浅论堰塞坝溃坝过程分析及影响因素研究论文
时间：2021-08-31浅论堰塞坝溃坝过程分析及影响因素研究论文
1前言
堰塞湖是在一定地质地貌条件下，由于地震、降雨或火山喷发等原因引起山崩、滑坡或泥石流等自然现象堵截山谷、河谷，造成上游段壅水形成的湖泊。阻塞山谷、河谷的堆积体为堰塞坝。据统计资料显示，在形成后10d便发生溃决的堰塞湖百分比超过50%，2个月内溃决的百分比超过60%，1年内发生溃决者超过90%。堰塞坝拥有如此高的溃坝率，一旦发生溃坝，后果将十分严重。在1933年8月25日，四川叠溪发生7.4级大地震，强烈的地震使岷江两岸山体崩塌形成3座高达100余m的堰塞坝，14d后最下游的1个堰塞坝发生溃决，形成高40m左右的洪水倾斜而下，将河流下游两岸的村庄摧毁。对于堰塞坝溃坝过程的研究主要有3种途径:原型观测、数值模拟和模型试验。数值模拟已经发展了许多成熟的模型，其中模拟溃坝的主要模型有:DAMBRK模型，BEED模型，BREACH模型，LOU模型，HW模型，Cristofano模型，Nogueira模型等。一般堰塞湖溃坝主要由漫顶或渗透管涌引起。漫顶溃坝情况是由于坝体本身没有导流或泄洪设施，水位最终发生漫顶，而坝体内部发生渗流，使坝体本身的强度降低，最终发生溃坝。该种溃坝情况水位高，溃坝洪峰流量大，破坏力极大。因此漫顶溃坝更应该得到重视与研究。
2堰塞坝漫顶模拟实验
2.1实验布置及材料
该实验旨在模拟土石坝漫顶时发生溃坝的情况，收集实验数据用以概括溃口形成过程，分析不同坝高、不同坝后坡度对漫顶溃坝过程的影响。该实验在一矩形水泥河道中进行，实验装置分为供水箱、水槽、泥沙收集池3个部分。供水箱长宽高均为1.0m，通过水泵供水，实验过程中水箱中一直保持满水，水箱下游侧安置最大流量为0.17L/s的LZB-25玻璃转子流量计。水槽段宽高均为0.5m，坡降为5°，水槽下游连接泥沙收集池，上游库区安置水位仪(E1)，在坝下游区安装摄像机(C1)，拍摄溃口变化过程。此次实验取无黏性沙作为填坝材料，其级配曲线。
2.2实验方案
此次实验设置坝高分别为13cm和15cm，顶长分别为20cm与25cm，上游坝坡1∶1.5，下游坝坡1∶1.5，上游来水量为0.17L/s，实验分为3组，如右侧表所示。
该实验先在水槽内按设计方案堆设坝体，为引导溃口在坝体中部产生，堆设时坝体中部略低。缓慢向水槽中灌水，快达坝顶时，关水静置1h，使坝体上游面与水充分接触。之后打开流量仪，固定流量0.17L/s放水，直到整个溃坝过程完成。整个实验过程，水位仪实时监测坝体上游水位变化，摄像机拍摄溃口变化过程。
2.3溃口变化过程分析
漫顶破坏的一大特点是溯源冲刷破坏，溃口发展过程可分为3个阶段:初始溃口形成阶段、溃口发展阶段和最终稳定阶段。
阶段Ⅰ初始溃口形成阶段。当上游水位上升时，坝体发生渗流现象。当水位达到坝顶高度时，发生漫顶，水流总是向最低点运动，因此水流在坝顶中部成股水流缓慢向前移动，水流产生剪应力作用于过流界面，产生微小的局部破坏，微小颗粒因被水流包裹，相互之间摩擦力大幅度降低，因此水流很容易将其带走，使坝体顶部强度降低。当水流到达坝顶与下游坡面接触位置时，水流在交接处冲刷出一个小缺口，但由于此时水流流量较小，水流的破坏力有限，因此下游坡面未出现大面积的失稳破坏现象。但此时在坝体下游下切作用较强，缺口以喇叭状不断扩大，横向拓宽速度较为缓慢，纵向下切速度较快，因此溃口下切深度增长较快。随着水流的不断冲刷，由于水体自身的重力及冲蚀作用，水流使下游坡面出现凹槽，形成陡坎冲蚀，流量开始增大。下游坡度越缓，陡坎现象越明显。在水流的持续冲刷作用下，下游坡面的陡坎深度不断增加，同时也在不断拓宽，水流流量逐渐变大，此时下游坡底部分向远端呈扇形扩大。同时，陡坎的上半部分，在纵向深度与横向宽度不断增加的同时，陡坎的轮廓不断扩大，侵蚀向上游扩展，在水流的携带作用下，陡坎靠近上游边缘的边沿细颗粒被冲向下游，一些大粒径颗粒在自身重力作用与水流冲刷作用下掉落，使得陡坎规模进一步扩大。当水流向上冲蚀达到上游坝顶边缘时，坝体顶部形成贯通的凹槽，此时初始溃口形成。
阶段Ⅱ溃口发展阶段。当凹槽贯通时，形成了初始溃口。此时的溃口断面形状大致为矩形。此时溃口流量开始急剧增加，大股水流的涌入也使溃口的下切速度与扩宽速度大幅度增加。由于水流的剪切力作用，溃口横向拓宽的速度明显大于溃口纵向下切的速度，溃口宽度迅速增加。洪峰流量也在该阶段达到最大值。此时，溃口两侧边坡基部的泥沙被大量冲刷带走，使边坡的稳定性进一步降低，为边坡失稳坍塌提供发展空间。根据BREACH模型建立的溃口模型，当溃口的下切深度达到某一临界深度时，边坡大量泥沙被水流带向下游，提供强度保证的大粒径颗粒失去稳定最终使边坡失稳坍塌，溃口形状由矩形转变为梯形。阶段Ⅲ最终稳定阶段。当边坡失稳坍塌后，溃口流量开始减小，当水流减小至一定程度后，不足以维持泥沙的层移运动，泥沙开始贴着底部滚动运动。大粒径颗粒因自身重力过大先停止运动，细颗粒受到阻碍也停止运动。水流与颗粒达到动态平衡。溃口此时稳定最终形状为梯形。
3溃坝流量与影响因素分析
对于溃口的分析，除需确定溃口形状外，溃口流量也是根本任务之一。一般情况下，溃坝的下泄流量可由水库水量动态平衡方程计算:
dV/dt=Qin-Qout(1)
式中
V———库区容量;
Qin———入库流量，包括降雨、径流等;
Qout———出库流量。
在该实验中，不考虑蒸发等因素，水量出库方式主要为渗透和溃口出流，因此可得出:
Qout=Qs+Qb(2)
式中
Qs———渗透出流量;
Qb———溃口出流量。
则式(1)可变为:
Qs+Qb=Qin-dV/dt(3)
在该实验中入库流量Qin概化为恒定的上游来水流量0.17L/s。因水位仪测得上游实时水位变化，因此dV/dt也为已知量。在此，设:
Q*=(Qs+Qb)/Qin(4)
式中Q*为无量纲化的出库流量。
由于在水位达到坝顶高度前，水位持续上升，并未发生异象，因此以水流漫顶后达到坝顶边缘与下游坡面交界处、产生初始溃口时为时间起点，一直到溃口形状稳定，水流与颗粒达到动态平衡时的溃坝流量过程制成图。
通过图3～图5可以看出，3组试验的溃坝流量过程的总体变化趋势是一致的。开始时，流量较小，在很长一段时间内，流量变化不大，之后流量突然增大;达到洪峰流量，该最大流量保持时间较短;之后流量开始减小，最终趋于稳定。在时间起点，溃口还未形成，溃口流量为零，因此Q*在此时应为渗透流量Qs，3组试验渗透流量Qs≈(0.5～0.6)Qin，之后初始溃口形成，并未贯通，流量在一定时间内变化不大，但此时溃口对流量的影响远大于渗流对流量的.影响，则Q*≈Qb;溃口贯通后，大量水流涌入溃口，Q*在短时间内达到峰值，为洪峰流量。大量水流在短时间内下泄，流量下降迅速，最终趋于稳定，此时溃口也保持稳定。
通过3组试验流量变化图可以发现:坝体高度与洪峰流量大小成正相关，并且坝体越高，洪峰来临的时间越为延后。因坝体高度越高，上游水位越高，壅水总量越大，因此溃坝后，更多的水量下泄，洪峰流量较大。而坝体的高度越高，水位到达坝顶高度的时间也越长，因此洪峰来临时间相比低坝高工况较为延后;坝体长度越短，洪峰来临的时间越短，持续时间也越短，洪峰流量越大。究其原因，坝体长度越短，漫顶水流到达坝顶边缘与下游坡面交界处的时间越短，能更早地形成陡坎冲刷，形成初始溃口，水流溯源的时间也越短，能更早贯通溃口。相对于坝顶长度较长的坝体，坝顶长度较短的坝体结构强度较低，水流的剪切能力和冲刷能力更强，更容易较快地冲毁坝体。因此，应根据实际情况适当控制坝高，尽可能加大坝长，对上游进行水土保护，尽量减少泥沙入库，保证库区有效库容，防止溃坝发生，尽可能减小溃坝带来的危害。
4结论
堰塞坝具有极高的溃坝几率，溃口的形成与溃口流量是决定溃坝严重程度的重要因素。本文通过模拟溃坝实验得出以下结论:
溃口形成可以概化为3个阶段:K初始溃口形成阶段、L溃口发展阶段和M最终稳定阶段。在初始溃口形成阶段，水流对坝体冲蚀形成初始矩形溃槽，同时，水体的渗流作用也加速了该过程。溃口的纵向加深与横向拓宽同时进行，但纵向下切速度大于横向拓宽速度。水流发生溯源冲蚀，使溃槽贯通;在溃口发展阶段，水流流量快速增大，在短时间内达到洪峰流量，横向拓宽速度更快，此时大量水流不仅冲蚀溃槽底部，也带走大量边坡基部泥沙，当溃口深度超过临界深度，边坡失稳坍塌，溃口形状变为梯形;在最终稳定阶段，水流流量减小，水流与泥沙颗粒达到动态平衡，溃口不再发展。
在其他参数相同的情况下，坝体高度越高，洪峰流量越大，洪峰来临时间越迟;坝体长度越短，洪峰流量越大，持续时间越短，洪峰来临时间越短。因此应根据实际情况控制坝高，对上游进行水土保护，在尽可能降低坝高的情况下保证有效库容，增加坝长，减小溃坝产生的威胁。
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