劉 昉，戚園春，吳敏睿

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300354)

堤防是筑于河渠外圍，用于束縛水流、防洪御浪的重要擋水建筑物。極端自然條件、堤身內(nèi)患及人為破壞均可能誘發(fā)潰堤事故。歷史上“九江決堤”[1]特大洪災(zāi)牽涉省市眾多，百姓傷亡慘重，黃河流域更是洪水泛濫成災(zāi)。隨著中華人民共和國(guó)成立后堤防安全防護(hù)工作和流域治理工作的大力開展，洪災(zāi)事件才逐漸減少。但近年來(lái)中小型潰堤事件仍時(shí)有發(fā)生[2-4]，2021年7月內(nèi)蒙古2座水庫(kù)堤壩潰決，10月受連續(xù)強(qiáng)降雨影響山西部分區(qū)域支流出現(xiàn)潰堤。兇猛的潰堤洪水會(huì)沖毀民宅，淹沒農(nóng)田，致使水利、交通、通信等設(shè)施嚴(yán)重受損，給人民的生產(chǎn)生活和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大的威脅。因此，深入研究堤防的潰決機(jī)理，掌握洪泛區(qū)的洪水演進(jìn)規(guī)律非常重要，這對(duì)編制合理高效的堤防維護(hù)和搶險(xiǎn)修復(fù)方案也具有重要意義。

模型試驗(yàn)易于調(diào)控變量和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，是研究堤壩潰決機(jī)理的重要手段。目前，關(guān)于大壩潰決機(jī)理的試驗(yàn)研究較多[5-6]，在堤防潰決研究方面，潰決區(qū)域的流量、流速、水位等水力要素的變化特性是研究熱點(diǎn)之一。Roger等[7-8]最先發(fā)現(xiàn)潰堤波與潰壩波的差異，并通過(guò)模型試驗(yàn)探究了潰堤后穩(wěn)定狀態(tài)的潰口分洪特性。陸靈威等[9-10]開展了大型水槽模型試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量整個(gè)潰決區(qū)域的水位、流場(chǎng)變化，探究了潰堤洪水在洪泛區(qū)及河道內(nèi)的實(shí)時(shí)傳播特性。張曉雷等[11]在試驗(yàn)中考慮河槽形態(tài)，分析了潰堤后灘槽內(nèi)的水位變化特性及灘區(qū)內(nèi)的洪水波傳播過(guò)程，并基于數(shù)值模擬分析了灘區(qū)糙率對(duì)水流演進(jìn)過(guò)程的影響。基于物理模型試驗(yàn)結(jié)果，理解潰口形態(tài)的演變過(guò)程及其對(duì)水流要素的響應(yīng)規(guī)律尤為重要。余明輝等[12]探究了非黏性土土堤潰決過(guò)程中潰口形態(tài)的變化規(guī)律及其與流量、材料粒徑之間的關(guān)系。魏紅艷等[13]進(jìn)行了粉質(zhì)黏土堤防漫溢潰決試驗(yàn)，探究了河道流量、土體含水率、孔隙率對(duì)潰口發(fā)展過(guò)程的影響。田治宗等[14]開展了動(dòng)床實(shí)體模型試驗(yàn)，探討了堤防潰決過(guò)程中流量和潰口寬度對(duì)潰口區(qū)域流場(chǎng)、水位及地形沖淤的影響。梁艷潔等[15]探究了流量、水位差、材料粒徑對(duì)非黏性土土堤潰口橫向展寬的影響。堤壩潰決模型常通過(guò)假定潰口形態(tài)線性變化來(lái)計(jì)算漫頂潰決洪水的演進(jìn)過(guò)程[16-18]，研究具體的潰口形態(tài)演變規(guī)律可為數(shù)值模型的驗(yàn)證提供豐富的數(shù)據(jù)資料，而且采用精確便攜的測(cè)量?jī)x器有利于準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)潰口形態(tài)的演變規(guī)律。在此類模型試驗(yàn)中，學(xué)者們多采用高清攝像機(jī)結(jié)合網(wǎng)格技術(shù)、圖形分析技術(shù)處理潰口橫向展寬，在潰口處布設(shè)自動(dòng)地形儀確定潰口高程。張建云等[19]和段文剛等[20]分別在試驗(yàn)壩體內(nèi)埋設(shè)自主研發(fā)的變形傳感器和埋入式輕型沖蝕捕捉器，記錄潰口的垂向沖蝕過(guò)程。然而，現(xiàn)有的測(cè)量工具無(wú)法兼?zhèn)浔銛y、量測(cè)范圍全面和后處理程序精簡(jiǎn)等特點(diǎn)。

除上述因素外，凍融作用也會(huì)影響堤防的潰決過(guò)程。位于季節(jié)性凍土區(qū)的堤防極易受凍融侵蝕的威脅，凍融作用會(huì)打破堤體內(nèi)部的原有平衡狀態(tài)，顯著改變堤身土體的溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)[21]，影響土體粒徑分布、孔隙狀態(tài)、滲透性、強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)[22-23]。潰堤過(guò)程與土體的物理力學(xué)指標(biāo)密切相關(guān)，因此，凍融作用影響下堤防的潰決特性是否與前人研究結(jié)果一致尚需進(jìn)一步探究。由于凍結(jié)期和融化期土體性質(zhì)的變化趨勢(shì)不同，直接研究完整凍融周期下的潰堤特性較為困難，故本文初步模擬凍土試驗(yàn)環(huán)境并開展大型彎道水槽概化模型試驗(yàn)。通過(guò)在室外自然環(huán)境下凍結(jié)土堤，采用結(jié)構(gòu)光傳感器和溫度傳感器監(jiān)測(cè)潰口形態(tài)和堤體溫度，初步探究了凍土條件下均質(zhì)土堤在漫頂潰決過(guò)程中潰口形態(tài)的演變規(guī)律和潰決區(qū)域的水位、流速、流量等水力要素的變化特性，旨在為堤防凍融侵蝕破壞機(jī)理的研究提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展。水槽平面布置見圖1，全長(zhǎng)30 m，深1 m，堤前為U形主槽區(qū)，堤后為洪水演進(jìn)區(qū)。砌磚水槽用于處理尾水，巴歇爾槽用于確定出口流量。堤頂寬20 cm，堤底寬100 cm，堤高20 cm，坡度比為1∶2。堤頂設(shè)矩形引導(dǎo)潰口，深2 cm，寬10 cm。堤頂布置結(jié)構(gòu)光傳感器以測(cè)量潰口形態(tài)，該儀器基于結(jié)構(gòu)光的三維成像原理，可實(shí)現(xiàn)潰口輪廓的主動(dòng)測(cè)量，即被投射至潰口表面的結(jié)構(gòu)光被調(diào)制后經(jīng)攝像系統(tǒng)采集，再經(jīng)計(jì)算機(jī)解析處理，可輸出潰口的三維參數(shù)。

圖1 水槽平面布置示意圖(單位:m)

本文將未考慮凍土作用的試驗(yàn)組次稱為洪水條件，凍土條件和洪水條件下的堤防初始狀態(tài)不同。凍土試驗(yàn)在室外完成筑堤和凍結(jié)，凍結(jié)時(shí)在堤底和兩側(cè)布置隔溫棉，在堤身一側(cè)不同深度處埋設(shè)溫度傳感器，以監(jiān)測(cè)堤體溫度，并確保潰口無(wú)法擴(kuò)展至埋設(shè)位置。而洪水試驗(yàn)直接在水槽筑堤，筑堤時(shí)保證各工況堤身壓實(shí)度一致，試驗(yàn)前在堤體表面涂抹防滲黏泥。洪水演進(jìn)區(qū)初始為干河床，試驗(yàn)開始后打開進(jìn)水閥和插板門，從上游蓄水，待水位距初始潰口底部約1 cm并穩(wěn)定后微調(diào)插板門高度。當(dāng)水位開始漫過(guò)引導(dǎo)潰口，計(jì)時(shí)并采集數(shù)據(jù)。至潰口形態(tài)和測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，結(jié)束采集。

1.2 試驗(yàn)工況

考慮到材料粒徑會(huì)影響凍結(jié)作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)的改造，分別選用黏性土和非黏性土作為筑堤材料，顆粒級(jí)配曲線見圖2。試驗(yàn)組次和參數(shù)見表1，各工況重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明，潰口形態(tài)變化過(guò)程、潰決區(qū)域的水位和流速以及巴歇爾槽流量變化特性均非常接近，從而保證了試驗(yàn)結(jié)果的可信度。

圖2 試驗(yàn)材料級(jí)配

表1 試驗(yàn)組次和參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于潰口的形態(tài)演變規(guī)律將整個(gè)潰決過(guò)程劃分為滲透過(guò)流、堤后沖蝕、橫向展寬、沖淤平衡4個(gè)階段，凍土條件下各階段的潰決特性分析如下。

2.1 凍土條件下非黏性土堤漫頂潰決過(guò)程

a.滲透過(guò)流階段。受主槽區(qū)水面波動(dòng)的影響，水流在引導(dǎo)潰口表面緩慢行進(jìn)，部分水流向引導(dǎo)潰口底部及兩側(cè)滲透。潰口形態(tài)見圖3。

圖3 非黏性土堤潰口形態(tài)

b.堤后沖蝕階段。水流一旦漫過(guò)引導(dǎo)潰口，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，在堤后表面沖出淺窄的沖刷溝。隨著背水側(cè)股狀水流延展為片狀水流，沖刷溝寬度增大。堤頂與背水側(cè)的連接處最先被沖蝕至非凍土層而形成凹陷，水流跌落至凹陷處，一方面形成反向漩渦，加速來(lái)流側(cè)堤底淘蝕；另一方面形成挑射水流，加速堤后表面沖刷。沖積顆粒在坡腳處形成偏向主槽區(qū)下游的“空心沖積扇”。之后，跌坎逐漸向堤前移動(dòng)，劇烈紊動(dòng)區(qū)域隨之?dāng)U展，潰口深度逐漸增加，堤前與臨水側(cè)的連接處橫向擴(kuò)展。由于凍結(jié)后土顆粒間的黏聚力增大，堤岸不易坍塌，潰口兩側(cè)形成明顯的“懸臂”。此階段潰口的垂向沖蝕較劇烈，階段末沖刷溝兩側(cè)局部坍塌。

c.橫向展寬階段。堤防臨水側(cè)出現(xiàn)弧形跌坎，并沿水面線橫向擴(kuò)展。背水側(cè)潰口較窄，坡腳伴有明顯的沖蝕水舌。水流漫過(guò)跌坎，在潰口處充分紊動(dòng)，潰口底部土顆粒最先被沖蝕搬運(yùn)，頂部形成“懸臂”，當(dāng)“懸臂”的重力大于土顆粒之間的黏結(jié)力時(shí)，頂部失穩(wěn)坍塌，此時(shí)可在堤前臨水側(cè)觀察到明顯的堤身分層現(xiàn)象。潰口兩側(cè)呈鋸齒狀，該階段潰口展寬最為劇烈，潰決區(qū)域的流速、流量、水位峰值均出現(xiàn)在此階段。

d.沖淤平衡階段。水流呈緩流狀態(tài)，潰口形態(tài)及測(cè)點(diǎn)水力要素趨于穩(wěn)定。上、下游水位差減小，水流流速減小，攜沙能力減弱。

2.2 凍土條件下黏性土堤漫頂潰決過(guò)程

a.滲透過(guò)流階段。水流在潰口表面緩慢行進(jìn)，黏性土堤下滲量明顯小于非黏性土堤，整體潰口形態(tài)見圖4，對(duì)應(yīng)的潰口局部形態(tài)見圖5。

圖4 黏性土堤整體潰口形態(tài)

圖5 潰口局部放大示意圖

b.堤后沖蝕階段。凍結(jié)后堤體表面粗糙度降低，水流一旦漫過(guò)引導(dǎo)潰口，便迅速延展為片狀水流沖刷坡面，流向偏向主槽區(qū)下游。堤身表面薄弱部位的大粒徑泥沙顆粒最先起動(dòng)，堤身呈坑坑洼洼狀，坡腳處的泥沙顆粒被沖蝕搬運(yùn)。受水流轉(zhuǎn)向的影響，背水側(cè)上部易被沖蝕，該處最先形成一級(jí)陡坎，落點(diǎn)部位出現(xiàn)反向旋渦，一方面加速了頂部非凍土層的淘蝕，另一方面加劇了底部?jī)鐾翆拥臎_刷。待底部沖刷至非凍土層后，背水側(cè)開始出現(xiàn)次級(jí)陡坎。后期一級(jí)陡坎沖蝕至堤頂并緩慢向臨水側(cè)蝕退，堤后坡面的陡坎合并，坡腳呈喇叭形擴(kuò)展。潰口兩側(cè)形成明顯的“懸臂”，該階段潰口垂向發(fā)展較為劇烈。當(dāng)陡坎移動(dòng)至臨水側(cè)與堤頂?shù)慕唤缣帟r(shí)，該階段結(jié)束。

c.橫向展寬階段。該階段初期臨水側(cè)跌坎處出現(xiàn)瀑布狀水流，跌坎底部被反向淘蝕。潰口區(qū)域水流劇烈紊動(dòng)，垂向沖蝕加劇，臨水側(cè)潰口呈弧形擴(kuò)展，背水側(cè)坡腳呈喇叭形擴(kuò)展，沖積扇偏向主槽區(qū)下游，潰口平面形態(tài)接近雙曲線形。隨著水流持續(xù)沖刷，潰口兩側(cè)“懸臂”的重力大于土體之間的黏結(jié)力而失穩(wěn)坍塌，潰口流量增大，坍塌土體被逐層沖蝕。直至潰口兩側(cè)岸腳處出現(xiàn)漩渦狀挾沙水流，標(biāo)志著新一輪的底部淘蝕。該階段后期潰口以橫向間歇性大體積坍塌為主，臨水側(cè)被逐層沖蝕，形成較厚的淤積層，潰口呈鋸齒狀。

d.沖淤平衡階段。水流呈緩流狀態(tài)，潰決區(qū)域的水力要素和潰口形態(tài)均趨于穩(wěn)定。上、下游水位差減小，水流流速減小，攜沙能力減弱。

2.3 潰口形態(tài)變化規(guī)律

滲透過(guò)流階段潰口形態(tài)和測(cè)點(diǎn)水力要素變幅很小，故從堤后沖蝕階段開始計(jì)時(shí)分析。由于非黏性土堤和黏性土堤各工況分別在計(jì)時(shí)400 s、2 400 s后處于平衡狀態(tài)，因此主要分析該時(shí)段內(nèi)的潰口形態(tài)演變規(guī)律。各工況潰口形態(tài)變化參數(shù)見表2，可以看出，凍土層的存在會(huì)減緩潰口的堤后沖蝕進(jìn)程，由于黏性土堤黏聚力強(qiáng)，孔隙率小，透水性弱，延緩現(xiàn)象更加明顯。凍土層越厚，非黏性土堤橫向展寬階段越長(zhǎng)，而黏性土堤則相反，這主要是由于黏性土堤不易坍塌，在同一流量下可較早達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，黏性土在低溫環(huán)境下凍結(jié)，當(dāng)溫度升高時(shí)孔隙冰逐漸融化，土顆粒間的膠結(jié)作用和黏聚力減小，土體會(huì)在自重作用下產(chǎn)生沉降。為了盡量避免融沉現(xiàn)象對(duì)凍土試驗(yàn)的影響，堤防凍結(jié)完成后便立即開展?jié)Q試驗(yàn)，且在同一低水溫和氣溫環(huán)境下進(jìn)行。本文研究成果有助于初步了解凍土條件與洪水條件下堤防潰決過(guò)程的差異，但實(shí)際情況下季節(jié)性凍土區(qū)堤防會(huì)經(jīng)歷完整的凍融循環(huán)作用，因此，關(guān)于融沉現(xiàn)象對(duì)潰堤過(guò)程的影響需在之后的凍融循環(huán)試驗(yàn)中進(jìn)一步考慮。

表2 潰口形態(tài)變化參數(shù)

潰口的垂向深度和橫向?qū)挾仁敲枋鰸⒖谛螒B(tài)的主要指標(biāo)，本文選取堤頂若干斷面計(jì)算實(shí)時(shí)平均潰口寬度和深度。各工況潰口形態(tài)變化見圖6～8。由圖6可知，前200 s潰口形態(tài)演變最為劇烈，凍土條件下的潰口擴(kuò)展速率小于洪水條件，尤其是在橫向展寬階段，且最終潰口寬度隨凍土深度的增加而減小。黏性土堤潰決前期可觀察到明顯的堤頂蝕退現(xiàn)象，由圖7可知，凍結(jié)后堤頂平均蝕退速率減小，且由于堤身分層，蝕退速率有明顯波動(dòng)。

圖6 非黏性土堤潰口形態(tài)變化

圖7 黏性土堤堤頂蝕退過(guò)程

黏性土堤潰決過(guò)程中，堤頂和背水側(cè)坡腳的潰口寬度變化如圖8所示，可以看出，坡腳處潰口連續(xù)擴(kuò)展，而堤頂處潰口寬度呈明顯的“階梯式”增長(zhǎng)。此外，與洪水期相比，凍土條件下的潰口平均展寬速率較小，且與凍土深度呈負(fù)相關(guān)。

圖8 黏性土堤潰口寬度變化

2.4 潰決區(qū)域水力要素變化特性

堤防上下游水位差是影響潰口展寬的重要因素，各工況下潰決區(qū)域的水位、流速變化見圖9和圖10，圖中hq、hh分別為堤前、堤后水位，vx、vy分別為x方向、y方向流速。將多普勒流速儀沿堤防臨水側(cè)坡腳線布置，測(cè)量位于潰口中心線且距槽底5 cm處的測(cè)點(diǎn)的三維流速，x軸正方向與入口流量方向相同，y軸正方向?yàn)轫樀谭乐赶蛑鞑蹍^(qū)上游方向。該點(diǎn)流速不僅可以反映堤前主槽區(qū)河道水流強(qiáng)度，還可以反映潰堤過(guò)程上游分流對(duì)堤防決口的沖蝕強(qiáng)度。

圖9 非黏性土堤潰決區(qū)域水位、流速變化

圖10 黏性土堤潰決區(qū)域水位、流速變化

可以看出，堤后沖蝕階段少量水流通過(guò)潰口，而上游來(lái)流恒定，故堤前測(cè)點(diǎn)水位微升。該階段后期堤后沖積扇擴(kuò)展至測(cè)點(diǎn)處，此處水位上升。橫向展寬階段潰堤水流呈明顯的非恒定流特性，初期堤前后水位差最大，潰口水流呈急流狀態(tài)，流速快速增大至峰值。隨著潰口擴(kuò)展，堤前水位回落，堤后水位上升，流速趨緩。對(duì)于非黏性土堤，該階段測(cè)點(diǎn)水位、流速變化率與凍土深度呈負(fù)相關(guān)。而對(duì)于黏性土堤，凍結(jié)后測(cè)點(diǎn)水位、流速變化率與洪水期相比明顯減小，但凍土厚度的持續(xù)增大對(duì)堤防的潰決影響較小。黏性土堤潰口擴(kuò)展以兩側(cè)大面積的土體坍落為主，測(cè)點(diǎn)水力要素的波動(dòng)較大。沖淤平衡階段水流呈緩流狀態(tài)。

潰口流量是決定洪泛區(qū)淹沒程度的關(guān)鍵指標(biāo)，本文在主槽區(qū)下游出口處設(shè)置巴歇爾槽，通過(guò)此處測(cè)點(diǎn)水深計(jì)算流量，計(jì)算結(jié)果可間接反映潰口流量變化。各工況下巴歇爾槽流量qb變化曲線見圖11，圖中t*代表當(dāng)前時(shí)長(zhǎng)與總時(shí)長(zhǎng)的比值。可以看出，上游來(lái)流恒為100 m3/h時(shí)，巴歇爾槽流量先減小后趨于穩(wěn)定，且黏性土堤組次流量波動(dòng)較大。工況N-0、N-2、N-4、C-0、C-2、C-4下降段的流量平均變化率分別為0.54(m3·h-1)/s、0.40(m3·h-1)/s、0.34(m3·h-1)/s、0.11(m3·h-1)/s、0.08(m3·h-1)/s、0.07(m3·h-1)/s，這表明凍土條件下的流量變化率小于洪水條件下的流量變化率，且與非黏性土堤相比，黏性土堤受凍土厚度的影響較小。

圖11 巴歇爾槽流量變化曲線

3 結(jié) 論

a.本文提出的潰口形態(tài)測(cè)量方法無(wú)需在水流或堤防中安裝儀器，具有便攜、無(wú)侵入性、靈敏度高等特點(diǎn)。采用該方法不僅能夠獲取潰堤全過(guò)程的潰口形態(tài)參數(shù)，還能很好地捕捉到非黏性土堤潰決過(guò)程中出現(xiàn)的陡坎沖蝕、懸臂坍塌、弧形坎擴(kuò)展、堤身分層等現(xiàn)象，以及黏性土堤潰決過(guò)程中出現(xiàn)的陡坎合并、弧形坎擴(kuò)展、雙曲線形潰口、大體積坍塌等現(xiàn)象。

b.凍結(jié)作用增大了土體黏聚力，從而使?jié)⒖跀U(kuò)展速度減緩，穩(wěn)定潰口寬度減小。

c.堤防上下游水位和潰口流速變化過(guò)程與潰口發(fā)展過(guò)程相對(duì)應(yīng)，黏性土堤潰口坍塌體體積較大，測(cè)點(diǎn)水位和流速波動(dòng)較大。

d.凍土條件下堤防背水側(cè)與堤頂?shù)倪B接處薄弱易潰，應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)，且一旦潰堤應(yīng)優(yōu)先對(duì)臨水側(cè)進(jìn)行封堵。