特大洪水演變過程及不確定性研究項目專題（二）——潰決形成專題的試驗數據和結論

崔弘毅編 譯

（國家電力監管委員會大壩安全監察中心，浙江杭州 310014）

1 概 述

特大洪水演變過程及不確定性研究項目專題（IMPACT）之WP2專題（即潰決形成專題）的重點是通過對大壩或防水堤的研究來提高預測潰決形成的能力。其核心工作是將現場試驗和室內試驗（現場試驗和室內試驗的數據可以相互對照、比較以確定有效性和了解基本的潰決形成過程）與數字模型試驗聯系起來進行比較和分析。另外，還考察了影響潰壩地址的各種因素，也對與潰壩模型相關的不確定性進行了考察。研究過程包括了相當數量的現場試驗、室內試驗和數據校核工作。本文主要回顧重點工作和其中要點。

2 現場數據和實驗室數據

2.1 目標和方法

IMPACT項目WP2專題中建模工作的目的如下：（1）對大壩潰決過程有更好的了解；（2）為模型驗證、校準和測試提供數據，優化建模工具性態；（3）為評估現場試驗和實驗室試驗間的規模效應提供數據和信息；（4）識別出最好的方法來模擬大壩潰決形成；（5）評估和量化現有潰決模型技術的不確定性水平。

該項研究分為3個子專題，即現場模型、試驗模型和數字模型分析，見圖1。

2.2 數據收集

過程中收集了大量現場數據和試驗數據。每個試驗都收集了一系列數據，包括水位、流量、大量的照片和錄像。

2.2.1 現場數據

第一年和第二年，在挪威進行了五次現場試驗。這五次現場試驗的目的是為考察均質復合壩的潰決形成過程（因漫頂和管涌而潰決）提供大量數據。試驗現場位置如圖2所示。

圖2 Rossvass壩及潰決試驗現場Fig.2 R?ssvass dam and breach test site

通常來說，每個現場試驗收集的數據如下：（1）大壩上下游水位；（2）上游水庫釋放的進入試驗水庫的洪水流量；（3）大壩孔隙水壓力；（4）潰決發展過程（依據位移傳感器監測到的潰決的時間發展）；（5）上下游設置的數字攝像機和照相機監測到的潰決發展情況。

圖3顯示了這五次現場潰壩試驗的不同階段。

推薦理由:本書為財經女俠葉檀最新力作。從宏觀與微觀角度，犀利解讀房價、投資、城市發展、人民幣匯率、中美貿易戰、房產稅等多個經濟問題，助你撥開迷霧，看清經濟變革背后的新出路，抓住中國經濟新機遇，創造未來。

2.2.2 室內試驗數據

（2）潰決地址對潰決過程的影響

圖3 五次現場潰壩試驗的不同階段Fig.3 Breach development stages in five field tests

第3、4、5點過程與系列1的試驗非常類似，但該系列滑塌的頻率更小。潰決口增寬侵蝕的速率和最后的寬度也同樣比系列1中小。

2.2.2.1 系列1

潰決過程：（1）水流沖蝕下游壩坡，下游壩坡變軟，但沒觀察到溯源侵蝕；（2）壩頂受到侵蝕，并向下沖蝕；（3）一旦潰決完全形成，即壩體材料基本被沖蝕到壩基，則水下的壩體材料已全部被蝕；（4）以上過程會一直持續，直到水量不夠沖蝕更多的壩體材料；（5）在上游坡觀察到了沖蝕，導致潰決時形成了喇叭口，這個喇叭口控制著潰決流量。因為沖蝕，在上游面也能觀察到滑塌。

圖4 系列1的潰決過程Fig.4 Breach processes of Series 1

測試了以下兩種不同材料類型和級配對潰壩過程的影響：①細粒粘土材料，D50=0.005 mm，粘土含量為24%～43%（這使用于所有試驗中，除了一個冰磧土壩未使用外）；②冰磧土材料，D50=0.715 mm，細粒含量少于10%。

（1）D50和級配對潰決過程的影響

選取2018年1月～8月我院收治的接受醫學檢驗在醫學檢驗分析前產生了誤差的患者130例，其中，男96例，女34例，年齡22～67歲，平均年齡（44.3±1.5）歲。所有患者一般資料對比，差異無統計學意義（P＞0.05）[1] 。

青田縣國土資源局“四化”并舉 打造紀檢監察特色品牌（陳昭昭） ..............................................................2-57

圖8為壩頂寬度變化情況下的試驗流入量和流出量過程線和壩頂潰決寬度的時間過程線。

圖5為第二種和第三種級配情況下的流入量和流出量過程線和壩頂潰決寬度的時間過程線。由圖可見，流出量峰值、峰值時間、潰決增長速度和最后的潰決寬度對過程幾乎沒有影響。這兩個試驗表明，在室內試驗規模，級配對潰壩過程的影響很小。請注意，這里說的是規模效應。在原型規模時，通常認為級配對潰口增大是有影響的。

對照組中,男女之比為30/20,年齡范圍為35歲-62歲,年齡均值為(47.60±5.10)歲,病程范圍為2年-8年,病程均值為(3.42±1.10)年。

多年的經驗表明，在選煤廠煤流及介質流動環節，選擇母板加襯板的方式是提高耐磨性能、降低設備成本的有效方式。但由于物料粒度、速度、物理性質等差異，應結合襯板市場供應情況合理選擇襯板，才能達到整體設計的最優化。

為了測試潰決地址對潰壩過程的影響，試驗中，在兩座相似特性、結構相同的壩上設置了最初的潰決切口，但切口位置不同，一個設置在中間，另一個設置在邊上。圖6為這兩個試驗流入量和流出量過程線和壩頂潰決寬度的時間過程線。

圖5 級配變化結果Fig.5 Grading variation results

圖6 潰決地址變化結果Fig.6 Breach location variation results

由圖可見，從邊上潰決的大壩，峰值出流量、沖蝕速率和最后的潰決寬度都小一些。這兩個試驗表明，在室內試驗規模，潰決地址對潰壩過程有很大的影響。

（3）結構變化對潰決過程的影響

為尋找直接證據，也為明確右骶棘肌粗大是代償性增粗還是損傷所致，進一步行腰椎MRI檢查。橫斷面MRI可見L4/L5及L5/S1節段右骶棘肌橫徑及面積明顯增大（Advantage work-station自帶軟件測量），但信號正常，明確右骶棘肌無損傷，同時未見黃韌帶肥厚（圖4）。

測試了以下兩種不同結構對潰壩過程的影響：①上下游坡比由1∶1.7增加到1∶2；②壩頂寬度由0.2 m增加到0.3 m。圖7為壩坡變化情況下的試驗流入量和流出量過程線和壩頂潰決寬度的時間過程線。由圖可見，加大坡比稍微延遲了一些沖蝕和到達峰值出流量的時間，但峰值出流量和最后的潰決寬度還是非常相似的。

測試了以下三種不同材料級配對潰壩過程的影響：①均一的粗粒料，D50=0.70～0.90 mm；②均一的細粒料，D50=0.25 mm；③大范圍級配（用了四種砂土），D50=0.25 mm。

由圖可見，這兩個試驗中，增加壩頂寬度對峰值出流量、到達峰值出流量的時間和沖蝕速率沒有影響。總的來說，在實驗室規模，結構變化對潰決過程的影響非常小。

通常情況下，裂隙面處的水平位移最大，兩相鄰裂隙中間位置的水平位移為零。由土力學原理可知，通常情況下(不考慮剪脹軟化)，由于土體能夠承受的極限拉應變很小，故可假定裂隙底部處剪切應力τ與該點水平位移u成正比，即令τ=-Cu，C為水平阻力系數，kPa/cm；“-”表示應力與位移的方向相反。

圖7 坡比變化結果Fig.7 Slope variation results

圖8 壩頂寬度變化結果Fig.8 Crest width variation results

2.2.2.2 系列2

潰決過程：（1）相比于系列1試驗的過程，系列2試驗中，在下游面觀察到了溯源侵蝕，并且不止一處（見圖9a）；（2）溯源侵蝕結合形成一處縱深的侵蝕，引起上游沖蝕并向下發展；（3）一旦潰決完全形成，即壩體材料基本被沖蝕到壩基，則水下的壩體材料已全部被蝕，最后淘刷邊坡引起壩段潰決；（4）以上過程會一直持續，直到水量不夠沖蝕更多的壩體材料；（5）在上游坡觀察到了沖蝕，形成與系列1試驗類似的喇叭口，同樣，因為沖蝕，在上游面也能觀察到滑塌。

英國HR Wallingford公司一共進行了22項室內試驗，總目的是為了更好地了解大壩的潰決過程（這些大壩因管涌和漫頂而潰決），并識別出影響潰決過程的重要因素。這些試驗被分為三個系列，本文著重分析系列一和系列二。

各因素對潰決過程的影響：在這一系列試驗中，測試了各種因素對潰決過程的影響，包括級配、壓實度、含水量和結構等。

注2 發展算子Φ(t，t0)是一致指數不穩定的當且僅當存在常數N>0和v>0使得對所有(t，s)，(s，t0)∈Δ和x∈X，有

（1）材料類型和級配對潰決過程的影響

各因素對潰決過程的影響：在這一系列試驗中，測試了各種因素對潰決過程的影響，包括級配和結構等。

圖9 系列2的潰決過程Fig.9 Breach processes of Series 2

圖10為兩種不同材料情況下的流入量和流出量過程線和壩頂潰決寬度的時間過程線。很明顯，冰磧土材料比粘土材料更易被沖蝕，且加速了沖蝕過程，導致峰值流出量和最后的潰決口寬度都更大。

圖10 材料變化結果Fig.10 Material variation results

（2）壓實度對潰決過程的影響

為測試壓實度在粘土材料上的效應，使用了兩種壓實度，其中一個壓實度數值是另一個的一半。圖11為不同壓實度情況下的流入量和流出量過程線和壩頂潰決寬度的時間過程線。兩個試驗可見，壓實度降低一半對潰決過程是有影響的，但它的影響被壓實含水量的影響覆蓋住了，壓實含水量對潰決過程的影響下個章節討論。在室內試驗規模下，壓實度效應的減弱加速了沖蝕過程，導致了峰值出流量和最后潰決口寬度加大。高壓實度試驗中的壓實含水量為25%，壓實度為一半的試驗中，壓實含水量為22%。含水量的減少同樣也加速了沖蝕速率，這在下節討論。

三組被試的自尊水平差異不顯著，是本研究采用的整群隨機分組方式造成的。 本研究的被試同為醫學影像專業，在入學時他們被隨機分到10個班級中，在確定被試接受何種實驗處理時，研究者以班級為單位，隨機將這10個班級分配到三個實驗處理小組，這種整群隨機分組的方式確保了被試相關特性在三個小組中的均勻分布。

圖11 壓實度變化的結果Fig.11 Compaction variation results

（3）含水量對潰決過程的影響

談及生態肥料，田樹剛表示，應厘清生態肥的概念，生態肥是一項標準而非某一肥料種類，符合生態級肥料標準的大、中、微量元素化肥、復合肥及各類肥料產品都是生態肥料。因此，肥料市場應避免盲目求新、求特，肥料生產企業應致力于保障產品質量和提升產品功效，以綠色、高效的肥料滿足農業種植和生態環境的需要，以理性、長遠的態度推動行業的綠色升級。

為測試壓實含水量的效應，使用了兩種含水量：一個非常接近于系列試驗中采用的材料的最優含水量（30%），另一個采用材料的天然含水量（24%），其數值低于最優含水量。

圖12 含水量變化的結果Fig.12 Water content variation results

這兩個試驗中，壓實度的影響基本沒區別，因此，對沖蝕和出流量的影響基本歸結于壓實含水量的變化。圖12為含水量變化情況下的流入量和流出量過程線和壩頂潰決寬度的時間過程線。含水量增至最優含水量對材料的沖蝕性能影響很大。相比于其它大壩，最優含水量的大壩能較好地抵抗潰決，試驗最后階段，潰決以后，僅小部分大壩潰掉，潰決口更小，峰值出流量也更小。室內試驗采用Jet試驗儀器（ASTM，1996），試驗表明，兩座大壩之間的侵蝕度差距約為93%。

（4）結構變化對潰決過程的影響

試驗采用了以下兩種結構：①下游壩坡由1V∶2H變為1V∶1H；②下游壩坡由1V∶2H變為1V∶3H。

圖13為第一種情況下的流入量和流出量過程線和壩頂潰決寬度的時間過程線。在這兩個試驗（一個1V∶1H，另一個1V∶3H）中，潰決速度都加快了，峰值出流量也更大。相比于其它兩種大壩，坡比為1V∶3H的大壩耗用了更多的材料，原以為潰決時間會更長，潰決速度更快是意想之外的。其原因可能是這兩個大壩的密度比坡比為1V∶2H的大壩更低，且含水量也更低。這些因素掩蓋了兩個試驗可能的真實結果，使這兩個試驗的結果不具有確定性。

圖13 結構變化的結果Fig.13 Geometry variation results

3 結語

項目過程中，通過一系列的現場試驗和實驗室試驗，研究人員收集到了大量的數據，在對數據的有效性進行分析和校核后，這些數據成為下一步建模和模擬研究的重要基礎，發揮了相當重要的作用。

[1]Final Technical Report of Investigation of Extreme Flood Processes And Uncertainty[R].2005.