，，，，

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

筑壩技術(shù)的發(fā)展使得混凝土壩越來(lái)越高，承擔(dān)的水頭越來(lái)越大，工程老化、施工質(zhì)量以及地震、極端氣候等原因皆可能導(dǎo)致潰壩事件發(fā)生。由于混凝土壩潰決時(shí)間短，其潰口流量、流速迅速增大而形成的潰壩洪水峰高、量大，對(duì)上下游可能造成的損失是不可估量的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)潰壩機(jī)理、傳播特點(diǎn)、能量動(dòng)量傳遞等都進(jìn)行了大量的研究，如魏文禮等[1]通過(guò)對(duì)二維潰壩洪水的演進(jìn)進(jìn)行數(shù)字模擬，以實(shí)際工程為例驗(yàn)證了此數(shù)學(xué)模型對(duì)模擬潰壩的有效性；馬鐵成等[2]通過(guò)混凝土面板壩潰決過(guò)程和潰壩模式研究，得出了潰壩過(guò)程中下泄流量的變化趨勢(shì)；傅忠友等[3]基于典型潰壩案例統(tǒng)計(jì)和分析得出重力壩潰決的主要影響因素為洪水漫頂、基礎(chǔ)缺陷和戰(zhàn)爭(zhēng)；張成林[4]對(duì)比分析了大壩瞬時(shí)全潰最大流量計(jì)算公式，所得結(jié)論對(duì)水庫(kù)潰壩預(yù)警很有價(jià)值；劉磊等[5]通過(guò)建立的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)尾礦庫(kù)漫頂潰壩洪水流量及潰口變化過(guò)程；胡文兵等[6]通過(guò)對(duì)混凝土壩潰決方式進(jìn)行水動(dòng)力分析,得到了混凝土壩傾倒過(guò)程的潰口流量計(jì)算公式，可為類似工程研究提供參考。

鑒于潰壩問題研究的復(fù)雜性及試驗(yàn)費(fèi)用的高昂，現(xiàn)主要以數(shù)值模擬及歷史資料統(tǒng)計(jì)分析為主，而由于混凝土潰壩潰口水力學(xué)特性的特殊性[7]，目前工程上常用經(jīng)驗(yàn)公式的方法進(jìn)行計(jì)算預(yù)估，但是該經(jīng)驗(yàn)公式及方法是以混凝土壩瞬間潰決為基礎(chǔ)，并沒有考慮潰壩的潰決過(guò)程和方式。因此本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)的方法研究了混凝土壩不同潰決方式和過(guò)程下潰口水力學(xué)特性及上下游潰壩波的傳播變化過(guò)程，以期為工程實(shí)踐提供有益的指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵阅硨?shí)際河道型水庫(kù)為原型按1∶60縮小制作，模型具體尺寸為：上游河道長(zhǎng)10 m，下游河道長(zhǎng)5 m，平均河寬約0.5 m，平均河深約0.5 m，漫頂時(shí)的總庫(kù)容2.5 m3。模型中設(shè)置了3個(gè)水位觀測(cè)點(diǎn)，分別為距壩軸線上游7 m處1號(hào)水位測(cè)點(diǎn)、潰口處的水位測(cè)點(diǎn)、距壩軸線下游2 m處2號(hào)水位測(cè)點(diǎn)，具體見圖1。模型試驗(yàn)壩型選取混凝土重力壩，壩高0.50 m，壩頂寬0.15 m，壩底寬0.30 m，斜坡比1∶0.7，預(yù)設(shè)潰決壩段的尺寸為0.30 m×0.50 m的矩形，壩體擋水寬度(水面寬)為1.00 m，潰口流速測(cè)量斷面為壩軸線斷面，具體見圖2、圖3。

圖1 模型示意圖Fig.1 Model layout

圖2 潰壩潰口流速測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Arrangement of velocity measuring points at the breach

圖3 潰壩潰口縱剖面圖Fig.3 Longitudinal profile of breach

2.2 試驗(yàn)工況

為研究混凝土壩的潰決過(guò)程和潰決方式對(duì)潰口水力學(xué)條件的影響，本文結(jié)合混凝土壩的結(jié)構(gòu)特征及受力特點(diǎn)，假定了3種可能的破壞形式：一是混凝土壩壩基受滲透或其它因素影響造成建基面阻滑力下降，致使預(yù)設(shè)壩段整體沿建基面向下游滑動(dòng)而造成潰壩的方式，簡(jiǎn)稱“滑動(dòng)式”，試驗(yàn)中滑動(dòng)面的糙率n=0.014；二是假定建基面受擠壓而發(fā)生失穩(wěn)破壞，壩體在上游水壓力與壩基面的摩擦阻力形成力偶的作用下，造成預(yù)設(shè)壩段混凝土壩體整體以底部建基面為轉(zhuǎn)軸向下游傾倒造成潰壩的方式，簡(jiǎn)稱“傾倒式”；三是在上游水壓力作用下，預(yù)設(shè)壩體沿垂向薄弱面(如垂直向裂縫、施工橫縫等)破壞，產(chǎn)生混凝土壩段以中間開門繞兩邊軸旋轉(zhuǎn)形成的潰壩的方式，簡(jiǎn)稱“開門式”。假定的3種潰壩示意圖見圖4。

圖4 混凝土壩潰口3種潰決方式Fig.4 Three modes of concrete dam break

2.3 測(cè)試布置及試驗(yàn)方法

水位觀測(cè)：在3個(gè)水位測(cè)點(diǎn)，安裝高清錄像設(shè)備進(jìn)行全程記錄，通過(guò)視頻分析得出各測(cè)站水位的變化過(guò)程；流速測(cè)量：采用在矩形潰口斷面處選取左、中、右3條垂線，每條垂線設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，一共9個(gè)流速測(cè)點(diǎn)[8]，試驗(yàn)采用多普勒超聲流速儀(ADV)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量；潰口流量過(guò)程：采用潰口實(shí)時(shí)平均流速及相應(yīng)的潰口斷面尺寸大小計(jì)算得出。

潰壩試驗(yàn)過(guò)程：首先對(duì)上游水庫(kù)進(jìn)行沖水，當(dāng)水位達(dá)到壩頂高程(壩高0.50 m)時(shí)，潰決壩段發(fā)生潰決，潰決前壩下河道為無(wú)水狀態(tài)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

滑動(dòng)式潰決發(fā)生后，潰壩塊體整體向壩下滑走，歷時(shí)0.7 s后潰體被沖至距壩軸線約1.5 m處穩(wěn)定，潰口實(shí)際尺寸與預(yù)設(shè)的潰口尺寸一樣，大小為0.50 m×0.30 m。

傾倒式潰決發(fā)生后，潰壩塊體繞底部?jī)A倒，整個(gè)傾倒過(guò)程歷時(shí)約0.5 s，由于潰體傾倒后其擋水高度大幅度減少，承受的上游的動(dòng)水壓力也大幅度減小，潰體并沒有向下游進(jìn)一步滑動(dòng)，而是停在潰口下沿附近，傾倒?jié)Ⅲw阻擋了預(yù)設(shè)潰口的部分水流使得潰口實(shí)際過(guò)流高度減少，阻擋后的潰口尺寸大小為0.31 m×0.30 m。

開門式潰決發(fā)生后，潰壩塊體繞兩邊軸轉(zhuǎn)動(dòng)，歷時(shí)約0.35 s潰體轉(zhuǎn)至穩(wěn)定位置，旋轉(zhuǎn)潰體的阻擋，使得潰口實(shí)際寬度較預(yù)設(shè)潰口寬度有所減少，尺寸大小為0.50 m×0.09 m。

潰決方式不同使得在試驗(yàn)過(guò)程中形成了不同大小的有效潰口尺寸，致使3種潰決方式下潰口及上下游水力特性也有所差別。

3.1 流 速

在滑動(dòng)式、傾倒式、開門式潰壩3種情況下，潰口的預(yù)設(shè)潰口斷面的平均流速如圖5所示。

圖5 潰口斷面平均流速Fig.5 Average flow velocity at breach section

由圖5可知3種工況下潰口流速都是在很短時(shí)間內(nèi)快速上升到最大值，隨后流速逐漸減少。由于流速觀測(cè)斷面設(shè)于壩軸線預(yù)設(shè)潰口位置，其起始觀測(cè)斷面尺寸為0.50 m(高)×0.30 m(寬)，并隨潰口水位下降潰口水深逐漸減小。傾倒式和開門式潰壩,由于潰體仍部分停留在預(yù)設(shè)潰口部位，阻礙了潰口流量的下泄，使?jié)⒖谟^測(cè)斷面處的流速大幅度下降。觀測(cè)的滑動(dòng)式潰口最大流速是傾倒式潰口最大流速的約2倍，而傾倒式是開門式潰口處最大流速的約1.5倍。滑動(dòng)式潰壩潰口處的流速最大值是59.89 cm/s，出現(xiàn)時(shí)刻為2.5 s，隨后流速逐漸波動(dòng)減小；傾倒式潰壩潰口處的流速最大值是30.73 cm/s，出現(xiàn)時(shí)刻為0.8 s，隨后流速緩慢減??；開門式潰壩潰口處的流速最大值是19.13 cm/s，出現(xiàn)時(shí)刻為0.3 s。

3.2 流 量

由試驗(yàn)采集的潰口斷面流速及水位變化過(guò)程，根據(jù)斷面流量公式Q=AV[9]可推算出混凝土壩潰口斷面的流量變化過(guò)程，詳見圖6。

圖6 潰口斷面流量過(guò)程線試驗(yàn)與理論對(duì)比Fig.6 Test and theoretical process lines of flow rate at breach section

工程上對(duì)混凝土壩瞬時(shí)潰決時(shí)，潰口流量的計(jì)算常采用經(jīng)驗(yàn)公式的方法，通常將潰決流量過(guò)程線概化為4次拋物線，根據(jù)表1(Qt/Qm-t/T關(guān)系)確定[10]。

表1 概化4次拋物線法Table 1 Generalized quadratic parabolic method

表1中:T為水庫(kù)泄空時(shí)間；t為任意泄洪時(shí)刻；Qt為相對(duì)t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的潰口流量；Qm為潰口最大流量(m3/s)。且有：

(1)

(2)

式中：W為可潰庫(kù)容(m3);Q0為入口流量(m3/s);K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取5;B為潰口斷面寬度;H0為潰口作用水頭。

由式(2)可計(jì)算出前述滑動(dòng)式、傾倒式、開門式混凝土壩潰口最大流量分別為98,48,28.8 L/s，再根據(jù)以上關(guān)系推算出本試驗(yàn)3種潰決方式下潰口流量過(guò)程線。將潰口經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的流量過(guò)程線與試驗(yàn)流量過(guò)程線進(jìn)行對(duì)比，具體見圖6。

由圖6可知，混凝土壩在發(fā)生潰決的時(shí)候，潰口處的最大流量試驗(yàn)值，滑動(dòng)式是傾倒式的約2倍，而傾倒式是開門式的約1.5倍。試驗(yàn)時(shí)滑動(dòng)式混凝土壩潰口處的流量峰值為80.13 L/s，與理論計(jì)算值98 L/s相差約18%，試驗(yàn)值峰值出現(xiàn)的時(shí)刻較計(jì)算值滯后2.5 s；試驗(yàn)時(shí)傾倒式混凝土壩潰口處流量峰值為43.39 L/s，與理論計(jì)算值48 L/s相差約9.6%，出現(xiàn)時(shí)刻滯后0.4 s；試驗(yàn)時(shí)開門式混凝土壩潰口處流量峰值為25.6 L/s，與理論計(jì)算值28.8 L/s相差約11.1%，出現(xiàn)時(shí)刻滯后0.3 s。

3.3 水 位

混凝土壩在不同潰決方式下，潰口及上、下游的水位變化情況如圖7所示。

圖7 3種工況潰壩測(cè)點(diǎn)水位波動(dòng)Fig.7 Water level fluctuation at measuring pointsin three break modes

由圖7可知，潰壩一旦發(fā)生，潰口處水位即開始下降，下降速率以滑動(dòng)式最大、開門式最小，水位下降的過(guò)程中伴隨一定的波動(dòng)。

上游1號(hào)測(cè)點(diǎn)水位，滑動(dòng)式在3 s時(shí)開始下降，傾倒式在3.15 s時(shí)開始下降，開門式在3.2 s時(shí)開始下降，因此混凝土壩潰決時(shí)，庫(kù)區(qū)首波向上游傳播最快的是滑動(dòng)式，其次是傾倒式，最慢的是開門式。

下游2號(hào)測(cè)點(diǎn)水位，傾倒式在2.6 s時(shí)開始上升，滑動(dòng)式在2 s時(shí)開始上升，開門式在1.2 s時(shí)開始上升。因此下游水位起漲最快的是開門式，其次是滑動(dòng)式，最慢的是傾倒式。

4 結(jié) 論

(1)在預(yù)設(shè)混凝土壩潰口尺寸的條件下，由于潰口方式、潰決過(guò)程的不同，潰口的水力學(xué)特征也不同。滑動(dòng)式潰決比傾倒式和開門式潰決造成的潰口流速、流量、水位變化更加明顯，危害也最大。

(2)3種潰決方式下，試驗(yàn)潰口流量峰值相比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值都要略小，時(shí)間也略滯后，在峰值過(guò)后兩者流量過(guò)程線基本接近，側(cè)面證明經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)潰口流量過(guò)程的初步計(jì)算具有一定的準(zhǔn)確性。

(3)由于經(jīng)驗(yàn)公式以混凝土壩瞬間潰決為基礎(chǔ)，并沒有考慮潰決變化過(guò)程和潰決方式，本試驗(yàn)考慮了混凝土壩的潰決過(guò)程和潰決方式對(duì)潰口水流特征的作用，可為經(jīng)驗(yàn)公式修訂和潰壩機(jī)理研究提供指導(dǎo)。