土坝溃决研究进展及存在问题

谢亚军，朱勇辉，国小龙

（长江科学院河流研究所，武汉 430010）

土坝溃决研究进展及存在问题

谢亚军，朱勇辉，国小龙

（长江科学院河流研究所，武汉 430010）

据统计，目前世界各地发生溃决的大坝中，大多数为土坝。为了更好地预测溃坝过程、溃坝洪水及其在下游的传播过程，近几十年来，建立了多个溃坝模型。对现有的土坝溃决模型进行了分类与总结，着重介绍了坝体漫溃模型，同时简单介绍了管涌溃坝模拟。并根据现有的研究成果，参照各溃坝模型的假定条件及控制方程适用范围，对现有溃坝模型存在的问题进行了分析总结，并提出了下一步研究需关注的重点与建议。

土坝;溃坝;模型;进展;存在问题

大坝是人类改造自然、利用自然的产物，其在防洪、发电、航运、供水等方面给人们带来了巨大的社会效益和经济效益。然而，受不可预测因素的影响，大坝一旦溃决，将对下游生命财产造成不可估量的损失，同时大坝的功能也不复存在。例如1975年中国板桥、石漫滩水库大坝，1976年美国的Teton坝等坝体失事都给下游造成了灾难。

溃坝模拟的任务是预测溃坝坝址的流量和水位过程线［1］，以及洪水向下游演进至沿程各处的流量、水位、流速、波前和洪峰达到时间等。大坝的溃决速度和程度决定了溃坝洪水波的大小及传播速度，因此，建立更精确的溃坝预测模型，为早期预警及制定紧急预案等提供依据，对于保护下游人民生命财产安全具有重要意义。

本文对现有土坝溃决模型进行了分类与总结，着重介绍了漫溃模型，并简介了管涌导致的溃坝过程的模拟，然后对当前土坝溃决研究中存在的问题进行了分析与总结。

1 土坝溃决模型

由于土坝溃决发生及发展过程极为复杂，且涉及因素众多，现有模型主要模拟均质土坝及黏土心墙坝的溃决过程，其中均质土坝又可分为均质非黏性土坝及均质黏性土坝，且目前对均质非黏性土坝研究较多。导致土坝溃决有漫顶、管涌、滑坡等多种原因，其中前两者是导致溃坝的主要原因，而目前溃坝模型也主要是模拟由漫顶或管涌导致的溃坝。坝体溃决方式有逐渐溃和突然溃2种，一般认为土坝溃决方式为逐渐溃［2］。

1.1 土坝溃决模型分类

目前土坝溃决模型可分为2类［2-3］:第1类是参数模型，是根据收集以往溃坝事例的相关数据进行统计回归，得出一些经验性公式，且基本上都是通过输入水库库容、初始水位、坝高及材料抗冲蚀能力等参数来计算溃口特性（溃口宽度及深度等）、洪峰流量和溃坝历时等。此类模型如Singh and Snorrason. （1984），Froehlich.（1995），Hanson et al.（2011）等［4-6］。第2类是基于物理过程的溃坝模型，即通过综合水力学、土力学、泥沙侵蚀及输运等建立起来的模型，此类模型根据对水流特性及溃口特性描述的不同又可分为2小类:第1小类假定溃口形状（矩形、梯形、三角形等），采用堰流或闸孔出流计算溃决水流，采用输沙公式计算输沙能力，这类模型如BREACH （1988），Zhu et al.（2006），Wu et al.（2009）等［7-9］;第2小类采用水流深度及泥沙对床面的侵蚀反应溃口的变化，水流多采用圣维南方程及浅水方程等进行描述，该类模型如Dave-F（2004），Wang et al.（2008），Cao et al.（2011）等［10-12］。

由于参数模型相对简单，模拟结果不大稳定，下面主要介绍基于物理过程的溃坝模型。

1.2 坝体漫溃模型

1.2.1 坝体漫溃模型研究的主要内容

漫溃模型研究的主要内容包括坝体初始溃口的形成及其发展、溃决水流及泥沙侵蚀输运等方面的问题。

Proportion of Variance 0.513710 0.2986893 0.1876007

对于溃口方面，第1小类基于物理过程的模型通常采用2类方法来描述:①假定初始溃口形状（如三角形、矩形，梯形等）且处于坝顶中部，溃口形状按照一定规律发展，同时多数模型考虑溃口边坡稳定情况，如BREACH（1988），Wu et al.（2009）等模型［7.9］;②并不假定溃口形状，根据剪应力分析及冲蚀机理推导溃口形状的解析解，如Lou（1981），Nogueira（1984）等模型［13-14］。其中第①类由于条件比较容易控制，且便于考虑下游坡面水流，在模型中较为常用。第2小类基于物理过程的模型对溃口形状不做假定，而是根据水流深度变化及泥沙侵蚀输运对溃口底面的影响来反映溃口形状的变化。

对于溃决水流方面，第1小类基于物理过程的模型多采用堰流方程及闸孔出流方程来计算溃口流量，而第2小类基于物理过程的模型多采用圣维南方程、二维浅水方程及广义浅水方程计算水流特性。

在泥沙侵蚀及输运方面，尽管各家溃坝模型所采用的泥沙输运公式不尽相同，但大都假定为平衡输沙，也有模型取水流对土体侵蚀能力与水流挟沙能力中的较小值作为水流输沙量，如Wang （2005）［15］。近些年，一些溃坝模型将非平衡输沙理论用于计算溃决水流输沙量，如Wang（2008），Wu et al.（2011）等模型［11，16］。

1.2.2 黏性土坝漫溃模拟问题

据试验及原型观测显示［17-18］:在土坝发生漫顶的情况下，水流对非黏性土坝的侵蚀方式通常为持续性面蚀，而对黏性土坝则以“陡坎”冲蚀为主要方式，另外，对于经过强夯的非黏性土坝，也可能会发生“陡坎”冲蚀。

“陡坎”冲蚀是由Ralston和Wahl等人［19-20］在分析大量溃坝试验及溃坝实例的基础上提出的。“陡坎”是指地面（河床面）在高程上的突降，类似于瀑布状的地貌形态。溢流水舌流过“陡坎”冲击床面，产生漩涡，漩涡在“陡坎”底部垂面上施加剪应力，淘蚀“陡坎”基础面并造成“陡坎”失稳坍塌，整个“陡坎”不断向上游发展（见图1和图2）。

在把“陡坎”冲蚀应用于溃坝模拟时，通常对于“陡坎”产生的初始阶段即细沟侵蚀及股流塑造“陡坎”阶段予以简化，主要研究重点还是在于“陡坎”冲蚀速度的模拟上，而“陡坎”冲蚀速度很大程度上决定着溃坝的速度及程度。

图1 不可侵蚀基础“陡坎”示意图Fig.1Sketch of a headcut（non-erodible foundation）

图2 可侵蚀基础“陡坎”示意图Fig.2Sketch of a headcut（erodible foundation）

由于“陡坎”的形成与发展非常复杂，而关于“陡坎”冲蚀速度的研究目前也还基本依赖于以试验为基础的经验性总结，且“陡坎”冲蚀中的溢流水舌也是建立在均匀紊动射流的基础上，并进行了大量的简化。尽管目前有一些溃坝模型初步尝试建立在“陡坎”冲蚀机理的基础上，如Zhu et al.（2006），Wang and Bowles（2007），Wu and Kang（2011）等［8，27-28］，但是“陡坎”冲蚀在溃坝方面的运用尚未成熟，仍需大量的基础理论研究与试验研究。

1.2.3 黏土心墙坝的漫溃模拟

对于黏土心墙坝，A.穆罕默德［29］假定坝体下游面坝壳大多已被冲蚀，此后黏土心墙可能因滑动或倾覆或崩塌而破坏，并给出了这3种破坏的控制条件。任强等人［30］根据现场溃坝资料及室内、现场溃坝试验结果，对A.穆罕默德的模型进行了改进。认为由于漫顶水流连续冲蚀下切，导致下游坝壳变薄，心墙临空面逐渐增大，达到一定程度后发生滑动破坏;如未发生滑动破坏，则在下游坝壳完全剥落后心墙发生倾覆破坏;同时推导出了发生这2种破坏的临界条件。Wu and Kang（2011）［28］则认为在心墙临空高度增加的过程中，可能发生倾覆破坏，也可能发生滑动破坏，但同时指出，滑动破坏起主要作用。

1.3 管涌溃坝模型

目前对于土坝因管涌而导致溃决的全过程还缺乏相应研究。管涌涉及问题极为复杂，如管涌发生位置具有随机性特点，其发生部位可能是坝体任意位置，也可能发生在基础位置;又如管涌发生时管内泥沙的起动及运动规律，管内泥沙侵蚀过程及管涌发展过程等问题都极为复杂。目前在模拟管涌导致的溃坝中，有些模型假定初始管涌的位置、形状及尺寸，然后采用简化输沙公式计算管内侵蚀速率，且假定各方向为均匀侵蚀;有些模型结合推导发生管涌的临界水力梯度及泥沙起动方面的知识来模拟管道发展的过程;而当管道顶部与坝顶之间的土体达到临界状态时产生崩坍，然后再采用漫溃的方法来模拟此后的溃坝过程。

2 土坝溃决研究中存在的问题

尽管目前在土坝溃决方面已做了大量的研究工作，并取得了相当的进展，但由于土坝溃决条件及溃决过程极为复杂，现有溃坝模型仍存在不少问题，以下参照国内外对溃坝模型的认识，并根据模型的假定条件，对现有溃坝模拟中所存在的主要问题加以总结:

（1）土坝溃决参数模型比较简单，需要的输入参数较少，计算耗时短，但其精度不高，计算结果也不稳定。另外，参数模型所采用的统计资料大都是库容较小且坝高较低的土坝溃决实例，由其推导出来的公式难以适用于库容较大且坝轴线较长坝体的溃决。基于物理过程的土坝溃决模型能较好地反映溃坝过程，模拟结果也较好，但需要参数较多且较复杂。

（2）目前对土坝的初始溃决并没有明确的定义，在溃坝模型中，一般认为土坝一旦发生漫顶或管涌，则坝体溃决过程开始。而事实上，如果漫顶水流不冲刷形成溃口并很快停止，管涌为清水出流且流速较低并处于稳定状态或在管涌形成阶段人为终止管涌的进一步发展，则不会发生坝体溃决。另外，对于溃坝发生后坝体是否完全溃决的研究还不够深入。

（3）目前对坝体漫顶水流的描述，并不能很好地反映坝顶口门进口段与出口段的土体崩塌及溃口底部水流下切作用。另外，用浅水方程类描述漫顶水流，一般采用的是平面浅水方程，但是由于目前缺乏对大尺度及现场试验有效的测量技术，难以对动床情况下的溃口水流进行深入的研究。在溃坝模型中，计算水流输沙量的各类公式多是在对平原冲积河流的研究中得到的，是否适用于溃坝过程中泥沙的输运目前还存有疑问。另外，还有学者认为，由于溃坝水流流速较大，可用高速水流输沙理论来计算，但是目前高速水流挟沙理论并不成熟，还需进一步完善。再者，目前对非黏性土及黏性沙的输运研究较多，但是对于黏性土和非黏性土混合物的输运研究非常少，而土坝坝体材料多是由黏性土与非黏性土的混合物构成。此外，在溃坝主要阶段，由于高速湍流，坝体填筑土料基本上以悬移质形式被水流挟带冲走，当水流含沙量超过一定程度时，水流特性发生改变，输沙量也变得较难确定。对于坝体因管涌溃决的情况，目前对管涌水流及管涌输沙方面研究较少，多采用简化方法进行考虑。

（4）对于由漫顶所产生的坝顶溃口，根据对原型的观测，一般溃口形状为梯形，而在小尺度试验中，溃口形状一般发展为矩形或近似于矩形，目前针对这方面的研究较少。根据赵万玉等人研究结果显示［31］:当溃口形状不同时，水流对溃口处坝体材料的侵蚀强度也不同，从而进一步影响坝体溃决过程。再者，不少模型假定溃口处于坝顶轴线中部位置，而根据Wang（2005）研究结果表明［15］，坝顶溃口位置的不同对于溃坝洪水过程线及洪峰流量有重要的影响。此外，根据试验观测［32］，坝顶溃口与坝下游坡面上的溃口形状尺寸并不一致，而现有溃坝模型对这方面反映较少。

（5）溃坝过程中坝体材料也包含多方面有待解决的问题，如对于原型坝体材料的相似性模拟，至今仍没有完善的理论，用小尺度试验来模拟坝体溃决，所用材料很难按相似准则与原型材料相似，此类试验结果容易造成较大偏差，而大尺度试验能较好地减少这方面的影响，但是大尺度试验耗费大，试验周期长。再者，坝体溃决主要是水土共同作用的结果，但坝体材料特性对于溃坝的影响尚不能充分地反映在溃坝模型中，如对于天然坝（如由于山体滑坡淤塞河道形成的堰塞体）的溃决而言，由于坝体材料中既有大块石或弱风化碎裂岩等，又有细粒泥沙等，级配范围较宽，且在空间上分布非常不均，但目前对这类溃坝问题研究很少，通常是借用人工土坝溃决模拟的研究成果。

（6）对溃坝过程中边坡失稳的研究，目前也多是采用二维且经过简化后的边坡稳定分析方法，虽然有模型尝试采用三维边坡稳定分析法，但也比较简单，如Wang（2005）［15］，采用修正后的三维毕晓普简化法分析边坡稳定，该方法假定在薄弱面上每个单元体都发生力学失稳。除此之外，还有诸如下游坝体面防护层对溃坝过程的影响等问题也还需进一步的研究。

3 结语与建议

土坝溃决过程非常复杂，涉及因素众多，尽管目前已开展不少研究，建立了众多溃坝模型，但在实际运用中，坝体究竟如何溃决（漫顶/管涌、全溃/部分溃等），采用哪个模型比较合适，仍是值得探讨的问题。根据目前的研究成果，建议以后应多注重以下方面:

（1）重视溃坝实例资料的收集和保存，同时注重所收集资料的质量，杜绝资料的相互矛盾，为溃坝模型的校验等提供更准确更全面的信息。

（2）重视溃坝基础理论研究工作，如对于溃口的形成及发展过程，溃决水流特性、泥沙侵蚀输运及边坡稳定分析等方面的研究。对于漫顶水流来说，应充分考虑动床条件下，综合泥沙等因素的影响研究水流特性。对于泥沙侵蚀输运方面，应进一步完善非平衡输沙理论，以能更好地计算溃坝输沙量。对于边坡稳定方面，应多注重结合三维边坡稳定分析的方法分析坝体边坡稳定。同时，应加强对管涌形成及发展的理论研究工作。

（3）注重溃坝的试验研究，尤其是大尺度试验。更多注重于黏性土坝溃决研究，同时考虑如护坡等多种因素的影响。

（4）重视对天然坝溃决的研究，相应溃坝模型的建立应更多更好地反映材料的不均匀性，处理好沿坝轴线方向坝高的不均匀性对坝体溃决的影响，同时应充分考虑水库特性等因素对溃坝过程及溃坝洪水的影响。

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（编辑:周晓雁）

Advances and Problems in Earth-Dam Failure Research

XIE Ya-jun，ZHU Yong-hui，GUO Xiao-long
（River Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

According to statistics，most of the failed dams are earth-dams.In order to more precisely predict the process of dam failure，the resulting flood and its propagation，many dam-failure models have been developed in recent decades.The existing earth-dam failure models are summarized and classified，with special attention paid to the models of earth-dam failure due to overtopping.Meanwhile，simulation of the earth-dam failure caused by piping is briefly introduced as well.On the basis of the current research results，problems in the current dam-failure model are analyzed and summarized in the light of the model assumptions and governing equations.Finally，key points and suggestions are put forward for further research.

earth-dam;dam failure;model;advance;problem

TV641.2

A

1001-5485（2013）04-0029-05

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.04.007

2013，30（04）:29-33

2012-04-05;

2012-05-30

国家自然科学基金项目（51009012）;人力资源和社会保障部留学人员科技活动项目择优资助优秀项目（SLB0939/HL08）;教育部留学回国人员科研启动基金项目（CKSD2011273/HL）

谢亚军（1987-），男，河南开封人，硕士研究生，主要从溃坝基础理论研究，（电话）15172395376（电子信箱）xiaguang.1234@163. com。