茂县宗渠堰塞湖漫顶溃决洪水演进规律模型试验研究

胡桂胜 ，陈宁生 ，邓明枫 ，邓 虎

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都610041;2.中国科学院研究生院，北京100049;3.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都610041;4.成都理工大学，成都610059)

由于滑坡、地震、泥石流或火山熔岩等因素导致河道阻塞进而形成的湖泊称为堰塞湖[1]。5◦12汶川大地震诱发了大量的堰塞湖，根据四川水利抗震救灾指挥部的汇总，截至2008年5月19日，共发现坝高10 m以上的堰塞湖33个[2]。堰塞湖对人类的最大威胁，主要来自堰塞湖坝体突然溃决导致堰塞湖中大量蓄水快速下泄而引发的洪水灾害[3]，如1933年8月25日四川叠溪7.5级地震导致岷江叠溪段形成3处堰塞湖(大海子、小海子、叠溪海子)，使岷江断流43 d，江水回水长度达20余公里[4]。10月9日(地震后45 d)晚上7点发生第一次溃堤，溃决洪峰流量达10 500 m3/s，最大水头高度达70 m，溃决洪峰到达下游150 km的都江堰市，这次溃决洪水造成12 500人死亡，大量建筑被毁，财产损失巨大[5]。之后，在1936年8月21日、1986年6月15日、1992年6月28日又发生了三次溃坝，每次溃决都给下游人民带来了不同程度的祸害。据不完全统计，堰塞湖溃决洪水造成近万人员伤亡，次生灾害超过地震本身[6]。因此，在对堰塞湖安全处置、下游居民安全转移等决策过程中，科学预测堰塞湖溃坝风险及其洪水影响是关键[3]。

目前专门针对堰塞坝开展的溃坝研究还比较少见，大多是与人工土石坝的溃坝、水利工程土坝溃坝研究相结合，或借用人工土石坝溃坝模拟的研究成果。国内外学者对灾难性溃坝洪水做了大量的试验研究[7-10]，对洪水的演变进行了一系列的模型试验，有的研究者还进行了野外试验，前人的这些工作使溃坝洪水的研究有了很大进步[11]。Costa等人统计了73处堰塞湖的溃决，发现溃决的主要方式为溢流，而管涌和边坡失稳引起的溃决只占很小比重[12]。许强等人统计了汶川地震后有一定规模和代表性的32处溃决堰塞湖，发现84.4%的堰塞湖溃决属于漫顶溃决[13]。但目前国内外针对地震堰塞湖漫顶溃决(漫顶可分为溢流漫顶和涌浪漫顶[14])洪水演进的研究相对比较缺乏，本文选取四川省茂县宗渠沟堰塞湖为原型，通过野外模型试验模拟宗渠堰塞湖漫顶溃决过程，来揭示堰塞湖漫顶溃决洪水的演进规律，为今后更好地进行堰塞湖排险、溃决洪水的深入研究奠定良好的基础。

1 宗渠堰塞湖概况

宗渠堰塞湖位于宗渠沟两河口下游约0.5 km处。宗渠沟系岷江中游左岸的一级小支流，发源于龙门山中段九顶山。宗渠沟流域位于茂县石鼓乡境内，流域地理坐标为东经 103°48′17″-103°53′52″，北纬31°33′31″-31°38′39″。流域形状呈扇形，河流走向大致东南流向西北。流域面积34.5 km2，主沟长10.7 km，河道平均比降16.7%。在5◦12汶川地震作用下，宗渠沟中游左岸的龙头包峰发生崩塌，总崩塌方量约为150万m3，其中120万m3冲入宗渠沟内，形成一个高60～80 m，宽100 m，顺沟长度近350 m的堰塞坝，堵断宗渠沟正常水流，形成一个35 m最大水深，25万m3库容的堰塞湖，堰塞体主要为崩塌堆积物，岩性为泥盆系层坚硬-半坚硬工程地质岩组，灰色厚层结晶灰岩与薄层石英千枚岩板岩，粗颗粒较多，块径一般30～100 cm，最大粒径达700 cm以上。2009年3月21日，由于茂县气温急剧升高，堰塞体的左岸龙头包的前期积雪及九顶山脉积雪融化，龙头包坡面松散固体物质启动产生泥石流，部分泥石流进入湖体淤塞库区，同时主沟大量冰雪融水进入堰塞湖，该堰塞湖历时310 d，于2009年3月21日发生漫顶溃决。

2 模型试验设计

2.1 模型试验原型选取

本文模型试验选取四川省茂县宗渠沟堰塞湖为原型，地点选为茂县宗渠沟堰塞湖下游约1 km处，如图1所示。宗渠堰塞湖是5◦12汶川地震诱发的堰塞湖之一，而且是汶川地震后为数不多的没有经过应急处理的已溃堰塞湖，所以选取宗渠堰塞湖为模型试验原型具有一定的代表性。笔者曾先后三次到达过宗渠堰塞湖现场，获得了比较全面的基础资料，为模型试验的顺利进行奠定了良好的基础。

图1 模型试验现场示意图

2.2 模型布置

整个模型试验区由三部分组成:供水和补水系统;坝体、库区模拟段;下游河道。模型试验布置图见图2-3。

图2 试验模型槽俯视图(单位:m)

图3 试验槽横断面图

图4 试验堰塞体纵剖面图

2.3 模型参数

笔者通过对四川省安县肖家桥堰塞湖、罐滩堰塞湖、茂县宗渠沟堰塞湖的现场调查，确定堰塞体的主要特征值，并参考以往的经验[15]，同时考虑试验场地的限制，确定模型参数见表1，试验堰塞体纵剖面见表1，图4。

试验前通过颗分试验得到宗渠堰塞湖坝体的颗粒级配，然后将大于5 mm的颗粒按100∶1进行缩放后进行等质量替换，小于5 mm的颗粒保持原级配不变。等量代替后的级配仍保持原来的粗粒含量，细料含量和性质不变。试验用料为2009年3月21日宗渠堰塞湖溃决后冲刷到下游的堆积体。将堆积体进行人工筛分后按试验设计的颗粒级配配样。最终采用的颗粒级配见图5。

图5 试验用料颗粒级配曲线

表1 模型设计参数

3 试验过程与结果分析

3.1 试验过程

试验过程中，堰塞体溃口处通过DV摄像进行试验观测和进行溃口断面与流速测量，坝体下游1～10 m通过标记记录水位最大值(图6)，坝体下游10 m处通过DV摄像记录水位随时间变化(图7)。试验布置完成后启动上游进水阀门，保持堰上水头4 cm，按照直角三角堰流量计算公式[16]

式中:C0——直角三角堰的流量系数，一般取值为1.4;H——堰上水头，对应的流量为448 cm3/s。当水位逐渐上升到坝顶高程以上后，发生漫顶溃决破坏。

图6 溃坝后下游某处最大水位图

图7 溃坝过程中下游10 m处水位变化

3.2 试验结果与分析

试验后整理溃决洪水最大水深观测值、下游10 m处水深随时间变化的DV摄影资料，从而得到溃决洪水最大水深随距离的变化关系(图8)、下游10 m处水深随时间变化关系(图9)、用DV记录整个过程中库区水位变化，通过对时间差分推导出堰塞湖水量平衡方程:

式中:V——堰塞湖的蓄水量;Δt——考虑的时间段;Q1——Δt时间内堰塞湖的出库水量;Q2——Δ t时间内堰塞湖的入库水量。得到溃决流量随时间变化关系如图10所示。

图8 溃决洪水最大水深随距离变化曲线

图9 溃决过程中10 m处水深随时间变化曲线

由图8可见，下游2～10 m处溃决洪水最大水深随下游距离的增大呈波动变化，坝体中轴线下游起始2 m处最大水深值最大，而且总体上呈现较明显的下降趋势。笔者于2009年11月7日在当地村民唐树斌的陪同下对茂县宗渠沟堰塞湖溃决洪水演进过程进行实地调查，从堰塞湖溃口(N31°37′16.5″，E103°50′05.9″)出发，沿着溃决洪水下游 1 km 进行溃决洪水水位调查，其沿程最大水位变化见图11。从图11中可以发现其最大水深变化趋势与模型试验所得到最大水深随距离变化的关系曲线较为接近。

由图9可见，溃决洪水水位在某处的变化呈现先增大后减小的规律，在溃决过程中某一时刻到达最大值(模型试验中这一时刻为漫顶过流后225 s)，这主要是由于溃坝流量先增大后减小。

图10 溃决流量随时间变化曲线

图11 实地调查堰塞湖溃决洪水水位变化曲线

溃决流量是溃决过程中的一个重要参数，决定着下游的危险区范围，是堰塞湖漫顶溃决研究中的一个重要内容。按照库区水量平衡方程推导出不同时刻溃决洪水流量计算公式:

根据库区水位视频录像，以坝顶过流为起点，对过流时间进行差分，读取某一时刻的标尺刻度，并换算得到库区水位。根据试验槽的几何规格确定对应水位时的水面面积。根据式(3)计算得到溃坝流量(图10)。由于湖区标尺处水位在溃决过程中有波动现象，造成流量计算中水位取值存在误差，流量计算结果出现不规则突变，但溃决流量的总体趋势不会受到较大的影响。结合溃口发展与溃决流量过程，将溃决过程分为缓慢侵蚀和快速侵蚀两个阶段，二者以溃口发展到上游坡面为界。缓慢侵蚀段一般形成多个陡坎，陡坎分层分布，分层侵蚀。由于坝体挡住了所有库区水体，库区水量不变，仅有上游来水侵蚀溃口，水流作用水头低，流量小(图10)，陡坎发展缓慢;溃口发展到上游坡面之后，残余陡坎变成一个三角体，抗侵蚀能力变弱，陡坎高程加速下降，库区水体参与到溃口的侵蚀过程，作用水头(等于陡坎降低高度加上原坝上水头)增大，流量迅速增加，侵蚀速度明显加快。溃决完成后，坝体进入稳定常态化过程，在这个阶段内，坝体溃口与过坝流量保持不变。

从图10可以发现，过坝流量首先随着漫顶时间的增加逐渐增大;当漫顶时间达到一定值时(模型试验中这一值为距漫顶过流124 s)，过坝流量急剧上升继而到达最大值;当过坝流量达到最大值之后，流量随着漫顶时间的增加出现波动但总体趋势是减小。这是由于土体的冲刷破坏是水流运动时产生的剪应力超过土体的抗剪强度所造成的。由于堰塞体的颗粒大小不一，分布不均，各处的抗剪强度存在较大差异。细小颗粒间接触面小，抗剪强度低，最先发生剪切破坏，破坏后，小颗粒即被水流搬运;大颗粒与其他颗粒的接触面积大，抗剪强度较高，不易发生剪切破坏，它们只有在与之接触的小颗粒完全被搬运后才会发生运动。由此可见，土体强度的差异使水流表现出差异性侵蚀(即水流在大小颗粒接触面表现出不同的侵蚀能力)，并使溃坝流量随时间呈现出波动特征。根据图10得到的溃决流量随时间的变化关系建议在堰塞湖排险过程中，排导槽应选择在大石块比较集中的部位或者固结程度更高的部位。由于大石块可视为局部的土体固结，所以大石块集中的部位不易被水流侵蚀。实际操作中可运用地质雷达等手段得到土体密度更高或含更多大石块的部位，从而设计出更加有效的排导槽，更好地进行堰塞湖的人工排险。

4 结语

堰塞坝溃决过程与溃决流量变化是非常复杂的，涉及到水文学、水力学、泥沙运动力学、河床演变学、土力学等多门学科。本试验针对地震堰塞湖漫顶溃决情况进行研究，描述了溃坝洪水演进过程，分析溃口发展过程及其溃口流量随时间的变化规律。

坝体漫顶溃决是水流与坝体相互作用的结果，而漫顶情况下水流的主要作用区域在溃口，因此，溃口发展过程的实质是坝体漫顶溃决的过程。水流运动过程中侵蚀沟道形成陡坎，水流在陡坎处形成跌水，在陡坎底部出现旋流，水流旋流产生较大的剪应力，剪应力不断侵蚀陡坎，使陡坎不断向前推进。陡坎向前推进后，两岸形成陡立的临空面，由于土体疏松，强度较低，加上土体饱和后，滑动力增大，强度降低，两岸土体在重力作用下发生坍滑破坏，小规模坍滑发生后，坍滑土体中的细颗粒随即被水流冲刷，粗大颗粒沉积在溃口表层;而大规模坍滑发生后则有可能堵塞溃口，阻止堰塞湖的进一步溃决。由此可见，溃口在纵向上的发展主要以陡坎前进的方式推进，而横向上主要由土体坍滑失稳引起。本模型试验较好地模拟了地震堰塞湖漫顶溃决洪水演进过程，及其溃坝流量过程，为今后类似研究和应急排险奠定了基础，但由于堰塞坝体下游河道参数较为缺乏，本试验未能进行模拟，模拟结果准确性有待进一步提高，其规律有待更深入的揭示，这也是下一步的研究重点。

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