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(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)堰塞湖的潰決機(jī)理，潰決過(guò)程展開(kāi)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(guò)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(lèi)：一類(lèi)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(chēng)為均質(zhì)細(xì)壩;二類(lèi)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(mén)山溝堰塞壩、窯子溝堰塞壩，本文稱(chēng)為均質(zhì)粗壩;三類(lèi)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(chēng)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(lèi)型堰塞壩的潰決過(guò)程和潰口發(fā)展特點(diǎn)，以美國(guó)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(zhǎng)10m，底坡為5%。試驗(yàn)采用長(zhǎng)1m，寬0.5m，高1m的水箱供水，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度大小，結(jié)合流量?jī)x控制入庫(kù)流量。
該試驗(yàn)以關(guān)門(mén)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(kāi)挖寬10cm，深3cm的矩形導(dǎo)流槽。
模型壩采用無(wú)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(guò)程，在壩前水庫(kù)邊壁處繪制15cm高刻度線，壩頂處放置50cm長(zhǎng)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(guò)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(lái)增加過(guò)水?dāng)嗝�，最終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�；祀s在水流中，加速了對(duì)兩岸顆粒的沖刷直至沖蝕過(guò)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(guò)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(kù)容明顯減小，壩體穩(wěn)定。整個(gè)潰決過(guò)程剛開(kāi)始發(fā)展較為緩慢，中間沖刷過(guò)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(guò)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(guò)水?dāng)嗝�，此時(shí)過(guò)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(lái)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(guò)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(kù)容、同入庫(kù)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(guó)水道試驗(yàn)站公式為基礎(chǔ)，通過(guò)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(guó)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(kù)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(kù)區(qū)水位與水面面積;q為上游來(lái)水量;B為壩體寬度。
盡管庫(kù)區(qū)標(biāo)尺處水位在潰決過(guò)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(guò)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(shuō)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(yǔ)
通過(guò)對(duì)3種壩型進(jìn)行潰決過(guò)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(guò)水?dāng)嗝�，最終形成上寬下窄的穩(wěn)定潰口。
(2)均質(zhì)細(xì)壩主要以細(xì)顆粒構(gòu)成，潰決過(guò)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(guò)程受下切阻力明顯，以擴(kuò)大過(guò)水寬度的溯源沖刷為主，通過(guò)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(guò)程先以下切作用為主，直到下切無(wú)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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