混凝土坝不同溃决方式下溃口水力学试验研究

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(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

筑坝技术的发展使得混凝土坝越来越高，承担的水头越来越大，工程老化、施工质量以及地震、极端气候等原因皆可能导致溃坝事件发生。由于混凝土坝溃决时间短，其溃口流量、流速迅速增大而形成的溃坝洪水峰高、量大，对上下游可能造成的损失是不可估量的。国内外学者对溃坝机理、传播特点、能量动量传递等都进行了大量的研究，如魏文礼等[1]通过对二维溃坝洪水的演进进行数字模拟，以实际工程为例验证了此数学模型对模拟溃坝的有效性；马铁成等[2]通过混凝土面板坝溃决过程和溃坝模式研究，得出了溃坝过程中下泄流量的变化趋势；傅忠友等[3]基于典型溃坝案例统计和分析得出重力坝溃决的主要影响因素为洪水漫顶、基础缺陷和战争；张成林[4]对比分析了大坝瞬时全溃最大流量计算公式，所得结论对水库溃坝预警很有价值；刘磊等[5]通过建立的数学模型预测尾矿库漫顶溃坝洪水流量及溃口变化过程；胡文兵等[6]通过对混凝土坝溃决方式进行水动力分析,得到了混凝土坝倾倒过程的溃口流量计算公式，可为类似工程研究提供参考。

鉴于溃坝问题研究的复杂性及试验费用的高昂，现主要以数值模拟及历史资料统计分析为主，而由于混凝土溃坝溃口水力学特性的特殊性[7]，目前工程上常用经验公式的方法进行计算预估，但是该经验公式及方法是以混凝土坝瞬间溃决为基础，并没有考虑溃坝的溃决过程和方式。因此本文通过物理模型试验的方法研究了混凝土坝不同溃决方式和过程下溃口水力学特性及上下游溃坝波的传播变化过程，以期为工程实践提供有益的指导。

2 试验设计

2.1 试验模型

试验模型以某实际河道型水库为原型按1∶60缩小制作，模型具体尺寸为：上游河道长10 m，下游河道长5 m，平均河宽约0.5 m，平均河深约0.5 m，漫顶时的总库容2.5 m3。模型中设置了3个水位观测点，分别为距坝轴线上游7 m处1号水位测点、溃口处的水位测点、距坝轴线下游2 m处2号水位测点，具体见图1。模型试验坝型选取混凝土重力坝，坝高0.50 m，坝顶宽0.15 m，坝底宽0.30 m，斜坡比1∶0.7，预设溃决坝段的尺寸为0.30 m×0.50 m的矩形，坝体挡水宽度(水面宽)为1.00 m，溃口流速测量断面为坝轴线断面，具体见图2、图3。

图1 模型示意图Fig.1 Model layout

图2 溃坝溃口流速测点布置Fig.2 Arrangement of velocity measuring points at the breach

图3 溃坝溃口纵剖面图Fig.3 Longitudinal profile of breach

2.2 试验工况

为研究混凝土坝的溃决过程和溃决方式对溃口水力学条件的影响，本文结合混凝土坝的结构特征及受力特点，假定了3种可能的破坏形式：一是混凝土坝坝基受渗透或其它因素影响造成建基面阻滑力下降，致使预设坝段整体沿建基面向下游滑动而造成溃坝的方式，简称“滑动式”，试验中滑动面的糙率n=0.014；二是假定建基面受挤压而发生失稳破坏，坝体在上游水压力与坝基面的摩擦阻力形成力偶的作用下，造成预设坝段混凝土坝体整体以底部建基面为转轴向下游倾倒造成溃坝的方式，简称“倾倒式”；三是在上游水压力作用下，预设坝体沿垂向薄弱面(如垂直向裂缝、施工横缝等)破坏，产生混凝土坝段以中间开门绕两边轴旋转形成的溃坝的方式，简称“开门式”。假定的3种溃坝示意图见图4。

图4 混凝土坝溃口3种溃决方式Fig.4 Three modes of concrete dam break

2.3 测试布置及试验方法

水位观测：在3个水位测点，安装高清录像设备进行全程记录，通过视频分析得出各测站水位的变化过程；流速测量：采用在矩形溃口断面处选取左、中、右3条垂线，每条垂线设置3个测点，一共9个流速测点[8]，试验采用多普勒超声流速仪(ADV)进行实时测量；溃口流量过程：采用溃口实时平均流速及相应的溃口断面尺寸大小计算得出。

溃坝试验过程：首先对上游水库进行冲水，当水位达到坝顶高程(坝高0.50 m)时，溃决坝段发生溃决，溃决前坝下河道为无水状态。

3 试验结果及分析

滑动式溃决发生后，溃坝块体整体向坝下滑走，历时0.7 s后溃体被冲至距坝轴线约1.5 m处稳定，溃口实际尺寸与预设的溃口尺寸一样，大小为0.50 m×0.30 m。

倾倒式溃决发生后，溃坝块体绕底部倾倒，整个倾倒过程历时约0.5 s，由于溃体倾倒后其挡水高度大幅度减少，承受的上游的动水压力也大幅度减小，溃体并没有向下游进一步滑动，而是停在溃口下沿附近，倾倒溃体阻挡了预设溃口的部分水流使得溃口实际过流高度减少，阻挡后的溃口尺寸大小为0.31 m×0.30 m。

开门式溃决发生后，溃坝块体绕两边轴转动，历时约0.35 s溃体转至稳定位置，旋转溃体的阻挡，使得溃口实际宽度较预设溃口宽度有所减少，尺寸大小为0.50 m×0.09 m。

溃决方式不同使得在试验过程中形成了不同大小的有效溃口尺寸，致使3种溃决方式下溃口及上下游水力特性也有所差别。

3.1 流 速

在滑动式、倾倒式、开门式溃坝3种情况下，溃口的预设溃口断面的平均流速如图5所示。

图5 溃口断面平均流速Fig.5 Average flow velocity at breach section

由图5可知3种工况下溃口流速都是在很短时间内快速上升到最大值，随后流速逐渐减少。由于流速观测断面设于坝轴线预设溃口位置，其起始观测断面尺寸为0.50 m(高)×0.30 m(宽)，并随溃口水位下降溃口水深逐渐减小。倾倒式和开门式溃坝,由于溃体仍部分停留在预设溃口部位，阻碍了溃口流量的下泄，使溃口观测断面处的流速大幅度下降。观测的滑动式溃口最大流速是倾倒式溃口最大流速的约2倍，而倾倒式是开门式溃口处最大流速的约1.5倍。滑动式溃坝溃口处的流速最大值是59.89 cm/s，出现时刻为2.5 s，随后流速逐渐波动减小；倾倒式溃坝溃口处的流速最大值是30.73 cm/s，出现时刻为0.8 s，随后流速缓慢减小；开门式溃坝溃口处的流速最大值是19.13 cm/s，出现时刻为0.3 s。

3.2 流 量

由试验采集的溃口断面流速及水位变化过程，根据断面流量公式Q=AV[9]可推算出混凝土坝溃口断面的流量变化过程，详见图6。

图6 溃口断面流量过程线试验与理论对比Fig.6 Test and theoretical process lines of flow rate at breach section

工程上对混凝土坝瞬时溃决时，溃口流量的计算常采用经验公式的方法，通常将溃决流量过程线概化为4次抛物线，根据表1(Qt/Qm-t/T关系)确定[10]。

表1 概化4次抛物线法Table 1 Generalized quadratic parabolic method

表1中:T为水库泄空时间；t为任意泄洪时刻；Qt为相对t时刻对应的溃口流量；Qm为溃口最大流量(m3/s)。且有：

(1)

(2)

式中：W为可溃库容(m3);Q0为入口流量(m3/s);K为经验系数，取5;B为溃口断面宽度;H0为溃口作用水头。

由式(2)可计算出前述滑动式、倾倒式、开门式混凝土坝溃口最大流量分别为98,48,28.8 L/s，再根据以上关系推算出本试验3种溃决方式下溃口流量过程线。将溃口经验公式计算的流量过程线与试验流量过程线进行对比，具体见图6。

由图6可知，混凝土坝在发生溃决的时候，溃口处的最大流量试验值，滑动式是倾倒式的约2倍，而倾倒式是开门式的约1.5倍。试验时滑动式混凝土坝溃口处的流量峰值为80.13 L/s，与理论计算值98 L/s相差约18%，试验值峰值出现的时刻较计算值滞后2.5 s；试验时倾倒式混凝土坝溃口处流量峰值为43.39 L/s，与理论计算值48 L/s相差约9.6%，出现时刻滞后0.4 s；试验时开门式混凝土坝溃口处流量峰值为25.6 L/s，与理论计算值28.8 L/s相差约11.1%，出现时刻滞后0.3 s。

3.3 水 位

混凝土坝在不同溃决方式下，溃口及上、下游的水位变化情况如图7所示。

图7 3种工况溃坝测点水位波动Fig.7 Water level fluctuation at measuring pointsin three break modes

由图7可知，溃坝一旦发生，溃口处水位即开始下降，下降速率以滑动式最大、开门式最小，水位下降的过程中伴随一定的波动。

上游1号测点水位，滑动式在3 s时开始下降，倾倒式在3.15 s时开始下降，开门式在3.2 s时开始下降，因此混凝土坝溃决时，库区首波向上游传播最快的是滑动式，其次是倾倒式，最慢的是开门式。

下游2号测点水位，倾倒式在2.6 s时开始上升，滑动式在2 s时开始上升，开门式在1.2 s时开始上升。因此下游水位起涨最快的是开门式，其次是滑动式，最慢的是倾倒式。

4 结 论

(1)在预设混凝土坝溃口尺寸的条件下，由于溃口方式、溃决过程的不同，溃口的水力学特征也不同。滑动式溃决比倾倒式和开门式溃决造成的溃口流速、流量、水位变化更加明显，危害也最大。

(2)3种溃决方式下，试验溃口流量峰值相比经验公式计算值都要略小，时间也略滞后，在峰值过后两者流量过程线基本接近，侧面证明经验公式对溃口流量过程的初步计算具有一定的准确性。

(3)由于经验公式以混凝土坝瞬间溃决为基础，并没有考虑溃决变化过程和溃决方式，本试验考虑了混凝土坝的溃决过程和溃决方式对溃口水流特征的作用，可为经验公式修订和溃坝机理研究提供指导。