浅论堰塞坝溃坝过程分析及影响因素研究论文.docx

浅论堰塞坝溃坝过程分析及影响因素研究论文1前言堰塞湖是在一定地质地貌条件下，由于地震、降雨或火山喷发等原因引起山崩、滑坡或泥石流等自然现象堵截山谷、河谷，造成上游段壅水形成的湖泊。阻塞山谷、河谷的堆积体为堰塞坝。据统计资料显示，在形成后10d便发生溃决的堰塞湖百分比超过50%，2个月内溃决的百分比超过60%，1年内发生溃决者超过90%。堰塞坝拥有如此高的溃坝率，一旦发生溃坝，后果将十分严重。在1933年8月25日，四川叠溪发生7.4级大地震，强烈的地震使岷江两岸山体崩塌形成3座高达100余m的堰塞坝，14d后最下游的1个堰塞坝发生溃决，形成高40m左右的洪水倾斜而下，将河流下游两岸的村庄摧毁。对于堰塞坝溃坝过程的研究主要有3种途径:原型观测、数值模拟和模型试验。数值模拟已经发展了许多成熟的模型，其中模拟溃坝的主要模型有:DAMBRK模型，BEED模型，BREACH模型，LOU模型，HW模型，Cristofano模型，Nogueira模型等。一般堰塞湖溃坝主要由漫顶或渗透管涌引起。漫顶溃坝情况是由于坝体本身没有导流或泄洪设施，水位最终发生漫顶，而坝体内部发生渗流，使坝体本身的强度降低，最终发生溃坝。该种溃坝情况水位高，溃坝洪峰流量大，破坏力极大。因此漫顶溃坝更应该得到重视与研究。2堰塞坝漫顶模拟实验2.1实验布置及材料该实验旨在模拟土石坝漫顶时发生溃坝的情况，收集实验数据用以概括溃口形成过程，分析不同坝高、不同坝后坡度对漫顶溃坝过程的影响。该实验在一矩形水泥河道中进行，实验装置分为供水箱、水槽、泥沙收集池3个部分。供水箱长宽高均为1.0m，通过水泵供水，实验过程中水箱中一直保持满水，水箱下游侧安置最大流量为0.17L/s的LZB-25玻璃转子流量计。水槽段宽高均为0.5m，坡降为5°，水槽下游连接泥沙收集池，上游库区安置水位仪(E1)，在坝下游区安装摄像机(C1)，拍摄溃口变化过程。此次实验取无黏性沙作为填坝材料，其级配曲线。2.2实验方案此次实验设置坝高分别为13cm和15cm，顶长分别为20cm与25cm，上游坝坡1∶1.5，下游坝坡1∶1.5，上游来水量为0.17L/s，实验分为3组，如右侧表所示。该实验先在水槽内按设计方案堆设坝体，为引导溃口在坝体中部产生，堆设时坝体中部略低。缓慢向水槽中灌水，快达坝顶时，关水静置1h，使坝体上游面与水充分接触。之后打开流量仪，固定流量0.17L/s放水，直到整个溃坝过程完成。整个实验过程，水位仪实时监测坝体上游水位变化，摄像机拍摄溃口变化过程。2.3溃口变化过程分析漫顶破坏的一大特点是溯源冲刷破坏，溃口发展过程可分为3个阶段:初始溃口形成阶段、溃口发展阶段和最终稳定阶段。阶段Ⅰ初始溃口形成阶段。当上游水位上升时，坝体发生渗流现象。当水位达到坝顶高度时，发生漫顶，水流总是向最低点运动，因此水流在坝顶中部成股水流缓慢向前移动，水流产生剪应力作用于过流界面，产生微小的局部破坏，微小颗粒因被水流包裹，相互之间摩擦力大幅度降低，因此水流很容易将其带走，使坝体顶部强度降低。当水流到达坝顶与下游坡面接触位置时，水流在交接处冲刷出一个小缺口，但由于此时水流流量较小，水流的破坏力有限，因此下游坡面未出现大面积的失稳破坏现象。但此时在坝体下游下切作用较强，缺口以喇叭状不断扩大，横向拓宽速度较为缓慢，纵向下切速度较快，因此溃口下切深度增长较快。随着水流的不断冲刷，由于水体自身的重力及冲蚀作用，水流使下游坡面出现凹槽，形成陡坎冲蚀，流量开始增大。下游坡度越缓，陡坎现象越明显。在水流的持续冲刷作用下，下游坡面的陡坎深度不断增加，同时也在不断拓宽，水流流量逐渐变大，此时下游坡底部分向远端呈扇形扩大。同时，陡坎的上半部分，在纵向深度与横向宽度不断增加的同时，陡坎的轮廓不断扩大，侵蚀向上游扩展，在水流的携带作用下，陡坎靠近上游边缘的边沿细颗粒被冲向下游，一些大粒径颗粒在自身重力作用与水流冲刷作用下掉落，使得陡坎规模进一步扩大。当水流向上冲蚀达到上游坝顶边缘时，坝体顶部形成贯通的凹槽，此时初始溃口形成。阶段Ⅱ溃口发展阶段。当凹槽贯通时，形成了初始溃口。此时的溃口断面形状大致为矩形。此时溃口流量开始急剧增加，大股水流的涌入也使溃口的下切速度与扩宽速度大幅度增加。由于水流的剪切力作用，溃口横向拓宽的速度明显大于溃口纵向下切的速度，溃口宽度迅速增加。洪峰流量也在该阶段达到最大值。此时，溃口两侧边坡基部的泥沙被大量冲刷带走，使边坡的稳定性进一步降低，为边坡失稳坍塌提供发展空间。根据BREACH模型建立的'溃口模型，当溃口的下切深度达到某一临界深度时，边坡大量泥沙被水流带向下游，提供强度保证的大粒径颗粒失去稳定最终使边坡失稳坍塌，溃口形状由矩形转变为梯形。阶段Ⅲ最终稳定阶段。当边坡失稳坍塌后，溃口流量开始减小，当水流减小至一定程