堰塞壩潰口展寬過程實驗研究

堰塞湖在我國山區較為常見，據CUI Peng等統計，汶川地震之後形成了250多處堰塞湖，直接威脅到下游居民的生命和財產安全。如2000年4月9日，西藏易貢藏布支溝發生特大滑坡，堵塞易貢藏布形成堰塞壩，壩體局部漫頂潰決形成特大洪水，使下游雅魯藏布江沿岸橋樑、道路等基礎設施毀於一旦，造成巨大經濟損失。

很多學者認為深入對堰塞壩潰決過程的認識會減小堰塞壩潰決帶來的影響。據統計，自然界中71%的堰塞壩是以漫頂的形式潰決，壩頂過流和潰口之間的相互作用是研究該過程的關鍵。室內模型實驗是研究堰塞壩潰決機理的重要方法。以往多是對不同尺度、不同物理性質的壩體材料以及不同壩體初始形態情況下的室內實驗進行潰壩研究，以研究不同工況下的流量過程以及潰口縱向形態變化的特點、機理和侵蝕率。

潰口展寬過程是潰決過程中的重要環節，但前人研究中單獨對展寬開展的研究還很少，已有的研究也多著眼於某一斷面。由於潰口沿程的水沙作用不同，展寬過程也不相同，所以展寬和過流的相互影響是全程性的，僅局限於某一斷面來研究展寬還不夠。除此之外，也有對潰口沿程變化的研究，但僅針對於縱向發展。很多對於展寬的研究多是基於擬合經驗公式的方法，這些方法並不能描述堰塞壩的展寬過程，沒有考慮到潰口內部複雜的流態以及水沙作用關係。潰口內部的過流特徵以及水沙作用關係在不同縱向發展階段不同，而潰口展寬變化同縱向侵蝕以及過流過程的關係很緊密，所以對側部的研究應和這些因素聯合起來。前人對潰口縱向侵蝕的研究中，大多把縱向侵蝕分為幾個階段，其中都包含溯源侵蝕這一很有代表性的階段。

筆者通過開展不同壩高、壩後坡度的堰塞壩漫頂潰決實驗，設計了6組水槽實驗，分析了45個斷面的觀測數據。

顆粒分布曲線

實驗布置圖

實驗工況表

研究發現：

1) 潰口隨著過流的發展，展寬過程可以以溯源侵蝕結束的時間點分為近等寬階段和彎曲階段。近等寬階段水流流向為順流方向，水流結構以及水沙作用較為簡單；彎曲階段潰口有斜向入流，潰口內部會形成二次流，束縮段的侵蝕減弱，掏蝕處的侵蝕加強，潰口沿程彎曲，水沙作用複雜。

展寬過程(第5組)

2) 斷面按照2種模式展開：線性模式、突變模式，45個研究斷面中分別佔13.3%和86.7%。突變模式可進一步分為2個過程，弱侵蝕過程Ⅰ和強侵蝕過程Ⅱ。強侵蝕過程Ⅱ只發生在溯源侵蝕結束之後。

第6組流量過程線

各斷面展寬發展過程(第6組)

各斷面展寬隨時間發展(第6組)

第6組斷面1、8展寬侵蝕率

3) 突變模式下，過程Ⅰ的侵蝕率沿程呈「U」型，潰口首尾部侵蝕率較中部大，壩後坡比越大相同位置處的侵蝕率越大，此過程侵蝕率受強水流作用時間、壩後坡比、側壁抗侵蝕能力影響；過程Ⅱ的水流結構複雜，由於斜向入流，使得潰口內部具有明顯的二次流特徵，束縮段處的側向侵蝕相對較弱，掏蝕處侵蝕相對較強，侵蝕率沿程呈「S」。不論過程Ⅰ還是過程Ⅱ, 壩高越高，相同位置處的展寬侵蝕率越大。

展寬侵蝕率

各組實驗沿程各斷面展寬侵蝕率

上述對於堰塞壩溢流展寬過程的新認識，有益於今後深入定量研究潰口展寬過程和力學機理。

本研究由國家科技支撐計劃項目"強度侵蝕區退化生態系統修復關鍵技術的研發與集成"（2014BAD15B02）；國家重點研發計劃"南方紅壤低山丘陵區水土流失綜合治理"（2017YFC05054）共同資助。

《中國水土保持科學》是由中國科學技術協會主管，中國水土保持學會主辦的綜合性學術期刊。2003年創刊，雙月刊，公開發行，2004年成為中國科技核心期刊，2011年入選中國科學引文資料庫（CSCD），2015年入編《中文核心期刊要目總覽》2014年版（即第七版）。

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