羅 優(yōu),陳 立,平妍容,周 敏

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225127；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430072)

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土石壩漫頂潰決模式與潰壩參數(shù)預(yù)測(cè)

羅 優(yōu)1,2,陳 立2,平妍容2,周 敏2

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225127；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430072)

摘 要：利用黏土和黃砂混合配制試驗(yàn)筑壩材料,開展水槽試驗(yàn),模擬均質(zhì)土石壩漫頂破壞過(guò)程,研究潰壩模式對(duì)潰壩參數(shù)的影響。試驗(yàn)中觀測(cè)到3種漫頂破壞模式:陡坎蝕退沖刷潰決模式（M1)、剪切蝕退坍塌潰決模式（M2)和浸泡剝蝕破壞模式（M3)。相同庫(kù)容和壩高條件下,不同模式最大潰決流量差異較大:Qp（M2)＞Qp（M1,M3)；定義水流開始漫頂至水庫(kù)內(nèi)庫(kù)存水流構(gòu)成漫壩破壞的主要?jiǎng)恿υ吹臅r(shí)間為漫頂臨界時(shí)間TC,則TC（M2)＜TC（M1)＜TC（M3)。潰壩模式反映了漫頂流量、初始潰口、壩高和筑壩材料等因素對(duì)漫頂潰決的綜合影響,是除壩高、庫(kù)容外潰壩參數(shù)預(yù)測(cè)的重要影響因子。

關(guān)鍵詞：土石壩；漫頂潰決；破壞模式；潰決參數(shù)；災(zāi)害評(píng)估

2016,33（02):38-41,47

1 研究背景

近百年來(lái)壩體潰決災(zāi)害頻繁,對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了極大的威脅［1-2］,壩體危害程度評(píng)估至關(guān)重要。壩體破壞方式、庫(kù)容、壩高等不同,潰壩造成的危害程度不同。土石壩潰壩主要包括漫頂沖潰、管涌沖潰2種方式,壩體基礎(chǔ)缺陷、地震和河道改道也是造成大量土石壩潰決的重要原因［3］。土石壩漫頂潰決屬于逐漸潰決,潰決過(guò)程受到漫頂水流、筑壩材料和壩體結(jié)構(gòu)形式等多方面因素的影響［4-6］。漫頂水流從上游到下游可分為3個(gè)區(qū)［7］:緩流區(qū)、臨界流區(qū)和急流區(qū)；漫頂水流切應(yīng)力在空間上不是均勻分布的,在壩肩和壩址附近出現(xiàn)極大值,沿著壩坡逐漸增大,漫頂破壞起始位置一般在臨界流區(qū)或者急流區(qū)。黏性土石壩和無(wú)黏性散體沙壩潰決過(guò)程具有明顯的差異:陡坎沖刷或多級(jí)陡坎沖刷是黏性土石壩重要壩體沖刷方式,土石壩的分層壓實(shí)導(dǎo)致的壓實(shí)度的差異、初始挑流落地點(diǎn)、初始沖坑的存在是造成多級(jí)陡坎形成的重要原因［8］。散體沙壩壩坡在漫頂水流的淘刷作用下發(fā)生沿程侵蝕,壩背以一定坡度沿程蝕退［9］,當(dāng)散體沙粒徑較小時(shí),材料假黏性（基質(zhì)吸力)是影響潰決過(guò)程和潰決時(shí)間的重要因素［10］。

土石壩漫頂潰決危害程度與預(yù)警時(shí)間和潰壩流量大小密切相關(guān),后兩者受庫(kù)容、壩高和破壞方式等因素的綜合影響。本文開展均質(zhì)土石壩漫頂破壞試驗(yàn),研究土石壩漫頂潰決流量和時(shí)間影響因素及規(guī)律。

2 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)由蓄水池、水泵、電磁流量計(jì)、水槽等構(gòu)成。試驗(yàn)水槽（圖1)長(zhǎng)約15 m、寬1 m、深0.8 m,水槽底坡為0,水槽入口處設(shè)有靜水柵,用于平穩(wěn)水流及減小波動(dòng),靜水柵前為水庫(kù)。

圖1 潰壩試驗(yàn)水槽布置Fig.1 Layout of water tank used for dam burst experiment

試驗(yàn)筑壩材料利用砂土混合配制,黃砂粒徑范圍0～2 mm,中值粒徑0～5 mm,屬于不良級(jí)配砂；黏土塑限在22.02%～23.06%之間,液限在42.58%～43.49%之間,塑性指數(shù)約為21%。

考慮到壩頂?shù)拖莼蛘邏雾敳牧暇植坷匣奈恢迷谒髀敍_刷后容易形成“初始潰口”,初始潰口具有一定的束水作用,增加局部位置水流沖刷能力,因此在試驗(yàn)壩頂中央開挖初始潰口；筑壩材料強(qiáng)度決定了壩體抗侵蝕抗破壞的能力,因此試驗(yàn)筑壩要合理控制材料干密度、含水率和級(jí)配等參數(shù)；漫頂流量和壩高反映了洪水的破壞能力,是漫頂破壞的重要影響因素。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1,共26組試驗(yàn)。其中壩體壩坡坡度1∶1,初始潰口為矩形,位于壩頂中央,寬度為5 cm。

表1 試驗(yàn)控制參數(shù)和潰決模式Table 1 Experimental parameters and breach modes

表1中:S為含土量（黏土占黃砂和黏土混合筑壩材料的砂土比重)；ρ為干密度；W為含水率；BT為壩頂寬；HEM為壩高；QJ為進(jìn)口流量；HV為初始潰口深度。根據(jù)漫頂破壞過(guò)程中不同壩體破壞類型及其耦合方式將漫頂破壞劃分為陡坎蝕退沖刷潰決模式（M1)、剪切蝕退坍塌潰決模式（M2)和浸泡剝蝕破壞模式（M3),見(jiàn)文獻(xiàn)［11］,不同組次破壞模式見(jiàn)表1。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

3.1 漫頂破壞類型

試驗(yàn)中觀測(cè)到沿程沖刷、陡坎沖刷和坍塌等主要壩體破壞類型。

（1)沿程沖刷是筑壩材料在平行于壩體表面方向上水流剪切應(yīng)力作用下脫離壩體而被攜帶走的過(guò)程,沿程沖刷分為浸泡剝蝕和快速剪切侵蝕:筑壩材料強(qiáng)度相對(duì)于水流剪切應(yīng)力較大的情況下,沿程侵蝕表現(xiàn)為浸泡剝蝕——筑壩材料在水流浸泡作用下強(qiáng)度減弱到一定程度時(shí)被水流剝離并被攜帶走的過(guò)程,浸泡過(guò)程使得漫頂沖刷發(fā)展緩慢；在材料強(qiáng)度相對(duì)較小的情況下,沿程侵蝕表現(xiàn)為快速剪切侵蝕——筑壩材料在水流下剪切作用下呈層狀移動(dòng)的過(guò)程。

（2)陡坎沖刷過(guò)程:壩坡被沖刷成一個(gè)基本垂直的坡面,漫頂水流在壩肩處突然向下跌落。壩坡下部沖刷而上部坍塌交替發(fā)展導(dǎo)致陡坎不斷向上游移動(dòng)的過(guò)程即為陡坎蝕退過(guò)程。圖2為壩坡陡坎蝕退過(guò)程,因初始潰口的存在,壩坡以“凹形”方式蝕退。

圖2 “凹形”陡坎蝕退Fig.2 Erosion of concave scarp

圖3 M2潰口發(fā)展過(guò)程Fig.3 Breach process of mode 2

3.2 漫頂破壞模式

M1潰口形成階段壩坡以陡坎沖刷方式溯源蝕退,發(fā)展階段潰口受水流沖刷而逐漸展寬和下切。

M2潰口形成階段壩坡發(fā)生快速剪切侵蝕,壩肩快速向上游蝕退,發(fā)展階段潰口兩側(cè)壩體因失穩(wěn)坍塌而突變展寬（圖3)。

M3典型破壞過(guò)程如圖4所示:壩坡處形成沖溝（從開始漫頂起5 s后),初始潰口展寬,壩坡處形成多條沖溝（從開始漫頂起135 s后),壩坡和壩頂發(fā)生浸泡剝蝕（從開始漫頂起540 s后),整個(gè)破壞過(guò)程為漫頂水流浸泡剝蝕筑壩材料的過(guò)程,破壞發(fā)展緩慢。

圖4 M3漫頂剝蝕破壞過(guò)程Fig.4 Process of overtopping erosion of mode 3

4 最大潰決流量

影響土石壩最大潰決流量的因素較多,現(xiàn)有研究主要考慮了壩高和庫(kù)容。最大潰決流量的預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式形式為QP＝aVbwHcw［12-13］。式中:Vw為庫(kù)容；Hw為潰口內(nèi)水深；a,b,c為系數(shù)。不同模式壩體破壞方式及其耦合方式不同,相同壩高和庫(kù)容條件下Qp差異較大,如圖5所示:Qp與壩高的關(guān)系數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖中具有明顯的分區(qū)現(xiàn)象,相同壩高（庫(kù)容亦相同)條件下Qp（M2)＞Qp（M1,M3)。

圖5 不同模式Qp對(duì)比Fig.5 Qpin different breach modes

破壞模式反映了進(jìn)口流量、初始潰口和筑壩材料等多個(gè)因素對(duì)潰決過(guò)程和潰決流量的綜合影響,利用形式為QP＝aVbwHcw經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)不同破壞模式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)擬合,擬合結(jié)果表明不同破壞模式的經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)的差異明顯,其中QP（M1,M3)＝0.03V0.63H0.62,Q（M2)＝wwP0.47V0w.26H1w.71,擬合公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖6。

圖6 Qp計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.6 Comparison of measured and calculated results of Qp

本文經(jīng)驗(yàn)公式以及前人形式為QP＝aVbwHcw的經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)見(jiàn)表2。表中系數(shù)a相差較大,前人通過(guò)調(diào)整系數(shù)a來(lái)估算最大潰決流量的范圍（Qmin和Qmax)；而本文M1,M3和M2經(jīng)驗(yàn)公式主要差別也在系數(shù)a,與前人簡(jiǎn)單調(diào)整系數(shù)a確定Qmin和Qmax相比意義更明確,是考慮潰決模式不同產(chǎn)生的結(jié)果；M2相對(duì)于M1和M3破壞持續(xù)時(shí)間短,因而庫(kù)容的影響相對(duì)較小、壩高影響相對(duì)較大,則系數(shù)b較小,而系數(shù)c較大。

表2 經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of coefficients in empirical formulas

5 漫頂潰決臨界時(shí)間

土石壩漫頂潰決時(shí)間是潰決重要參數(shù),受到廣泛關(guān)注［19］,然而目前沒(méi)有關(guān)于臨界時(shí)間的概念。將漫頂流量與進(jìn)口流量的比值定義為構(gòu)成比,典型流量過(guò)程中潰口形成階段構(gòu)成比≤1,潰口發(fā)展階段構(gòu)成比遠(yuǎn)大于1,即水庫(kù)內(nèi)庫(kù)存水流構(gòu)成了壩體破壞的主要?jiǎng)恿υ?水庫(kù)內(nèi)水流勢(shì)能開始成為破壞沖刷的主要?jiǎng)恿σ馕吨鴫误w破壞不需要進(jìn)口流量也能繼續(xù)發(fā)展,因此可以定義構(gòu)成比突然增加的位置為潰口形成和發(fā)展階段的臨界點(diǎn)。一般壩體潰決過(guò)程中構(gòu)成比變化過(guò)程如圖7所示。

圖7 漫頂流量構(gòu)成比變化過(guò)程Fig.7 Variation of ratio of overtopping flow to inlet flow with time

根據(jù)破壞臨界點(diǎn)的定義,把壩體由漫頂沖刷開始到達(dá)破壞臨界點(diǎn)的時(shí)間（潰口形成時(shí)間)定義為臨界時(shí)間TC,臨界時(shí)間即為潰口形成時(shí)間。M1和M2臨界時(shí)間和潰口發(fā)展時(shí)間TF如圖8所示。大致有如下關(guān)系:TC（M2)＜TC（M1)。

M3無(wú)潰口發(fā)展過(guò)程,因而認(rèn)為TC（M3)趨于無(wú)窮大,因此認(rèn)為TC（M2)＜TC（M1)＜TC（M3),臨界時(shí)間越長(zhǎng),預(yù)警時(shí)間將越多,壩體潰決造成的危害程度越小。

圖8 M1和M2臨界時(shí)間和潰口發(fā)展時(shí)間Fig.8 Critical time and time of breach development for M1 and M2

土石壩潰決臨界時(shí)間越短（則預(yù)警時(shí)間越短),潰決流量越大,則潰壩洪水對(duì)下游造成的危害程度越大,而二者都與漫頂潰決模式有關(guān)。而當(dāng)壩體較高,庫(kù)容大而以M2潰決時(shí)造成的危害較大；當(dāng)壩體較低、庫(kù)容較小而以M3潰決時(shí)造成的危害較小,因此需要結(jié)合壩高、庫(kù)容和可能發(fā)生的漫頂潰決模式對(duì)壩體漫頂破壞危害進(jìn)行初步分析。

6 結(jié) 語(yǔ)

土石壩漫頂破壞分為陡坎蝕退沖刷潰決模式、剪切蝕退坍塌潰決模式和浸泡剝蝕破壞模式,最大潰決流量和漫頂破壞臨界時(shí)間都與漫頂破壞模式密切相關(guān),在一定程度上潰決模式反映了初始潰口、漫頂流量和筑壩材料等因素對(duì)漫頂破壞過(guò)程的綜合影響。因此,不同潰決模式的判別,對(duì)于潰決時(shí)間、最大潰決流量預(yù)測(cè)以及漫頂潰決危害程度的評(píng)估具有重要意義。

致 謝：試驗(yàn)工作是在武漢大學(xué)完成的，泥沙實(shí)驗(yàn)室研究生陶銘、段濤、黃杰、郝婕妤、徐敏和余道乾師傅及其夫人等承擔(dān)了大量試驗(yàn)工作，謹(jǐn)致謝意。

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（編輯:劉運(yùn)飛)

Impact of Overtopping Breach Mode on Dam-break Parameters of Homogeneous Earth-rock Dams

LUO You1, 2, CHEN Li2, PING Yan-rong2, ZHOU Min2
（1.School of Hydraulic , Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China；2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Abstract:In order to simulate overtopping breach of homogeneous earth-rock dams, we carried out experiment in water tank using sand and clay to make mixed materials for dam, and discussed the impact of overtopping breach mode on dam-break parameters. We divided the overtopping breach modes into three kinds: erosion and scour of scarp（M1), erosion and collapse of shear（M2) and erosion and collapse of soak（M3). In the presence of given capacity of reservoir and dam height, maximum breach discharges（Qp) of different modes are obviously unequal, and Qpof M2 is the biggest. Breach Critical time（TC) is referred to as the time from the beginning of overtopping to the developing of breach, and TCof M2 is the smallest, followed by that of M1 and M3. Breach mode depicts the effects of overtopping flow, initial breach, dam height and dam materials on dam-break process. Besides dam height and capacity of reservoir, breach mode is another important factor for dam-break prediction and disaster assessment.

Key words:earth-rock dam；overtopping breach；breach mode；parameters of breach；disaster assessment

作者簡(jiǎn)介：羅 優(yōu)（1985-),男,江西大余人,工程師,博士,主要從事水沙災(zāi)害、河流地貌演變方面的研究,（電話)18179128016（電子信箱) youluo@ whu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（10932012,51409132)

收稿日期：2014-09-17 ;修回日期：2014-11-07

doi:10.11988/ ckyyb.20140806

中圖分類號(hào)：TV8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)02-0038-04