淺談三種堰塞壩潰口發展及最大潰決流量公式擬合論文

實用文時間：2021-08-31 手機版

　　引言

　　堰塞湖主要是地質災害引發大規模、大方量的山體崩塌、滑坡阻塞河道形成的，具有瞬時形成、機理復雜、物質組成不詳、潰決災害巨大等特點。研究堰塞湖潰決模式及對最大潰決流量的預測將對堰塞湖應急處置、預警、避險等決策提供可靠的技術支持。

　　為了提高堰塞湖的安全控制水平，減輕或避免堰塞湖潰決損失，國內外學者針對堰塞湖的潰決機理，潰決過程展開了大量的模型實驗研究，取得了一系列的重要成果。作者通過對汶川地震所產生的上百座堰塞壩調查發現，堰塞壩根據物質組成大致可分為3類：一類堰塞壩由結構松散、覆蓋層深厚的山體垮塌形成，主要為土和碎石構成，例如安縣肖家橋堰塞壩、綿竹小崗劍堰塞壩，本文稱為均質細壩;二類堰塞壩由松散巖石山體崩塌形成，主要為尺寸相近的塊石構成，例如都江堰關門山溝堰塞壩、窯子溝堰塞壩，本文稱為均質粗壩;三類堰塞壩由山體順層滑坡堵塞河道形成，具有明顯上細下粗的分層特點，例如北川唐家山堰塞壩、都江堰枷擔灣堰塞壩，本文稱為分層壩。由于堰塞壩的物質組成是堰塞湖最大潰決流量預測的關鍵因素之一，開展針對性的堰塞壩漫頂潰決試驗研究是非常必要的。

　　本文針對上述3種壩型分別開展了8次漫頂潰決試驗。試驗在模型水槽內完成，用攝像機記錄了堰塞壩漫頂潰決試驗全過程，根據采集潰口寬度、深度和最大潰決流量等實時試驗數據，分析3種類型堰塞壩的潰決過程和潰口發展特點，以美國水道試驗站公式為基礎擬合出3種具有針對性的堰塞壩的最大潰決流量公式，能較好地反映堰塞壩的物質組成對堰塞湖最大潰決流量的'影響。

　　1試驗設計

　　本次試驗在水泥漿抹面矩形水槽中進行。水槽寬50cm，高50cm，總長10m，底坡為5%。試驗采用長1m，寬0.5m，高1m的水箱供水，通過調節閥門開度大小，結合流量儀控制入庫流量。

　　該試驗以關門山堰塞壩為背景，根據模型試驗幾何相似和重力相似，確定幾何比尺λl為1∶460。試驗模型壩高17.4cm，寬50cm，順河向頂寬32.6cm，上游壩坡為1∶2，下游壩坡為1∶3，壩頂處開挖寬10cm，深3cm的矩形導流槽。

　　模型壩采用無黏性砂石作原材料。為方便敘述，將3種模型壩進行編號。1號代表均質細壩，2號代表均質粗壩，3號代表分層壩。分層壩以上細下粗的形態分層布置，橫剖面。堆筑時采取分層施工的方法以保證壩體均勻性和壓實度，以每5cm為一層，每堆一次夯實一次，并保證夯擊次數一致。

　　為便于觀察潰口形態變化以及潰口流量變化過程，在壩前水庫邊壁處繪制15cm高刻度線，壩頂處放置50cm長刻度尺。試驗還在上、下游布置了3臺數碼攝像機，從不同角度觀察和記錄潰壩過程。

　　2試驗結果及分析

　　2.13種壩型潰口發展以及最終潰口形態

　　根據試驗測量數據，繪制3種壩體潰口隨時間的大致變化情況，其中圖中數字1～5為潰口時間發展順序;圖5(b)～7(b)為實際拍攝潰口最終穩定形態。由圖可發現，3種壩型潰決方式均以下切侵蝕為主，輔以側向展寬來增加過水斷面，最終均形成上寬下窄的穩定潰口形狀。

　　2.1.1均質細壩

　　均質細壩顆粒級配較小，壩體組成以細沙、小塊石為主，其抗剪強度遠遠低于水流運動的剪切力，所需起動流速較低。1階段水流漫頂后形成一個較深的下切通道，2～3階段繼續以下切侵蝕為主，輔以兩岸的失穩坍塌形成的側向展寬。4～5階段潰口流量明顯加大，大量的泥沙顆粒混雜在水流中，加速了對兩岸顆粒的沖刷直至沖蝕過程結束，最終形成穩定潰口。根據最終測得潰口穩定寬深數據統計計算，1～8組均質細壩最終穩定潰口寬深比平均值為1.76，潰口穩定形狀多為窄深二次拋物線形，可觀測到底部稀疏小塊石。

　　2.1.2均質粗壩

　　均質粗壩主要由粗顆粒泥沙和塊石組成。試驗階段1水流漫頂后將上表層細顆粒逐漸帶走，隨著潰口斷面粗化越發嚴重，抗沖性變強，水流下切作用變得困難，過流能力受到限制。2～5階段潰口流速迅速變大下切潰口并加速兩岸掏刷直至上游庫容明顯減小，壩體穩定。整個潰決過程剛開始發展較為緩慢，中間沖刷過程快速，最終形成穩定潰口。據統計，9～16組均質粗壩寬深比平均值為2.22，潰口形狀多為寬淺二次拋物線形，潰口過流處河床面粗化嚴重。

　　2.1.3分層壩

　　分層堰塞壩下部以塊石為主，上部以泥沙、土質為主。分層壩上表層顆粒較細，故圖7中1～4階段主要以水流下切作用為主，隨著顆粒往下逐漸加粗，下部預置塊石難以沖刷，下切困難，5～7階段主要沿兩岸展寬潰口以增大過水斷面，此時過流流量迅速增加到最大值，帶走大量的細沙和小塊石直至上游來水量不足以繼續沖刷，最終形成穩定潰口。據統計，17～24組分層壩寬深比平均值為2.30，潰口底部平坦，整個潰口形狀趨近寬淺梯形，可觀測到底部預置大塊石，粗化嚴重。

　　2.2最大潰決流量公式擬合

　　通過對3種不同壩型進行試驗研究，發現對于同庫容、同入庫流量、同幾何體所形成的堰塞壩潰口形態、最大潰決流量均有較大差異，本文以美國水道試驗站公式為基礎，通過實測潰口尺寸數據統計分析，重新定義潰口尺寸與最大潰決流量之間的關系，更加具有針對性，對于不同物質組成壩體潰決洪峰流量的預測有較好的指導作用。

　　美國水道試驗站公式：

　　Qm=827槡g(BoHobmho)0.28bmh1.5o(1)

　　式中：Qm為壩址處洪峰流量;Bo為潰壩時壩前水面寬度;g為重力加速度;Ho為壩前水深;bm為潰口寬度;ho為潰口頂上水深。

　　試驗實際所測潰壩最大流量值則是利用庫區水量平衡方程推導求得，忽略壩體和壩基滲流量。

　　Q=(h1-h2)(A1+A2)2(t2-t1)+q(2)

　　A1=Bh1(3)

　　A2=Bh2(4)

　　式中：h1、h2、A1、A2分別對應t1、t2時刻庫區水位與水面面積;q為上游來水量;B為壩體寬度。

　　盡管庫區標尺處水位在潰決過程中有波動現象，流量計算中水位取值存在誤差，但潰決流量總體趨勢不會受到較大影響。故取流量過程線中最大值作為實測最大潰壩流量。

　　如表2所示，保證公式量綱物理意義，改變公式冪指數，得出3種不同堰塞壩型的潰決最大流量公式。