不同水头高度下堤防溃决冲刷坑变化特性研究

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 概 述

我国地域广阔，江河湖泊数量众多，但是，受到气候条件的影响，水资源总量在地域和时空上分布极不均匀，集中降雨造成的大量水流汇集，极易诱发洪涝灾害。为了减少洪水灾害带来的人员和财产损失，人们创造了许多防洪工程和非工程措施。其中，堤防作为最古老的防洪工程措施，可以在抵御洪水灾害方面发挥重要作用。但是，堤防本身也存在一定的设防标准，一旦发生超过堤防设防标准的洪水，就可能产生堤坝溃决，由于人造堤坝蓄积的势能瞬间释放，往往会产生难以抵御的毁灭性力量[1]。堤防溃决之后，溃口会持续发展并对下游产生复杂的冲刷作用，该方面的研究对堤防溃决应对预案的制定和防灾减灾具有重要价值。与理论和数学模型研究相比，物理模型具有直观性和真实性的优势，可以对水沙运动规律进行清晰反映，因此一直是水利工程领域的重要研究手段。

S.Benoit和Y.Zech等通过物理模型试验，研究了溃坝水流在动床上的传播、冲刷和淤积过程[2-3]；田治宗等学者利用物理模型试验对黄河堤防在不同溃口条件下的溃口区流速、冲淤变化进行了研究[4]；陆灵威等通过不同沙粒粒径和流量条件下的模型试验，研究了下游冲坑的形成机理与影响因素[5]。鉴于堤防溃决后的冲坑特征是判断洪水危害程度的重要指标，本文在借鉴上述学者研究方法和成果的基础上，采用物理模型试验的方法，对不同水头高度下堤防溃决冲刷坑变化特性进行研究。

2 试验设计

2.1 试验布置

图1 试验模型布置示意图

该研究以辽宁省太子河本溪市石门沟河段堤防工程为背景，设计了4m×4m的动床试验模型，平面布置见图1。其中，进口水流流量通过电磁流量计控制，进口水位利用自动水位计进行监测，为便于水头高度的控制，将蓄水池的尾门设计为翻板式；在溃口部位的河道一侧布置一个自动水位计，保证试验过程中河道水位稳定；在下游冲刷区布置4个自动水位计，监测试验过程中上述部位的水位变化，同时在该区域布置1台地形仪，用于对冲坑变化情况进行测量。从溃口处开始以0.20m间距选取20个测量断面，考虑研究河段的实际情况，选择粒径为0.25mm的天然砂。

2.2 试验方案

根据相关研究成果，河流堤防溃决之后的冲刷作用主要有两个影响因素，一是溃堤水头，二是溃口宽度[6]，因此，此次研究结合研究河段的实际情况，设计了5cm、10cm和15cm三种不同的溃堤水头以及10cm、30cm和50cm三种不同的溃口宽度。表1为试验工况和试验组次。

表1 试验工况和组次设计

为了模拟更接近天然情况的溃决过程，该研究根据相关设计经验，选用双木板抽拉式溃口设计方案，溃决方式设定为瞬时溃决[7]。为了使试验过程中水流不冲刷至底板，同时尽量减小厚度以降低试验成本，需要对最不利工况下的最大冲坑深度进行计算，以便对模拟堤坝溃决条件下的动床厚度进行确定。本次研究中根据相关研究成果和模型试验推导的公式进行计算，获得工况1下的最大冲坑深度为0.36m，为了保证试验的有效性，将铺设厚度设定为0.40m[8]。

2.3 试验步骤

试验开始之前的动床模型的填埋过程中，要进行充分拍压，以保证模型本身的密实性，使每组试验过程中的动床密实性相同，保证试验结果准确有效；试验开始后，首先调节蓄水池尾门高度，保证蓄水池内的水位与试验工况所确定的水位高度保持一致，待水位高度稳定后，抽出模拟决口部位的木板；在溃决开始后，要视蓄水池内水位下降情况加大进水口流量，以保持池内的水位稳定。当冲刷坑变化趋于稳定后关闸停水，待试验模型中的“洪水”消退完毕后测量地形数据。

3 试验结果与分析

3.1 冲坑形态等值线分析

对三种不同工况的9组试验结果中的冲刷区高程测量结果进行统计，获得冲刷区域内冲坑形态的等值线图(见图2～图10)。其中，溃口中心点坐标为x=0，y=2，z=40，为动床的原始高程。由不同工况、不同组次的冲坑等值线图可知，如果不考虑水头高度之外的其他因素，冲刷区内的冲坑深度会随着水头高度的增加而增大，同时冲刷范围也不断扩大，上述发展过程的变化趋势比较接近。

图2 组次1冲坑形态的等值线图

图3 组次2冲坑形态的等值线图

图4 组次3冲坑形态的等值线图

图5 组次4冲坑形态的等值线图

图6 组次5冲坑形态的等值线图

图7 组次6冲坑形态的等值线图

图8 组次7冲坑形态的等值线图

图9 组次8冲坑形态的等值线图

图10 组次9冲坑形态的等值线图

3.2 典型断面分析

为了进一步研究堤坝溃决时的水头高度对下游冲坑特征的影响规律，在20个预设断面中选取两个典型断面进行深入分析。这两个断面分别为溃口终点部位垂直于河道方向的纵断面以及与河道平行的1号断面。通过对上述断面实测数据的整理，获得不同断面和工况条件下的冲坑纵剖面图(见图11～图16)。其中，图11～图13分别为不同溃口宽度和水头高度条件下的冲坑典型纵断面图。图中的纵坐标为动床高程，原始高程为y=40；横坐标是与溃口的垂直距离。由图11～图13可知，在溃口宽度相同的条件下，冲刷坑的深度和范围均随着水头高度的增加而增大。冲刷坑的纵剖面并不具有左右对称特点，在靠近堤坝溃口部位存在一个明显的突降，在达到最低点之后再逐渐平缓上升。图14～图16分别为不同溃口宽度和水头高度条件下的冲坑典型横断面图。图中的纵坐标为动床高程，原始高程为y=40；横坐标是与平行于河道方向的断面起点距离。由图14～图16可以进一步证实上述结论：在其他条件相同时，冲刷坑的深度和范围随着水头高度的增加而增大，特别是冲刷坑在与河道平行方向上的宽度随着水头高度的增加而增大。

图11 工况1条件下冲刷坑纵断面

图12 工况2条件下冲刷坑纵断面

图13 工况3条件下冲刷坑纵断面

图14 工况1条件下冲刷坑横断面

图15 工况2条件下冲刷坑横断面

图16 工况3条件下冲刷坑横断面

为了进一步表达冲刷坑深度和水头高度之间的关系，根据相关试验数据，获得不同溃口宽度下冲刷坑深度与水头高度之间的关系曲线(见图17)。由图中的曲线可知，在其他条件相同时，冲刷坑的深度和范围随着水头高度的增加而增大，另一方面，曲线的斜率并不会随着溃口宽度的增加而明显改变，说明冲刷坑最大深度会随着水头高度的增加而保持基本恒定的变化率。

图17 水头高度与冲刷坑的最大深度关系曲线

4 结 论

洪水极具破坏性，对溃堤洪水造成的堤后冲刷现象进行深入研究和内在规律探讨具有重要的理论和实践意义。本文以太子河本溪段河道为工程背景，利用概化模型试验的方法，对不同溃决水头高度下的冲坑形态进行试验研究，获得如下结论：如果不考虑水头高度之外的其他因素，冲刷区内的冲坑深度会随着水头高度的增加而增大，同时冲刷范围也不断扩大；随着溃口宽度的增加，水头高度与冲刷坑的最大深度曲线的斜率基本不变，说明水头高度与冲刷坑变化速率之间的关系并不明显。