淺論堰塞壩潰壩過程分析及影響因素研究論文
1前言
堰塞湖是在一定地質(zhì)地貌條件下，由于地震、降雨或火山噴發(fā)等原因引起山崩、滑坡或泥石流等自然現(xiàn)象堵截山谷、河谷，造成上游段壅水形成的湖泊。阻塞山谷、河谷的堆積體為堰塞壩。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，在形成后10d便發(fā)生潰決的堰塞湖百分比超過50%，2個月內(nèi)潰決的百分比超過60%，1年內(nèi)發(fā)生潰決者超過90%。堰塞壩擁有如此高的潰壩率，一旦發(fā)生潰壩，后果將十分嚴(yán)重。在1933年8月25日，四川疊溪發(fā)生7.4級大地震，強(qiáng)烈的地震使岷江兩岸山體崩塌形成3座高達(dá)100余m的堰塞壩，14d后最下游的1個堰塞壩發(fā)生潰決，形成高40m左右的洪水傾斜而下，將河流下游兩岸的村莊摧毀。對于堰塞壩潰壩過程的研究主要有3種途徑:原型觀測、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)。數(shù)值模擬已經(jīng)發(fā)展了許多成熟的模型，其中模擬潰壩的主要模型有:DAMBRK模型，BEED模型，BREACH模型，LOU模型，HW模型，Cristofano模型，Nogueira模型等。一般堰塞湖潰壩主要由漫頂或滲透管涌引起。漫頂潰壩情況是由于壩體本身沒有導(dǎo)流或泄洪設(shè)施，水位最終發(fā)生漫頂，而壩體內(nèi)部發(fā)生滲流，使壩體本身的強(qiáng)度降低，最終發(fā)生潰壩。該種潰壩情況水位高，潰壩洪峰流量大，破壞力極大。因此漫頂潰壩更應(yīng)該得到重視與研究。
2堰塞壩漫頂模擬實(shí)驗(yàn)
2.1實(shí)驗(yàn)布置及材料
該實(shí)驗(yàn)旨在模擬土石壩漫頂時發(fā)生潰壩的情況，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用以概括潰口形成過程，分析不同壩高、不同壩后坡度對漫頂潰壩過程的影響。該實(shí)驗(yàn)在一矩形水泥河道中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置分為供水箱、水槽、泥沙收集池3個部分。供水箱長寬高均為1.0m，通過水泵供水，實(shí)驗(yàn)過程中水箱中一直保持滿水，水箱下游側(cè)安置最大流量為0.17L/s的LZB-25玻璃轉(zhuǎn)子流量計。水槽段寬高均為0.5m，坡降為5°，水槽下游連接泥沙收集池，上游庫區(qū)安置水位儀(E1)，在壩下游區(qū)安裝攝像機(jī)(C1)，拍攝潰口變化過程。此次實(shí)驗(yàn)取無黏性沙作為填壩材料，其級配曲線。
2.2實(shí)驗(yàn)方案
此次實(shí)驗(yàn)設(shè)置壩高分別為13cm和15cm，頂長分別為20cm與25cm，上游壩坡1∶1.5，下游壩坡1∶1.5，上游來水量為0.17L/s，實(shí)驗(yàn)分為3組，如右側(cè)表所示。
該實(shí)驗(yàn)先在水槽內(nèi)按設(shè)計方案堆設(shè)壩體，為引導(dǎo)潰口在壩體中部產(chǎn)生，堆設(shè)時壩體中部略低。緩慢向水槽中灌水，快達(dá)壩頂時，關(guān)水靜置1h，使壩體上游面與水充分接觸。之后打開流量儀，固定流量0.17L/s放水，直到整個潰壩過程完成。整個實(shí)驗(yàn)過程，水位儀實(shí)時監(jiān)測壩體上游水位變化，攝像機(jī)拍攝潰口變化過程。
2.3潰口變化過程分析
漫頂破壞的一大特點(diǎn)是溯源沖刷破壞，潰口發(fā)展過程可分為3個階段:初始潰口形成階段、潰口發(fā)展階段和最終穩(wěn)定階段。
階段Ⅰ初始潰口形成階段。當(dāng)上游水位上升時，壩體發(fā)生滲流現(xiàn)象。當(dāng)水位達(dá)到壩頂高度時，發(fā)生漫頂，水流總是向最低點(diǎn)運(yùn)動，因此水流在壩頂中部成股水流緩慢向前移動，水流產(chǎn)生剪應(yīng)力作用于過流界面，產(chǎn)生微小的局部破壞，微小顆粒因被水流包裹，相互之間摩擦力大幅度降低，因此水流很容易將其帶走，使壩體頂部強(qiáng)度降低。當(dāng)水流到達(dá)壩頂與下游坡面接觸位置時，水流在交接處沖刷出一個小缺口，但由于此時水流流量較小，水流的破壞力有限，因此下游坡面未出現(xiàn)大面積的失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。但此時在壩體下游下切作用較強(qiáng)，缺口以喇叭狀不斷擴(kuò)大，橫向拓寬速度較為緩慢，縱向下切速度較快，因此潰口下切深度增長較快。隨著水流的不斷沖刷，由于水體自身的重力及沖蝕作用，水流使下游坡面出現(xiàn)凹槽，形成陡坎沖蝕，流量開始增大。下游坡度越緩，陡坎現(xiàn)象越明顯。在水流的持續(xù)沖刷作用下，下游坡面的陡坎深度不斷增加，同時也在不斷拓寬，水流流量逐漸變大，此時下游坡底部分向遠(yuǎn)端呈扇形擴(kuò)大。同時，陡坎的上半部分，在縱向深度與橫向?qū)挾炔粩嘣黾拥耐瑫r，陡坎的輪廓不斷擴(kuò)大，侵蝕向上游擴(kuò)展，在水流的攜帶作用下，陡坎靠近上游邊緣的邊沿細(xì)顆粒被沖向下游，一些大粒徑顆粒在自身重力作用與水流沖刷作用下掉落，使得陡坎規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)水流向上沖蝕達(dá)到上游壩頂邊緣時，壩體頂部形成貫通的凹槽，此時初始潰口形成。
階段Ⅱ潰口發(fā)展階段。當(dāng)凹槽貫通時，形成了初始潰口。此時的潰口斷面形狀大致為矩形。此時潰口流量開始急劇增加，大股水流的涌入也使?jié)⒖诘南虑兴俣扰c擴(kuò)寬速度大幅度增加。由于水流的剪切力作用，潰口橫向拓寬的速度明顯大于潰口縱向下切的速度，潰口寬度迅速增加。洪峰流量也在該階段達(dá)到最大值。此時，潰口兩側(cè)邊坡基部的泥沙被大量沖刷帶走，使邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，為邊坡失穩(wěn)坍塌提供發(fā)展空間。根據(jù)BREACH模型建立的'潰口模型，當(dāng)潰口的下切深度達(dá)到某一臨界深度時，邊坡大量泥沙被水流帶向下游，提供強(qiáng)度保證的大粒徑顆粒失去穩(wěn)定最終使邊坡失穩(wěn)坍塌，潰口形狀由矩形轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪巍ｋA段Ⅲ最終穩(wěn)定階段。當(dāng)邊坡失穩(wěn)坍塌后，潰口流量開始減小，當(dāng)水流減小至一定程度后，不足以維持泥沙的層移運(yùn)動，泥沙開始貼著底部滾動運(yùn)動。大粒徑顆粒因自身重力過大先停止運(yùn)動，細(xì)顆粒受到阻礙也停止運(yùn)動。水流與顆粒達(dá)到動態(tài)平衡。潰口此時穩(wěn)定最終形狀為梯形。
3潰壩流量與影響因素分析
對于潰口的分析，除需確定潰口形狀外，潰口流量也是根本任務(wù)之一。一般情況下，潰壩的下泄流量可由水庫水量動態(tài)平衡方程計算:
dV/dt=Qin-Qout(1)
式中
V———庫區(qū)容量;
Qin———入庫流量，包括降雨、徑流等;
Qout———出庫流量。
在該實(shí)驗(yàn)中，不考慮蒸發(fā)等因素，水量出庫方式主要為滲透和潰口出流，因此可得出:
Qout=Qs+Qb(2)
式中
Qs———滲透出流量;
Qb———潰口出流量。
則式(1)可變?yōu)?
Qs+Qb=Qin-dV/dt(3)
在該實(shí)驗(yàn)中入庫流量Qin概化為恒定的上游來水流量0.17L/s。因水位儀測得上游實(shí)時水位變化，因此dV/dt也為已知量。在此，設(shè):
Q*=(Qs+Qb)/Qin(4)
式中Q*為無量綱化的出庫流量。
由于在水位達(dá)到壩頂高度前，水位持續(xù)上升，并未發(fā)生異象，因此以水流漫頂后達(dá)到壩頂邊緣與下游坡面交界處、產(chǎn)生初始潰口時為時間起點(diǎn)，一直到潰口形狀穩(wěn)定，水流與顆粒達(dá)到動態(tài)平衡時的潰壩流量過程制成圖。
通過圖3～圖5可以看出，3組試驗(yàn)的潰壩流量過程的總體變化趨勢是一致的。開始時，流量較小，在很長一段時間內(nèi)，流量變化不大，之后流量突然增大;達(dá)到洪峰流量，該最大流量保持時間較短;之后流量開始減小，最終趨于穩(wěn)定。在時間起點(diǎn)，潰口還未形成，潰口流量為零，因此Q*在此時應(yīng)為滲透流量Qs，3組試驗(yàn)滲透流量Qs≈(0.5～0.6)Qin，之后初始潰口形成，并未貫通，流量在一定時間內(nèi)變化不大，但此時潰口對流量的影響遠(yuǎn)大于滲流對流量的影響，則Q*≈Qb;潰口貫通后，大量水流涌入潰口，Q*在短時間內(nèi)達(dá)到峰值，為洪峰流量。大量水流在短時間內(nèi)下泄，流量下降迅速，最終趨于穩(wěn)定，此時潰口也保持穩(wěn)定。
通過3組試驗(yàn)流量變化圖可以發(fā)現(xiàn):壩體高度與洪峰流量大小成正相關(guān)，并且壩體越高，洪峰來臨的時間越為延后。因壩體高度越高，上游水位越高，壅水總量越大，因此潰壩后，更多的水量下泄，洪峰流量較大。而壩體的高度越高，水位到達(dá)壩頂高度的時間也越長，因此洪峰來臨時間相比低壩高工況較為延后;壩體長度越短，洪峰來臨的時間越短，持續(xù)時間也越短，洪峰流量越大。究其原因，壩體長度越短，漫頂水流到達(dá)壩頂邊緣與下游坡面交界處的時間越短，能更早地形成陡坎沖刷，形成初始潰口，水流溯源的時間也越短，能更早貫通潰口。相對于壩頂長度較長的壩體，壩頂長度較短的壩體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，水流的剪切能力和沖刷能力更強(qiáng)，更容易較快地沖毀壩體。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)控制壩高，盡可能加大壩長，對上游進(jìn)行水土保護(hù)，盡量減少泥沙入庫，保證庫區(qū)有效庫容，防止?jié)伟l(fā)生，盡可能減小潰壩帶來的危害。
4結(jié)論
堰塞壩具有極高的潰壩幾率，潰口的形成與潰口流量是決定潰壩嚴(yán)重程度的重要因素。本文通過模擬潰壩實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論:
潰口形成可以概化為3個階段:K初始潰口形成階段、L潰口發(fā)展階段和M最終穩(wěn)定階段。在初始潰口形成階段，水流對壩體沖蝕形成初始矩形潰槽，同時，水體的滲流作用也加速了該過程。潰口的縱向加深與橫向拓寬同時進(jìn)行，但縱向下切速度大于橫向拓寬速度。水流發(fā)生溯源沖蝕，使?jié)⒉圬炌?在潰口發(fā)展階段，水流流量快速增大，在短時間內(nèi)達(dá)到洪峰流量，橫向拓寬速度更快，此時大量水流不僅沖蝕潰槽底部，也帶走大量邊坡基部泥沙，當(dāng)潰口深度超過臨界深度，邊坡失穩(wěn)坍塌，潰口形狀變?yōu)樘菪?在最終穩(wěn)定階段，水流流量減小，水流與泥沙顆粒達(dá)到動態(tài)平衡，潰口不再發(fā)展。
在其他參數(shù)相同的情況下，壩體高度越高，洪峰流量越大，洪峰來臨時間越遲;壩體長度越短，洪峰流量越大，持續(xù)時間越短，洪峰來臨時間越短。因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況控制壩高，對上游進(jìn)行水土保護(hù)，在盡可能降低壩高的情況下保證有效庫容，增加壩長，減小潰壩產(chǎn)生的威脅。
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