干密度及细颗粒含量对滑坡坝溃决影响的试验研究

杨犇， 缪海波， 杨震， 沈艺璇

(安徽理工大学土木建筑学院， 淮南 232001)

堰塞坝是斜坡失稳体堵塞河道所形成的天然坝体[1]，主要由降雨、地震等诱发生成[2]，滑坡堰塞坝普遍发生在世界各地[3]，尤其常见于中国西南地区[4]，大部分堰塞坝存在水流漫顶溃决的危险[5]。堰塞坝不仅会给上游造成淹没灾害，而且存在溃决的风险，堰塞坝一旦溃决破坏，溃决后产生的洪水会对下游人民的生命财产造成严重威胁。例如，1786年6月四川泸定摩岗岭滑坡堰塞坝溃决，溃决洪水造成近10万人死亡[6]。因此，对滑坡堰塞坝溃决过程的研究，有利于深化对滑坡灾害链的进一步认识，对评估滑坡风险具有一定的参考价值。

鉴于堰塞坝溃决后果的严重性，国内外许多学者针对滑坡堰塞坝灾害开展了相关研究。朱兴华等[7]综述了目前堰塞坝的研究集中在溃坝模式、溃坝模型、溃坝过程、溃坝机理及溃坝洪水等。水槽模型试验主要研究滑坡堰塞坝溃决机理，这方面研究成果相对丰富。王道正等[8]通过水槽试验研究坝体颗粒级配对堰塞坝溃决特征的影响，并把溃决过程分为3个阶段。石振明等[9]通过水槽模型试验，分析了均质、非均质结构对坝体溃决的影响。黄卫等[10]通过大尺度室内水槽试验研究了堰塞坝在不同背水面坡度下的溃决过程，发现背水坡坡度越大，溃决总历时越短且溃口扩大越明显。Takayama等[11]在不同上游坝高、下游坝高和初始下游水库蓄水量条件下，对两座滑坡坝的连锁破坏进行了水槽试验研究。Gordon等[12]通过水槽试验研究了滑坡坝的破坏过程，将其划分为3个阶段，并提出了一种新的纵向演化模型。Itoh等[13]通过刚性河床上的水力模型试验，讨论了水流、细泥沙、河床荷载和大漂砾的扩散情况。Nian等[14]认为滑坡坝的形成条件与滑坡流量与水流量的比值有关，提出了一种无量纲的河流阻塞判据来判断滑坡坝的形成，并在此基础上提出河道堵塞时间长度的预测模型，最后通过29个实验结果进行了验证。Meng等[15]研究了滑坡内部结构对堰塞坝溃决的影响，以两种不同颗粒级配的土体为材料，得出坝体内部的渗流饱和过程降低了滑坡坝的稳定性，从而影响滑坡坝启动后破坏过程的演变。前人大都从堰塞坝的侵蚀、溃决两者中分析其中的一种演变过程及其特征，现考虑堰塞坝的正面破坏溃决过程以及纵向侵蚀过程。

上述研究主要集中于颗粒级配、坝体结构、上下游坝高、上游壅水流量以及初始含水量等因素对堰塞坝溃决的影响[16-18]，而对水位上升条件下，不同物质组成对堰塞坝溃决过程影响的研究相对较少。为此，现针对不同干密度、细颗粒含量开展人工堰塞坝的水槽模型试验。研究水位上升触发堰塞坝溃决过程的影响因素，以及堰塞坝的溃决破坏特征。研究成果将加深对堰塞坝溃决灾害的认识和理解，对滑坡堰塞坝灾害的发生机制解析具有一定的参考意义。

1 试验材料

试验材料采用凤阳县胜利石英砂有限公司的砂土，主要矿物成分为石英。共设置了8 组试验，S1～S5为5组细颗粒含量相同，但干密度不同的试验材料；S6～S8为3组干密度相同，但细颗粒含量不同的试验材料。各组试验土样的物性指标参数如表1所示，颗粒级配参数如图1所示。

表1 土样物性指标参数

图1 土样颗粒级配曲线Fig.1 Particle grading curve of soil sample

2 模型试验装置及试验程序

2.1 水槽模型试验装置

试验装置如图2所示,供水装置保证恒定的入库流量流入长200 cm，宽40 cm，高40 cm的模型槽，模型槽坡度设为10°，其两侧为透明亚克力板，便于观察记录试验过程中浸润线和侵蚀线发展情况；模型槽底部亚克力板上铺有硬砂纸，以增大坝体与底部接触面的摩擦系数，避免坝体失稳。选取了4个典型滑坡堰塞坝作为参考依据，分别从上下游坡比、坝顶长宽比、坝顶长高比等方面统计了坝体尺寸[19-22]，统计结果如表2所示。

表2 滑坡堰塞坝尺寸统计

由表2可知，4个滑坡堰塞坝的上游坡比范围为1∶2.5～1∶1，下游坡比范围为1∶4～1∶1.6，坝顶长宽比范围为1.25～3.378，坝顶长高比范围为1～6.25，模型试验设置的入库流量范围为0.001 17～1.5 L/s。根据所统计的堰塞坝尺寸范围和试验室水槽的实际尺寸，试验中的堰塞坝尺寸设定为：上游、下坡比均为 1∶1.75，坝顶长宽比为2.67，坝顶长高比为2，流量Q设为0.127 L/s。在离模型槽上部10 cm 处堆积堰塞坝(图2)，堰塞坝组成为粒径小于2 mm 的砂土。试验全过程由放置在模型槽侧面、下游坝面的2个摄像头记录。

图2 水槽模型试验装置图Fig.2 Water tank model test device

2.2 试验程序

为了对比不同物质组成下的堰塞坝溃决过程，主要从干密度、细颗粒含量两个方面考虑，一共设置了8组试验。以试验S1～S5为例，试验程序如下。

(1)试验开始前，根据设定的堰塞坝尺寸，在水槽侧壁玻璃上绘制坝体轮廓，调试供水装置，直至获得试验所需要的稳定流量，并架设摄像机。

(2)按照设定的颗粒级配进行筛样，然后称取各个组分的土体，以10%的初始含水率配置试样并进行充分拌匀后进行堆坝。

(3)堆坝过程采用分层堆积，每层5 cm，分4层堆好，并按照设定堰塞坝的尺寸，进行堆坝。在堆坝过程中，由于每层坝体的体积一定，不同干密度的土体，其试验所需的质量不一样，在堆坝前计算好每组试验所需的土体质量。故称取不同质量的土体，来获取试验所需要的不同干密度。为得到密实度均匀的坝体，每次分层堆坝时均压实土体，每次压实次数一致。

(4)堆坝完成后，将模型槽抬升至10°，供水装置以恒定的流量 0.127 L/s 开始注水，实时观察坝体的破坏情况。利用一个摄像头，对下游坝体溃决过程的破坏形态进行录制。通过另一个摄像头拍摄模型槽侧壁，记录坝体浸润线发展过程和溃决过程中坝体侧面的破坏形态。然后分析录像视频，截取不同关键时刻的图片，并绘制出不同材料坝体的浸润线发展过程以及水流侵蚀过程线。

试验S6～S8试验程序与S1～S5一致，值得注意的是试验S6～S8干密度一样，所以堆坝时称取的土体总质量一样，制样和取样时严格控制试验S6～S8细颗粒的质量，以便精确获取试验所需的不同细颗粒含量。

3 试验结果及分析

3.1 干密度对堰塞坝溃决的影响

3.1.1 浸润线发展过程

在其他条件相同情况下，堰塞坝不同干密度下浸润线发展过程如图3所示。

图3 不同干密度下的浸润线发展过程Fig.3 Development process of phreatic line under different dry density

由图3可知：在其他条件相同情况下，砂土渗透系数与干密度呈现负相关关系并且在一定范围内呈线性关系，即土体干密度越大其渗透系数越小。干密度较小的两组 (S1 和S2)，随着干密度增加，浸润线下边发展速率减小，同样，干密度较大的3组(S3、S4 和 S5)，随着干密度增加，浸润线下边发展速率减小，说明水在砂土堰塞坝内部渗透速率随着干密度的增大而减小，且水位上升速率随着干密度的增大而增大。这与渗透系数随着砂土干密度增大而减小的规律相吻合。

3.1.2 侵蚀过程

从水流漫顶开始计时，记录坝体在溃决过程中的侧向轮廓形态，可得坝体不同溃决时刻的纵向侵蚀线如图4所示。

图4 不同干密度下的侵蚀过程线Fig.4 Erosion process line under different dry densities

由图4可知：不同干密度下的侵蚀过程线存在共性但也有一定的区别。由于S5破坏发生在坝体中部，侧面无明显现象，不分析S5的侵蚀过程，仅从正面的溃决破坏进行分析。侵蚀过程可以分为3个阶段[22]。

(1)侵蚀第一阶段(S1～S4：10 s以前)，侵蚀主要集中在坝体下游坡面以及坡脚的位置，属于溃口贯通阶段，此时整体侵蚀速率低，下游坡面流过的水流主要为细颗粒组成的泥沙悬浊液。

(2)侵蚀第二阶段(S1、S2：10～25 s；S3、S4：10～40 s)，侵蚀加速阶段，该阶段随着坝顶被侵蚀，上游库区水流迅速下泄，水流流速激增，侵蚀能力强，对下游坝体侵蚀加剧，随着时间推移溃口不断向上游发展，下游坝面由于被水流侵蚀而凹陷形成陡坎。

(3)侵蚀第三阶段(S1、S2: 25 s以后；S4、S5: 40 s之后)，减速侵蚀阶段，此时上游库水位低，水势小，水流流量小，侵蚀能力减弱，坝体高度缓慢减小，坝体剩余物质量少。

由上述3个阶段可以看出，对于干密度较小的两组其侵蚀速度明显大于干密度较大的两组，在侵蚀的第一和第三阶段比较明显，并且在侵蚀第三阶段干密度较大的两组其侵蚀发展过程十分缓慢，随着时间推移堰塞坝的高度和厚度在缓慢减小，这也使得其溃决达到稳定时的时间明显大于干密度较小的两组。并且干密度较小的两组(S1、S2)堰塞坝的溃决持续时间远小于干密度较大的两组(S3、S4)。这是因为干密度较大，坝体抗侵蚀能力强，不易受到水流冲刷，使得干密度较大的坝体侵蚀速度慢，溃决达到稳定时的时间更长。

3.1.3 溃决破坏过程

图5给出了5种试验条件下坝体在不同溃决时刻的正面破坏形态及溃口顶宽形态。

图5 不同干密度下坝体溃决过程Fig.5 Dam collapse process under different dry densities

由图5可知：当水流漫坝后，水流冲刷下游坝面，从而形成冲沟，冲沟向上游不断发展，从而形成溃口，此时水流流量小，流速低。随着水流不断冲蚀冲沟，冲沟深度变大，水流流量增大，溃口两侧的土体会发生不同程度的崩落、坍塌，溃口宽度增大。干密度较小的3组坝体材料(S1～S3),坝体整体有沉降，并且干密度较小的3组坝体呈现从下游到上游的后退型破坏，破坏比较明显。而对于干密度较大的坝体(S4、S5)基本上无沉降，只是局部有土体坍塌。

坝体干密度不同，在流量恒定的情况下，水流对坝体的侵蚀作用有很大差异。干密度越大，水流侵蚀越慢，溃口发展越慢。干密度增加能够限制水的入渗，从而延缓水对坝体的破坏，因此，干密度大的坝体水流侵蚀越慢，坝体抗冲性变强，从而溃口发展也越慢。S1干密度小，溃决速度比较快，坝体溃口发展迅速，由于水流的冲蚀作用，溃口两侧的土体很快发生坍塌破坏，溃决流量增加，大部分坝体被冲走，随着水流量减少，坝体溃决破坏过程很快结束，达到相对稳定状态。从水流漫顶开始计时到坝体溃决达到稳定所用时间定义为溃决历时，随着干密度增加，坝体溃决历时增加。

图6 不同干密度下堰塞坝溃口顶宽发展过程曲线Fig.6 Development process curve of top width of dam break under different dry densities

从坝体水流漫顶开始计时，得到堰塞坝在不同干密度下溃口顶宽发展过程曲线，如图6所示。前期溃口的形成主要以水流冲刷为主，形成小冲沟，然后坝脚土体率先滑动，产生溃口，在水流冲刷作用下溃口不断发展。由图6可知，S1条件下溃口顶宽发展速度最快，S5溃口发展速度最慢。并且溃决达到稳定时，S1溃口顶宽最大，S5溃口顶宽最小。S1溃口宽度大约为S5溃口宽度的两倍。这是因为，干密度小的抗渗透破坏能力差，容易被水流侵蚀，其溃口就更容易发展，并且对于同一种土，干密度小的土体，抗剪强度较弱，土颗粒间的摩擦效应小，冲沟形成后产生的溃口发展越明显，溃口两侧坝体易坍塌，导致溃口宽度更大。所以S1干密度最小，其溃口发展速度也最快，所形成的溃口宽度最大。

3.2 细颗粒含量对砂土堰塞坝溃决的影响

3.2.1 浸润线发展过程

在其他条件相同情况下，不同细颗粒含量下砂土堰塞坝浸润线发展过程如图7所示。

图7 不同细颗粒含量下的浸润线发展过程Fig.7 Development process of phreatic line under different fine particle content

由图7可知：在其他条件相同情况下，砂土渗透系数与细颗粒含量之间呈现负相关关系。细颗粒含量越大土体渗透系数越小。随着细颗粒含量的增大，浸润线下边发展速率减小，说明水在砂土堰塞坝内部的渗透速率随着细颗粒含量的增大而减小，且水位上升速率随着细颗粒含量的增大而增大。这与随着细颗粒含量增大，砂土渗透系数减小的规律吻合。

3.2.2 侵蚀过程

从水流漫顶开始计时，记录坝体在溃决过程中的侧向轮廓形态，可得坝体不同溃决时刻的纵向侵蚀线如图8所示。

图8 不同细颗粒含量下的侵蚀过程线Fig.8 Erosion process line under different fine particle content

由图8可知：不同细颗粒含量下的侵蚀过程线存在共性但也有一定的区别。这里需要指出由于S8破坏发生在坝体中部至左侧，右侧面无明显现象，或许是由于坝体填筑过程中压实的不均匀性所导致，所以不再分析S8的侵蚀过程，从正面的溃决破坏进行分析。共性在于：在溃决初期(S6：15 s之前；S7：35 s之前)，此阶段坝体在水流侵蚀作用下，主要发生下切侵蚀，坝脚至坝肩位置出现坍塌滑移，然后发展至整个坝体下游坡，导致坝面不断变陡。在溃决中期(S6：15～25 s；S7：35～50 s)，此阶段坝体厚度和高度都在减小，并形成陡坎(“陡坎”是指坝体在溃决过程中形成的一个陡立的斜坡面)。区别在于：对于S6，水流漫顶10 s后坝面开始出现裂缝，坝体在水流冲刷作用下发生土体的坍塌。对于S7，在水流漫顶35 s后才开始出现第一条裂缝，在水流不断冲刷作用下，发生土体的坍塌。对于S6细颗粒含量较小，在水流漫顶15 s之后，水流侵蚀引起坝体的高度和厚度的快速减小，直至最后坝体被完全侵蚀，右侧坝体高度变为0，并且整个溃决过程所产生的裂缝也比较多。对于S7在水流漫顶35 s后，坝体的高度和厚度减小很慢，并且范围很小，直至溃决稳定，右侧坝体也未被完全侵蚀，还保持一定的高程，并且高度减小不明显，坝体厚度有一定范围的减小，整个溃决过程所形成的裂缝较少。值得注意的是，在水流漫顶50 s后，坝体形成三条裂缝如图8(S7，3条绿色线段)所示,最左侧的那条裂缝在水流侵蚀作用下使土体产生坍塌，其他两条裂缝基本没有扩展，直至水流漫顶65 s时，水流漫顶50 s时形成的第二条裂缝不断扩展，然后导致土体失稳坍塌，而第三条裂缝基本没有扩展。并且细颗粒含量较大的组(S7)溃决达到稳定时的时间明显大于细颗粒含量较小的组(S6)，这是因为细颗粒含量较大，坝体不易被水流冲刷，使得细颗粒含量较大的坝体侵蚀速度慢，溃决达到稳定时的时间更长。

3.2.3 溃决破坏过程

图9给出了3种试验条件下坝体在不同溃决时刻的正面破坏形态及溃口顶宽形态。

图9 不同细颗粒含量下坝体溃决过程Fig.9 Dam collapse process under different fine particle content

由图9可知，水流漫顶后，首先对坝面进行冲刷，形成冲沟，冲沟不断向上游发展，从而形成溃口，溃决初期溃口的形成主要以水流冲刷为主，之后溃口发展缓慢，但是由于冲沟侵蚀坝体，此时坝体主要受垂直向下切侵蚀(即下切侵蚀)，溃口发展不明显。当下切侵蚀达到一定程度时，溃口顶宽增大，水流侵蚀溃口两侧土体(即侧蚀)，溃口处坝体发生不同程度的坍塌，会形成陡坎，溃口发展速率随之也出现增大，坝体不断向水流源头方向发展，发生溯源侵蚀。由溃决过程可以看出，3种试验条件下的坝体溃决都以下切侵蚀为主，当下切侵蚀到一定程度时，溃口两侧土体受到侵蚀，溃口处发生土体坍塌，导致溃口不断增大，直至最后坝体溃决达到稳定。但由于细颗粒含量不同，溃决过程中坍塌程度不同，溃口宽度以及溃口发展速度也不同，最终溃决达到稳定时的时间也不同。S8细颗粒含量较大，其坍塌现象比较明显，并且坍塌持续时间较长，最终形成的溃口顶宽也越大。统计不同细颗粒含量下坝体的溃决历时,随着细颗粒含量增加，坝体溃决历时也在增加，且S8下坝体溃决历时是S6坝体溃决历时的1.6倍左右。细颗粒含量越大，溃口两侧土体抗剪强度越小，水流更容易侵蚀溃口两侧的土体，从而溃口宽度更大。

从坝体水流漫顶开始计时，得到堰塞坝在不同细颗粒含量下溃口顶宽发展过程曲线，如图10所示。由图10可知：S8条件下溃口顶宽发展速度最快，S7次之，S6溃口发展速度最慢。并且溃决达到稳定时，S8溃口顶宽最大，S7次之，S6溃口顶宽最小。S8溃口顶宽大约为S6溃口顶宽的1.5倍。在水流侵蚀作用下，溃口两侧土体发生坍塌，细颗粒含量越大，溃口两侧土体抗剪强度越低，越易发生坍塌破坏，所以细颗粒含量越大，溃口顶宽发展速度越快，最终形成的溃口顶宽越大。

图10 不同细颗粒含量下堰塞坝溃口顶宽发展过程曲线Fig.10 Top width development process curve of dam break under different fine particle content

4 结论

为研究坝体物质组成对滑坡堰塞坝溃决过程的影响，通过开展室内水槽模型试验，对不同干密度、不同细颗粒含量下坝体的浸润线发展过程、纵向侵蚀过程以及溃决破坏特征进行了分析。主要结论如下。

(1)堰塞坝浸润线的发展过程。随着干密度增大，浸润线发展速率减小，且水位上升速率随着干密度的增大而增大。随着细颗粒含量的增大，浸润线下边发展速率减小，且水位上升速率随着细颗粒含量的增大而增大。

(2)堰塞坝的纵向侵蚀过程。几组干密度不同试验的侵蚀过程都可分为3个阶段：溃口贯通阶段、加速侵蚀阶段、减速侵蚀阶段。但干密度较小的坝体溃决历时明显小于干密度较大的坝体，且其侵蚀速度明显大于干密度较大的坝体。细颗粒含量较大的坝体侵蚀速度慢，溃决达到稳定时的时间更长，坝体未被完全侵蚀，溃决过程中形成的裂缝较少。

(3)堰塞坝的溃决过程。干密度越大，水流侵蚀越慢，溃口发展越慢，溃决达到稳定时形成的溃口顶宽越小；随着干密度增加，坝体从水流漫坝到溃决稳定时所用时间也在增加。细颗粒含量越大，坝体坍塌现象越明显，并且坍塌持续时间较长，最终形成的溃口宽度也越大；随着细颗粒含量增加，坝体从水流漫坝到溃决达到稳定时所用时间也在增加。