不同浑浊度溃坝流体流动特性研究

张宏刚　张园园　方有令

摘要：为了研究不同浑浊度溃坝流体流动特性，用4种质量浓度的黏土混合液模拟不同的水体浑浊度，通过自行研制的水库溃坝流体流动特性模拟试验装置研究了不同浑浊度流体的流动特性。试验结果表明：① 溃坝流体的淹没高程随浑浊度的增加而增大，4种浑浊度（10%，20%，30%，40%）的流体到达下游2 m处3 s后产生的淹没高程分别为6.5，7.7，9.0，10.5 cm;② 冲击力随流体浑浊度的增加而减小，Ⅰ级（10%）、Ⅱ级（20%）、Ⅲ级（30%）、Ⅳ级（40%）浑浊度流体在距坝趾4 m处产生的冲击力峰值分别为4.1，1.6，0.6，0.5 kPa，同时冲击力在溃坝后4 s（相当于现场80 s）内即可达到峰值;③ 流体的流速随浑浊度的增加而减少，且流体在1 s（相当于现场20 s）内即可达到速度峰值。

关键词：溃坝流体; 冲击力; 流动特性; 浑浊度; 模型试验

中图法分类号： TV133

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.033

0引 言

水库虽给人类社会带来了巨大的经济效益，但同时也是一座具有高势能的人造泥石流危险源，若水库在诸多外界因素影响下发生溃坝，会严重危及下游居民的生命财产安全，且造成的损失是无法估计的，如法国的Malpassset拱坝事故、意大利的Vajont拱坝事故、中国的石漫滩水库事故以及美国的Teton大坝事故，均给下游造成了灾难性的后果[1]。因此急需对其进行深入研究，以完善防灾减灾工程。通过资料搜集与研读，笔者发现学者们对水库坝体已进行了诸多研究[2-5]，且获得了卓有成效的研究成果，但大多未考虑到坝体溃坝后流体往下游倾泄的时空演化过程。

为此，刘慧[6]、杨忠勇[7]、徐江[8]、陈宇豪[9]等采用相似模型试验、数值模拟等方法对水库溃坝后溃坝流体的动态演进过程进行了研究，阐

述了溃坝洪水在下游的发展规律。同时赵海鑫[10]、曾超[11]、于献彬[12]等研究了水库溃坝后流体在流动过程中对下游物体的冲击力，发现流体的冲击力随流体容重、沟谷坡度的增加而增大，并提出了诸多防护措施。

然而，在库水浑浊度对溃坝流体流动特性影响方面的研究还相对较少。而实际情况中不同的水库大坝其浑浊度是截然不同的，溃坝后流体对下游的影响程度也就不同。鉴于此，本文通过自行研制的水库溃坝试验装置，进行了不同浑浊度下的溃坝试验，探析了浑浊度对水库溃坝流体流动特性的影响，分析了流体在下游的淹没高程、流速及冲击力，为库区下游的防灾减灾工作提供参考。

1试验设备及方法

1.1试验设备

试验装置为根据秧田箐尾矿库的几何尺寸，以1∶400的比例自行研制的水库溃坝模型试验台，整个试验台包括库区、黏土混合液搅拌系统、溃坝闸门、下游冲沟、下游冲击力测量装置、流态监测系统、坡度调节装置、弯度调节装置等组成部分。此装置可实现一定的坡度变化及弯度变化。冲击力测量装置由压力传感器、传感器支撑板（模拟下游建筑物）、动态应变仪及电脑组成，具体操作步骤是：将传感器支撑板固定于下游冲沟底面，传感器安设于支撑板上，潰坝流体在流动过程中对支撑板的冲击力作用在传感器上，通过动态应变仪及电脑记录支撑板所受冲击力的变化情况。为便于清晰地分析流体在下游冲沟的流态演进过程，整个试验装置除支架及冲沟支撑底板外全部采用全透明钢化玻璃制作。其中库区的几何尺寸为200 cm×60 cm×50 cm（长×宽×高），下游冲沟的几何尺寸为650 cm×30 cm×30 cm（长×宽×高）。整个水库溃坝流体模型试验装置全貌如图1所示。

1.2试验目的

通过水库溃坝模型试验台对水库瞬间全溃后不同浑浊度流体的流态演进过程，及流体运动过程中应力场和流场分布规律进行模型试验研究，全面分析溃坝灾害的影响范围和程度（淹没高程及流速），为下游的防灾减灾工程等一系列安全问题提供可靠、坚实的理论基础。同时设计单位可根据溃坝试验数据决定是否在坝体下游建立拦挡坝、导流槽，以减轻溃坝流体对下游重要建筑物的冲击力度，达到防灾减灾的目的。

1.3试验材料及方法

试验材料来源于重庆某土质边坡，采用专业的激光颗粒分析仪对黏土颗粒进行粒径分析测试，获得试验土的颗粒粒径分布情况如图2所示。然后通过室内土工实验（渗透实验、压缩实验以及三轴剪切实验）对6组黏土试样开展力学性能测试，以获得如表1所列的部分性能指标。

以10%，20%，30%，40%四种质量浓度的黏土混合液分别模拟Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级浑浊度的流体。以2%的坡比作为下游冲沟的坡度，并对其进行水泥拉毛处理，以模拟实际现场下游冲沟的粗糙度（用粗糙度检测仪测定出冲沟的粗糙度为0.012 μm）。接着在不同的研究断面（距坝趾2，4，6 m）安置传感器及量尺，其中传感器与动态应变仪及电脑连接，以此来测量研究断面的淹没高程、冲击力及流速（采用位移示踪点法）的变化情况。试验前对所有测量装置进行调试（包括动态应变仪数据归零、摄像机角度调整等），然后通过搅拌系统配制不同浑浊度浆体，并通过输送管道将浆体输送至水库库区。最后待库区内浆体静止后迅速将溃口闸门提升以模拟水库瞬间全溃。为减小试验误差，每种浑浊度的流体溃坝试验均进行3次，文中的试验数据为3次试验的算术平均值;同时结合文献[13]的建议比尺（淹没高程、冲击力、时间的比尺分别为1∶400，1∶557.3，1∶20）放大试验数据以了解现场的影响程度。

2结果与分析

2.1流态特性

图3为不同浑浊度的库区浆体在溃坝后到达下游2 m（距坝趾2 m）后3 s时的淹没高程。从图3可以看出：水体浑浊度为Ⅰ级时，溃坝流体到达下游2 m后3 s时的淹没高程为6.5 cm（相当于现场26 m）;而当水体浑浊度为Ⅱ级时，淹没高程增加为7.7 cm（相当于现场30.8 m）;最后当水体浑浊度增加到Ⅳ级后，溃坝流体到达下游2 m后3 s时的淹没高程增至10.5 cm（相当于现场42 m）。这说明水体浑浊度对流体在下游产生的淹没高程具有显著影响，表现为流体在下游产生的淹没高程随水体浑浊度的增加而增大。

同时，以下游冲沟2 m（与坝趾的距离）处为研究断面，记录不同时刻流体在该断面的淹没高程，获得不同浑浊度流体在下游冲沟2m处的动态演化规律，如图4所示（以I级浑浊度流体到达参考点的时间为坐标原点）。从图4中可以得知：每条曲线的起始时刻不同，说明水坝溃坝后，不同浑浊度的流体到达下游冲沟2m处所需要的时间存在一定的差异。Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级流体相比Ⅰ级浑浊度流体到达研究断面所耗时间分别增加了0.3，0.6，1.0 s，说明流体到达研究断面的耗费时间随浑浊度的增加而增加，即下游居民有更多的时间用于撤离。但并不意味着流体浑浊度越高越有利于居民撤离，因为浑浊度带来的淹没高程、冲击力变化是不可忽视的。

从图4还可知，流体在各断面处产生的淹没高程随浑浊度的增加而增长，产生这一现象的原因是流体的黏度随流体浑浊度或浓度的增大而增大，同时黏度越大的流体与接触面之间的摩擦力越大[14]，从而使流体在接触面（研究断面）上的滞留时间增加，即流体不能快速流出研究断面，从而使动能逐渐转化为势能，并以淹没高程增加的形式呈现出来[15]。分析淹没高程随时间的变化曲线可知，从溃坝开始，流体在较短时间内即可到达最大淹没高程，随后流体的淹没高程先后经历快速下降和缓慢下降两个阶段，此结论与文献[15-16]研究成果相吻合。

2.2冲击力特性

通过冲击力测量装置获得了溃坝流体冲击力隨时间变化的曲线，如图5所示，从上至下依次为距坝址2，4，6 m。从图5中可以看出：流体在下游产生的冲击力随流体浑浊度的增加而减小;如Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级浑浊度流体在距坝趾4 m处产生的冲击力峰值分别为4.1，1.6，0.6，0.5 kPa（相当于现场2.28 MPa、0.89 MPa、0.33 MPa、0.28 MPa）。这是因为浑浊度越大，流体的黏度增大，致使流体内各分子间的相互作用力增强，流体与接触面之间的摩擦力增大，从而降低流体的流速。又由于流体的流速与冲击力呈正相关关系[17]，因此流体的冲击随浑浊度的增加而减小。而且流体内颗粒的大小会对冲击力产生影响，而浑浊度也在一定程度上反映了流体内的颗粒大小，因此再次说明了浑浊度与流体的冲击力大小存在不可忽视的关系。从图5中还可得知：距坝趾越远，流体的冲击力越小，这是因为流体在流动过程中由于其与沟槽的相互作用使其一直在经历能量的耗散过程，同时动能也部分转化成了势能，因此流体的冲击力随着距离的增加而逐渐减小，直至流体停止流动。从图5中可知溃坝流体到达研究断面后在4 s内即可达到冲击力的峰值。

2.3流 速

通过位移示踪点法（通过流体在研究断面的流动时间及路程求其流速）测得不同断面处的流速，如图6所示，从上至下依次为距坝趾2，4，6 m处。需要补充说明的是，由于技术方面的因素，本次试验测试的是不同时间段的平均流速。从图6中可以看出：流体的流速随流体浑浊度的增加而减小，如Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级浑浊度流体在距坝趾2 m处的峰值流速分别为3.20，2.85，2.53，2.45 m/s。这是因为浑浊度越高，流体的黏度越大，而黏度体现了流体内各物质之间的摩擦力，黏度越大则摩擦力越大，从而使流体与沟槽之间的摩擦力增大，继而减小流体的流速。同时还可分析出流体在1 s（相当于现场20 s）内即可达到速度最大值，可见当水库溃坝时，下游一定范围内的居民完全来不及撤离，故做好水库大坝的监测预警工作是做好防灾减灾工作的必备环节。

3讨 论

通过试验研究可以看出，浑浊度越大，流体在下游产生的淹没高程（沟谷两测）越大，对下游建筑物的冲击力越小。水库溃坝时流体所具有的总能量源于库水的总重力势能，溃坝后，流体的重力势能逐渐转化为动能，继而沿冲沟往下游发展。而浑浊度的变化影响着流体内物质之间的吸附力大小，随着浑浊度降低，流体的黏度逐渐减小，使流体内各物质较为松散，而非大量聚集在一起，这样就会减少物质之间的相互作用力，流体在流动过程中受到流体内物质向后的拉扯力相应较小，最后以流体在沟谷中流动速度相对较快的形式表现出来。而速度越快，溃坝后流体总势能转化为动能的速度越快，在有限的空间范围内，保留的势能也就越小，继而在下游产生的淹没高程越小。同时根据文献[17]可知，流沙冲击力与速度的平方呈正比，因此溃坝后流体对下游物体产生的冲击力因库水浑浊度的降低而增大，可见浑浊度是表征溃坝灾害程度的一个重要因素，且对溃坝灾害程度的影响是一个复杂的过程，只有综合分析流体在下游产生的淹没高程及对下游物体冲击力的大小，才能较好地衡量灾害程度的大小。而且不同地区的水库，其库水浑浊度参差不齐，如黄河、金沙江地带库水比较浑浊、长江地带库水比较清澈，故分析浑浊度对溃坝流体在下游流态演进过程的影响，即是分析了不同地区水库溃坝流体的流态演进规律。这对分类处理水库大坝溃坝事故及库区灾害评估具有重要意义。

4结 论

本文利用自行研制的水库溃坝流体流动特性模拟试验装置，通过不同质量浓度的黏土混合液改变库水的浑浊度，开展了多组溃坝试验，获得了以下结论。

（1） 水坝溃坝后，流体在下游产生的淹没高程随流体浑浊度的增加而增大，且流体到达同一断面的耗费时间也随浑浊度的增加而增加。

（2） 溃坝后，流体在同一断面所产生的冲击力及流速均随流体浑浊度的增加而减小，且距坝趾越远，冲击力及流速越小。

（3） 溃坝流体在下游产生的淹没高程、冲击力及流速的时间变化曲线均包括快速增长、快速下降以及缓慢下降3个阶段，最后直至流体停止流动。

（4） 溃坝流体到达研究断面后4 s内即可达到峰值冲击力，而在研究断面经历1 s（相当于现场20 s）后即可达到峰值流速。

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（编辑：胡旭东）

Abstract：In order to study the flow characteristics ofdam-breaching fluid with different turbidity，four mass concentrations of clay mixtures were used to simulate different water turbidity through self-developed simulation test device.The test results showed that：① The submerged elevation of the fluid after dambreach increased with the increasing of turbidity，and the submerged elevations of the four kinds of turbidity（10%，20%，30%，40%）respectively were 6.5，7.7，9.0cm and10.5 cm after reaching the downstream 2 m for 3 s.② The impact force decreased with the increasing of fluid turbidity，and the peak values of impact force generated byturbidity fluids of grade I（10%），grade II（10%），grade III（10%）and grade IV（10%）at 4 m from the dam toe were 4.1，1.6，0.6 kPa and 0.5 kPa，respectively.At the same time，the impact force can reach the peak value within 4 s（equivalent to 80 s on site）after dam failure.③ The velocity of fluid decreased with the increasing of turbidity，and the fluid can reach the peak velocity within 1s（ equivalent to 20 s on site）.

Key words：dam-breaching fluid;impact force;flow characteristic;turbidity;physical model test