高危堰塞湖引流槽结构形式优化试验研究

2023-03-06周招，蔡耀军，彭文祥，李建清

人民长江 2023年2期

周招，蔡耀军，彭文祥，李建清

(1.长江设计集团有限公司，湖北武汉 430072； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430072； 3.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉 430010)

0 引言

作为高山峡谷地区一种重大频发自然灾害，堰塞湖主要是由于降雨、地震等动力地质作用导致边坡坍塌失稳形成的天然湖泊，堵塞天然河道的固体堆积物则称为堰塞体。由于堰塞体拦阻天然河道正常下泄，堰塞湖库水位不断壅高，一旦漫顶，势必造成堰塞体短时间内溃决，严重威胁下游地区人民群众生命财产[1-4]。近年来，受极端气候影响，堰塞湖形成更为频繁，仅以2018年为例，西藏地区便形成4次高危型堰塞湖，其中白格堰塞湖最大溃决洪峰达到3.1万m3/s，溃决洪水甚至下泄至下游580 km的丽江石鼓镇才逐渐平息转化为常态洪水。

相比于人工土石坝，堰塞体自然形成，物质结构疏松、颗粒级配宽泛，渗流和力学稳定性较差，入库水流持续侵扰及波浪涌浪极易造成堰塞体漫顶溃决[5-6]。堰塞湖险情具备破坏威力巨大及应急处置窗口期短等特点。众多学者通过调查堰塞湖溃决历史资料，指出大部分堰塞湖将在短时间内漫顶溃决[7-8]。石振明等[9]通过收集国内外1 298座堰塞湖溃决案例，指出1 h、1 d、1周、1个月、1 a之内溃决比例依次为9%，34%，50%，67%，86%。

堰塞湖溃决洪水次生灾害影响严重、波及范围广泛，因而需采取一系列措施减轻、缓解潜在威胁，其中应用最为广泛的工程措施即是引流槽除险技术，其核心思想是在堰塞体顶部纵向开挖引流槽，降低堰塞体过水高程，减小溃决洪峰[10-14]。唐家山堰塞湖及白格堰塞湖均是引流槽应急处置的典型成功案例，实践表明溃决洪峰削减比例分别达到35%，28%。但蔡耀军、杨启贵等[7-8]指出，引流槽虽能一定程度降低堰塞湖溃决洪峰，但针对堰塞体坍塌及溃决洪峰过大等问题，当前并无良好技术手段能有效控制堰塞湖溃决过程。

当前关于堰塞湖引流槽结构形式研究甚少，针对堰塞湖溃决控制研究也鲜见报道。赵万玉等[10]结合唐家山堰塞湖及小岗剑堰塞湖溃决过程初步提出人工引流槽可控堰塞湖泄流的处置方法，但指出引流槽宽深比等几何参数及相应作用时段仍有待试验进一步研究。本文通过室内物理试验优化调整引流槽横、纵断面结构形式，对比研究不同结构形式引流槽溃决洪水特点，为人工干预堰塞湖溃决的引流槽设计提供依据。

1 试验设计

1.1 设计思路

根据白格堰塞湖现场应急处置工程经验，堰塞湖溃决初期泄流效率低下、堰塞体坍塌缓慢，而溃决后期泄流过快、堰塞体坍塌失控，因此为缓解“初期排泄效率低、后期排泄太快而难于控制”的窘境[10]，本文通过优化调整引流槽横断面及纵断面结构形式，根据物理试验研究引流槽结构形式对堰塞湖溃决过程的影响，降低堰塞湖溃决洪峰。

1.2 模型设计

本文参照白格堰塞湖几何规模修筑堰塞体模型，其中堰塞体上下游坝坡分别为1∶2，1∶5，堰塞体顶宽(顺河向)为1.5 m，垂直高度为1.0 m，横河宽度为4.0 m，堰塞体整体模型顺河向长为17.5 m。为保证溃决洪水库容充足，模型上游侧布置18 m×4 m(长×宽)的库区，模型最大库容可达到384 m3。模型整体布置如图1所示，主要包括上游库区、堰塞体试验段及下游水库。

图1 模型布置(尺寸单位：m)Fig.1 Model layout

为记录堰塞体溃决过程，在堰塞体上下游分别布置高清摄像机，并在堰塞体表面绘制白色腻子粉矩形网格(20×20 cm)，用于参照记录堰塞体坍塌。库区布置高频水位计监控水位变化(精度±1 mm，频率1 Hz)。

1.3 堰塞体物质组成

堰塞体物质结构组成直接影响溃决水流冲刷掏蚀速度，细颗粒级配堰塞体溃决冲刷速度较快、粗颗粒级配堰塞体溃决速度相对缓慢。为体现堰塞体宽级配特征，本次试验选用如表1所列砂石料，其中平均粒径D50=0.69 mm。

表1 堰塞体物质颗粒级配组成Tab.1 Grain gradation composition for the barrier body

1.4 试验方案设计

结合白格堰塞湖实际入库流量，选定模型入库流量Qin=8.3 L/s。引流槽随溃决过程不断动态变化，溃决流量难以实时监测，本文所筑堰塞湖库区几何形状规整，因而可利用库水位变化估算溃决实时流量，即堰塞湖溃决流量可通过水量平衡方程计算

dW/dt=Qin-Qout

式中：W为堰塞湖库容；t为时间；Qin为堰塞湖入库流量，在试验过程中保持恒定；Qout为堰塞湖溃决流量。

针对引流槽溃决“初期排泄效率低、后期排泄太快而难于控制”的窘境，本文在梯形断面引流槽基础上优化调整横、纵断面结构形式，提出复式引流槽及陡坎引流槽，对比研究引流槽结构形式对堰塞湖溃决洪水影响。本文共布置6组不同结构形式引流槽试验方案，各方案具体设计如表2所列。

表2 试验方案设计Tab.2 Test scheme desigh

其中梯形引流槽Ⅰ为常规梯形断面引流槽，梯形两侧边坡坡比为1∶1.3，底宽和顶宽分别为3.8 cm及52.5 cm，纵向坡降i1=0.01；复式引流槽及陡坎引流槽横向均为相同复式断面，即在梯形断面底部垂直开挖2 cm×2 cm矩形凹槽，但各方案引流槽纵向存在显著差异。复式引流槽Ⅰ及复式引流槽Ⅱ分别为纵向缓坡引流槽(i1=0.01)及纵向平坡引流槽(i1=0)。

陡坎引流槽即在引流槽下游侧垂直开挖陡坎并通过陡坡(i2=0.1)衔接过渡至下游坝坡，陡坎引流槽Ⅰ、陡坎引流槽Ⅱ及陡坎引流槽-陡垂直陡坎高度依次为h=3.8，6.3，6.3 cm。为验证入库流量对溃决洪水影响，陡坎引流槽Ⅱ及陡坎引流槽Ⅲ入库流量分别设置为5.6，8.3 L/s。引流槽典型横断面及纵断面布置如图2所示。

图2 复式断面联合垂直陡坎引流槽布置(陡坎引流槽Ⅱ)Fig.2 Compound spillway layout with vertical scarp (Vertical scarp spillway Ⅱ scheme)

1.5 试验工艺流程

(1) 按照表1所示颗粒级配组成，通过人工筛分砂砾料并搅拌混合均匀，分层填筑堰塞体模型，其中每铺20 cm厚便利用20 kg钢管人工碾压，确保砂石料致密均匀，直至堆积至预设高度。

(2) 待模型填筑完成后，按表2各方案开挖引流槽，并利用水准仪及钢尺对引流槽高程及几何尺寸校核，确保误差控制在±1 mm之内。在堰塞体表面铺设腻子粉、绘制矩形网格。

(3) 开启供水阀门，待库区水位缓慢上涨至距引流槽底坡30 cm时关闭阀门，充分浸泡堰塞体2 h，模拟堰塞湖水位缓慢上涨过程。

(4) 随后按照表2所示，开启供水阀门，调整入库流量，待库区水位上涨至引流槽底坡时，溃决过程开始，记录该时刻t=0，堰塞体上下游高清摄像机开始记录堰塞体溃决发展过程。

(5) 待溃决水流冲刷坝体达到稳定时，即堰塞湖水位不会发生明显下降时，关闭进水管阀门，停止供水，堰塞湖溃决模拟过程结束。随后重新堆筑堰塞体模型，重复操作试验。

2 试验结果分析

堰塞湖溃决过程复杂，主要涉及到溃决水流横向展宽及纵向下切掏蚀堰塞体变化过程，本文将从堰塞湖溃决水流流态、堰塞湖库水位及溃决流量等方面揭示引流槽结构形式对溃决洪水的影响。

2.1 溃决水流流态

堰塞湖溃决洪水不断横向展宽及纵向下切掏蚀引流槽，造成过流宽度及水头不断增大，冲刷能力持续增强，从而引起堰塞体坍塌。当前关于堰塞体坍塌过程尚存在争议：牛志攀等[5]指出堰塞体溃决初期主要以纵向下切为主，溃决后期以横向展宽为主；刘杰等[2]和张婧等[4]认为堰塞湖溃决过程中纵向下切与横向展宽基本同时进行。本文结合不同结构形式引流槽，通过物理试验反复观测堰塞体溃决过程，如图3所示。将堰塞湖溃决过程划分为溃决初始阶段、溯源冲刷阶段、快速发展阶段及恢复稳定阶段。各阶段特征如下。

(1) 溃决初始阶段。待库水位缓慢上涨至引流槽时，引流槽内壅高水流呈纵向“匍匐”前进，待运动至下游坝坡时，因势能转换，坝坡面溃决水流流速稍有增大，冲刷搬运能力有所增强，溃决水流不断呈现停滞-前进状态反复交替运行，坝坡面形成如图3(a)所示“辫状”细小冲蚀沟，沟沿、沟坡以及沟底清晰可见，大颗粒砂石料则被推移至沟坡两侧呈扇形堆积。待溃决水流运动至下游坝坡坡脚形成贯通连续式水股时，溃决水流流速明显增加，坝坡面细颗粒呈连续式滚动。

(2) 溯源发展阶段。因堰塞体颗粒级配差异，下游坝坡面局部区域率先形成凹凸起伏跌坎。溃决水流不断纵向冲击跌坎水平面，并在跌坎凹角处形引起局部横轴涡旋，反向掏蚀跌坎垂直面，致使跌坎崩塌并不断回溯下切，形成更大落差跌坎。与传统土石坝溃决过程不同，堰塞体坝体厚实，纵向规模通常远大于垂直规模，因而随着溃决流量增大，如图3(b)所示，各级跌坎在下游坝坡不断沿程回溯、甚至交汇融合。待陡坎回溯发展至引流槽溃口时，因上游坝坡无砂石料等重物覆盖保护，坝坡面迅速被陡坎回溯“击穿”，溃决水流水头及流量急速增大，冲刷掏蚀能力快速增强。

(3) 快速发展阶段。待溯源陡坎回溯“击穿”堰塞体上游坝坡时，溃决流量迅速增大，溃决水流不断横向展宽掏刷引流槽边坡及纵向下切掏蚀引流槽底坡，堰塞体大幅度坍塌，坍塌砂石料被快速带走，引流槽内溃决水流如图3(c)所示，翻滚、涌动，表层清澈溃决水流迅速发展转变成浑浊水流，堰塞湖库水位快速下降。随后因堰塞湖库区囤蓄洪水不足，溃决流量快速下降，但仍远大于入库流量，溃决水流冲刷能力逐渐减弱，堰塞体呈间隙性坍塌。

(4) 恢复稳定阶段。待引流槽内溃决流量逐渐降低，下泄水流流速及冲刷能力亦逐渐减弱，引流槽内水流流态趋于平稳，细颗粒材料呈散粒料式在引流槽内随溃决水流滚动，粗颗粒材料逐渐裸露出并形成粗化保护层，溃槽内自上而下粗细颗粒砂石料依次堆积，堰塞体坍塌逐渐趋于稳定，如图3(d)所示。

图3 堰塞湖溃决流态Fig.3 Flow pattern for outburst flow

尽管各方案堰塞湖溃决洪水过程普遍包含上述阶段，但受引流槽结构形式影响，各方案亦存在局部差异。相比于梯形引流槽方案相对较高的堰塞体过水高程，复式引流槽方案因明显降低了堰塞体过水高程，因此相同库水位下，引流槽内溃决水流水头更高、溃决流速更大，因而明显缩短了溃决初始阶段历程，降低了堰塞湖最大壅高水位及蓄水库容。尤其是复式引流槽Ⅰ方案，引流槽纵向缓坡有助于增大溃决水流流速，加速溃决初始阶段发展；而复式引流槽Ⅱ方案的平坡引流槽使沿程摩阻增大，因而溃决水流运动相对迟缓，但仍然快于梯形引流槽。

引流槽下游侧垂直陡坎及陡坡的存在，使势能转化加快，明显增大了溃决水流流速，使溃决初始阶段加速发展。但因试验比尺原因，相比于砂石料颗粒粒径，垂直陡坎高度有限，溃决水流搬运砂石料极易快速填平垂直陡坎，试验现场难以出现类似于瀑布状临空跌落水股。但下游侧陡坡仍能明显增大溃决水流流速，加速水流下切冲刷，相比于梯形断面引流槽方案，其溯源陡坎的产生明显提前，尤其是陡坎引流槽Ⅲ方案的大落差跌坎能加速溯源陡坎形成。

综合图3各阶段溃决水流流态，可发现溃决初始阶段及溯源冲刷阶段溃决水流冲刷掏蚀引流槽主要以纵向下切为主，待溯源陡坎回溯发展至上游坝坡时，溃决水流迅速纵向下切并造成引流槽边坡底部坍塌失稳，从而引起溃决水流大幅度横向展宽发展，使过流断面宽度及深度不断增大。

2.2 堰塞湖库水位变化

各方案堰塞湖库水位随堰塞体溃决坍塌的变化过程如图4所示。普遍呈现先平稳上涨后缓慢下降，随后快速下降直至恢复稳定的变化规律。本文将库水位变化过程划分为平稳上涨、缓慢下降、快速下降以及恢复稳定4个特征阶段，各特征阶段与堰塞湖溃决过程紧密相关。总结各方案库水位特征阶段的时长发现，各特征阶段时长大致占据溃决总时长的30%～40%，5%～10%，10%～20%，30%～40%。

图4 各方案堰塞湖水位变化Fig.4 Reservoir water level variation for each scheme

各方案堰塞湖库水位特征阶段时长如表3所列。梯形引流槽方案各特征阶段时长依次为0→1 270 s，1 270→1 400 s，1 400→1 700 s，1 700→2 800 s，堰塞湖最大壅高水位为0.861 m。

表3 堰塞湖水位变化时段Tab.3 Variation period for reservoir water level

相比梯形引流槽库水位缓慢发展过程，复式引流槽各方案库水位平稳上涨阶段明显缩短，最大壅高水位明显降低。复式引流槽Ⅰ方案各特征阶段时长依次为0→900 s，900→1 100 s，1 100→1 500 s，1 500→2 600 s，最大壅高水位为0.856 m；复式引流槽Ⅱ方案各特征阶段时长依次为0→1 000 s，1 000→1 200 s，1 200→1 700 s，1 700→2 450 s，最大壅高水位为0.859 m。由此说明复式断面引流槽能提升大溃决初始阶段过流效率，加速溃决初始阶段发展，从而减小堰塞湖蓄水库容，降低溃决洪峰。

相比于复式引流槽库水位变化过程，陡坎引流槽更进一步加速溃决初始阶段发展、缩短库水位平稳上涨阶段时长，尤其是陡坎引流槽Ⅲ方案，其特征阶段时长依次为0→680 s，680→900 s，900→1 400 s，1 400→1 920 s，最大壅高水位降低至0.849 m。其主要原因是垂直陡坎有助于增大溃决水流流速、加速溯源陡坎下切掏蚀引流槽底坡。此外，陡坎引流槽Ⅱ方案库水位变化过程明显滞后于陡坎引流槽Ⅲ方案，其主要原因是低入库流量造成引流槽内溃决水流流速较小，冲刷掏蚀能力下降，使堰塞湖溃决过程缓慢发展，该过程甚至滞后于梯形引流槽方案。

2.3 溃决流量变化

各方案溃决流量变化过程如图5所示。普遍呈现先缓慢上涨随后快速上涨、快速下降直至恢复稳定的变化规律。本文将堰塞湖溃决流量变化过程依次划分为缓慢上涨、快速上涨、快速下降以及恢复稳定4个特征阶段。

图5 堰塞湖溃决流量变化过程Fig.5 Variation process for outburst flow

各特征阶段时长如表4所列。梯形引流槽方案溃决流量各特征阶段时长依次为0→1 300 s，1 300→1 700 s，1 700→2 150 s，2 150→2 800 s，溃决洪峰为386 L/s。与库水位变化过程类似，复式引流槽溃决流量各特征阶段均有所提前，溃决洪峰显著降低。尤其是复式引流槽Ⅰ方案，其各特征阶段时长依次为0→950 s，950→1 320 s，1 320→1 800 s，1 800→2 600 s，溃决洪峰降低至320 L/s，比梯形引流槽方案低17.0%。

表4 堰塞湖溃决洪水各特征阶段Tab.4 Characteristic periods of breaching flow

相比于复式引流槽溃决洪水变化过程，陡坎引流槽能更进一步加速堰塞湖溃决发展，溃决洪水各特征阶段普遍提前，但亦会稍稍增大溃决洪峰，并且该趋势随陡坎高度增大而越明显。陡坎引流槽Ⅰ方案及陡坎引流槽Ⅲ方案最大溃决洪峰分别达到323 L/s和342 L/s，依次比复式引流槽Ⅰ方案大0.9%，6.9%，但依然比梯形引流槽方案溃决洪峰低16.3%，11.4%。

相比于陡槽引流槽Ⅲ方案的溃决流量加速发展过程，陡槽引流槽Ⅱ方案溃决流量发展显著滞后(甚至滞后于梯形引流槽方案)，各特征阶段时长依次为0→1 750 s，1 750→2 070 s，2 070→2 590 s，2 590→2 990 s，溃决洪峰降低至276 L/s，比陡槽引流槽Ⅲ方案低19.3%。

综合对比梯形引流槽、复式引流槽及陡坎引流槽溃决流量变化过程可知，复式断面引流槽降低了堰塞体过水高程，因而加速溃决初始阶段发展，降低堰塞湖溃决洪峰，削峰比例最大可达17.0%；而垂直陡坎能更进一步加速溃决初始阶段发展，但亦会稍稍增大溃决洪峰，并且该趋势随陡坎高度增大而更为明显，因而削峰比例有所降低，但最低仍然可达到11.4%。

3 讨论

由上述研究可知，不同结构形式引流槽对堰塞湖溃决过程影响显著，但受制于堰塞湖复杂溃决过程，当前关于引流槽结构形式研究相对较少。在堰塞湖应急处置现场，通常根据库水位上涨情况及施工开挖进度准备多组引流槽开挖方案，以备临时调整。

蒋先刚等[16]通过物理模型试验总结了堰塞湖溃决过程，指出漫顶溃决水流会不断下切侵蚀引流槽增大过流深度，并侧向侵蚀引流槽增大过流宽度，其中侧向侵蚀是指溃决水流掏蚀引流槽坡脚造成边坡悬空而垮塌。Yang等[17]通过水槽试验指出溃决水流溯源冲刷及展宽下切将直接影响堰塞湖溃决发展，溃决洪峰将随溃决流量增大而提前形成。与蒋兴刚、Yang等人研究类似，本文亦通过物理试验，指出溃决水流冲刷掏蚀堰塞体主要包括横向展宽及纵向下切，其中溯源冲刷阶段主要以纵向下切为主、溃决快速发展阶段纵向下切及横向展宽并行发展，展宽宽度通常大于下切深度。

陈生水等[18]通过数学模型指出引流槽断面型式及深度对堰塞湖溃决洪水有重要影响，随着引流槽深度增大泄流效率不断增加，但亦会增大溃决洪峰，造成下游地区承担更大风险。赵天龙等[19]利用离心模型对比梯形、三角形及复式断面引流槽研究堰塞湖溃决洪水过程，指出复式断面引流槽初期泄流效率较高、溃决洪峰较小，溃决洪水过程曲线具有“矮胖型”特征。周宏伟等[15]则根据堰塞体物质结构组成，提出宽坦型引流槽适用于细颗粒砂石料组成的堰塞体，窄深型引流槽适用于碎石夹杂大孤石组成的堰塞体。赵万玉等[10]利用水力最佳断面概念得出梯形断面宽深比与边坡系数关系，并基于抗冲稳定性认为边坡系数取值1∶1.5较佳。杨兴国等[20]借助唐家山堰塞湖溃决实例，指出纵向坡降亦会直接影响引流槽泄流能力，先陡后缓型引流槽开挖工程量偏大，不利于应急抢险，先缓后陡型引流槽有助于提升初始阶段过流效率。与上述学者研究类似，本次物理试验亦说明复式断面引流槽能加速溃决初始阶段发展，提升过流效率，降低溃决洪峰；但与前人研究不同的是，垂直陡坎能更进一步加速溃决初始阶段发展，缩短堰塞湖蓄水时间，加速堰塞体坍塌，虽稍稍增大溃决洪峰，但有效降低堰塞湖库区最大壅高水位。

总体而言，以降低溃决洪峰为目标，避免下游承担更大风险为依据，则3组不同结构形式引流槽泄洪效率由高至低依次为复式引流槽、陡坎引流槽、梯形引流槽。若以提升溃决初期排泄效率为目标，避免上游库区更大程度淹没损失为依据，则三组不同结构形式引流槽泄洪效率由高至低依次为陡坎引流槽、复式引流槽、梯形引流槽。