流量逐渐增大；图中不同上游来流量下的溃决流量发展过程曲线经历的时间随着上游来流量的增大而逐渐缩短，由此可见上游来流量越大，堰塞坝溃决历时越短；同时，随着上游来流量的增大，发展过程曲线的峰值点也逐渐提前，可见，溃决流量的峰现时间随着上游来流量的增大会有所提前，即上游来流量越大，峰现时间越早。

图4 不同上游来流量时的溃决流量发展过程曲线

3.3 上游来流量对溃口的影响

为了分析上游流量对溃口的影响，选取了上游来流量分别为0.6L/s、2L/s 和6L/s 的三组分别代表低、中、高三种上游来流量的工况下的试验进行对比观察，如图5。

从图5（a）中可以看出，上游来流量增大，堰塞坝发生漫顶时的溢流面积也随之增大，图5（b）中则显示，上游来流量增大，侵蚀作用结束后的坝体残余体积将随之减小。这是由于水流侵蚀作用范围随溢流面积的增大而有所扩大，故当上游来流量较小时，水流的侵蚀作用将主要集中在坝体中较为薄弱的一部分，溃口也就更容易集中在这一区域发展，溃口范围较小，坝体残余体积较大；而上游来流量大时水流则会对坝体进行整体冲刷侵蚀，溃口的范围也会随之扩大，故坝体残余体积也就随之减小。