淺談三種堰塞壩潰口發(fā)展及最大潰決流量公式擬合論文
引言
堰塞湖主要是地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)大規(guī)模、大方量的山體崩塌、滑坡阻塞河道形成的，具有瞬時(shí)形成、機(jī)理復(fù)雜、物質(zhì)組成不詳、潰決災(zāi)害巨大等特點(diǎn)。研究堰塞湖潰決模式及對(duì)最大潰決流量的預(yù)測(cè)將對(duì)堰塞湖應(yīng)急處置、預(yù)警、避險(xiǎn)等決策提供可靠的技術(shù)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(nèi)外學(xué)者針對(duì)堰塞湖的潰決機(jī)理，潰決過程展開了大量的模型實(shí)驗(yàn)研究，取得了一系列的重要成果。作者通過對(duì)汶川地震所產(chǎn)生的上百座堰塞壩調(diào)查發(fā)現(xiàn)，堰塞壩根據(jù)物質(zhì)組成大致可分為3類：一類堰塞壩由結(jié)構(gòu)松散、覆蓋層深厚的山體垮塌形成，主要為土和碎石構(gòu)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(zhì)細(xì)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(gòu)成，例如都江堰關(guān)門山溝堰塞壩、窯子溝堰塞壩，本文稱為均質(zhì)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(xì)下粗的分層特點(diǎn)，例如北川唐家山堰塞壩、都江堰枷擔(dān)灣堰塞壩，本文稱為分層壩。由于堰塞壩的物質(zhì)組成是堰塞湖最大潰決流量預(yù)測(cè)的關(guān)鍵因素之一，開展針對(duì)性的堰塞壩漫頂潰決試驗(yàn)研究是非常必要的.。
本文針對(duì)上述3種壩型分別開展了8次漫頂潰決試驗(yàn)。試驗(yàn)在模型水槽內(nèi)完成，用攝像機(jī)記錄了堰塞壩漫頂潰決試驗(yàn)全過程，根據(jù)采集潰口寬度、深度和最大潰決流量等實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析3種類型堰塞壩的潰決過程和潰口發(fā)展特點(diǎn)，以美國水道試驗(yàn)站公式為基礎(chǔ)擬合出3種具有針對(duì)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(zhì)組成對(duì)堰塞湖最大潰決流量的影響。
1試驗(yàn)設(shè)計(jì)
本次試驗(yàn)在水泥漿抹面矩形水槽中進(jìn)行。水槽寬50cm，高50cm，總長10m，底坡為5%。試驗(yàn)采用長1m，寬0.5m，高1m的水箱供水，通過調(diào)節(jié)閥門開度大小，結(jié)合流量儀控制入庫流量。
該試驗(yàn)以關(guān)門山堰塞壩為背景，根據(jù)模型試驗(yàn)幾何相似和重力相似，確定幾何比尺λl為1∶460。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛪胃?7.4cm，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(dǎo)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(jìn)行編號(hào)。1號(hào)代表均質(zhì)細(xì)壩，2號(hào)代表均質(zhì)粗壩，3號(hào)代表分層壩。分層壩以上細(xì)下粗的形態(tài)分層布置，橫剖面。堆筑時(shí)采取分層施工的方法以保證壩體均勻性和壓實(shí)度，以每5cm為一層，每堆一次夯實(shí)一次，并保證夯擊次數(shù)一致。
為便于觀察潰口形態(tài)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(yàn)還在上、下游布置了3臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)，從不同角度觀察和記錄潰壩過程。
2試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.13種壩型潰口發(fā)展以及最終潰口形態(tài)
根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制3種壩體潰口隨時(shí)間的大致變化情況，其中圖中數(shù)字1～5為潰口時(shí)間發(fā)展順序;圖5(b)～7(b)為實(shí)際拍攝潰口最終穩(wěn)定形態(tài)。由圖可發(fā)現(xiàn)，3種壩型潰決方式均以下切侵蝕為主，輔以側(cè)向展寬來增加過水?dāng)嗝妫罱K均形成上寬下窄的穩(wěn)定潰口形狀。
2.1.1均質(zhì)細(xì)壩
均質(zhì)細(xì)壩顆粒級(jí)配較小，壩體組成以細(xì)沙、小塊石為主，其抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水流運(yùn)動(dòng)的剪切力，所需起動(dòng)流速較低。1階段水流漫頂后形成一個(gè)較深的下切通道，2～3階段繼續(xù)以下切侵蝕為主，輔以兩岸的失穩(wěn)坍塌形成的側(cè)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(duì)兩岸顆粒的沖刷直至沖蝕過程結(jié)束，最終形成穩(wěn)定潰口。根據(jù)最終測(cè)得潰口穩(wěn)定寬深數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，1～8組均質(zhì)細(xì)壩最終穩(wěn)定潰口寬深比平均值為1.76，潰口穩(wěn)定形狀多為窄深二次拋物線形，可觀測(cè)到底部稀疏小塊石。
2.1.2均質(zhì)粗壩
均質(zhì)粗壩主要由粗顆粒泥沙和塊石組成。試驗(yàn)階段1水流漫頂后將上表層細(xì)顆粒逐漸帶走，隨著潰口斷面粗化越發(fā)嚴(yán)重，抗沖性變強(qiáng)，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(wěn)定。整個(gè)潰決過程剛開始發(fā)展較為緩慢，中間沖刷過程快速，最終形成穩(wěn)定潰口。據(jù)統(tǒng)計(jì)，9～16組均質(zhì)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(yán)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(zhì)為主。分層壩上表層顆粒較細(xì)，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(yù)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?dāng)嗝妫藭r(shí)過流流量迅速增加到最大值，帶走大量的細(xì)沙和小塊石直至上游來水量不足以繼續(xù)沖刷，最終形成穩(wěn)定潰口。據(jù)統(tǒng)計(jì)，17～24組分層壩寬深比平均值為2.30，潰口底部平坦，整個(gè)潰口形狀趨近寬淺梯形，可觀測(cè)到底部預(yù)置大塊石，粗化嚴(yán)重。
2.2最大潰決流量公式擬合
通過對(duì)3種不同壩型進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同庫容、同入庫流量、同幾何體所形成的堰塞壩潰口形態(tài)、最大潰決流量均有較大差異，本文以美國水道試驗(yàn)站公式為基礎(chǔ)，通過實(shí)測(cè)潰口尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，重新定義潰口尺寸與最大潰決流量之間的關(guān)系，更加具有針對(duì)性，對(duì)于不同物質(zhì)組成壩體潰決洪峰流量的預(yù)測(cè)有較好的指導(dǎo)作用。
美國水道試驗(yàn)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(shí)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(yàn)實(shí)際所測(cè)潰壩最大流量值則是利用庫區(qū)水量平衡方程推導(dǎo)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(duì)應(yīng)t1、t2時(shí)刻庫區(qū)水位與水面面積;q為上游來水量;B為壩體寬度。
盡管庫區(qū)標(biāo)尺處水位在潰決過程中有波動(dòng)現(xiàn)象，流量計(jì)算中水位取值存在誤差，但潰決流量總體趨勢(shì)不會(huì)受到較大影響。故取流量過程線中最大值作為實(shí)測(cè)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(shù)，得出3種不同堰塞壩型的潰決最大流量公式。
由式(5)，分別設(shè)均質(zhì)細(xì)壩、均質(zhì)粗壩、分層壩的冪指數(shù)為n1、n2、n3，則有：
Qm=827槡g(BoHobmho)nibmh1.5o(5)
ni=lg(BoHo/bmho)27Qm8槡gbmh1.5o(6)
式中：i=1，2，3分別代表均質(zhì)細(xì)壩、均質(zhì)粗壩、分層壩。
利用matlab軟件根據(jù)表2中所列試驗(yàn)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行冪指數(shù)0.28的重新擬合得出結(jié)果：
n1=0.2305
同理得出均質(zhì)粗壩
n2=0.07;分層壩n2=0.21。
經(jīng)擬合后的公式所得計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好，誤差較小，說明了3種堰塞壩最大潰決流量公式能夠較好的反映試驗(yàn)成果，表明了堰塞壩的物質(zhì)組成對(duì)堰塞湖最大潰決流量的影響，一定程度上提高了堰塞湖最大潰決流量的預(yù)測(cè)精度，對(duì)堰塞湖應(yīng)急處置、預(yù)警、避險(xiǎn)等決策提供技術(shù)支持。
3結(jié)語
通過對(duì)3種壩型進(jìn)行潰決過程和最大潰壩流量試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：
(1)每一種壩型的潰口發(fā)展和潰口最終形態(tài)有其規(guī)律性，水流均以下切、展寬作用擴(kuò)大過水?dāng)嗝妫罱K形成上寬下窄的穩(wěn)定潰口。
(2)均質(zhì)細(xì)壩主要以細(xì)顆粒構(gòu)成，潰決過程以下切侵蝕為主，輔以兩岸的失穩(wěn)坍塌形成的側(cè)向展寬，形成窄深型二次拋物線潰口，本試驗(yàn)擬合出適用于均質(zhì)細(xì)壩的最大潰決流量公式為：
Qm=827槡g(BoHobmho)0.23bmh1.5
(3)均質(zhì)粗壩主要以粗顆粒構(gòu)成，潰決過程受下切阻力明顯，以擴(kuò)大過水寬度的溯源沖刷為主，通過快速?zèng)_刷拓寬形成寬淺型二次拋物線潰口，本試驗(yàn)擬合出適用于均質(zhì)粗壩的最大潰決流量公式為：
Qm=827槡g(BoHobmho)0.07bmh1.5
(4)分層壩顆粒上細(xì)下粗，潰壩過程先以下切作用為主，直到下切無法繼續(xù)后潰口改為側(cè)向展寬的方式，形成寬淺梯形潰口，且殘余壩體較高。本試驗(yàn)擬合出適合于分層壩的最大潰決流量擬合公式為：
Qm=827槡g(BoHobmho)0.21bmh1.5
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