高危堰塞湖引流槽结构形式优化试验研究_周招.pdf

第 54 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月人民长江YangtzeiverVol 54，No 2Feb，2023收稿日期:2021 11 06基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFC1508605);长江设计集团自主创新项目“高危堰塞湖溃决机理与应急处置技术研究”(BSH2021G03)，“高危堰塞坝溃决机理试验研究”(BSH2021G01)，“高危险堰塞湖引流槽控溃削峰技术研究”(CX2019Z25)作者简介:周招，男，博士，主要从事堰塞湖应急处置研究。E mail:1021235166 qq com通信作者:蔡耀军，男，正高级工程师，博士，主要从事岩土工程及地质灾害防治。E mail:caiyaojun cjwsjy com cn文章编号:1001 4179(2023)02 0200 06引用本文:周招，蔡耀军，彭文祥，等 高危堰塞湖引流槽结构形式优化试验研究 J 人民长江，2023，54(2):200 205，219高危堰塞湖引流槽结构形式优化试验研究周招1，蔡 耀 军1，彭 文 祥2，3，李 建 清2，3(1 长江设计集团有限公司，湖北 武汉 430072;2 长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430072;3 国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)摘要:针对高危堰塞湖溃决早期泄洪效率低下以及溃决洪峰难以控制等工程难题，通过室内物理模型试验优化调整引流槽横、纵断面结构形式，对比研究了常规梯形断面、复式断面以及垂直陡坎式引流槽条件下堰塞湖溃决洪水的特点。研究结果表明:不同结构形式引流槽堰塞湖溃决洪水过程普遍可划分为溃决初始阶段、溯源冲刷阶段、快速发展阶段以及恢复稳定阶段。相比于常规梯形断面引流槽，复式断面引流槽可明显降低堰塞体过水高程，加速溃决初始阶段发展，缩短堰塞湖蓄水时间，降低最大壅高水位，可减小最大溃决洪峰约17%。垂直陡坎可增大溃决水流局部流速，加速溯源陡坎回溯冲刷，明显加速堰塞湖溃决发展，缩短堰塞湖蓄水时间，降低堰塞湖最大壅高水位，且削减溃决洪峰最低仍能达到 11 4%。关键词:堰塞湖;引流槽;复式断面;溃决洪峰中图法分类号:TU 41文献标志码:ADOI:10 16232/j cnki 1001 4179 2023 02 0300引 言作为高山峡谷地区一种重大频发自然灾害，堰塞湖主要是由于降雨、地震等动力地质作用导致边坡坍塌失稳形成的天然湖泊，堵塞天然河道的固体堆积物则称为堰塞体。由于堰塞体拦阻天然河道正常下泄，堰塞湖库水位不断壅高，一旦漫顶，势必造成堰塞体短时间内溃决，严重威胁下游地区人民群众生命财产1 4。近年来，受极端气候影响，堰塞湖形成更为频繁，仅以 2018 年为例，西藏地区便形成 4 次高危型堰塞湖，其中白格堰塞湖最大溃决洪峰达到 3 1 万m3/s，溃决洪水甚至下泄至下游 580 km 的丽江石鼓镇才逐渐平息转化为常态洪水。相比于人工土石坝，堰塞体自然形成，物质结构疏松、颗粒级配宽泛，渗流和力学稳定性较差，入库水流持续侵扰及波浪涌浪极易造成堰塞体漫顶溃决5 6。堰塞湖险情具备破坏威力巨大及应急处置窗口期短等特点。众多学者通过调查堰塞湖溃决历史资料，指出大部分堰塞湖将在短时间内漫顶溃决7 8。石振明等9 通过收集国内外 1 298 座堰塞湖溃决案例，指出1 h、1 d、1 周、1 个月、1 a 之内溃决比例依次为 9%，34%，50%，67%，86%。堰塞湖溃决洪水次生灾害影响严重、波及范围广泛，因而需采取一系列措施减轻、缓解潜在威胁，其中应用最为广泛的工程措施即是引流槽除险技术，其核心思想是在堰塞体顶部纵向开挖引流槽，降低堰塞体过水高程，减小溃决洪峰 10 14。唐家山堰塞湖及白格堰塞湖均是引流槽应急处置的典型成功案例，实践表明溃决洪第 2 期周招，等:高危堰塞湖引流槽结构形式优化试验研究峰削减比例分别达到 35%，28%。但蔡耀军、杨启贵等 7 8 指出，引流槽虽能一定程度降低堰塞湖溃决洪峰，但针对堰塞体坍塌及溃决洪峰过大等问题，当前并无良好技术手段能有效控制堰塞湖溃决过程。当前关于堰塞湖引流槽结构形式研究甚少，针对堰塞湖溃决控制研究也鲜见报道。赵万玉等10 结合唐家山堰塞湖及小岗剑堰塞湖溃决过程初步提出人工引流槽可控堰塞湖泄流的处置方法，但指出引流槽宽深比等几何参数及相应作用时段仍有待试验进一步研究。本文通过室内物理试验优化调整引流槽横、纵断面结构形式，对比研究不同结构形式引流槽溃决洪水特点，为人工干预堰塞湖溃决的引流槽设计提供依据。1试验设计1 1设计思路根据白格堰塞湖现场应急处置工程经验，堰塞湖溃决初期泄流效率低下、堰塞体坍塌缓慢，而溃决后期泄流过快、堰塞体坍塌失控，因此为缓解“初期排泄效率低、后期排泄太快而难于控制”的窘境10，本文通过优化调整引流槽横断面及纵断面结构形式，根据物理试验研究引流槽结构形式对堰塞湖溃决过程的影响，降低堰塞湖溃决洪峰。1 2模型设计本文参照白格堰塞湖几何规模修筑堰塞体模型，其中堰塞体上下游坝坡分别为 1 2，1 5，堰塞体顶宽(顺河向)为 1 5 m，垂直高度为 1 0 m，横河宽度为4 0 m，堰塞体整体模型顺河向长为 17 5 m。为保证溃决洪水库容充足，模型上游侧布置 18 m 4 m(长 宽)的库区，模型最大库容可达到 384 m3。模型整体布置如图 1 所示，主要包括上游库区、堰塞体试验段及下游水库。图 1模型布置(尺寸单位:m)Fig 1Model layout为记录堰塞体溃决过程，在堰塞体上下游分别布置高清摄像机，并在堰塞体表面绘制白色腻子粉矩形网格(20 20 cm)，用于参照记录堰塞体坍塌。库区布置高频水位计监控水位变化(精度 1 mm，频率 1Hz)。1 3堰塞体物质组成堰塞体物质结构组成直接影响溃决水流冲刷掏蚀速度，细颗粒级配堰塞体溃决冲刷速度较快、粗颗粒级配堰塞体溃决速度相对缓慢。为体现堰塞体宽级配特征，本次试验选用如表 1 所列砂石料，其中平均粒径D50=0 69 mm。表 1堰塞体物质颗粒级配组成Tab 1Grain gradation composition for the barrier body粒径/mm颗粒级配/%粒径/mm颗粒级配/%中砾(10 5)117中砂(05 025)129细砾(5 2)188细砂(025 0075)273粗砾(2 05)283粉粒(0075)101 4试验方案设计结合白格堰塞湖实际入库流量，选定模型入库流量 Qin=8 3 L/s。引流槽随溃决过程不断动态变化，溃决流量难以实时监测，本文所筑堰塞湖库区几何形状规整，因而可利用库水位变化估算溃决实时流量，即堰塞湖溃决流量可通过水量平衡方程计算dW/dt=Qin Qout式中:W 为堰塞湖库容;t 为时间;Qin为堰塞湖入库流量，在试验过程中保持恒定;Qout为堰塞湖溃决流量。针对引流槽溃决“初期排泄效率低、后期排泄太快而难于控制”的窘境，本文在梯形断面引流槽基础上优化调整横、纵断面结构形式，提出复式引流槽及陡坎引流槽，对比研究引流槽结构形式对堰塞湖溃决洪水影响。本文共布置 6 组不同结构形式引流槽试验方案，各方案具体设计如表 2 所列。表 2试验方案设计Tab 2Test scheme desigh名称编号横断面纵断面入库流量/(Ls1)梯形引流槽梯形断面坡降 i1=00183复式引流槽复式断面坡降 i1=00183复式断面坡降 i1=083陡坎引流槽复式断面坡降 i1=0，陡坎高度 h=3 8 cm，坡降i2=0183复式断面坡降 i1=0 01，陡坎高度 h=6 3cm，坡降 i2=0156复式断面坡降 i1=0 01，陡坎高度 h=6 3cm，坡降 i2=0183其中梯形引流槽为常规梯形断面引流槽，梯形两侧边坡坡比为 1 1 3，底宽和顶宽分别为 3 8 cm 及52 5 cm，纵向坡降 i1=0 01;复式引流槽及陡坎引流槽横向均为相同复式断面，即在梯形断面底部垂直开102人民长江2023 年挖 2 cm 2 cm 矩形凹槽，但各方案引流槽纵向存在显著差异。复式引流槽及复式引流槽分别为纵向缓坡引流槽(i1=0 01)及纵向平坡引流槽(i1=0)。陡坎引流槽即在引流槽下游侧垂直开挖陡坎并通过陡坡(i2=0 1)衔接过渡至下游坝坡，陡坎引流槽、陡坎引流槽及陡坎引流槽 陡垂直陡坎高度依次为 h=3 8，6 3，6 3 cm。为验证入库流量对溃决洪水影响，陡坎引流槽及陡坎引流槽入库流量分别设置为 5 6，8 3 L/s。引流槽典型横断面及纵断面布置如图 2 所示。图 2复式断面联合垂直陡坎引流槽布置(陡坎引流槽)Fig 2Compound spillway layout with vertical scarp(Vertical scarp spillway scheme)1 5试验工艺流程(1)按照表 1 所示颗粒级配组成，通过人工筛分砂砾料并搅拌混合均匀，分层填筑堰塞体模型，其中每铺 20 cm 厚便利用 20 kg 钢管人工碾压，确保砂石料致密均匀，直至堆积至预设高度。(2)待模型填筑完成后，按表 2 各方案开挖引流槽，并利用水准仪及钢尺对引流槽高程及几何尺寸校核，确保误差控制在 1 mm 之内。在堰塞体表面铺设腻子粉、绘制矩形网格。(3)开启供水阀门，待库区水位缓慢上涨至距引流槽底坡 30 cm 时关闭阀门，充分浸泡堰塞体 2 h，模拟堰塞湖水位缓慢上涨过程。(4)随后按照表 2 所示，开启供水阀门，调整入库流量，待库区水位上涨至引流槽底坡时，溃决过程开始，记录该时刻 t=0，堰塞体上下游高清摄像机开始记录堰塞体溃决发展过程。(5)待溃决水流冲刷坝体达到稳定时，即堰塞湖水位不会发生明显下降时，关闭进水管阀门，停止供水，堰塞湖溃决模拟过程结束。随后重新堆筑堰塞体模型，重复操作试验。2试验结果分析堰塞湖溃决过程复杂，主要涉及到溃决水流横向展宽及纵向下切掏蚀堰塞体变化过程，本文将从堰塞湖溃决水流流态、堰塞湖库水位及溃决流量等方面揭示引流槽结构形式对溃决洪水的影响。2 1溃决水流流态堰塞湖溃决洪水不断横向展宽及纵向下切掏蚀引流槽，造成过流宽度及水头不断增大，冲刷能力持续增强，从而引起堰塞体坍塌。当前关于堰塞体坍塌过程尚存在争议:牛志攀等5 指出堰塞体溃决初期主要以纵向下切为主，溃决后期以横向展宽为主;刘杰等2 和张婧等4 认为堰塞湖溃决过程中纵向下切与横向展宽基本同时进行。本文结合不同结构形式引流槽，通过物理试验反复观测堰塞体溃决过程，如图 3 所示。将堰塞湖溃决过程划分为溃决初始阶段、溯源冲刷阶段、快速发展阶段及恢复稳定阶段。各阶段特征如下。(1)溃决初始阶段。待库水位缓慢上涨至引流槽时，引流槽内壅高水流呈纵向“匍匐”前进，待运动至下游坝坡时，因势能转换，坝坡面溃决水流流速稍有增大，冲刷搬运能力有所增强，溃决水流不断呈现停滞 前进状态反复交替运行，坝坡面形成如图 3(a)所示“辫状”细小冲蚀沟，沟沿、沟坡以及沟底清晰可见，大颗粒砂石料则被推移至沟坡两侧呈扇形堆积。待溃决水流运动至下游坝坡坡脚形成贯通连续式水股时，溃决水流流速明显增加，坝坡面细颗粒呈连续式滚动。(2)溯源发展阶段。因堰塞体颗粒级配差异，下游坝坡面局部区域率先形成凹凸起伏跌坎。溃决水流不断纵向冲击跌坎水平面，并在跌坎凹角处形引起局部横轴涡旋，反向掏蚀跌坎垂直面，致使跌坎崩塌并不断回溯下切，形成更大落差跌坎。与传统土石坝溃决过程不同，堰塞体坝体厚实，纵向规模通常远大于垂直规模，因而随着溃决流量增大，如图 3(b)所示，各级跌坎在下游坝坡不断沿程回溯、甚至交汇融合。待陡坎回溯发展至引流槽溃口时，因上游坝坡无砂石料等重物覆盖保护，坝坡面迅速被陡坎回溯“击穿”，溃决水流水头及流量急速增大，冲刷掏蚀能力快速增强。(3)快速发展阶段。待溯源陡坎回溯“击穿”堰塞体上游坝坡时，溃决流量迅速增大，溃决水流不断横向展宽掏刷引流槽边坡及纵向下切掏蚀引流槽底坡，堰塞体大幅度坍塌，坍塌砂石料被快速带走，引流槽内溃决水流如图 3(c)所示，翻滚、涌动，表