漫坝水流条件下宽级配土石料冲刷特性试验研究_赵天龙.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江 ，收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；重庆市科委基础研究与前沿探索项目（）；水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室开放基金项目（）；港口航道泥沙工程交通行业重点实验室开放基金项目（）作者简介：赵天龙，男，副教授，博士，主要从事水工建筑物安全及地灾防控方面的研究。：通信作者：付长静，女，副教授，博士研究生，主要从事岩土数值分析及海洋岩土工程试验研究。：文章编号：（）引用本文：赵天龙，付长静，马廷森，等 漫坝水流条件下宽级配土石料冲刷特性试验研究 人民长江，（）：，漫坝水流条件下宽级配土石料冲刷特性试验研究赵 天 龙，付 长 静，马 廷 森，张川（重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆；南京水利科学研究院 岩土工程研究所，江苏 南京；青海省水利水电勘测规划设计研究院有限公司，青海 西宁）摘要：堰塞坝漫顶溃坝过程本质上是漫坝水流与坝体溃口处土体颗粒之间的相互作用过程，针对该作用机制开展专门研究，对于清楚揭示堰塞坝宏观溃决机理具有指导意义。针对堰塞坝漫顶溃坝过程中水流的强非恒定特征及坝料的宽级配特性，开展了不同水流条件下的宽级配土石料冲刷特性试验研究。研究结果表明：窄级配或均匀土石料的冲刷过程宏观上表现为沙波的形成、移动，也是推移质运动的主要形式，而宽级配土石料冲刷过程以冲刷坑的形成、扩展、移动为主。宽级配土石料在弱非恒定流条件下，粗颗粒对细颗粒的包围、遮蔽效应明显，抗冲蚀性能较强，而在强非恒定流条件下，粗颗粒背水面容易发生临空并起动，抗冲蚀性能相对较弱。宽级配土石料冲刷初期以坡角垮塌破坏为主，后期则主要体现为溯源冲刷。因此冲刷初期下游冲刷强度较高，上游冲刷强度较弱，床面容易形成倾向于下游的坡面且坡角逐渐增大；后期床沙在溯源冲刷作用下，上游部分粗颗粒间歇性起动并停止于下游，在其遮蔽作用下冲刷段下游容易形成细颗粒堆积区，使坡面倾角逐渐减小。因此，堰塞坝溃坝过程计算时应当充分考虑溃口底坡的倾角变化过程。非恒定流条件下的冲刷强度要大于恒定流条件下，基于恒定水流条件下所建立的输沙公式并不能用于精确的溃坝过程计算。关 键 词：堰塞坝；漫坝水流；宽级配；冲刷机理；非恒定流中图法分类号：文献标志码：引 言在自然界中，漫坝水流条件下宽级配土石料冲刷主要发生在堰塞坝漫顶溃坝过程中。中国西南地区水系十分发达，山地丘陵居多，坡地面积大，滑坡崩塌等地质灾害频发，滑坡体一旦涌入河道，容易形成堰塞体，上游壅水形成堰塞湖。堰塞坝寿命通常较短，并且绝大多数堰塞坝均在一年之内溃决，一旦溃坝，将会给下游带来严重的洪水灾害，严重威胁下游群众的生命财产安全。针对堰塞坝溃坝问题，国内外学者均开展了一系列研究工作，主要涉及堰塞坝的形成过程、溃决机理模型试验 以及溃坝过程数值模拟方法 等。事实上，堰塞坝溃坝乃至人工坝溃坝，从微观机制上讲均是漫坝水流与坝体溃口位置土体颗粒之间的相互作用过程。漫坝水流经由初始溃口沿坝体背水坡梯度负向运动，运动水流所产生径流冲刷力作用于土石颗粒，引起颗粒的分散，并将部分分散颗粒或颗粒团挟 第 期 赵天龙，等：漫坝水流条件下宽级配土石料冲刷特性试验研究带于水流之中，输出坡面至下游河道。因此，溃口的持续性扩展实质上是漫坝水流冲刷作用下的坝料输移过程。对于土石颗粒的冲刷问题，国内外学者通过一系列室内模型试验对水流冲刷作用下的土石颗粒起动、输移规律进行了研究。早在 世纪 年代，就开创了利用水槽试验开展泥沙及推移质运动的先河。随后，等针对各个影响因素设计了系统的水槽冲刷试验，基于试验资料结果推求了推移质输沙率公式。此后，大量学者分别从力学、能量平衡、统计理论及泥沙颗粒宏观运动规律等方面开展了研究，一系列推移质输沙率计算公式应运而生，如 公式、窦国仁公式、公式、韩其为公式等。对于非均匀沙的输移运动规律而言，早期研究大多是将均匀沙的起动规律运用到非均匀沙不同粒径中，从而得到分组起动流速及输沙率等参数。晋明红等针对非均匀沙的运动规律，借助水槽试验对非均匀沙不同冲刷阶段的起动规律进行了研究，在此基础上根据最小能量耗散原理，建立了宽级配床沙起动的 种模式以及相应的非均匀沙起动流速公式；等在模型试验所揭示的输沙机理与数据回归分析的基础上，建立了考虑挟沙密度函数的非均匀沙推移质模型；等通过模型试验对于南海入海口泥质密度对全扰动海岸泥沙起动规律的影响进行了研究；徐海涛等通过水槽试验，分析了不同水流强度及不同床沙组成对连续与不连续宽级配床沙输移率的影响，研究了相对水流强度与推移质输沙率函数的关系，提出了不连续宽级配床沙推移质输沙率计算式；王思莹等通过水槽试验，对均匀沙、连续和不连续宽级配非均匀沙的沙床发生起动和冲刷的运动特性进行了研究；魏丽等以不连续宽级配床沙为例对床面垂线流速结构进行了试验研究，发现不连续宽级配近底床面垂线流速结构存在“”形转折，位置与水流强度及床面形态有关。综上，在土石料冲刷特性方面，国内外学者已经取得了许多宝贵的经验，并且越来越多的学者开始通过模型试验探讨非均匀沙的起动输移规律。然而，这些研究大多侧重河道泥沙的冲刷问题，试验条件与堰塞坝漫顶溃坝实际大相径庭，如土石料级配宽度，目前水槽冲刷试验研究对象粒径级差不大，一般小于，而堰塞坝坝料粗细颗粒混杂，级配范围宽，从小于 的黏性颗粒到直径几十厘米甚至数米的巨石均有分布；再者从水流条件上，漫顶溃坝过程中，溃口水流具有强非恒定的特点，目前针对非恒定流的泥沙冲刷问题研究水流条件的设定与溃坝水流条件差异巨大。因此，上述成果对于溃坝问题研究具有十分重要的借鉴意义，可否直接进行外延利用仍值得商榷，而考虑堰塞坝漫顶溃坝实际所开展的针对性土石料冲刷及输沙机理试验研究少之又少。鉴于此，合理模拟漫顶溃决过程中溃口的水流条件，开展符合堰塞坝坝料级配范围宽、非均匀性强等特征的土石料冲刷试验，可为堰塞坝溃坝过程中溃口纵、横向扩展机理研究以及溃坝数学模型的建立提供一定的理论借鉴。试验概况 非恒定流输沙试验系统非恒定流输沙试验系统由试验水槽、进口流量控制系统、水力要素测量系统及输沙测量系统组成。试验水槽长 ，宽，高，水槽底坡保持 不变，水槽进口位置底部设置消能防冲的玻璃珠，水流从进口位置流入水槽后，经过两道整流格栅进入试验段，最终在水槽末端，经尾门流出至水箱。进口流量控制系统由电磁流量计、直行程电动调节阀、电动执行器及工控机组成。试验前对流量控制系统进行率定。试验过程中，通过在工控机中分时步输入流量过程曲线，可以在水槽入口前池输出满足试验工况要求的非恒定水流。水力要素测量系统由沿程布置的 台自动水位仪及高速摄像机构成，水位仪可对试验中水位变化过程进行实时测量。摄像机采样频率为 ，分辨率 ，通过对泥沙灰度图像进行阈值分割处理，可识别泥沙颗粒，判断运动泥沙颗粒的组成。输沙测量系统由接沙漏斗、集沙池及电子天平组成，接沙漏斗及集沙池位于水槽尾门前端，用于收集试验过程中起动并被输移至下游的土石颗粒，电子天平可对其进行称重。试验过程中，铺沙段长 ，铺沙厚度 ，上下游坡比 ，铺沙段距水槽进水口 ，距水位尾门 。试验水槽布置情况如图 所示。图 试验水槽布置（尺寸单位：）试验条件试验用土石料共设计 组，包括 组非均匀沙和 组均匀沙。在非均匀土石料级配选择时，重点考虑 人 民 长 江 年堰塞坝坝料的宽级配特性，参考唐家山堰塞坝坝体 个钻孔所得坝料级配，在此基础上利用等效替代的方法，根据水槽内部有效尺寸，控制土石料最大粒径分别为，黏粒含量保持不变，得到 号非均匀沙试样颗粒级配。此外，在 号非均匀沙级配基础上，控制最大粒径，将黏粒部分等量替换为无黏性砂土部分，获得无黏性沙样（号非均匀沙）作为对照组，以分析土石料中黏粒对推移质输移规律的影响。号均匀沙则以 号非均匀沙的中值粒径（）作为平均粒径，选择天然均匀砾石作为试验沙样。试验所用非均匀土石料及原型坝料级配曲线如图 所示，进行土石料筛分得到如图 所示各粒组沙样，根据级配曲线确定各粒组含量进行试验土石料的制备，并按照干密度 进行铺沙段试验沙的铺设。图 试验土石料级配曲线 图 各粒组土样 本次试验设计试验沙级配范围较宽，根据唐家山堰塞坝泄流结束残留坝体的粒径级配，确定试验土石料最大起动粒径为，根据 号试验沙 数据，采用张瑞瑾泥沙起动流速计算公式计算获得对应粒径泥沙起动流速。结合前期水槽水位流量率定结果确定非恒定流流量 最大流量为 。为保持水流的非恒定特征，在唐家山堰塞坝泄流过程流量数据的基础上（见图），根据流量峰值进行了相应的缩尺处理，保持流量过程水力参数波形不变，进而得到试验入流流量 的流量过程曲线。另外，增加 组最大控制流量 ，采用相同的缩尺处理方法获得流量、作为本次试验水流输入条件，如图 所示。此外，选择流量 的平均流量作为对照组恒定流 的输入流量。图 唐家山堰塞坝溃口实测流量过程 图 试验入流流量过程 前人针对非恒定水流的量化指标开展过一系列研究工作，根据马爱兴等提出的无量纲非恒定强度参数计算方法（公式）可计算得到本次试验所用冲刷水流的非恒定强度如表 所列。（）式中：为无量纲非恒定强度参数，为水槽宽度，为非恒定流涨水期历时，为峰流流量，为基流流量，为峰流水深，为基流水深。表 试验水流非恒定强度 流量 流量 流量 流量 流量 流量 试验过程中为了防止尾门格栅回水形成反射波对入流水力要素产生影响，水槽下游尾门打开保持敞泄状态。试验过程中连续采集床面颗粒运动图像，并针对土石料冲刷过程的输沙量值进行监测，每组试验结束后，对接沙漏斗中的泥沙进行烘干、筛分、称重，获得推移质级配曲线，以研究铺沙段沙样各粒组冲刷输移量值。第 期 赵天龙，等：漫坝水流条件下宽级配土石料冲刷特性试验研究此外需要特别指出的是，本次试验并非对唐家山堰塞坝泄流除险过程进行模拟，仅在水流入流条件及试验土石料的选择上对唐家山堰塞坝泄流实际工况进行参考。漫坝水流条件下土石料输移运动特征 宽级配土石料冲刷输移过程选择 号非均匀沙及非恒定流量 开展水槽冲刷试验研究。水槽侧面的高速摄像机对泥沙冲刷输移过程进行实时图像采集，前池水位上升至铺沙段土石料顶部高程作为冲刷开始的零时刻，截取此后不同时刻冲刷过程图像，得到如图 所示宽级配土石料冲刷发展过程。图 宽级配土石料（号）冲刷发展过程 （）分析该过程发现，宽级配土石料冲刷开始阶段，满溢水流经过铺沙段后存在水跌，表层细颗粒即被水流挟带输移至下游，床面表层快速粗化，冲刷水流行进淹没整个铺沙段后，下游端无法维持原有边坡，随即发生垮塌，形成 坡角后短时间内保持稳定。冲刷开始 内，入流流量由 递增，床面表层细粒（）持续冲刷至下游水槽，靠近铺沙段尾端粒径 土石料在水流冲刷作用下以滑动或滚动的形式向下游运动，运动一段距离后，回落至床面，在水槽下游形成淤积。冲刷发展至 时，水流流量 ，时段内平均 ，水流为急流状态。铺沙段表层粒组（）进一步起动，其中粒径 粒组运动形式以滚动为主，床面粗化程度进一步增加，而铺沙段高程基本保持不变。该阶段床面粒径大于 的砾石逐渐暴露，且受到大粒径砾石的遮蔽作用，其上游土石体冲刷强度较低，上游部分已起动细颗粒淤积于此，砾石下游形成反向旋流，对土石体掏刷程度较高。时流量进一步增加（），时段内平均 ，大粒径砾石（）在下游细粒土石体不断被掏刷后失稳，由此导致其上游土石体遮蔽关系发生变化，原有细粒随即起动并输移至下游，主要运动形式以跃移为主。时水流流量达到峰值 ，该阶段床面泥沙以跃移质为主，泥沙升离床面后，与速度较高的水流相遇，并被挟带前进，仅部分粗颗粒（）仍以滑动或滚动的形式沿床面运动。该阶段大粒径砾石猝发性起动，且运动一段距离后停止，运动形式以滑动为主。后进入落水期，床面细粒被进一步冲刷，粒径大于 的粗颗粒在该阶段未能起动，床面粗化速度减缓，且床面性状受粗颗粒分布位置影响明显。均匀沙冲刷输移过程选择 号均匀沙及非恒定流量 开展水槽冲刷试验研究。试验过程中于水槽侧面实时连续采集图像视频。由于均匀沙透水性较强，试验开始后上游侧供水，铺沙段内部形成一倾角稳定（）的浸润线由上游向下游发展，因此，铺沙段内部渗透水流先于漫溢水流到达铺沙段下游端坡