彭 銘 王開放 張公鼎 馬晨議 朱 艷③④

(①同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092，中國)(②同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092，中國)(③中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063，中國)(④上海市海洋工程及船廠水工特種工程研究中心，上海 200063，中國)

0 引 言

堰塞壩是由降雨、地震等外力作用誘發(fā)崩塌、滑坡、泥石流等斜坡失穩(wěn)體堆積形成的天然壩體。堰塞壩在全世界范圍內(nèi)頻繁發(fā)生，我國更是堰塞壩高發(fā)區(qū)，在全世界范圍內(nèi)1298個(gè)堰塞壩統(tǒng)計(jì)案例中，發(fā)生在我國的達(dá)758個(gè)，所占到的比例為58.4%(Zhang et al.，2016)。其中：最近20年來堰塞壩在發(fā)生頻率上和數(shù)量上都呈集中暴發(fā)趨勢，如2008年產(chǎn)生257個(gè)堰塞湖，包含風(fēng)險(xiǎn)最大的唐家山堰塞壩(Cui et al.，2009；Peng et al.，2012)；2009年8月臺灣莫拉克臺風(fēng)誘發(fā)形成16個(gè)堰塞壩，其中小林村堰塞壩潰決后造成“小林村滅村”(陳昆廷等，2010)；2008年至今，汶川震后滑坡松散堆積體在強(qiáng)降雨下重新啟動(dòng)，形成大小數(shù)十處堰塞壩。由于堰塞壩主要在降雨、地震等外力作用下形成的，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)比較松散、穩(wěn)定性差、滲透作用強(qiáng)。因此，在上游持續(xù)來水的情況下，極易發(fā)生漫頂或管涌破壞，從而造成洪水災(zāi)害。如1786年四川省瀘定—康定發(fā)生7.7級地震形成一個(gè)堰塞壩，潰決后造成10萬余人的死亡和失蹤(陳建峰等，2008)。1933年四川疊溪發(fā)生7.5級地震形成多個(gè)堰塞壩，潰決后造成大量人員傷亡(鄒雙鳳，2009; 劉寧等，2013)。

由此可見，堰塞壩的形成具有突發(fā)性，以及同一地區(qū)可能多次形成堰塞壩，如2018年形成的兩次金沙江堰塞壩，而且潰壩造成的危險(xiǎn)性極大(許強(qiáng)等，2018; 馮文凱等，2019)，世界各國對堰塞壩的處置都給予很高的重視。尤其是2008年汶川地震以來，各國學(xué)者分別從統(tǒng)計(jì)分析、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值分析進(jìn)行詳細(xì)廣泛的研究。由于堰塞壩潰決時(shí)間段不確定、潰決的地點(diǎn)相對較為偏遠(yuǎn)、堰塞壩形成的地質(zhì)條件復(fù)雜，進(jìn)行實(shí)測觀察危險(xiǎn)性較高，因此原型觀察與統(tǒng)計(jì)分析難以取得堰塞壩主要的信息；雖然計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速，有關(guān)學(xué)者建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析潰壩過程，但是需要原型潰壩實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行標(biāo)定，局限性較大，一般為模型實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充。為了揭示堰塞壩潰壩的潰決機(jī)理、模擬壩體的物理力學(xué)性質(zhì)、獲得壩體內(nèi)主要的參數(shù)規(guī)律，為堰塞壩處置提供一定的理論基礎(chǔ)及相關(guān)建議，國內(nèi)外許多的學(xué)者進(jìn)行了大量的潰壩模型實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)有的學(xué)者主要從單壩潰決、級聯(lián)潰決及堰塞壩處置的模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，其中主要對單壩潰決的顆粒級配、密實(shí)度、含水率、溝床坡度的因素進(jìn)行分析，為接下來的潰壩物理模型實(shí)驗(yàn)提供很好的探究方向。

1 單壩潰決的影響因素試驗(yàn)研究

關(guān)于潰決問題的研究，19世紀(jì)的法國開始進(jìn)行模型試驗(yàn)的探究，美國、德國、奧地利等也有相應(yīng)的研究，但只是進(jìn)行相應(yīng)的直觀的觀察，沒有準(zhǔn)確的監(jiān)測技術(shù)(牛志攀等，2019)。20世紀(jì)中期，美國進(jìn)行了土石壩的水槽實(shí)驗(yàn)，得到不同壩體材料的沖刷速率(王光謙等，2015)。隨后，奧地利的學(xué)者對堆石壩的潰決進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，得出：上述試驗(yàn)的潰決時(shí)間比尺基本一致，而對于相同的護(hù)坡，坡度減緩時(shí)，沖開壩坡的臨界水頭將顯著增加(謝任之，1993)。隨著潰壩問題造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，為了進(jìn)一步研究潰決機(jī)理問題，歐盟進(jìn)行了IMPACT項(xiàng)目，其中包括5次壩高4～6im的模型實(shí)驗(yàn)及22組模型幾何比尺為1︰7.5～1︰10的室內(nèi)試驗(yàn)，主要研究了潰壩因素(壩體的形狀、壩體的材料、材料的性能)與潰口模型、潰決特征、潰口的演化、壩體沖刷的關(guān)系(Hanson et al.，2002；Morris et al.，2005；李云等，2009)。

以上進(jìn)行土石壩潰決問題的研究，對堰塞壩潰決問題研究有一定的借鑒意義。但是堰塞壩是松散堆積、顆粒分布不均勻、結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定，沒有土石壩的一些工程防護(hù)措施。因此，為了更加了解堰塞壩的潰決模式、機(jī)理、潰口的發(fā)展等問題，有關(guān)學(xué)者通過潰壩的物理模型實(shí)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)值模擬等方法，得出堰塞壩的潰決與入湖流量、壩體的幾何形狀、物質(zhì)組成和巖土結(jié)構(gòu)、庫容大小、被堵河道的幾何形狀等因素有很大的關(guān)系。為了更加深入地了解各個(gè)因素對于堰塞壩潰決影響程度，學(xué)者針對某一因素開展了物理模型實(shí)驗(yàn)，筆者進(jìn)行簡要的整理、總結(jié)及評述。

1.1 顆粒級配對潰壩的影響

由于堰塞壩形成的特殊性，堰塞壩的材料變化范圍比較大，一個(gè)壩體的材料粒徑從幾米的巨石到幾微米的黏土都有分布；壩體的滲透特性及巖土體結(jié)構(gòu)的不同會(huì)導(dǎo)致潰決機(jī)理的差異，從而得到不同的潰決模式；堰塞壩的組成材料的空間差異性使得各個(gè)部分發(fā)生破壞的時(shí)間不同。其中：堰塞壩的粗顆粒材料對堰塞壩的抗侵蝕的能力有較大的影響，顆粒級配則影響壩體的滲透性。因此，壩體的基本組成結(jié)構(gòu)特征對潰決過程有著顯著影響，相關(guān)的學(xué)者進(jìn)行的探究也較多。

考慮到壩體材料的不同，國內(nèi)外學(xué)者對土石壩及土堤壩進(jìn)行了初探。Visser(1998)和Schmocker et al.(2009)探究了壩體材料對土堤壩潰口演變過程的影響；張健云等(2009)考慮了土石壩黏粒含量；Zhang et al.(2011)采用兩種粒徑相差較大的砂樣進(jìn)行了土石壩的潰壩模型實(shí)驗(yàn)。后面的學(xué)者有通過控制壩體材料顆粒級配的D50進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，主要有Coleman et al.(2002)所選用的顆粒D50：0.5、0.9、1.6，2.4；Rozov(2003)選用的顆粒的D50取值為0.34imm；Chinnarasri et al.(2003)所選用的兩種非黏性泥沙顆粒的D50取值為0.36imm和0.86imm。

基于以上學(xué)者在土石壩及堤壩的初探，有關(guān)學(xué)者對堰塞壩的顆粒進(jìn)行潰壩模型實(shí)驗(yàn)。為了研究顆粒級配對堰塞壩的影響，張婧等(2010)設(shè)置了7組不同的中值粒徑D50(1.5～3imm)研究其潰壩特征，得出隨著顆粒級配增大，峰值流量出現(xiàn)短暫的增大，會(huì)隨著粗顆粒的增多，峰值流量減少，主要是由于“擾流掀沙”現(xiàn)象所引起的。張健楠等(2014)考慮到級配對堰塞壩的影響，通過CU、D50控制顆粒級配進(jìn)行了16組實(shí)驗(yàn)，得到臨界潰決流量隨著D50增大而增大；在中值粒徑一定的情況下，隨著不均勻系數(shù)的增大，臨界的峰值流量逐漸減少的趨勢，并擬合了臨時(shí)流量與CU、D50之間的關(guān)系。王道正等(2016)為了研究顆粒級配對堰塞壩的影響，引入D50作為顆粒級配指標(biāo)，進(jìn)行了3組D50為(5.4～9.2imm)的潰壩實(shí)驗(yàn)，得到了隨著平均粒徑增大，峰值流量變小、潰口發(fā)展緩慢、潰決歷時(shí)變長，滲透系數(shù)增大；擬合了平均粒徑與滲透系數(shù)的函數(shù)關(guān)系曲線，得出顆粒級配對堰塞壩的潰決特征沒有很大的影響。付建康等(2018)進(jìn)行兩組不同的顆粒級配潰壩模型實(shí)驗(yàn)，探究其對堰塞壩潰決過程的影響，得出了顆粒級配不良，壩體堆積不穩(wěn)，容易發(fā)生管涌破壞；級配良好的壩體材料，發(fā)生漫頂破壞及壩體底部最先發(fā)生位移及位移量最大。管圣功(2108)選定了4種典型級配(級配連續(xù)、細(xì)粒為主、中間缺失，粗顆粒為主)的材料進(jìn)行大尺寸的堰塞壩模型實(shí)驗(yàn)的研究。得出了級配中間缺失發(fā)生了管涌現(xiàn)象；粗顆粒及細(xì)顆粒為主的堰塞壩潰決時(shí)間相對其他級配潰決時(shí)間較短。

從上述學(xué)者對壩體材料的研究，顆粒的級配影響著堰塞壩的潰壩模式及潰決時(shí)長，隨著粗顆粒的增加，峰值流量變低，潰決歷時(shí)變長。但是，沒有比較全面地探究級配區(qū)間范圍如何影響著潰壩的模式、潰決的峰值流量及潰口的發(fā)展。

1.2 密實(shí)度對潰壩的影響

不同密實(shí)度的堰塞壩的存在時(shí)間有很大的區(qū)別，比如唐家山堰塞壩和銀洞子溝滑坡堰塞壩都是似層狀結(jié)構(gòu)，堰塞壩的潰口邊坡都相對較陡，兩者的堰塞壩穩(wěn)定性較好。因此，有必要單獨(dú)研究密實(shí)度對潰壩的侵蝕性的影響。

鄧明楓等(2011)進(jìn)行兩組水槽實(shí)驗(yàn)探究松散狀態(tài)和弱固結(jié)狀態(tài)的堰塞壩的潰口發(fā)展特征。得到了弱固結(jié)的堰塞壩的峰值流量較小及持續(xù)時(shí)間長；松散狀態(tài)的堰塞壩的潰口為寬深型，而弱固結(jié)的則為窄深型。因此，我們可以選擇將開挖泄流槽的位置設(shè)置在較大石塊或者密實(shí)的壩體部分。為了進(jìn)一步分析壩體的物質(zhì)組成對潰壩的影響，鄧明楓等(2011)通過設(shè)置三基準(zhǔn)組、密度組和級配組研究堰塞壩潰壩的6個(gè)階段，揭示了壩體密度主要影響顆粒間的剪切作用，潰口寬度隨著密度增大變得更窄；壩體的顆粒級配通過孤粒運(yùn)動(dòng)影響潰壩的侵蝕效果，級配越粗，潰口趨于呈現(xiàn)“淺寬”類型，形成倒梯形潰口。趙高文等(2018)設(shè)計(jì)兩組密實(shí)度不同的工況，探究密實(shí)度不同的堰塞壩的漫頂潰決特征，探究得到：密實(shí)狀態(tài)的堰塞壩溯源侵蝕過程比較明顯，形成多級侵蝕陡坎，侵蝕曲線的曲率較大；松散狀態(tài)的堰塞壩的潰口橫向上表現(xiàn)為剪切破壞，而密實(shí)的堰塞壩表現(xiàn)為潰口邊坡為懸空的類型，受到拉張破壞；密實(shí)狀態(tài)的堰塞壩表現(xiàn)為峰值流小，持續(xù)時(shí)間長，這意味著對堰塞壩進(jìn)行密實(shí)處理，可以有效地防止堰塞壩的潰決。

密實(shí)度對潰壩模型的影響較少，密實(shí)度較大的堰塞壩峰值流量變小，潰決小，潰口流量持續(xù)時(shí)間長，潰口發(fā)展主要在壩后坡，形成的邊坡較陡。因此，后續(xù)的潰壩模型實(shí)驗(yàn)應(yīng)該進(jìn)行分層壓實(shí)，這樣才能更合理地進(jìn)行真實(shí)堰塞壩的模擬。

1.3 含水率對堰塞壩潰決的影響

含水量主要影響堰塞壩材料的侵蝕性和物理狀態(tài)。當(dāng)含水量較低時(shí)，壩體材料內(nèi)部有較大的基質(zhì)吸力，抗剪強(qiáng)度變大；當(dāng)含水量較高時(shí)，土顆粒之間的結(jié)合水之間的作用力減弱，基質(zhì)吸力變?nèi)?，壩體材料的抗剪強(qiáng)度變小。因此含水率是影響堰塞壩潰壩的重要因素。

有關(guān)學(xué)者較早地對堤壩進(jìn)行了相關(guān)的探討，Hunt et al.(2005)進(jìn)行了3個(gè)大型土質(zhì)路堤測試拓寬的速率實(shí)驗(yàn)，得到含水量對水壩前的路堤潰壩的展寬速率有較大的影響，并進(jìn)行相應(yīng)的擬合方程。同樣的Al-Riffa(2014)進(jìn)行不同含水量下堤壩潰壩的實(shí)驗(yàn)，主要討論堤壩破壞過程中孔隙水壓力的影響。

對于堰塞壩的研究有以下學(xué)者。Cao et al.(2011a，2011b)通過把含水率轉(zhuǎn)化成壓實(shí)度，進(jìn)行28組潰壩模型實(shí)驗(yàn)，并沒有單獨(dú)考慮含水率對堰塞壩潰壩的影響。Jiang et al.(2019)在2.06%～4.67%的初始含水率下進(jìn)行了水槽實(shí)驗(yàn)，主要探究不同含水量的堰塞壩的滲透破壞特征及潰壩的過程，并沒有單獨(dú)探究含水率對潰壩過程的影響。之后，蔣先剛等(2019)進(jìn)行了5種(0.3%～10.3%)初始含水量的漫頂潰壩模型實(shí)驗(yàn)，得出了平均侵蝕率、峰值流量隨著含水率的增大而增大；潰決歷史、殘余壩高隨著含水率的增大而減少；研究發(fā)現(xiàn)，在含水量高于7.8%時(shí)，堰塞壩的侵蝕速率顯著增加。劉杰等(2019)進(jìn)行了5種(2.97%～19.59%)含水量的水槽實(shí)驗(yàn)，探究出了隨著含水量的增加，潰決歷時(shí)越短，潰壩過程中形成的陡坎越快及潰口寬度越大；當(dāng)含水量為5.50%時(shí)，此時(shí)的峰值流量達(dá)到最大，對堰塞壩的影響較大。

從以上的文獻(xiàn)看出，含水率對于堰塞壩是一個(gè)重要的因素，許多學(xué)者將其作為影響因素之一進(jìn)行分析，并沒有單獨(dú)對其進(jìn)行系統(tǒng)的研究。其中：含水量對峰值流量的影響，前面學(xué)者得到了不同的結(jié)論，因此，我們要通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來探究含水量對堰塞壩影響的一般規(guī)律，為堰塞壩快速評估與數(shù)值模擬提供一個(gè)參數(shù)及理論依據(jù)。

1.4 溝床及其坡度對堰塞壩潰決的影響

到目前為止，有關(guān)學(xué)者對底床坡度對堰塞壩潰決流量演化特征方面的研究尚處于初級階段。

劉邦曉等(2020a，2020b)進(jìn)行了7組溝床坡度(7°～13°)的水槽實(shí)驗(yàn)，研究得出當(dāng)溝床坡度大于9°時(shí)，主要削弱了漫頂潰壩過程中以下切侵蝕為主、溯源侵蝕為輔的加速侵蝕階段；潰決歷時(shí)隨著溝床坡度的增大表現(xiàn)出先減少后增大的非線性關(guān)系；當(dāng)坡度低于11°時(shí)，溝床坡度對潰壩的影響大于壩前庫容，反之壩前庫容對潰壩影響變?yōu)殛P(guān)鍵因素。為了進(jìn)一步探究潰口的變化，劉邦曉等(2020a，2020b)探究得出在坡度為12°時(shí)，邊坡失穩(wěn)的規(guī)模達(dá)到最大，此時(shí)失穩(wěn)次數(shù)最少，呈現(xiàn)出隨著坡度的增加，潰口失穩(wěn)的規(guī)模先增大后減少，失穩(wěn)次數(shù)則相反，意味著當(dāng)坡度低于12°時(shí)，坡度較庫容為主要的潰決因素；坡度的變化，潰口的展寬歷程特征大致相似；潰口峰值流量隨著溝床坡度的減小逐漸減少。蔣先剛等(2019)進(jìn)行了7種底床坡度(1°～13°)的堰塞壩潰決的水槽模型試驗(yàn)，得出隨著坡度的增加，潰決歷時(shí)減少，潰口下切及展寬速率呈現(xiàn)非線性的遞增規(guī)律；峰值流量、潰口的寬深比隨著底床坡度的增加表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢，且以3°為分界點(diǎn)，意味著在坡度為3°以下時(shí)，坡度為潰壩的主要因素，當(dāng)大于3°時(shí)，坡度較庫容量等其他因素對堰塞壩潰壩的影響較少。趙高文等(2019)考慮到堰塞壩在橫向存在高差，進(jìn)行了橫向坡度約為9°的水槽實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得出潰口的頂寬和邊坡高度隨著潰壩時(shí)間基本上同步變化；隨著潰壩時(shí)間的進(jìn)行，潰口處的邊坡會(huì)逐漸變高，導(dǎo)致堰塞壩發(fā)生二次滑坡。因此為了更好地模擬真實(shí)的潰壩實(shí)驗(yàn)，我們后面需要把堰塞壩的橫向坡度也作為影響因素考慮。Zhao et al.(2019)得出側(cè)向侵蝕方向的不同，會(huì)導(dǎo)致潰壩過程的潰口發(fā)展方式、潰決流量的不同；在進(jìn)行橫向高度差較大的潰壩實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)次生滑坡的現(xiàn)象，但是次生滑坡的速度比較慢，可以被預(yù)測到。

從以上的研究發(fā)現(xiàn)，堰塞壩橫向坡度的不同，會(huì)導(dǎo)致潰壩過程的再次坍塌及潰口發(fā)展的不同，因此橫向坡度也是潰壩的一個(gè)影響因素。兩位學(xué)者研究不同坡度對潰壩模型實(shí)驗(yàn)的影響，但是臨界溝床坡度對堰塞壩的敏感程度劃分不太一致，因此這方面需要學(xué)者進(jìn)行大量的探究，定量地分析總結(jié)其規(guī)律。

1.5 堰塞壩的入庫流量對潰壩的影響

堰塞壩的入庫流量決定著堰塞壩潰決的時(shí)間及堰塞壩應(yīng)急處置的措施與方案。上游來水流量可以通過滲流對堰塞壩的坡腳產(chǎn)生一定的破壞。因此，壩前的入庫流量是堰塞壩潰決的重要因素。

付建康等(2018)通過3組蓄水量(0.0296～0.0536im3)來研究壩后蓄水量對堰塞壩潰壩模型的影響，得出壩體上游水位一定的情況下，蓄水量越大，潰壩時(shí)的峰值流量越大，潰決歷時(shí)也越長，潰口的展寬及下切的速率變大及潰口的橫向尺寸也變大。楊陽等(2012)設(shè)定4組入庫流量(0.6～1.03iL·s-1)驗(yàn)證壩前入庫流量d0與D90的比值作為潰壩實(shí)驗(yàn)水槽指標(biāo)的可行性，得出此指標(biāo)很好地揭示了壩體的侵蝕過程-壩前水流與壩體粗顆粒的相互作用。楊陽等(2015)初步考慮到入庫流量的影響，進(jìn)行了入庫流量為0.006～0.001i03im3·s-1的潰壩模型實(shí)驗(yàn)，簡單的分析得出：隨著入庫流量的增大，潰壩的峰值到來時(shí)間縮短及潰決的洪峰曲線整體變大且更加“尖瘦”，意味著入庫流量對堰塞壩潰口的發(fā)展有一定的影響。Xu et al.(2013)進(jìn)行3組堰塞壩上游水流量(0.1～2iL·s-1)的潰壩模型實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)在較小水流的情況下，堰塞壩只是部分沖刷破壞達(dá)到進(jìn)出水平衡狀態(tài)，當(dāng)水流為2iL·s-1時(shí)，此時(shí)堰塞壩完全潰壩；堰塞壩的壩頂長度隨著流量的減少而增大。張健楠等(2014)通過2組水槽實(shí)驗(yàn)探究上游流量與潰決流量的關(guān)系，得出在初始來水流量較小時(shí)，增加入庫流量，壩后坡的峰值流量增加比重較少，意味著增大一定的上游流量，對潰壩的峰值流量影響相對于其他因素較小。通過2組水槽實(shí)驗(yàn)探究上游流量與潰決流量的關(guān)系，得出在初始來水流量較小時(shí)，增加入庫流量，壩后坡的峰值流量增加比重較少，意味著增大一定的上游流量，對潰壩的峰值流量影響相對于其他因素較小。

從上述學(xué)者的研究可以得出：上游來水流量對潰決峰值曲線、潰口發(fā)展有一定的影響。雖然有關(guān)學(xué)者得出進(jìn)水流量對峰值流量的增加占比很小，這還需要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 梯級堰塞壩潰決特性實(shí)驗(yàn)

“5·12”地震引發(fā)的堰塞湖，不僅數(shù)量多，分布廣，而且沿著震區(qū)河流呈明顯的串珠狀分布。但是目前國內(nèi)外有關(guān)堰塞湖的研究工作主要集中在單一堰塞湖的潰決機(jī)制及潰決洪水演進(jìn)方面，對于級聯(lián)潰壩的模型實(shí)驗(yàn)，一般需要進(jìn)行野外大型實(shí)驗(yàn)，操作難度大，串珠狀堰塞湖級聯(lián)潰決的研究較少。

Cao(2011a，2011b)通過試驗(yàn)和數(shù)值分析對比了單壩潰決和兩壩連續(xù)潰決，并作出結(jié)論：與單壩潰決相比，兩壩連潰中下游壩的洪峰出現(xiàn)延遲和放大，但由于試驗(yàn)水槽的坡度過小，沒有凸顯串珠狀堰塞湖級聯(lián)潰決后洪水峰值流量放大這一最顯著的動(dòng)力學(xué)特征，也沒有綜合分析潰決流量放大，輸沙特征變化以及河流演化三者之間的關(guān)系。朱興華等(2012)考慮到野外考察河床演化規(guī)律的局限性，進(jìn)行堰塞湖級聯(lián)潰決的野外水槽實(shí)驗(yàn)，主要探究串珠狀堰塞湖級聯(lián)潰決的動(dòng)力學(xué)特征以及對河床演化的影響，結(jié)果表明堰塞壩級聯(lián)潰決放大了洪水的峰值流量及河床的縱斷面被顯著抬升。Niu et al.(2012)通過設(shè)置0.8iL·s-1和3.9iL·s-1的流量，進(jìn)行級聯(lián)堰塞壩的潰壩模型實(shí)驗(yàn)，探討在不同的流量作用下級聯(lián)堰塞壩潰壩的特征，得到：在流量較大時(shí)，上游壩和下游壩都是漫頂破壞；在流量較小時(shí)，上游的壩體在泄流槽流動(dòng)，下游壩則發(fā)生漫頂破壞。Gordon et al.(2015)為了了解級聯(lián)潰壩機(jī)理及引出泥石流的影響規(guī)律，在野外進(jìn)行級聯(lián)潰壩模型實(shí)驗(yàn)。得到漫頂潰壩是級聯(lián)潰壩的主要模式；級聯(lián)潰壩加大水流流速和流量，沖刷的顆粒也隨之變大。

由于梯級堰塞壩物理模型實(shí)驗(yàn)操作難度較大，因此在進(jìn)行初探實(shí)驗(yàn)時(shí)，只是定性地描述堰塞壩潰壩的模型，缺少堰塞壩潰決流量的對比等。

3 堰塞壩處置試驗(yàn)

由于大部分堰塞壩存在的時(shí)間較短，現(xiàn)階段處理堰塞壩的方式主要為開挖泄流槽、爆破拆除，引水泄流隧道等。其中：開挖泄流槽的堰塞壩有：唐家山、紅石巖、文家壩、肖家橋、石板橋、老鷹巖堰塞壩等；其中爆破處理的有：竹根頂橋、火石溝、六頂溝堰塞壩等。

陳曉清等(2011a，2011b)，趙萬玉等(2011)為了調(diào)節(jié)堰塞壩的峰值流量，通過在堰塞壩沖刷過程中拋投四面的人工結(jié)構(gòu)體來進(jìn)行調(diào)節(jié)。得出隨著人工結(jié)構(gòu)體的投入，峰值流量減少了1/3～2/3，殘余壩高增高了1/6。為了進(jìn)一步研究優(yōu)化泄流槽的措施，又進(jìn)行了泄流槽自然潰決實(shí)驗(yàn)、梯形槽堰塞湖潰決實(shí)驗(yàn)、三角形槽堰塞湖潰決實(shí)驗(yàn)和復(fù)式槽堰塞湖潰決實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：人工輔助潰決后，峰值流量減小了7.7%～20.1%；排泄效率由高到低依次為：三角型橫斷面、復(fù)式橫斷面、梯形橫斷面；溯源侵蝕由強(qiáng)到弱依次為：復(fù)式槽、三角形槽、梯形槽。趙天龍等(2017)通過離心模型試驗(yàn)研究，研究梯形、三角形和復(fù)式斷面3種泄流槽斷面型式的漫頂潰壩模型實(shí)驗(yàn)，分析不同除險(xiǎn)斷面型式對堰塞壩的泄流過程、總泄流量以及泄流后殘留壩體幾何尺寸的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)式斷面泄流槽在初期泄流效率高、峰值流量小、是高效的堰塞壩除險(xiǎn)處置方法。Xu et al.(2013)考慮壩體的體積、上游流量、不同斷面的泄流槽、壩頂?shù)膲K石因素，進(jìn)行堰塞壩潰壩模型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：相比于三角型斷面，梯形斷面有效地降低了峰值流量。

針對堰塞壩處置的優(yōu)化潰壩實(shí)驗(yàn)，主要是探究泄流槽的形狀對泄流的流量的影響，且各個(gè)斷面的泄流效果不太一致。因此，需要我們加強(qiáng)這方面的評價(jià)方法及實(shí)驗(yàn)，以及探索出更多處置堰塞壩的措施。

4 討 論

根據(jù)國內(nèi)外研究學(xué)者的探究，顆粒級配很大程度上影響著潰壩的模式，級配不良很可能發(fā)生管涌破壞，峰值流量隨著級配良好及密實(shí)度的變大而變大，潰口發(fā)展緩慢，潰口一般變得窄深型。因此開挖泄流槽的位置選在密度較大及級配良好的位置。壩體的含水量主要影響壩體材料的侵蝕性及抗剪強(qiáng)度，一般隨著含水量的增大，其潰決過程基本相似，平均侵蝕率變大，但是峰值流量如何變化，有關(guān)的學(xué)者沒有得到一致的觀點(diǎn)，需要進(jìn)一步的探究。溝床坡度對潰壩的物理模型實(shí)驗(yàn)的影響研究相對較少，何種溝床坡度對堰塞壩的敏感程度大于庫容，還沒有得到一致的結(jié)論。另外潰口變化的形式也沒有定論，但是對潰壩模型并沒有影響。壩前水位即庫容決定著堰塞壩潰決時(shí)間及處置的措施，探究得到隨著庫水位及庫容的增加，潰決的峰值流量越大、潰口展寬及下切的速率變大。泄流槽的形狀不影響堰塞壩潰壩的模式，得出三角形及復(fù)式斷面的泄流槽能有效降低峰值流量。

5 研究動(dòng)向及展望

由于世界各國對堰塞壩的穩(wěn)定性重視的程度不斷提高，學(xué)者對堰塞壩潰壩的問題研究不斷地深入及獲取參數(shù)的方法不斷地增加。潰決物理模型實(shí)驗(yàn)從全面研究堰塞壩潰決的特性及機(jī)理，再進(jìn)一步研究某一潰決因素對堰塞壩的影響，不斷地定量進(jìn)行分析，并成為堰塞壩研究的重點(diǎn)。

學(xué)者對于堰塞壩潰壩的物理模型的研究起初聚焦在基本的潰壩特征，之后的研究逐漸擴(kuò)大到潰壩的機(jī)理、潰壩模式、潰口的發(fā)展過程、河床演化、潰壩的某一因素的影響及梯級堰塞壩的潰決等內(nèi)容。堰塞壩潰壩物理模型研究已經(jīng)處于一定的水平，尤其在潰決機(jī)理和潰口的發(fā)展方面研究較為成熟，但是對于某一潰決因素的系統(tǒng)研究較少，比如針對溝床的縱橫向坡度及動(dòng)河床的研究。因此，針對潰壩問題的某種因素，完整準(zhǔn)確地進(jìn)行定量的研究，提出一些擬合公式，為進(jìn)一步的堰塞壩快速評估及數(shù)值模擬提供有力的依據(jù)。

5.1 模型實(shí)驗(yàn)相似理論及模型比尺

堰塞壩潰壩過程與水力學(xué)、土力學(xué)，泥沙運(yùn)動(dòng)等有關(guān)。因此，有關(guān)學(xué)者設(shè)計(jì)潰壩相似模型理論不僅需要滿足幾何相似、重力相似，還需要滿足材料的相似。但是由于室內(nèi)條件尺寸的限制，大部分學(xué)者僅滿足幾何相似及重力相似，并且?guī)缀蜗嗨埔仓皇窃谘呷麎蔚捻樅酉蚝蛪误w的深度做近似的比例。由于涉及多學(xué)科的內(nèi)容，無法完全滿足堰塞壩的材料的相似。為了保持壩體材料方面的相似，大部分學(xué)者設(shè)置等比例的縮小及級配一致。因此，為了更好地展現(xiàn)室內(nèi)物理模型潰壩實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，重點(diǎn)探討壩體材料、內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、水流參數(shù)對潰壩的定量影響。

由于尺寸效應(yīng)及相似理論，潰壩模型實(shí)驗(yàn)不僅要滿足材料相似、滲透性相似及力學(xué)相似，還要模擬河道的特性及梯級堰塞壩的情況。因此，需要進(jìn)行野外大尺寸的模型實(shí)驗(yàn)。

5.2 實(shí)驗(yàn)測試手段

現(xiàn)有的潰壩儀器有水尺、流量計(jì)、流速儀、孔壓計(jì)、土壓計(jì)、吸力計(jì)及攝像機(jī)等設(shè)備，同時(shí)，數(shù)據(jù)的采集逐漸發(fā)展到計(jì)算機(jī)的采集、采用示蹤粒子追蹤技術(shù)對潰決水流的測試及三維激光掃描儀對壩身破壞過程的模擬。盡管潰壩試驗(yàn)測試手段及儀器有了較大進(jìn)步，但是無法滿足精準(zhǔn)性的要求，比如孔壓計(jì)、土壓力很難準(zhǔn)確地測到數(shù)據(jù)，因此現(xiàn)有的大部分學(xué)者進(jìn)行潰壩的研究主要還是通過攝像機(jī)處理潰壩過程。因此，這方面需要深入地進(jìn)行研究。

5.3 堰塞壩處置

堰塞壩的應(yīng)急處置主要進(jìn)行開挖泄流槽，并有許多成功案例。其中：開挖泄流槽不合理，導(dǎo)致潰口流量較大，對下游產(chǎn)生一定的破壞。對于峰值流量過大的問題，有關(guān)的學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)潰壩模型實(shí)驗(yàn)的初探，也取得了一定的成果。但是研究的內(nèi)容只是關(guān)注于泄流槽的截面形狀，沒有考慮泄流槽內(nèi)的坡降及泄流槽薄弱點(diǎn)的防護(hù)，如何使得不穩(wěn)定堰塞壩進(jìn)行薄弱點(diǎn)的加固處置，達(dá)到預(yù)期的潰決效果，同時(shí)通過加固措施使得相對穩(wěn)定的堰塞湖變成蓄水庫，這方面需要進(jìn)一步的探究。