浅论堰塞坝溃坝过程分析及影响因素研究论文

2020-06-23实用文

浅论堰塞坝溃坝过程分析及影响因素研究论文

  1前言

  堰塞湖是在一定地质地貌条件下,由于地震、降雨或火山喷发等原因引起山崩、滑坡或泥石流等自然现象堵截山谷、河谷,造成上游段壅水形成的湖泊。阻塞山谷、河谷的堆积体为堰塞坝。据统计资料显示,在形成后10d便发生溃决的堰塞湖百分比超过50%,2个月内溃决的百分比超过60%,1年内发生溃决者超过90%。堰塞坝拥有如此高的溃坝率,一旦发生溃坝,后果将十分严重。在1933年8月25日,四川叠溪发生7.4级大地震,强烈的地震使岷江两岸山体崩塌形成3座高达100余m的堰塞坝,14d后最下游的1个堰塞坝发生溃决,形成高40m左右的洪水倾斜而下,将河流下游两岸的村庄摧毁。对于堰塞坝溃坝过程的研究主要有3种途径:原型观测、数值模拟和模型试验。数值模拟已经发展了许多成熟的模型,其中模拟溃坝的主要模型有:DAMBRK模型,BEED模型,BREACH模型,LOU模型,HW模型,Cristofano模型,Nogueira模型等。一般堰塞湖溃坝主要由漫顶或渗透管涌引起。漫顶溃坝情况是由于坝体本身没有导流或泄洪设施,水位最终发生漫顶,而坝体内部发生渗流,使坝体本身的强度降低,最终发生溃坝。该种溃坝情况水位高,溃坝洪峰流量大,破坏力极大。因此漫顶溃坝更应该得到重视与研究。

  2堰塞坝漫顶模拟实验

  2.1实验布置及材料

  该实验旨在模拟土石坝漫顶时发生溃坝的情况,收集实验数据用以概括溃口形成过程,分析不同坝高、不同坝后坡度对漫顶溃坝过程的影响。该实验在一矩形水泥河道中进行,实验装置分为供水箱、水槽、泥沙收集池3个部分。供水箱长宽高均为1.0m,通过水泵供水,实验过程中水箱中一直保持满水,水箱下游侧安置最大流量为0.17L/s的LZB-25玻璃转子流量计。水槽段宽高均为0.5m,坡降为5°,水槽下游连接泥沙收集池,上游库区安置水位仪(E1),在坝下游区安装摄像机(C1),拍摄溃口变化过程。此次实验取无黏性沙作为填坝材料,其级配曲线。

  2.2实验方案

  此次实验设置坝高分别为13cm和15cm,顶长分别为20cm与25cm,上游坝坡1∶1.5,下游坝坡1∶1.5,上游来水量为0.17L/s,实验分为3组,如右侧表所示。

  该实验先在水槽内按设计方案堆设坝体,为引导溃口在坝体中部产生,堆设时坝体中部略低。缓慢向水槽中灌水,快达坝顶时,关水静置1h,使坝体上游面与水充分接触。之后打开流量仪,固定流量0.17L/s放水,直到整个溃坝过程完成。整个实验过程,水位仪实时监测坝体上游水位变化,摄像机拍摄溃口变化过程。

  2.3溃口变化过程分析

  漫顶破坏的一大特点是溯源冲刷破坏,溃口发展过程可分为3个阶段:初始溃口形成阶段、溃口发展阶段和最终稳定阶段。

  阶段Ⅰ初始溃口形成阶段。当上游水位上升时,坝体发生渗流现象。当水位达到坝顶高度时,发生漫顶,水流总是向最低点运动,因此水流在坝顶中部成股水流缓慢向前移动,水流产生剪应力作用于过流界面,产生微小的局部破坏,微小颗粒因被水流包裹,相互之间摩擦力大幅度降低,因此水流很容易将其带走,使坝体顶部强度降低。当水流到达坝顶与下游坡面接触位置时,水流在交接处冲刷出一个小缺口,但由于此时水流流量较小,水流的破坏力有限,因此下游坡面未出现大面积的失稳破坏现象。但此时在坝体下游下切作用较强,缺口以喇叭状不断扩大,横向拓宽速度较为缓慢,纵向下切速度较快,因此溃口下切深度增长较快。随着水流的不断冲刷,由于水体自身的重力及冲蚀作用,水流使下游坡面出现凹槽,形成陡坎冲蚀,流量开始增大。下游坡度越缓,陡坎现象越明显。在水流的持续冲刷作用下,下游坡面的陡坎深度不断增加,同时也在不断拓宽,水流流量逐渐变大,此时下游坡底部分向远端呈扇形扩大。同时,陡坎的上半部分,在纵向深度与横向宽度不断增加的同时,陡坎的轮廓不断扩大,侵蚀向上游扩展,在水流的携带作用下,陡坎靠近上游边缘的边沿细颗粒被冲向下游,一些大粒径颗粒在自身重力作用与水流冲刷作用下掉落,使得陡坎规模进一步扩大。当水流向上冲蚀达到上游坝顶边缘时,坝体顶部形成贯通的凹槽,此时初始溃口形成。

  阶段Ⅱ溃口发展阶段。当凹槽贯通时,形成了初始溃口。此时的溃口断面形状大致为矩形。此时溃口流量开始急剧增加,大股水流的涌入也使溃口的下切速度与扩宽速度大幅度增加。由于水流的剪切力作用,溃口横向拓宽的速度明显大于溃口纵向下切的速度,溃口宽度迅速增加。洪峰流量也在该阶段达到最大值。此时,溃口两侧边坡基部的泥沙被大量冲刷带走,使边坡的稳定性进一步降低,为边坡失稳坍塌提供发展空间。根据BREACH模型建立的溃口模型,当溃口的下切深度达到某一临界深度时,边坡大量泥沙被水流带向下游,提供强度保证的大粒径颗粒失去稳定最终使边坡失稳坍塌,溃口形状由矩形转变为梯形。阶段Ⅲ最终稳定阶段。当边坡失稳坍塌后,溃口流量开始减小,当水流减小至一定程度后,不足以维持泥沙的层移运动,泥沙开始贴着底部滚动运动。大粒径颗粒因自身重力过大先停止运动,细颗粒受到阻碍也停止运动。水流与颗粒达到动态平衡。溃口此时稳定最终形状为梯形。

  3溃坝流量与影响因素分析

  对于溃口的分析,除需确定溃口形状外,溃口流量也是根本任务之一。一般情况下,溃坝的下泄流量可由水库水量动态平衡方程计算:

  dV/dt=Qin-Qout(1)

  式中

  V———库区容量;

  Qin———入库流量,包括降雨、径流等;

  Qout———出库流量。

  在该实验中,不考虑蒸发等因素,水量出库方式主要为渗透和溃口出流,因此可得出:

  Qout=Qs+Qb(2)

  式中

  Qs———渗透出流量;

  Qb———溃口出流量。

  则式(1)可变为:

  Qs+Qb=Qin-dV/dt(3)

  在该实验中入库流量Qin概化为恒定的上游来水流量0.17L/s。因水位仪测得上游实时水位变化,因此dV/dt也为已知量。在此,设:

  Q*=(Qs+Qb)/Qin(4)

  式中Q*为无量纲化的出库流量。

  由于在水位达到坝顶高度前,水位持续上升,并未发生异象,因此以水流漫顶后达到坝顶边缘与下游坡面交界处、产生初始溃口时为时间起点,一直到溃口形状稳定,水流与颗粒达到动态平衡时的溃坝流量过程制成图。

  通过图3~图5可以看出,3组试验的溃坝流量过程的总体变化趋势是一致的。开始时,流量较小,在很长一段时间内,流量变化不大,之后流量突然增大;达到洪峰流量,该最大流量保持时间较短;之后流量开始减小,最终趋于稳定。在时间起点,溃口还未形成,溃口流量为零,因此Q*在此时应为渗透流量Qs,3组试验渗透流量Qs≈(0.5~0.6)Qin,之后初始溃口形成,并未贯通,流量在一定时间内变化不大,但此时溃口对流量的影响远大于渗流对流量的.影响,则Q*≈Qb;溃口贯通后,大量水流涌入溃口,Q*在短时间内达到峰值,为洪峰流量。大量水流在短时间内下泄,流量下降迅速,最终趋于稳定,此时溃口也保持稳定。

  通过3组试验流量变化图可以发现:坝体高度与洪峰流量大小成正相关,并且坝体越高,洪峰来临的时间越为延后。因坝体高度越高,上游水位越高,壅水总量越大,因此溃坝后,更多的水量下泄,洪峰流量较大。而坝体的高度越高,水位到达坝顶高度的时间也越长,因此洪峰来临时间相比低坝高工况较为延后;坝体长度越短,洪峰来临的时间越短,持续时间也越短,洪峰流量越大。究其原因,坝体长度越短,漫顶水流到达坝顶边缘与下游坡面交界处的时间越短,能更早地形成陡坎冲刷,形成初始溃口,水流溯源的时间也越短,能更早贯通溃口。相对于坝顶长度较长的坝体,坝顶长度较短的坝体结构强度较低,水流的剪切能力和冲刷能力更强,更容易较快地冲毁坝体。因此,应根据实际情况适当控制坝高,尽可能加大坝长,对上游进行水土保护,尽量减少泥沙入库,保证库区有效库容,防止溃坝发生,尽可能减小溃坝带来的危害。

  4结论

  堰塞坝具有极高的溃坝几率,溃口的形成与溃口流量是决定溃坝严重程度的重要因素。本文通过模拟溃坝实验得出以下结论:

  溃口形成可以概化为3个阶段:K初始溃口形成阶段、L溃口发展阶段和M最终稳定阶段。在初始溃口形成阶段,水流对坝体冲蚀形成初始矩形溃槽,同时,水体的渗流作用也加速了该过程。溃口的纵向加深与横向拓宽同时进行,但纵向下切速度大于横向拓宽速度。水流发生溯源冲蚀,使溃槽贯通;在溃口发展阶段,水流流量快速增大,在短时间内达到洪峰流量,横向拓宽速度更快,此时大量水流不仅冲蚀溃槽底部,也带走大量边坡基部泥沙,当溃口深度超过临界深度,边坡失稳坍塌,溃口形状变为梯形;在最终稳定阶段,水流流量减小,水流与泥沙颗粒达到动态平衡,溃口不再发展。

  在其他参数相同的情况下,坝体高度越高,洪峰流量越大,洪峰来临时间越迟;坝体长度越短,洪峰流量越大,持续时间越短,洪峰来临时间越短。因此应根据实际情况控制坝高,对上游进行水土保护,在尽可能降低坝高的情况下保证有效库容,增加坝长,减小溃坝产生的威胁。

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