正反粒序结构条件下滑坡堰塞坝破坏模式研究

2022-11-23吴茂林高延超陈西南翟新乐

水文地质工程地质 2022年6期

吴茂林，罗刚，高延超，陈西南，翟新乐

（1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031；2.中国地质调查局成都地质调查中心，四川成都 610081）

滑坡堰塞坝是由滑坡快速下滑堵塞河道而形成的一种土石坝，其结构松散、渗透性强、稳定性差[1-2]。Costa 等[1]总结了堰塞坝的形成原因、稳定时长和破坏模式。在上游水位快速上升的情况下，滑坡堰塞坝很容易发生渗透管涌、坝体失稳甚至漫顶破坏，引发洪灾。由于影响堰塞坝稳定性的因素众多，破坏模式复杂，且无法及时采取工程措施加固坝体，使得坝体具有失稳概率高、突发性强、影响范围广等特点。

目前滑坡堰塞坝在不同坝体结构下的破坏模式差异性研究主要有2 种。一种是通过宏观分析堆积体结构，总结坝体失稳的一般性规律。胡卸文等[3]用Visual Modflow 模拟唐家山堰塞坝的溃决模式，发现其表层土主要为渗透破坏、溯源侵蚀，下层土主要为不同粒径导致的渗透坡降差异产生的冲刷下切。杨阳等[4]通过水槽模型试验分析了溃坝过程中水流条件与坝体侵蚀的关系，得出堰塞坝溃决主要集中于溯源蚀退和溃口展宽下切阶段。杨琴等[5]利用GIS 和遥感技术，分析了唐家山堰塞坝的坡体复滑形成机制，得出坡体复滑源于近期地震活动和河流侵蚀坡脚等内外动力地质作用。Zeng 等[6]利用PFC3D 软件分析了蔡家坝滑坡堰塞坝的形成机理，并评估了大坝溃决风险。Sammen 等[7]研究了峰值流量与溃坝时间的关系，提出用ANN 估算堰塞坝溃坝参数的新方法。吴瑞安等[8]研究了沃达滑坡的后续发育变化特征，分析了滑坡堆积体复活变形阶段及后续风险。

另一种则是通过微观分析坝体内部颗粒，找到决定堰塞坝破坏模式的关键影响因素。吴梦喜等[9]验证了砂砾石土内部颗粒的渗透力与颗粒表面积正相关，推导出颗粒群起动的临界渗透坡降公式。邓明枫等[10]通过物理模型试验研究了宗渠堰塞坝坝体密度和级配特征对溃决过程的影响，得出密度越大溃决越慢，级配越粗溃决越慢。石振明等[11]发现材料级配决定了坝体的渗流破坏，坝体的渗透能力主要取决于粗料孔隙被细料填充的程度。杨江涛等[12]基于ABAQUS建立堰塞坝渗流及动力响应分析模型，得出堰塞坝内部动力响应具有“表面放大”效应，余震会加速漫顶溢流。王明年等[13]分析细颗粒的受力情况，建立渗流作用下土颗粒的受力模型，发现埋深小时起动临界坡降受粒径影响较大，暴露角对起动临界坡降的影响随埋深增加而减小。久田裕史等[14]对细砂含量不同的堆积体进行模拟破坏实验，得出细砂含量高的堆积体更易破坏。综上所述，目前对于滑坡堰塞坝整体性、宏观性破坏模式的研究比较充分，但是从微观的角度分析土颗粒引起的滑坡堰塞坝破坏模式的差异主要集中于研究单一粒径颗粒或者是研究均匀混合碎屑材料形成的不同级配状况对坝体稳定性的影响，鲜有人研究不同粒序排列下其破坏模式的差异[15-16]。

对于滑坡堰塞坝，其上下游的颗粒粒径分布存在显著差异[17]。大型岩质滑坡如果运动距离短，短程刹车制动，堰塞坝会保持原有层序[18]，呈现正粒序结构特征，例如唐家山堰塞坝[19]和白格滑坡堰塞坝[20]。如果运动距离远，动力破碎作用引起粒径分选，堰塞坝会呈现反粒序结构特征[21-22]，例如文家沟滑坡堰塞坝、红石岩滑坡堰塞坝、牛圈沟滑坡堰塞坝[23-25]。这种结构性差异将会影响堰塞坝破坏过程和溃决过程，对其破坏模式的影响不可忽视[26]。本文通过构筑不同颗粒粒径的均匀坝体、正粒序坝体和反粒序坝体物理模型，开展不同结构特征条件下堰塞坝破坏模式的试验来研究堰塞坝粒序结构对其破坏机理的影响。

1 试验材料与方法

本次试验为室内物理模型试验，水槽长、宽、高分别为3.15，0.90，0.30 m（图1）。堰塞坝模型的原型为唐家山堰塞坝，唐家山堰塞坝长约800 m、宽400～600 m、高80～120 m，本文分别取为750，450，150 m；考虑到试验主要研究坝体粒序结构对稳定性的影响，增大模型上下游坡度至30°，并将模型缩小500 倍，比例系数K=1/500=0.002，模型尺寸如图1 所示。

图1 堰塞坝水槽物理模型试验Fig.1 Flume model test for landslide dam

坝体堆筑材料为无黏性石英砂，细砂粒径为0.84～1.60 mm、中砂粒径为2.00～3.00 mm、粗砂粒径为4.00～6.00 mm。以均匀细砂、均匀中砂、均匀粗砂、正粒序结构（从上至下细、中、粗砂）、反粒序结构（从上至下粗、中、细砂）分别堆积5 种堰塞坝模型，每个坝体体积形状和压实度保持一致[27]，试验设计见表1，正反粒序的坝体模型如图2 所示。测量系统由流速计、刻度尺和高速相机组成。流速计在入水口处，保证供水量稳定在30 L/h，而坝体上游前端的细孔挡板可使水流缓慢没过坝体，避免水流冲击的影响。将刻度尺贴在水箱内部，观测水位变化。用记号笔在水箱上画出堆好的堰塞坝模型轮廓，对比滑坡堰塞坝破坏前后形态的变化。

表1 试验设计方案Table 1 Test design scheme

图2 正、反粒序的堰塞坝模型Fig.2 Experimental dams with positive and reverse grain sequence structures

2 试验结果

2.1 均匀砂粒堆积试验

2.1.1 纯细砂

坝体上游进水后，坝体内浸润线几乎与上游水位同步上升，下游坡面无渗流产生。上游水位逐渐上升，11 min 22 s 时，浸润线达到下游坡面，下游坡面出现不含砂土颗粒的渗流，并在30 s 内横向覆盖整个下游坡面下部，形成稳定的渗流通道且有细砂流出，见图3（a)（b）。坝体上游坡面水位继续上升，12 min开始由下至上发生渗流破坏并随渗流量加剧而增大，出现陡坎，坝体下游坡面整体下沉，见图3（c）。这是由于：坝体在出现不含砂粒流动的渗流时，内部渗透系数保持不变，渗流量较低。随着上游水位上升，内部水压力加大，坝体渗透量逐渐增大，导致内部一些砂粒被带动，一些随着渗流被带出，有一些堵塞内部孔隙，下游渗透系数增大加剧了坝体破坏。

图3 纯细砂坝体渗流破坏过程Fig.3 Seepage damage process of pure fine sand bam

此后，渗流形成的破坏向上蔓延，18 min 时上游水位达到30 cm，超过坝体，坝体破坏形式由渗流破坏转为漫顶破坏。漫顶的水流沿着现有水流通道不断对坝体下蚀、侧蚀、溯源侵蚀形成冲蚀陡坎（图4）。从上游开始进水至发生漫顶破坏直到坝体下游坡面基本稳定共耗时25 min。

图4 纯细砂坝体漫顶破坏后上下游情况Fig.4 Upstream and downstream of pure fine sand dam after overtopping failure

2.1.2 纯中砂

坝体上游坡面进水后，上游水位上升，坝体内部浸润线同时以低于水位线速度上升，5 min 20 s 时下游坡面出现渗流，6 min 时整个下游坡面底部出现稳定渗流。18 min 开始出现滑塌，此后坝体破坏与纯细砂的坝体类似，渗流量更大，陡坎由下向上蔓延但滑塌区域的面积与沉降程度小于纯细砂的坝体，直至38 min 时发生漫顶破坏。从上游开始进水至发生漫顶破坏直到坝体下游坡面基本稳定共耗时45 min。

2.1.3 纯粗砂

坝体浸润线在50 s 达到下游坡面，出现渗流并迅速形成稳定渗流通道，随着上游水位上升，参与渗透排水的区域增加，在水位上升至18 cm左右时，形成了上游补水与下游排水的动态稳定，此后上游水位不再上升，下游坡面除少量沉降外未发生其他破坏。

2.2 正粒序结构

坝体上游进水后，坝体下游坡脚在30 s 时出现稳定的清澈渗流，侧面观察到浸润线通过第1 层粗砂层时，渗流量加大，坝体中部出现局部滑塌；39 min 时侧面观察到浸润线通过第2 层中砂层，渗流加剧，坝体右侧中砂与细砂交界处出现裂隙，见图5（a）（b）。裂缝逐渐向两侧和下方扩大引起滑塌，形成圈椅状构造，见图5（c）。之后，左侧中砂与细砂交界处也出现相同现象。上游水位超过中砂层时，左右塌陷连通，见图5（d）。这是由于：在水流通过粗砂层时，介质内部孔隙较大、渗透梯度小、渗流场变化稳定，表现出稳定流的渗水特点。当上游水位上升至中砂层时，虽然渗流梯度仍然小于中、粗砂层的允许梯度，但下游坡面的渗流梯度会大于其允许梯度的下限，下游坡面出现局部渗流破坏，但不影响坝体整体稳定性。当上游水位逐渐上升超过中砂层与细砂层分界时，由于细砂的渗透性较差，水流受阻，且上游水位增高，水压力增大，因此下部渗透水量增大。虽然渗透梯度仍小于中、粗砂层的允许梯度，但下游坡面的渗透梯度将大于允许梯度的上限。因此，下游坡面中砂层与细砂层的交界处出现了管涌和裂隙，进而导致坝体滑塌，出现2 处圈椅状陡坎，并逐渐向两侧扩展。

图5 正粒序坝体滑塌破坏过程Fig.5 Slump of dam with positive grain sequence structure

41 min 时上游水位达到30 cm，超过细砂层，坝体发生漫顶破坏，见图6（a）。这是由于细砂的渗透性较差，水流受阻，上游水位迅速上升。漫顶的水流沿着现有水流通道不断对坝体下蚀、侧蚀、溯源侵蚀形成梯形沟槽和冲蚀陡坎，见图6（b）。从上游开始进水到发生漫顶破坏至破坏基本稳定耗时47 min。

图6 正粒序坝体漫顶溃口的演变Fig.6 Evolution of breach during the overtopping failure

2.3 反粒序结构

8 min 时侧面观察到上游浸润线完全通过粗砂层，内部浸润线到达下游坡面底部，坝体下游坡脚出现轻微浑浊渗流，见图7（a）。这是由于：水流通过细砂层时，细砂颗粒细、渗透梯度大、渗流场变化不稳定。因此，浸润线上升不均匀，坝体无法及时排水。

下游浸润线逐步上升，渗流加剧，坝体下游坡面出现局部滑塌并逐渐扩大形成整体滑动，同时坝体下游坡面出现管涌破坏，见图7（b）。侧面观察到浸润线超过细砂层时，坝体下游坡面的下半部迅速滑塌形成“陡坎”并连通使渗流水量增大。同时，管涌水量加剧并携带细砂流出堆积至坝脚。坝体持续向上滑塌，上覆滑塌砂层覆盖管涌通道，并在塌陷砂土上出现了新的管涌通道，中砂层迅速向下滑塌，见图7（c）。浸润线上升至粗砂层，中砂层与粗砂层交界处发生显著沉降，排水量猛增，坝体滑塌、管涌破坏、渗流破坏加剧，坝体逐级滑塌，见图7（d）。这是由于：当下游水位逐渐上升时，细砂层渗透坡降大于允许坡降，下游坡面发生渗透破坏并逐步加剧，排出的水出现紊流状态。随着浸润线升高至中砂层，坝体下游坡面发生了开裂、管涌、渗流破坏，并逐步向周围扩展导致了整体滑塌。坝体浸润线达到粗砂层，由于粗砂层颗粒大、堆积松散、排水能力强、渗透梯度大，坝体下游坡面渗流水量增大，携带更多砂粒流出进而引发坝体整体向下滑塌，沉降更加明显。排水量越大，坝体破坏越严重，形成恶性循环，坝体下游失稳。

图7 反粒序坝体破坏过程Fig.7 Failure process of reverse grain sequence dam

粗砂层中出现了多个渗流通道，坝体上游水位几乎不再上升，坝体逐步通过渗流滑塌和溯源侵蚀向上游破坏至坝体上下游贯通。此时坝体已经完全变形。从上游开始进水到破坏基本稳定耗时53 min。

3 讨论

试验中坝体先后共出现了4 类破坏情况，即渗流管涌、失稳滑塌、漫顶破坏和冲蚀陡坎。分析破坏特征，统计不同坝体不同破坏形式出现的顺序以及作为主要破坏所持续的时间，可以对比得出不同粒径砂粒以及不同粒序堆积之间的差异。

3.1 坝体破坏的发展过程

3.1.1 渗流管涌

渗流管涌破坏一般可以分为2 个阶段：（1）薄弱部分的颗粒被带入水体中并且出现了漏水通道；（2）渗透及孔隙水压力使坝体局部抗滑稳定性降低而产生沉降，在正粒序中表现明显。

3.1.2 失稳滑塌

由于下游坡面发生渗透破坏并逐步加剧，排出的水出现紊流状态。随着浸润线升高，坝体下游坡面发生沉降、开裂，并逐步向周围扩展导致了整体滑塌。下部部分水流通道受阻使上部渗流量加大，携带更多砂粒流出，引发坝体滑塌，沉降加剧，形成恶性循环。

3.1.3 漫顶破坏

基于水槽模型实验中观察的现象，堰塞坝漫顶溃决过程可以划分为4 个阶段[28]。

第1 阶段，当水流漫过堰塞坝坝顶，相应溃口处坝顶高程降低；在水流冲击下，下游坡面不断发生溯源侵蚀。由于水流外侧冲刷速度较内侧更快、冲击力更大，下游坡面逐渐形成陡坎（图8）。第2 阶段，下游坡面继续保持陡坎形态，溃口破坏在水流剪切冲刷、陡坎底部滑塌及下游壁面块体失稳滑塌等众多因素的相互作用下加剧，逐步形成大尺度陡坎。第3 阶段，溃口处继续发生溯源侵蚀，由于溃口处坝体横断面相对单薄，冲刷速度加快，溃口底坡随泥砂休止角向上游后退，直至坝体被完全贯穿，溃决水流急剧增大（图8）。第4 阶段，溃口以横向扩展为主，在剪切冲刷作用下，溃口两侧发生滑塌，滑塌部分被水流带走，坝体改变最终停留在形成稳定贯通水流的时刻。

图8 溃口处溯源侵蚀Fig.8 Headward erosion at the breach

3.1.4 冲蚀陡坎

漫顶水流在坝体陡坎边缘处以类似冲击水流的形式下泄。水流在下游剧烈运动，在下游已滑塌的坡面上形成一个冲刷坑，并使冲刷坑沿垂向和纵向不断扩大。由于“陡坎”壁面材料长时间处于饱和状态，增大了坝体滑塌的可能性。综上，砂石坝漫顶溃坝冲刷过程可以分为：（1）陡坎顶部水流剪切冲刷；（2）冲击水流对下游坡面的淘蚀；（3）陡坎壁面受水流冲刷；（4）陡坎壁面失稳破坏。

3.2 不同坝体破坏对比

3.2.1 纯砂坝

纯细砂坝体发生渗流后立即产生失稳滑塌，上游水位迅速上升至坝顶。纯中砂坝破坏过程与纯细砂坝类似，但中砂颗粒较大，在一定的水流中运动速度较慢；加之中砂的水流速度比细砂小，导致中砂的破坏表现为渐变破坏，失稳滑塌的时间更久、程度却较小。而粗砂与中砂相比破坏程度更小（表2）。

表2 纯砂坝体主要破坏形式持续时间Table 2 Duration of the main failure modes of pure sand dams

考虑纯砂坝渗流流速小，忽略动水头变化，采用吴良骥[29]给出的单个颗粒渗透力（Fw）的计算公式分析纯砂坝：

式中：Dθk—粗颗粒的等效粒径/m，

pi—粒径为Di的颗粒的质量分数/%；

D—颗粒粒径/m；

γw—水的重度/（kN·m-3）；

I—单位土体平均水力坡降；

ε—土体的孔隙比。

由式（1）可知，细砂坝粒径最小，因此渗透性最差。从试验过程可以看出，纯砂坝坝体的稳定性与破坏程度取决于坝体内部的渗流，而坝体内部渗流程度主要取决于粒径大小及其所决定的孔隙率。这是由于颗粒在坝体中起骨架作用，本身不透水，坝体内部的流速（u）在单一变量条件下仅与孔隙率（φ）有关：

式中：Q—渗透流量/（L·s-1）；

A—过水面积/m2。

此外，在渗流过程中，砂土强度会随含水率发生变化，同时应力状态也会发生改变。在垂直向上的渗流作用下，粒径D0颗粒的起动临界条件为渗透力与浮重度平衡。吴梦喜等[9]提出了粒径为D0的单个颗粒的起动临界渗透坡降（Jc）公式：

式中： γs—土颗粒的重度/（kN·m-3）；

p—颗粒体积累计含量，0＜p＜1。

结合试验过程，砂土的颗粒较小时，孔隙率大，孔隙水的流速较小，水向上浸润，浮重度降低，从而引起坡面起动临界坡降比同位置的中粗砂低，不承担应力传递的颗粒发生移动的概率较大，这将提高局部的渗透系数，导致管涌的发生，所以粗砂的管涌时间较长，细砂相对较短。失稳和应力状态直接相关，细砂在管涌发生后，由于孔隙水压力的升高和有效应力传递面积的减小，使得强度变低，导致细砂的失稳时间更短。而孔隙率的增加使坝体的过水面积增加，增大的孔隙尺寸使平均渗流速度增加；因此细砂渗透性差，上游水位无法及时排出，造成下游坡面的失稳滑塌，且容易发生漫顶破坏，而中砂、粗砂则相对更加稳定。因此，细粒砂含量是判断不同堆积结构破坏模式差异的最关键的影响因素。

3.2.2 正、反粒序坝

正粒序坝体渗流管涌时间较长，但期间坝体几乎没有破坏。浸润线通过中砂层与细砂层交界处时，短时间内发生了严重的失稳滑塌和漫顶破坏，破坏突然而剧烈。反粒序坝体在浸润线到达下游坡面发生渗流后一直发生破坏程度较低且逐渐降低的失稳滑塌，直到最后溯源侵蚀连通上下游（表3）。

表3 正、反粒序坝体主要破坏形式持续时间Table 3 Duration of the main failure modes of positive and negative grain sequence dams

对于正、反粒序坝体，破坏模式的差异主要取决于细砂层的位置分布。根据王明年等[13]对不同埋深和粒径的颗粒的起动临界坡降试验得出：埋深较小时，起动临界坡降受粒径影响更大，随埋深增加，粒径影响逐渐降低（图9）。

图9 起动临界坡降[13]Fig.9 Startup critical hydraulic gradient

正粒序的坝体，下部中粗砂层排水稳定，中砂层与细砂层交界处不均匀系数增大，细颗粒向中砂层孔隙填充，且不易被水流带出，使中砂颗粒作为骨架的坝体的渗透性降低，坝体内部水压力短时间内快速上升。而细砂层起动临界坡降远低于中砂层，又因为埋深浅，起动临界坡降跟下部中砂层差异更大，引起突然且剧烈的垮塌，上游水位在细砂层内迅速上升，进而引发漫顶。对于反粒序坝体，底部的细砂层迅速达到起动临界坡降并发生破坏，开始滑落，且由于细砂层渗透性差，上游水迅速漫过细砂层形成稳定通道；此后细颗粒对坝体整体排水几乎没有影响。对渗流有影响的坝体颗粒平均粒径增大，骨架作用增强，坝体渗透性加大，堰塞坝内部渗流特征表现为沿坝高从上到下，坝体渗流速度逐渐减小，后续破坏持续减弱。