簡析唐家山堰塞體潰口寬度的模擬計算論文
唐家山堰塞體為地震誘發山體滑坡而堆積形成的天然壩,相對堆石壩具有以下特點:泥沙顆粒不均勻,組成物質松散,滲流嚴重,岸坡不穩定,壩體穩定性更低,其力學穩定性、抗沖性較差.受二次滑坡的影響,壩體呈現明顯的雙層結構,上層為含水性較好的粘性土層,下層為較易崩塌的砂土層.唐家山潰口的形成發展過程也較為復雜,為人工開挖、溯源沖刷和潰口崩決的混合過程,在潰決過程中存在一定的漫流,同時雙層土體結構導致水頭差較大,滲流明顯.匡尚富提出,天然壩的潰決過程可以分為溢流侵蝕潰決型、滑動崩決型、逆流漸進潰決型等.對比唐家山堰塞體的實際情況,其侵蝕方式為溢流侵蝕,而堰塞體則與多發生滑動崩決型潰決的壩體接近.
1唐家山堰塞湖潰口
唐家山堰塞湖庫水位持續上升,嚴重威脅水庫下游人民群眾的生命和財產安全.因此在壩頂位置沿河開挖了溢洪道宣泄洪水以減輕潰壩洪水災害.溢洪道底部尺寸為695m×4m,兩側邊坡1∶1.5,入口處高程為742m.由于底部及邊坡均由碎石堆砌而成,溢洪道可蝕性強.2008年6月7日7:06時,溢洪道開始排水,入口處的初始水位為740.37m,初始水面寬為58m,初始水深0.18m.到6月10日1∶30時,水位攀升至最大值743.10m,隨后逐漸降落,在6月10日8:00時降落至742.18m.該水位持續了1h,隨后迅速降落,從9:00時的742.17m降落至11:30時的735.81m,對應的最大洪峰流量為6900m3/s.隨后,在水流的持續沖刷及重力作用下,溢洪道迅速垮塌.在6月10日15:00時,溢洪道達到臨時穩定狀態,此時水面寬145m,河底高程721.2m.最后相對穩定的潰口寬為131.2m,潰口深為20.8m.
2計算結果及分析
為了尋求合適的模型以模擬唐家山堰塞體的潰決,采用以Osman公式為代表的河岸展寬模型及以Froehlich方法和墾務局模型為代表的土石壩潰決模型,比較分析其應用于計算唐家山潰口模擬的結果.
2.1河岸展寬模型
Osman和Thorne提出計算河岸橫向沖刷距離的公式,在Δt(s)時間內,粘性土河岸被水流橫向沖刷后退的距離為
ΔB=Cl×Δt×τf-τce-1.3τcγbk(1)
式中,ΔB為Δt(s)時間內河岸因水流側向沖刷而后退的.距離,m;γbk為河岸土體容重,kN/m3;τf為作用在河岸上的水流切應力,N/m2;τc為河岸土體的啟動切應力,N/m2;Cl為河岸抗沖系數.
2.2土石壩潰壩模型
在Fu等中,采用Macchione提出的預測土壩潰決洪水的方法模擬預報了唐家山潰口的洪水過程,但是Fu等的模擬計算表明,需要采用不同的特征速度ve來分別模擬洪峰的峰現時間和洪峰流量,特征流速ve分別取值0.33m/s和1.9m/s可以模擬得到洪峰流量和洪峰流量的發生時間,而Macchione特征流速范圍為0.05—0.10m/s.即Fu等的模擬中特征速度ve取值0.33m/s才能較為合理地模擬唐家山堰塞湖潰口的洪峰流量,相比原文獻中的區間范圍取值偏大約3倍.因此,本節不再對比分析Macchione方法的適用性.
對比Froehlich和Macchione公式的適用范圍可發現:Macchione為土石壩的潰壩模擬,用于驗證Macchione模型的潰壩實例多為土壩,僅少量壩體為細沙、土和卵石的混合物,而潰決原因多為管涌,少部分為漫流和滲流導致的潰堤,此外,Macchione假定潰決斷面為三角形,在潰口的發展過程中與實際相差較大.而Froehlich和墾物局的方法則是較多地依賴水深,與壩體結構等關系不大,與實際情況不符,導致計算結果與實測不符.
3結論
從計算與實測結果的對比可以發現,Osman方法、Froehlich和墾務局的模擬結果均不是很理想,不能滿足唐家山堰塞體的潰口寬度計算,需要針對堰塞體的具體特點改進模型.由于Osman公式為模擬非粘性河岸展寬的水動力學-土力學方法,是基于物理機理的河岸坍塌模型.接下來僅討論Osman公式中尚需要改進的地方.
對于將Osman公式應用于唐家山堰塞體,除夏軍強等指出的兩處不足(不能考慮孔隙水壓力和靜水壓力對河岸穩定性的影響,和假定河岸崩塌時的平面滑動面必須限于通過坡腳),本文認為還存在以下困難:一是不能考慮土體具有明顯的雙層結構情況下的大水壓差;二是導流渠彎道中二次環流的影響難以估計.有學者針對各項不足提出改進方法.如Darby和Thorne針對不考慮孔隙水壓力和靜水壓力對穩定性的影響及滑動面必須通過坡腳的假定這兩個不足改進了Osman模型.在模擬順治河段的河床變形中,Darby和Thorne考慮河岸可能發生平面滑動和圓弧滑動兩種破壞情況,夏軍強等指出,雖然計算值與實測值仍存在一定的誤差,但同時考慮兩種破壞情況更符合實際.彎道對河岸展寬的作用則可根據Thorne和Osman中的方法得到改進,彎道剪切力與平均剪切力的關系式為τbτ=frcW,其中,τb為彎道外測的剪切力,τ為平均剪切力,τ=rwRS,rc為彎道曲率半徑,W為河寬,將τb代替式(1)中的τf即可考慮彎道作用,該關系根據文獻中的圖即可獲.但是,雙層土體導致的大水壓差仍需要深入的研究.
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