堰塞壩潰口變形的試驗(yàn)研究

堰塞壩潰口變形的試驗(yàn)研究

延塞湖是一個(gè)由山裂、地震、斜坡、冰巖、泥石流和火山引起的巖石和礫石，在一定條件下，它將巖和礫石堵塞河流，并在上游形成湖泊。由上述因素作用形成的阻水堆積物叫堰塞壩。堰塞壩是快速堆積而成,相對(duì)于人工壩,其沿河流動(dòng)方向更長(zhǎng),其壩體結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成大多比較松散且不均勻,基本上沒(méi)有膠結(jié)性,容易松動(dòng)。松散體在滲透水壓力作用下極易造成潰壩,潰決過(guò)程產(chǎn)生的洪水或泥石流將會(huì)對(duì)下游居民的生命和財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重危害。四川“5·12”汶川大地震形成的34處主要堰塞湖,大多數(shù)是中危以上。地震產(chǎn)生的堰塞湖問(wèn)題時(shí)刻威脅著下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此,當(dāng)堰塞壩形成后,從下游防洪安全考慮,必須對(duì)其進(jìn)行人工排險(xiǎn),而開(kāi)挖泄流槽人工引導(dǎo)壩體潰決是一條快速解除堰塞壩危害、減小損失的有效途徑。前人在潰壩物理過(guò)程方面的研究啟動(dòng)很早,著名的BEED和BREACH模型,構(gòu)建了一個(gè)時(shí)變過(guò)程以模擬實(shí)際潰壩過(guò)程和潰壩洪水過(guò)程線。拉爾斯頓、瓦爾、漢森等以及美國(guó)農(nóng)業(yè)部下屬的水利工程研究處(HERU)提出了陡坎模型,用來(lái)描述潰壩過(guò)程中下游坡面的變化情況。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院黃金池建立了高強(qiáng)度泥沙沖刷計(jì)算公式,并與潰口垂直下切、橫向展寬和壩坡溯源沖刷這三種潰口擴(kuò)展過(guò)程的主要表現(xiàn)方式聯(lián)系在一起,建立了堰塞壩逐漸潰決的數(shù)學(xué)模型。南京水利科學(xué)研究院陳生水等進(jìn)行了土石壩漫頂破壞潰口發(fā)展數(shù)值模型研究,提出了描述土石壩漫頂破壞潰口發(fā)展過(guò)程及下泄流量過(guò)程的數(shù)值模型。前人提出的方法和理論對(duì)我們研究堰塞壩的潰決有很重要的啟發(fā)意義。由于堰塞壩的潰決受多種因素的影響,因此有很多方面需要繼續(xù)探索。前人的研究主要集中于潰壩過(guò)程以及潰壩洪水過(guò)程,在潰口潰決速率方面的研究相對(duì)較少。筆者采用水位計(jì)測(cè)水位,對(duì)整個(gè)壩體全方位攝像,記錄下壩體潰決過(guò)程,對(duì)各個(gè)影響因素作對(duì)比試驗(yàn),總結(jié)各因素對(duì)壩體潰決的影響規(guī)律,為進(jìn)一步的科學(xué)研究提供基礎(chǔ)資料,為工程實(shí)踐提供參考。1測(cè)試方法1.1模型建立及流量計(jì)算試驗(yàn)水槽為玻璃水槽,長(zhǎng)20m、寬0.5m、高0.5m,底坡為0.3%。采用自循環(huán)水泵供水,可以通過(guò)閥門調(diào)節(jié)供水量。堰塞體采用無(wú)黏性非均勻沙直接堆放在水槽的指定位置。為便于觀察,在壩體的一側(cè)開(kāi)槽,下游為單側(cè)斜坡定床床面。該試驗(yàn)是以唐家山堰塞壩為原型的概化模型試驗(yàn),模型與原型幾何相似和重力相似,最終確定幾何比尺為1∶400。由相似準(zhǔn)則計(jì)算得到模型與原型之間物理量相似比尺,時(shí)間比尺為1∶20,流速比尺1∶20,粒徑比尺為1∶400,流量比尺為1∶3200000。模型壩高30cm,右岸開(kāi)槽深度為10cm,開(kāi)槽寬度分別取12.5、15.0、20.0cm三種工況。上游入庫(kù)流量分別取1.2、0.8、0.6L/s三種工況,其中1.2L/s按原型汛期約20a一遇的洪峰流量3920m3/s考慮。泄流槽一側(cè)邊坡為水槽邊壁,另一側(cè)為1∶1的邊坡,壩前坡度為1∶1,壩后坡度為1∶2.0、1∶2.5、1∶3.0和1∶4.0四種工況。按起動(dòng)流速相似原理選取顆粒組成為定級(jí)配1m以下的泥沙,中值粒徑d50=1.45mm,揀選系數(shù)φ=2.2,通過(guò)添加1～2cm的粗沙調(diào)整,粗沙含量分別為0、10%、20%、30%四種工況。1.2壩體罪犯部結(jié)構(gòu)及縱向發(fā)展變化的過(guò)程該試驗(yàn)主要是研究堰塞壩潰決過(guò)程中潰口發(fā)展變化的規(guī)律,因而對(duì)潰口變化特征的觀測(cè)最為重要。該試驗(yàn)通過(guò)攝像機(jī)結(jié)合刻度線拍攝整個(gè)壩體潰口橫向、縱向發(fā)展變化的過(guò)程。首先,在堆積堰塞壩的玻璃水槽上每隔5cm布置一個(gè)控制斷面,在玻璃水槽的側(cè)面粘貼標(biāo)有刻度的刻度紙,在玻璃水槽正上方粘貼標(biāo)有刻度的膠線。其次,在壩體側(cè)面以及正上方固定位置分別布置一臺(tái)攝像機(jī),開(kāi)啟兩臺(tái)攝像機(jī)定點(diǎn)對(duì)壩體潰口縱剖面深度和橫斷面寬度的變化進(jìn)行全程記錄。最后,根據(jù)攝像結(jié)果通過(guò)玻璃側(cè)面的刻度紙和正上方的刻度線來(lái)讀取壩體縱剖面和橫斷面變化情況,以分析壩體潰口深度、寬度變化過(guò)程。2噬制壩體ld識(shí)別潰口變形平均速率是描述潰口變化特征的重要參數(shù),而對(duì)潰口變形平均速率的研究包括對(duì)潰口展寬和下切平均速率兩方面的研究。根據(jù)水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析展寬和下切速率隨時(shí)間變化情況?，F(xiàn)以1#試驗(yàn)為例進(jìn)行潰口變形速率分析,如圖1所示。由圖1可知:①潰口下切和展寬速率變化曲線一般有兩個(gè)或兩個(gè)以上的大波峰構(gòu)成,具有脈動(dòng)性和隨機(jī)性;②當(dāng)0≤t≤t1時(shí),壩體處于溯源沖刷時(shí)段,潰口變形平均速率均較小,壩體潰決主要以縱向下切為主;③在t1≤t≤t2時(shí)段,潰口下切和展寬平均速率橫縱交替發(fā)展,屬于潰口發(fā)展階段,當(dāng)下切平均速率處于波峰時(shí),展寬平均速率處于波谷;④當(dāng)t≥t2時(shí),是潰口形成階段,此時(shí)潰口變形平均速率經(jīng)歷最后一次波動(dòng)變形后,潰口的展寬、下切平均速率雖有波動(dòng),但平均速率均大大減弱,潰口床面隨著粗化保護(hù)層的形成逐漸穩(wěn)定下來(lái)。2.1壩體潰決初始時(shí)段和入庫(kù)流量之間關(guān)系在庫(kù)容、壩體粗沙含量、壩后坡度、壩頂長(zhǎng)度、泄流槽開(kāi)槽寬度及施工方法等相同的條件下,不同的上游入庫(kù)流量對(duì)潰口變形速率的影響見(jiàn)圖2。由圖2可知,入庫(kù)流量Q=1.2L/s的壩體下切速率在潰決過(guò)程的初始時(shí)段較大,壩體展寬平均速率最大值較小;當(dāng)入庫(kù)流量減小1/3和1/2時(shí),壩體潰決初始時(shí)段下切平均速率最大值減小量約為33%和88%,展寬平均速率最大值增大且增加量約為10%和36%。入庫(kù)流量與潰決過(guò)程初始時(shí)段下切平均速率正相關(guān),與潰口展寬平均速率最大值反相關(guān)。在壩體潰決初始時(shí)段,潰口變形主要是以水流沿著玻璃水槽邊壁縱向沖刷泄流槽底部為主,入庫(kù)流量越大,其縱向沖刷平均速率越大。隨著入庫(kù)流量逐漸減小,在潰決過(guò)程初始時(shí)段,水流沖刷泄流槽底部的能力減弱,下切平均速率逐漸減小。而壩體下切平均速率最大值主要是與當(dāng)時(shí)泄流槽內(nèi)水深有關(guān),潰口下切平均速率最大值對(duì)入庫(kù)流量敏感性不強(qiáng)。在壩體潰決的初始時(shí)段,入庫(kù)流量越小,潰口變形速率越小,其下泄流量越小。隨著時(shí)間推移,庫(kù)區(qū)積蓄大量來(lái)不及下泄的洪水量,到某一時(shí)刻才開(kāi)始宣泄,使得壩體更容易發(fā)生崩塌現(xiàn)象,潰口寬度呈突擴(kuò)性發(fā)展,其展寬平均速率最大值逐漸變大。2.2堰塞壩的粗沙含量對(duì)滲流槽下切、展寬平均速率的影響在庫(kù)容、上游入庫(kù)流量、壩后坡度、壩頂長(zhǎng)度、泄流槽開(kāi)槽寬度及施工方法等相同的條件下,壩體粗沙含量對(duì)潰口變形速率的影響見(jiàn)圖3。由圖3可知,與不含粗沙相比,壩體粗沙含量為10%、20%和30%時(shí),其下切平均速率最大值逐漸減小且減小量為20%、35%和45%,其展寬平均速率最大值逐漸減小且減小量約為20%、35%和60%。堰塞壩的粗沙含量與潰口下切、展寬平均速率最大值均呈反相關(guān)關(guān)系。當(dāng)壩體不含粗沙時(shí),其抗沖性比較差,潰口斷面極易沖刷擴(kuò)大,在水流作用下,越容易達(dá)到潰口變形平均速率的最大值。隨著壩體粗沙含量逐漸增加,其穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng),泄流槽內(nèi)越容易形成抗沖刷粗化保護(hù)層,潰口越容易穩(wěn)定下來(lái),其變形平均速率最大值越小。壩體粗沙含量主要影響壩體穩(wěn)定性,間接影響潰口變形平均速率。2.3塌口下切、展寬平均速率在庫(kù)容、上游入庫(kù)流量、壩體粗沙含量、壩頂長(zhǎng)度、泄流槽開(kāi)槽寬度及施工方法等相同的條件下,壩后坡度對(duì)潰口變形平均速率的影響見(jiàn)圖4。由圖4可知,壩后坡度為1∶2.0的堰塞壩潰口變形平均速率峰值最大,逐漸將壩后坡度減緩為1∶2.5、1∶3.0、1∶4.0時(shí),潰口下切平均速率最大值逐漸減小且減小量約為26%、29%和56%,其展寬平均速率最大值也逐漸減小且減小量約為6%、23%和58%。堰塞壩壩后坡度與潰口下切、展寬平均速率最大值均呈正相關(guān)關(guān)系。在堰塞壩潰決初始時(shí)段,水流通過(guò)泄流槽底部較低位置流入壩體下游坡面,壩后坡度越陡,在下游坡面產(chǎn)生的沖蝕溝發(fā)展速度越快,使得潰口縱向、橫向變形加快,潰口變形平均速率峰值就越大。逐漸減緩壩后坡度,壩體穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng),潰口變形的平均速率逐漸變小,相應(yīng)的峰值變小。堰塞壩壩后坡度主要通過(guò)影響壩體下游坡面沖刷速度,進(jìn)而影響潰口下切和展寬的平均速率。2.4資金對(duì)壩體ld在庫(kù)容、上游入庫(kù)流量、壩體粗沙含量、壩后坡度、壩頂開(kāi)槽寬度及施工方法等相同的條件下,壩頂長(zhǎng)度對(duì)潰口變形平均速率的影響見(jiàn)圖5。由圖5可知,壩頂長(zhǎng)度為10cm的堰塞壩在潰決過(guò)程中潰口變形平均速率峰值最大。當(dāng)壩頂長(zhǎng)度增加為20cm和25cm時(shí),潰口下切平均速率最大值逐漸減小且減小量約為31.5%和42.5%,其展寬平均速率最大值也逐漸減小且減小量約為16.5%和28.0%。堰塞壩壩頂長(zhǎng)度與潰口下切、展寬平均速率最大值均呈反相關(guān)關(guān)系。堰塞壩前、后坡度相同,沿著河流方向的壩頂長(zhǎng)度越小,壩體的穩(wěn)定性越弱,水流流經(jīng)泄流槽的路程較短,潰口下切和展寬的平均速率越大。逐漸增加壩頂長(zhǎng)度,壩體穩(wěn)定性增強(qiáng),潰口發(fā)生變形的平均速率變小,庫(kù)區(qū)水位下降速度也變慢,潰口下切、展寬平均速率最大值減小。堰塞壩壩頂長(zhǎng)度主要影響壩體整體穩(wěn)定性以及潰決初期潰口發(fā)展的速度,從而影響潰口下切、展寬平均速率。2.5調(diào)整開(kāi)槽寬度和滲流槽壓降在庫(kù)容、上游入庫(kù)流量、壩體粗沙含量、壩后坡度、壩頂長(zhǎng)度及施工方法等相同的條件下,泄流槽開(kāi)槽寬度對(duì)堰塞壩潰口變形平均速率的影響見(jiàn)圖6。由圖6可知,堰塞壩壩頂開(kāi)槽寬度為20.0cm的堰塞壩潰口變形平均速率峰值最小。當(dāng)開(kāi)槽寬度逐漸減小為15.0cm和12.5cm時(shí),潰口下切平均速率最大值逐漸增大且增加量約為15%和105%,其展寬平均速率最大值也逐漸增大且增加量約為95%和165%。堰塞壩壩頂開(kāi)槽寬度與潰口下切、展寬平均速率最大值均呈反相關(guān)關(guān)系。堰塞壩泄流槽開(kāi)挖邊坡和深度相同,壩頂開(kāi)槽寬度越小,泄流槽尺寸就越小,水流在初始時(shí)段經(jīng)過(guò)泄流槽下泄的速度變慢,潰口變形平均速率越小,隨著時(shí)間的推移,庫(kù)區(qū)內(nèi)積蓄來(lái)不及下泄的水量逐漸增大,到一定時(shí)刻,潰口下切、展寬平均速率急劇加大。堰塞壩泄流槽尺寸主要影響水流在初始時(shí)段潰口變形速率和庫(kù)區(qū)內(nèi)水量的宣泄,最終影響潰口變形平均速率最大值。3展寬速率與波谷速率的關(guān)系(1)堰塞壩潰口潰決初始時(shí)段屬于溯源沖刷階段,潰口變形主要