梯级水库土石坝漫顶溃决试验研究

吴然然，孙浩淼，陈情情，戎贵文

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232000)

1 引言

近几十年来，为进一步开发水能资源和提高防洪水平，在世界范围内建造了许多梯级水库，其所发挥的经济效益日渐显著。在考虑水库经济效益的同时，梯级水库大坝安全风险不容忽视。在我国所有类型的水库大坝中，土石坝为数量最多的坝型，土石坝在供水、灌溉、水力发电和航运等方面发挥着重要的作用[1]。但许多土石坝服役时间较长，存在一定的安全隐患，尤其是恶劣环境下土石坝安全运行保障面临着严峻的挑战。历史上发生过多起坝体溃决事故，自1954年有较系统溃坝记录以来，到2014年的61年间共发生水库溃坝3529座，年均57.9座[2]。水库大坝一旦溃决将造成严重的社会影响和环境影响。

经统计分析发现，土石坝溃决的原因有漫顶、管涌、滑坡和坝下埋管漏水等[2,3]。管涌渗透和漫顶破坏是土石坝溃决的两种主要方式。在参数分析、数值模拟和物理实验的基础上，研究漫顶破坏模式对土石坝溃决有了更好的认识[4]。但现有的实验研究主要集中在单水库大坝坝体溃决问题上，而探讨梯级水库条件下土石坝漫顶溃决的研究成果较少[5～12]。因此，研究梯级水库土石坝漫顶溃决对发展和完善土石坝溃决机理具有重要意义。

2 物理试验模型建立

2.1 室外模型简介

物理试验模型由两座水库、四座模型坝和渠道组成，为了更好地模拟天然河道的形态，人工开挖渠道的深度和宽度均沿程变化。两座梯级水库分别是由长为3.8 m、宽为3.4 m、深为0.5 m的矩形水库和直径为1.8 m、深度为0.7 m的圆形水库共同组成。渠道由长直平坡渠段、弯曲正坡渠段和长直正坡渠段三部分组成，总长为23.9 m。

矩形水库位于河道上游，圆形水库位于河道弯曲段。从渠道上游至下游依次堆砌4座土石坝模型。模型坝1位于矩形水库出口处，模型坝2位于圆形水库出口处，模型坝3设置于圆形水库下游长直平坡渠段内，模型坝4设置于弯曲正坡渠段末端。

模型坝筑坝用土的最大粒径为5.85 mm，中值粒径为2.65 mm，不均匀系数Cu=6.8，曲率系数Cc=1.62。Cu大于5，Cc介于1～3之间，表明试验用土级配良好且连续。

2.2 模型坝建立过程

根据模型试验需要，取大量土样进行晾晒，实时测量其含水率，当其含水率达到最佳区间时，用碎土机对所取土样进行破碎，根据破碎程度不同对土样进行粒径筛选，筛选留下来的土样用来填筑模型坝体。筑坝时，首先将两块长形木板固定在渠道间，然后根据不同粒径的土样分层填筑，最后根据模型坝的断面设计尺寸对模型坝进行削坡，使得尺寸与设计尺寸相一致。为确保坝体和坝坡的稳定性，需要对削坡结束后的坝体进行反复压实，坝体稳定之后，撤去两块长方形木板。各模型坝的断面设计参数见表1。

表1 模型坝的断面设计参数 m

2.3 坡面网格和溃口参数

在4个模型坝上均预留一定尺寸的溃口，具体尺寸见表2。为了便于用视频记录、捕捉试验过程，模型坝堆砌结束后，用生石灰在坝面绘制5 cm×5 cm方形网格。

表2 模型坝预设溃口参数 m

2.4 试验设备及布设过程

室外物理试验过程中使用WR110型水压力传感器、WR7100型智能无纸记录仪、WR2088LT型水位变送器、摄像机等仪器对模型坝漫顶溃决过程进行记录。

填筑模型坝的过程中，在模型坝1和模型坝2内分别布设3个水压力传感器，模型坝3和模型坝4内分别布设2个水压力传感器。在整个渠道中，每隔0.5 m布设1个水位变送器。在上游渠道、模型坝2下游、模型坝4下游的岸边分别布设3部摄像机，拍摄追踪和捕捉溃坝过程。

3 试验过程

室外物理模型试验分为两种工况，即两个水库组成的梯级水库土石坝漫顶溃决试验和单水库土石坝漫顶溃决试验。

第一种工况下，上游矩形水库中先蓄满水，使得模型坝1发生漫顶溃决时产生的溃坝洪水流量让模型坝2处于漫顶条件下发生溃决。由于梯级水库洪水具有叠加效应，模型坝3和模型坝4在大流量洪水漫顶冲刷之后发生溃决。

第二种工况下，仅上游圆形水库中蓄满水，允许水流流过模型坝2坝顶，上游产生洪水对模型坝3和模型坝4的坝体进行漫顶冲刷，直至坝体完全坍塌。

实验结束后根据所获数据和视频资料，分析在两种工况下溃口发展和坝体坍塌的规律。

4 结论

通过观察比较分析两种工况下的试验现象，可以得出以下3个方面的结论。

(1)模型坝1和模型坝2的溃口发展过程一致，均是溃口先受到水流冲刷，然后发生纵向下切，形成最终溃决发生的溃口，直至溃决结束。

(2)水库数量对漫顶洪水的初始水流条件和漫顶破坏的连续过程有显著影响。

(3)梯级水库系统中洪水具有叠加效应，水库数量的增加往往会显著加快早期的溃口发展过程。