堰塞体渗透破坏溃决机理试验研究

赵天龙，张 川，付长静,2,3，岳 亮，毕 远

(1.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074； 2.南京水利科学研究院 水利部水库大坝安全重点试验室，江苏 南京 210029； 3.南京水利科学研究院 港口航道泥沙工程交通行业重点试验室，江苏 南京 210029)

堰塞体是由滑坡、崩塌、泥石流等失稳地质体堵江形成的天然坝体[1]。与人工坝不同，堰塞体由较松散的砂、石构成，更可能发生溃决破坏[2-3]。21 世纪以来，中国堰塞湖呈高发频发态势，由于堰塞体基本处于非固结或欠固结状态且缺少防渗排水设施，随着堰塞湖水位的抬升，巨大的水头差会使堰塞体发生渗透变形，影响坝体稳定，严重时坝体可能发生渗透破坏。为此，国内外学者针对堰塞体材料的渗透特性、渗透破坏机理等问题开展了研究[4-10]。石振明等[11]研制了直径为60 cm 的大直径渗透试验仪，进行不同堰塞体级配材料的渗透破坏试验，探讨了堰塞体材料渗透特性的主要影响因素，并以红石河堰塞体为例分析了高渗透区域坝体渗流特性的影响规律，提出了一种考虑高渗透区域的堰塞体渗流稳定分析方法；严祖文等[12]针对滑坡、崩塌、泥石流和碎屑流的形成机理，探讨了堰塞体的破坏机制，分别从渗透稳定性、抗滑稳定性和抗冲刷稳定性等3 个方面对堰塞体稳定性进行了评估。在渗透破坏机理方面，国内外学者针对人工土石坝已开展了大量研究工作，如欧盟支持开展的IMPACT 项目[13]分别针对冰碛土心墙堆石坝和均质冰碛土坝开展了7 组管涌破坏试验，发现筑坝材料性能对管涌破坏过程影响较明显，其中宽级配料坝体对冲蚀过程有明显减缓作用；陈生水[14]、李云等[15]针对坝体材料特性、坝型、坝体尺寸等对土石坝管涌形成及发展过程的影响，开展了22 组土石坝管涌溃决水工模型试验，并选择安徽滁州大洼水库开展了现场大比尺均质土坝管涌破坏试验，根据试验结果将土石坝渗透破坏过程划分为渗漏通道形成、局部坝体失稳和坝顶坍塌致漫顶溢流等3 个阶段。针对堰塞体渗透破坏机理，Zhou 等[16-17]同时考虑堰塞体漫顶及渗透破坏两种诱发因素，开展了漫顶及管涌耦合作用下的堰塞体溃坝过程模拟试验，重点考察了渗流作用对堰塞体漫顶溃坝过程的影响，结果表明与仅漫顶单因素溃坝相比，渗流耦合作用下溃坝历时缩短，流量峰值增加1 倍。

综上可以看出，目前针对人工土石坝所开展的渗透破坏机理试验研究较为丰富，从室内小比尺模型试验到现场原位试验均有涉及，而专门针对堰塞体渗透破坏机理的研究相对较少。鉴于此，有必要针对堰塞体渗透破坏过程中的溃口形成及发展机理开展试验研究，以期为堰塞体渗透稳定分析及致灾后果评价提供试验基础及理论支持。

1 试验概况

1.1 试验设备

堰塞体渗透破坏溃决试验在变坡试验水槽上进行，水槽尺寸为26.50 m×0.40 m×0.40 m（长×宽×高），水槽由主体钢架、玻璃槽身、回水系统和测量控制系统组成，全通透高强度槽身且边界可调，整体尺寸精度可达到±0.2 mm；基于变频技术的供回水控制系统，可生成任意流量-时间函数关系的连续非恒定流过程；先进的非接触式自动测量及数据采集系统，集成了水下激光三维地形自动测量系统、输沙率自动测量系统、超声水位自动测量系统和流量自动测量系统等。

进行渗透破坏模型试验时，首先将供水池注满水，然后通过电脑端流量控制系统（DCMS）控制水深低于坝高使其不直接发生漫顶破坏，当水深上升至0.2 m 时，通过DCMS 系统控制上游来流量。由于实际工程中堰塞体发生渗透破坏溃决案例相对较少，本次试验并未选择原型堰塞体进行严格的缩尺试验。为使模型坝发生持续的渗透破坏至最终溃坝，本文借鉴石振明等[11]提出的管涌破坏临界坡降计算公式，综合考虑试验中几种不同的初始渗漏通道埋设深度，最终确定试验供水流量为1×10−3m3/s。

1.2 试验设计

前人研究[18-19]发现堰塞体颗粒级配（级配宽度）对堰塞体漫顶溃决过程中的溃口流量峰值及出现时间具有显著影响，密实度对其溃坝过程中的泥沙冲刷机制影响明显，而渗漏通道的位置直接影响溃口发展机制及堰塞体的溃决模式。因此，本试验重点选择材料级配、渗漏通道位置及坝料密实度等3 个因素，研究堰塞体渗透破坏规律及溃坝机理。

为使模型坝材料级配符合堰塞体坝料的宽级配特征，借鉴文献[20]选择了3 组级配坝料（图1），3 组级配的最大粒径为10 mm，大于此粒径的土石料采用等量替代法替换成0.075～10.000 mm 的土石料。选择等量替代法进行级配选取主要是为了使缩尺料的力学性质最大程度与原级配料保持一致[21]。

图1 试验用土石料级配曲线Fig.1 Soil and stone gradation curve

根据试验所用水槽规模，考虑简化试验和控制渗径，模型试验所用的堰塞体顶横河向宽0.40 m，坝顶顺河向长0.2 m，坝体高0.25 m，上下游坡角均为45°，大坝顺河向截面为梯形，横河向截面为矩形，堰塞体示意图见图2。

图2 堰塞体剖面示意图Fig.2 Profile diagram of weir dam

设计3 种坝体密实程度以研究不同坝体密实程度对堰塞体渗透破坏的影响规律，密实程度以干密度计量，分别为Ⅰ (1 800 kg/m3)、Ⅱ (1 900 kg/m3)及Ⅲ (2 000 kg/m3)。

设置4 种初始渗透通道位置以研究不同渗透位置对堰塞体渗透破坏的影响规律，渗透通道初始位置分别距坝底0.05、0.10 和0.15 m，其中3 组通道位置靠近岸边，1 组通道位于坝体中部，采用空心塑料管作为预设的渗透通道，在塑料管的外壁扎满小孔以便水流可以通过管壁向外渗出，预设初始渗透通道位置见图3。

图3 预设初始渗透通道位置（单位： m）Fig.3 Preset initial penetration channel location(unit: m)

需要指出的是，本次试验并非对白格堰塞体破坏过程进行模拟，而是为了使模型坝材料参数更贴合真实堰塞体，在坝体密实程度及试验土石料级配的选择上以白格堰塞体作为参考。

从坝料级配、初始渗透通道位置及坝体密实程度三方面划分试验工况，工况中的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ表示不同坝体密实程度，A、B 和C 表示不同坝料级配（图1），a、b、c 和d 表示不同初始渗透通道位置，具体试验工况见表1。

表1 试验工况Tab.1 Test conditions

1.3 试验过程

为便于对比分析各试验工况下渗透通道及溃口流量过程，各试验工况流量过程线均以渗透通道上部坝体坍塌发生漫顶前1 min 为起始点，不同时刻的流量按库区水量平衡方程[22]推导得出。

式中：h1、h2、A1、A2分别对应t1、t2时刻库区水深与库面面积；qin为上游来流量。

试验全过程如下：将按照级配要求筛分好的各粒组土石料充分混合后以相同的高度倒入试验水槽内分层压实至所需形状和密实程度；将预设渗透通道埋放在指定位置，为保证初始渗透通道不被土石料填充导致通道堵塞，在多孔塑料管道内插入一根小铁棒，待电脑端控制水泵放流至坝体基本湿润后再将铁棒缓慢抽出；在堆放好的坝体侧面、上游侧面及下游面共设置3 个高精度摄像仪器，摄像仪器在水流到达坝体时开启直至试验结束后关闭；试验完毕后，利用软尺测量残余坝体尺寸，包括溃口底宽、溃口顶宽及溃口深度，因溃口不是规则形状，所测溃口尺寸为平均尺寸；通过摄像视频可得上游水位变化，进一步根据水量平衡方程计算出渗透通道和溃口的流量过程，根据视频资料分析堰塞体渗透破坏溃决发展全过程；将残余坝体及冲向下游的坝料分别收集经晾晒、风干后称重以分析各试验工况下的坝料冲蚀情况。

2 坝料级配影响分析

坝料级配对堰塞体渗透破坏的影响试验工况共有3 组，分别是工况Ⅱ-Ab、Ⅱ-Bb 及Ⅱ-Cb，根据各工况试验要求分别展开试验。

2.1 渗透通道及溃口流量比较

按照库区水量平衡方程计算通过渗透通道及溃口流量，A1=A2=8.8×0.4=3.52 m2，qin=1.0 L/s，渗透通道上部坝体坍塌前每10 s 读取1 个水位数据，发生漫顶后根据水位变化剧烈程度每1 ～5 s 读取1 个水位数据，工况Ⅱ-Ab、工况Ⅱ-Bb 及工况Ⅱ-Cb 渗透通道及溃口流量过程见图4。

图4 工况Ⅱ-A(B、C)b 流量过程Fig.4 Flow process of working condition Ⅱ-A (B, C)b

各工况下上游库区标尺处水位在试验过程中均存在波动现象，流量计算中部分水位取值存在一定误差，造成部分流量计算结果出现不规则突变。由图4 可见，工况Ⅱ-Ab 在前70 s 内即渗透通道坍塌，前60 s 和发生漫顶后10 s 流量较小，到85 s 时，溃决流量增大，此后由于坝体边坡失稳坍塌及水流下泄速度增大，在105 s 时出现了洪峰流量（8.7 L/s），随后流量逐渐减小，最后减小到基流1.0 L/s。工况Ⅱ-Bb 流量过程线为图4 中的紫色线，发展50 s后，流量增幅较大，在渗透通道坍塌后流量迅速变大且在100 s 时出现峰值流量（17.9 L/s），随后5 s 内迅速降低至9.4 L/s，这表明在渗透通道即将失稳坍塌到坍塌之后较短的时间段内水流冲蚀坝体的效率最高，溃口发展最剧烈，流量增长速度最快且出现峰值流量。工况Ⅱ-Cb 流量过程线为图4 中的蓝色线，与工况Ⅱ-Bb 相似，在50 s 后，流量快速增大并在70 s 时出现峰值流量（11.6 L/s），随后快速减小。

图4 表明土石料级配对堰塞体渗透破坏具有显著影响。工况Ⅱ-Cb 的溃口峰值流量出现最早，工况Ⅱ-Ab 的最晚，这表明在其他条件相同的情况下，坝料粒径较大的溃口峰值出现较早；工况Ⅱ-Bb 的洪峰流量最大，工况Ⅱ-Ab 的洪峰流量最小，结合3 种工况的坝体渗透破坏过程可知，应是工况Ⅱ-Bb 条件下坝体刚发生漫顶时的溃口宽度最大，因此相同时间内下泄水量更多。

2.2 坝料冲蚀量比较

引入参数冲蚀率（坝料冲蚀量/坝体总量），分析各工况坝体冲蚀情况。工况Ⅱ-A(B、C)b 坝料冲蚀率如图5 所示，可见工况Ⅱ-Ab 与工况Ⅱ-Bb 的坝料冲蚀率相差小，与工况Ⅱ-Cb 的坝料冲蚀率相差较大。结合3 组级配曲线（图1）可知，土石料颗粒尺寸相差较小的工况Ⅱ-Ab 与工况Ⅱ-Bb 的坝料冲蚀量相差较小，颗粒较大的工况Ⅱ-Cb 的坝料冲蚀量最小。

图5 工况Ⅱ-A(B、C)b 坝料冲蚀率Fig.5 Erosion rate of dam material in working condition Ⅱ-A (B, C)b

2.3 溃口形态比较

工况Ⅱ-A(B、C)b 残余坝体形态如图6 所示，由于初始渗透通道均设置在玻璃侧，靠近玻璃侧的大部分坝体最终被下泄水流冲垮带走，另外一侧堰塞体部分垮塌，溃口底部在水流冲刷作用后较为平整。工况Ⅱ-A(B、C)b 的溃口顶宽和底宽相差较大，就溃口顶宽而言，工况Ⅱ-Ab 顶宽最大，工况Ⅱ-Cb 次之，工况Ⅱ-Bb 最小；就溃口底宽而言，工况Ⅱ-Cb 底宽最大，工况Ⅱ-Ab 次之，工况Ⅱ-Bb 最小；工况Ⅱ-A(B、C)b 的溃口深度相差较小。分析发现，组成堰塞体的土石料颗粒小，则溃口宽度相对偏大，级配对溃口深度的影响较小。

图6 工况Ⅱ-A(B、C)b 残余溃口形态（单位：m）Fig.6 Residual rupture morphology in working condition Ⅱ-A (B, C)b (unit: m)

3 渗透通道位置影响分析

渗透通道初始位置对堰塞体渗透破坏的影响试验工况共有4 组，分别是工况Ⅱ-Aa、工况Ⅱ-Ab、工况Ⅱ-Ac 及工况Ⅱ-Ad，根据各试验工况要求分别展开试验。

与上述坝料级配影响分析类似，开展渗透破坏过程、渗透通道及溃口流量、坝料冲蚀量及溃口形态等 4 个方面的比较。工况Ⅱ-Aa(b、c、d)流量过程见图7，可见初始渗透通道位置对堰塞体渗透破坏溃决流量具有较大影响，其中水平向位置影响最大，垂直向位置影响相对较小；工况Ⅱ-Ac 的溃口峰值流量出现最早，工况Ⅱ-Ab 出现较晚；工况Ⅱ-Ac 的洪峰流量最大，工况Ⅱ-Aa 和工况Ⅱ-Ad 的洪峰流量相对较小，工况Ⅱ-Ab 的洪峰流量最小。结合4 种工况下坝体渗透破坏过程可知，产生上述现象的原因是工况Ⅱ-Ac 发生漫顶后溃口两侧均受到水流冲蚀作用，而其他3 种工况下受玻璃边壁限制溃口仅单侧发展。

图7 工况Ⅱ-Aa(b、c、d)流量过程Fig.7 Flow process under working conditionⅡ-Aa (b, c, d)

工况Ⅱ-Aa(b、c、d)坝料冲蚀率见图8。可见，工况Ⅱ-Aa、工况Ⅱ-Ab、及工况Ⅱ-Ad 预设的初始渗透通道均靠近玻璃侧且高程依次均匀变大，三者的坝料冲蚀率也依次增加，分析其原因，应是初始渗透通道高程越大，流经通道的水量越少，渗透通道失稳坍塌时坝前蓄水量更多，能量更大，且漫顶溃决水流掏刷侵蚀坝体的能力强于渗透侵蚀破坏；工况Ⅱ-Ab 与工况Ⅱ-Ac 的初始渗透通道位于同一水平面，不同在于工况Ⅱ-Ac 的初始渗透通道位于坝体中部，发生漫顶溃决时，溃口两侧均受到水流掏刷侵蚀，若上游水量充足，则工况Ⅱ-Ac 的坝料冲蚀率应大于工况Ⅱ-Ab，但实际试验结果是工况Ⅱ-Ab 的坝料冲蚀率大于工况Ⅱ-Ac，结合两工况下坝体渗透破坏过程可知，应是由于工况Ⅱ-Ac 的溃口发展速度过快，导致大量水体迅速从溃口下泄，带走的坝料总量反而减少，且溃口间歇性失稳坍塌的坝块较大，导致部分坍塌体并没有被水流冲走，而是留在了溃口底部。

图8 工况Ⅱ-Aa(b、c、d)坝料冲蚀率Fig.8 Erosion rate of dam material under working condition Ⅱ-Aa (b, c, d)

工况Ⅱ-Aa(c、d)残余坝体形态见图9，工况Ⅱ-Aa(c、d)溃口底部在水流冲刷作用后均较为平整。初始渗透通道靠近两岸，则溃口发展较缓且溃口最终宽度较小，若初始渗透通道靠近坝体中部，则溃口发展相对更剧烈且溃口最终宽度更大。初始渗透位置越高，则溃口最终宽度越大、溃口深度越小；同时不管初始渗透通道是水平向还是竖直向对比，都有一个共同点即溃口宽度大则溃口深度小，溃口宽度小则溃口深度大。究其原因，应是在水流条件、蓄水量、级配等其他条件相同的前提下，溃口的发展需要足够的过水断面来支持水流下泄。

图9 工况Ⅱ-Aa(c、d) 残余溃口形态（单位：m）Fig.9 Residual fracture morphology in working condition Ⅱ-Aa (c, d) (unit: m)

4 坝体密实程度影响分析

坝体密实程度对堰塞体渗透破坏的影响试验工况共有3 组，分别是工况Ⅰ-Ab、Ⅱ-Ab 及Ⅲ-Ab，根据各试验工况要求分别展开试验。

工况Ⅰ-Ab 的流量过程线为图10 中的黑色线，在通道上方坝体坍塌漫顶前60 s 内，流经渗透通道的流量逐渐增大，当坝体坍塌发生漫顶后，溃口流量以极快的速度增加并在短时间内达到洪峰流量（6.6 L/s），随后降低至5.5 L/s 左右并保持一段时间，随着坝前水位的下降，蓄水量逐渐减少，溃口流量逐渐减小。工况Ⅲ-Ab 的流量过程线为图10 中蓝色线，可见渗透通道从坍塌到漫顶过程中，流量变化速度很快，且在坍塌后较短时间内达到了峰值流量（8.0 L/s），随后溃口流量逐渐降低，在110 s 时溃口流量出现骤降。分析流量骤降的原因，应是溃口边坡失稳坍塌，较大的坍塌体短暂堵塞在溃口底部导致坝前水位下降暂缓，随后坍塌体被水流带走，溃口流量出现小幅度增长。

图10 工况Ⅰ(Ⅱ、Ⅲ)-Ab 流量过程Fig.10 Flow process of working condition Ⅰ (Ⅱ, Ⅲ)-Ab

由图10 亦可见：工况Ⅰ-Ab 的溃口峰值流量出现最早，工况Ⅱ-Ab 和工况Ⅲ-Ab 的溃口峰值流量出现相对较晚，这表明在其他条件相同的情况下，坝体密实程度高的溃口峰值流量出现时间晚；工况Ⅰ-Ab 的溃口峰值流量最小，工况Ⅱ-Ab 和工况Ⅲ-Ab 的溃口峰值流量相对较大，这表明坝体密实程度与溃决洪峰流量呈负相关，密实程度越高则溃决洪峰流量越小，密实程度越低则溃决洪峰流量越大。结合4 种工况的坝体渗透破坏过程可知，溃口流量在减小的过程中偶尔会增大，究其原因为溃口边坡间歇性失稳坍塌导致溃口宽度突增；各工况均存在溃口流量骤降现象，应是溃口边坡失稳坍塌，较大的坍塌坝体堵塞在溃口底部导致坝前水位暂缓下降，随后因坍塌坝体被水流带走，溃口流量出现小幅度增长。

工况Ⅰ(Ⅱ、Ⅲ)-Ab 坝料冲蚀率如图11 所示，工况Ⅰ-Ab、工况Ⅱ-Ab 和工况Ⅲ-Ab 的坝体密实程度逐渐增大，坝料冲蚀率却逐渐减小，应是坝体密实程度越大，抵抗水流侵蚀能力更强，且坝体密实程度越大，渗透通道存在的时间相对更久，通过渗透通道的水量相对更多，当坝前蓄水量和上游来流量不变时，渗透通道上方坝体失稳坍塌发生漫顶时的库水量相对减少，因此漫顶溃决过程中掏刷坝体的水流能量减小，坝料冲蚀量随之减少。

图11 工况Ⅰ(Ⅱ、Ⅲ)-Ab 坝料冲蚀率Fig.11 Erosion rate of dam material under condition Ⅰ (Ⅱ,Ⅲ)-Ab

工况Ⅰ(Ⅲ)-Ab 残余坝体形态见图12，溃口底部在水流冲刷作用后均较为平整。工况Ⅰ(Ⅱ、Ⅲ)-Ab 的溃口尺寸见图13。图13 表明工况Ⅰ-Ab 的溃口最终宽度最大，工况Ⅱ-Ab 的溃口宽度次之，工况Ⅲ-Ab 的溃口宽度最小；3 种工况的溃口深度相差较小，其中工况Ⅱ-Ab 的略大。这说明坝体密实程度对堰塞体溃口发展规律特别是溃口宽度有较大影响，坝体密实程度越低则溃口最终宽度越大，坝体密实程度越高则溃口最终宽度越小，坝体密实程度对溃口最终深度无明显影响。

图12 工况Ⅰ(Ⅲ)-Ab 残余溃口形态（单位：m）Fig.12 Residual rupture morphology of working condition Ⅰ(Ⅲ)-Ab (unit: m)

图13 工况Ⅰ(Ⅱ、Ⅲ)-Ab 溃口尺寸Fig.13 Breach size of working condition Ⅰ (Ⅱ, Ⅲ)-Ab

5 结 语

通过开展堰塞体渗透破坏溃决模型试验，分别针对坝料级配、初始渗透位置及坝体密实度对坝体渗透破坏溃决过程的影响机制开展研究。试验开始时，坝前水流在渗透坝体过程中，浸润面表现为不规则弧面并逐渐向下游发展，渗透破坏初期渗漏通道的缓慢扩展在一定程度上延缓了堰塞体的整个溃坝进程，随着渗漏通道的不断扩展，上部土体由于悬空而发生坍塌并快速被渗透水流冲刷至下游，且通道上部土体连续坍塌速度较快，溃坝模式随即由渗透破坏转变为漫顶破坏，该阶段坝体冲蚀率较高，溃口流量快速达到峰值并逐渐降低，流量降低过程中仍存在溃口边坡间歇性垮塌引起的流量小幅增长，随着上游水位逐渐降低，溃口扩展逐渐停止。

试验结果表明，初始渗漏通道的位置对溃决过程影响明显，以水平向位置影响最为显著，具体表现为初始渗漏通道越靠近坝肩位置，则溃口发展速度越慢，初始渗漏通道的垂向位置对堰塞体渗透破坏过程同样存在影响，且随着初始渗漏通道位置增高，残留溃口尺寸逐渐增大，分析原因是由于初始渗漏位置越高，溃坝过程由渗透破坏向漫顶破坏转换时刻越早，而漫坝水流的冲刷强度要远大于渗漏水流，因此高渗漏通道坝体溃坝发展更加充分。初始溃口位置越靠近坝肩，则溃口发展速度越慢且最终宽度也越小；初始渗漏通道位置越高，则溃坝结束后的残留溃口宽度越大；随着坝体密实度降低，残留溃口宽度逐渐增大。