淤地壩柔性溢洪道泄流模型試驗研究

于 沭，陳祖煜，楊小川，2，蘇安雙，李炎隆，周嘉偉

（1. 中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048；2. 西安建筑科技大學，陜西西安 710055；3. 黑龍江省水利科學研究院，黑龍江哈爾濱 150078；4. 西安理工大學西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西西安 710048）

1 研究背景

黃土高原丘陵溝壑區是我國乃至世界水土流失最為嚴重的地區，淤地壩是解決水土流失問題的有效工程措施，具有攔泥、滯洪、淤地造田、改善生態環境等綜合效益［1-5］。然而淤地壩水毀現象頻頻發生，水毀災害給人民的生命及財產造成了很大損失，水毀問題也是困擾黃土高原地區淤地壩建設發展的一個主要因素［6-9］。溢洪道作為淤地壩“三大件”（壩體、泄水洞、溢洪道）［10］之一，在降低淤地壩水毀、潰決風險方面具有重要作用。目前，擁有溢洪道的淤地壩比例較低，除部分骨干壩、中型壩工程之外，大多數工程無溢洪道，增設溢洪道需求迫切［11］，也是我國目前淤地壩除險加固的一項主要工作。目前，淤地壩增設的溢洪道主要型式是漿砌石溢洪道和混凝土溢洪道，增設這類溢洪道，每項工程平均投資在80 ～120萬元。據不完全數據統計，經認定、核查的黃土高原地區存在病險的中型以上淤地壩有5282座［12］，由于淤地壩除險加固資金有限，很難實現在短期內覆蓋全部工程。

國內外學者對于溢洪道消能特性做過大量研究［13-16］，光滑式和臺階式是溢洪道兩種典型結構型式。光滑式溢洪道因其適應性良好，被廣泛應用，由于其消能率低，往往需配套工程量龐大的消力池。臺階式溢洪道是一種古老的泄水建筑物，隨著碾壓式混凝土筑壩技術的發展才被廣泛的應用［17］。兩種溢洪道型式在國內外的混凝土壩體上都廣為應用，但在土壩尤其淤地壩上應用較為少見。

為加速淤地壩工程除險加固進度，降低淤地壩系的水毀、潰決風險，急需一種造價低廉、適用于淤地壩的新型溢洪道。本文提出了布置在淤地壩壩身的柔性溢洪道，并通過對光滑及臺階兩種型式柔性溢洪道進行長時間過水對比試驗，研究兩種型式柔性溢洪道的消能率、抗沖刷變形等特性。通過無防護條件的壩體泄流對比試驗，對比分析有、無柔性溢洪道條件下壩體表面過流對壩體安全特性的影響。

2 模型試驗概況

2.1 試驗目的模型試驗主要有三個試驗目的：（1）對比分析柔性光滑、臺階溢洪道泄流時水流流態及消能率；（2）研究柔性溢洪道模型在長時間（20 h）泄水后的結構及材料表現；（3）對比分析有、無柔性溢洪道條件下壩體表面過流對壩體安全特性的影響。

2.2 試驗儀器設備本次試驗采用自主設計研發的大型循環水模型槽（如圖1），該模型槽長10 m，寬3 m，高2.2 m，可提供最大流量340 L/s的循環水。

圖1 試驗裝置

本文主要測量不同流量下兩種溢洪道泄流的水流流速，通過3 個高清攝像頭對試驗過程進行錄像。采用水流測速儀和畢托管共同對溢洪道斷面的流速進行采集。主要數據采集儀器有高清攝像頭、SL-300流速儀、畢托管、鋼尺、激光測距儀等（圖2）。

其中SL-300流速儀量測范圍為0.01 ～4.0 m/s，測流誤差小于1.5%。試驗前對SL-300流速儀和畢托管在水流中進行測流標定比對，兩種儀器在水流小于4 m/s 時，測量結果很相近，測量誤差小于2%，說明兩種儀器測量精度良好。螺旋槳式的流速儀最大量程為4 m/s，當流速小于4 m/s時，采用螺旋槳式流速儀測量，同時采用畢托管復測；當流速大于4 m/s時，采用畢托管測量。用于測量柔性溢洪道變形的激光測距儀的量程為0.05 ～80 m/±60°，測量精度為±1.5 mm/±0.2°。

圖2 試驗測量儀器

2.3 試驗材料本文提出了一種抗沖刷、抗侵蝕復合土工材料，該材料在常規土工材料基礎上設計加工而成（圖3）。該材料利用聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate 簡稱PET）的拉伸強度高、抗老化的優點和土工布透水保土的優點，將2 mm 寬PET 絲按照400 根×400 根經緯密度編織而成，再與土工布熱熔結合而成。將材料命名為“抗沖刷、抗侵蝕PET 復合土工材料”，下文簡稱為PET復合土工材料。經過檢測，該材料力學及抗老化性能指標見表1。

表1 PET復合土工材料性能參數

用PET 土工復合材料制成土工袋試樣，其內部裝入黃土并縫制封閉，放入圓筒沖刷試驗設備進行沖刷試驗［18］。圓筒沖刷測試儀基本原理：圓形鋼筒內部安裝有螺旋葉輪，通過葉輪轉動帶動水流轉動，沖刷圓筒底部的試樣。通過觀察窗觀察試樣在沖刷過程中的變化以及水流顏色的變化。土工袋試樣內土樣及后文介紹的模型試驗采用的土樣來源相同，為陜西省延安市寶塔區湫溝附近的黃土。土樣物理特性及制樣控制指標見表2。

表2 土樣物理特性指標

將土工袋試樣置于圓筒沖刷測試儀底部的試樣槽內并用細繩加以固定，防止試樣被高速水流沖離試樣槽。測試時，保證土樣完全浸沒于水內，水深為0.5 m，控制葉輪轉速保證試樣表面流速為試驗方案設定值，具體方案及結果見表3。隨著流速的不斷增加，水流對試樣的拖曳力逐漸加大，當流速大于2.1 m/s時，試樣無法在試樣槽內固定，且沒有找到很好的解決辦法，因此，試驗控制條件以2.1 m/s作為最大流速。淤地壩工程洪峰持續時間很短，一般在30 min內完成泄流，因此，以30 min作為每次試驗的持續時間。記錄在不同沖刷流速下，土工袋內黃土損失量，并觀察試樣能否發生明顯破壞（圖3）。

沖刷試驗前、后分別對土工袋及袋內干土進行稱重，以差值作為試驗沖刷量。具體測量方法為：試驗前、后分別對土工袋及袋內土進行烘干處理，假設烘干對土工袋的重量沒有影響，試驗前、后兩次烘干稱重差值即為土工袋內黃土沖刷量。采用沖刷量與總重量的百分比評價土工袋試樣的沖蝕程度。以試樣單位時間內單位表面積的沖刷量作為表面沖刷率，用于評價PET復合材料保護土體承受水流沖刷的能力。為消除試驗偶然性帶來的誤差，同一條件的試驗進行了4次，以4次試驗結果的平均值作為評價依據。

通過對試驗結果分析（如表3所示），沖刷率總體呈現隨著水流流速增加而增加的規律，水流流速小于1.05 m/s 時沖刷率幾乎為0，當流速達到2.1 m/s 時沖刷率為1 g/（m2·s）左右、沖刷重量百分比為2%左右。在試驗前水流清澈，隨著水流流速增加水流隨之變渾濁，但始終處可視狀態。在經歷長時間水流沖刷，土工袋表面未出現損壞。綜上所述，該PET復合土工材料具有很好的抗水流沖刷能力及保土性，初步具備作為柔性溢洪道原材料性能的要求。

圖3 土工袋試樣沖刷試驗儀器及過程

表3 土工袋試樣沖刷試驗方案及結果

2.4 模型試驗方案模型試驗共設置三種方案，分別為柔性光滑溢洪道、柔性臺階溢洪道泄洪和壩面無防護措施方案。前兩種方案主要用于對比兩種溢洪道型式的消能率及結構變形，第三種方案用于對比分析有無溢洪道防護措施對壩體結構安全的影響。具體試驗方案見表4。前兩種試驗方案，分別對泄流時間和溢洪道進水口堰上水位進行控制。通過調節水泵供水量來控制堰上水位，由于供電電壓有一定波動性，很難保證兩種型式溢洪道堰上對應的水位條件完全一致。試驗過程中，盡量保持堰上水位穩定且近似一致。壩面無防護措施方案試驗過程中所需水量很大，無法保證堰上固定一定水位，因此，采用固定流量的方式作為試驗條件，試驗過程中供水量為120 L/s。

2.5 模型設計及監測布置試驗制作一個土壩模型模擬淤地壩，壩前空間用來模擬水庫，為溢洪道泄流提供供水條件。以此土壩模型為基礎，在其下游坡先后制作柔性光滑溢洪道及柔性臺階溢洪道模型。

表4 模型試驗方案

土壩模型壩高2.2 m，上游坡比1∶1，下游坡比1∶1.5。溢洪道堰口寬0.45 m，深0.2 m。臺階溢洪道共設計9級尺寸相同的臺階，臺階的具體布置見圖4，光滑溢洪道布置形式與臺階溢洪道類似。在堰口位置及溢洪道下游分別設置一個固定流速測量點，為保證測量結果的可靠性，采用畢托管對同一位置流速進行復測。在測量斷面布置6個測量點位，測點位置見圖4中測量斷面圖。兩種型式溢洪道的變形的測點都布置在泄槽的中心線，見圖8。柔性光滑溢洪道的變形測點在斜坡段沿高度方向每隔10 cm布置一個，水平段每隔10 cm布置一個。臺階溢洪道的變形測點布置在每級臺階的踏步、踢腳和棱線的中間位置（見圖4局部放大）。

圖4 柔性溢洪道模型測量點布置

3 模型試驗過程

3.1 溢洪道泄洪流量控制方法通過調整堰上水頭高度控制溢洪道泄流流量，運用水力學寬頂堰公式計算泄流量［19］

式中：B為溢流堰凈寬，m；H為計入行近流速的堰上總水頭，m；m 為流量系數，根據水工設計手冊查表可得；C 為上游面坡度影響修正系數，本文取1；ε為側收縮系數，由閘墩厚度及墩頭形狀而定；σs為淹沒系數，視泄流的淹沒程度而定，不淹沒時σs=1.0。各試驗方案對應流量條件見表5。

3.2 試驗現象對于柔性光滑溢洪道，在泄洪過程中，除模型個別部位由于施加固定釘后導致泄槽底面不平順而產生氣泡外，光滑溢洪道未出現明顯的摻氣現象，如圖5（a）。從泄洪前、后溢洪道的變形來看，溢洪道沒有產生明顯的變形。模型土體未發生明顯沖蝕現象，試驗前、后水流顏色未發生明顯改變，水流保持清澈。

對于柔性臺階溢洪道，小流量泄流時主要為跌落水流狀態，隨著流量的增加，出現過渡型水流狀態。試驗泄洪過程中溢洪道產生水花明顯，如圖5（b），主要由于泄洪水流在臺階跌落過程中產生了明顯摻氣現象。同光滑溢洪道類似，模型土體未發生明顯沖蝕現象，試驗前、后水流顏色也未發生明顯改變。

圖5 柔性溢洪道試驗過程

4 模型試驗結果分析

4.1 柔性溢洪道消能特性分析為了計算水流能量經過溢洪道的沿程耗散率，選取溢洪道進口斷面（堰上斷面）和壩腳斷面作為對比斷面。根據能量守恒原理，通過臺階段的損失率和上游總能量之比作為消能率，即：

表5 溢洪道模型泄洪試驗數據

各試驗方案結果表明，柔性光滑溢洪道的消能率在28.5%～30.39%之間，柔性臺階溢洪道的消能率在80.8%～87.6%之間。對于柔性光滑溢洪道，堰上水位變化對消能率影響不大，消能率基本都在30%左右。對于柔性臺階溢洪道，隨著堰上水位的增加，其消能率逐漸減小，即堰上水位由11 cm增加至19.5 cm，水位增加幅度77.3%，消能率減小7.6%，說明隨著堰上水位的增加消能率減小幅度不大。試驗過程中發現，隨著臺階溢洪道堰上水位增加，堰上跌落水流的流量及流速也隨之增大，部分水流出現多級臺階飛躍現象，即一次跌落多個臺階的現象，如圖7（b）。水流不像較低堰上水位方案，從溢洪道入口到出口沿程每級臺階都能跌落消能，這種現象導致了臺階溢洪道的消能率隨堰上水位和泄流流量的增加而減小。對比分析兩種溢洪道泄洪的消能特性，柔性臺階溢洪道的消能率明顯大于光滑溢洪道。分析柔性臺階溢洪道消能效果產生的原因，主要由溢洪道材料表面摩擦、水流跌落及臺階變形消耗的能量共同作用產生。

國內外學者對溢洪道的泄洪特性研究很多［20-22］，對剛性溢洪道泄洪消能機理給出了解釋。對于柔性溢洪道消能機理的解釋并不多。通過觀察柔性光滑溢洪道泄洪試驗過程，未發現明顯的水花，說明泄洪過程未產生摻氣消能現象，如圖5（a）和圖6。認為光滑溢洪道消能作用主要由兩個作用共同產生：（1）泄洪水流與柔性泄槽之間的摩阻力；（2）水流沖擊泄槽產生的能量耗散。臺階溢洪道泄洪產生了大量水花，如圖5（b），其消能作用除了水流與泄槽之間的摩阻力外，泄洪水流的摻氣作用和水流從臺階跌落消耗的能量起到了很大作用。這也是臺階溢洪道的消能率遠大于光滑溢洪道的原因。臺階溢洪道的泄洪流態隨著上游堰上水位的增加，逐漸從跌落水流流態過渡到滑行水流流態，如圖7。這種流態變化將使得臺階溢洪道的消能效果減弱，最終表現為隨著堰上水深的增加泄洪消能率逐漸減小。

圖6 光滑溢洪道不同堰上水深下的泄流特性

圖7 臺階溢洪道不同堰上水深下的泄流特性

4.2 柔性溢洪道變形及抗沖刷特性分析通過對比，試驗前、后兩種型式溢洪道的變形都很小，表觀沒有明顯的坍塌、滑移現象，見圖8。試驗結束后溢洪道泄槽表面材料未發生沖蝕破壞，整個試驗過程循環水流清澈，未出現因溢洪道土體沖蝕而使水流變渾的現象，體現出新型PET復合土工材料的抗沖刷能力良好。溢洪道泄槽的最大變形處并未發生破壞，體現出溢洪道泄槽強度能夠滿足泄洪要求；模型壩體未出現沖刷破壞且溢洪道泄槽與壩體接觸良好，體現出溢洪道泄洪穩定性及變形協調性良好。

光滑溢洪道最大變形量出現在壩腳和下游導流槽。壩腳處主要表現為下沉變形（最大量值1.2 cm），主要為高速水流沖擊作用而產生。下游導流槽產生一定上浮變形，主要由于水流從壩基下游進入模型地基部位，對PET 復合土工材料產生一定浮力導致導流槽上浮，最大上浮量值為5 mm。試驗前、后泄槽底面位移趨勢繪制如圖9（a），總體來看光滑溢洪道泄洪后變形很小，泄洪穩定性良好。

圖8 柔性溢洪道試驗后外觀

圖9 柔性溢洪道試驗前后變形圖

臺階溢洪道試驗前、后泄槽底面位移趨勢如圖9（b），除了一個測點出現了3.4 cm位移，其他測點的位移都小于1 cm。說明該結構型式具有良好的穩定性。相對于光滑溢洪道，臺階溢洪道的局部變形略大，但是未發生整體大范圍變形。

圖10 無防護條件模型壩泄流試驗過程

4.3 無防護條件模型壩泄流試驗相比較于兩種壩體下游面有柔性溢洪道的試驗方案，無防護條件的土壩在泄流后很快發生破壞進而潰決。無防護條件土壩沖蝕首先從下游壩坡開始，潰口迅速下切到下游壩腳，在下切過程中伴隨著潰口側壁坍塌向橫向擴展（圖10）。試驗開始時刻，水流漫過壩體堰口后迅速沖蝕下游壩坡（圖10（a））；試驗3.5 min時，在水流的沖刷作用下，壩體下游坡出現“陡坎”現象，圖10（b）；試驗7 min時，水流快速沖蝕下游壩坡，下游壩坡出現坍塌（圖10（c））；試驗10 min時，潰口逐漸擴展，下游壩坡進一步坍塌，潰口處上游壩坡開始沖蝕（圖10（d））；試驗12.5 min時，潰口進一步擴展，下游壩坡發生劇烈坍塌，上游壩坡沖蝕加劇（圖10（e））；試驗在25.7 min時，壩體完全潰決，最終形成一個貫穿壩體上下游方向的潰口（圖10（f））。由于土體不耐水流沖蝕，且在泄流過程中壩體缺少有效的防護措施，很快形成潰口并發展為壩體最終潰決。與兩種柔性溢洪道方案相比，無防護條件模型壩無法保證通過壩體泄流安全。

5 結論

通過對柔性溢洪道材料的抗沖刷性能進行試驗，并針對柔性光滑、臺階溢洪道及無防護條件的泄流模型試驗進行對比研究，得到以下結論：

（1）提出了一種PET復合土工材料，PET復合土工材料具有很好的抗水流沖刷能力及保土性，初步具備作為柔性溢洪道表面防護材料性能的要求。通過沖刷試驗和模型試驗綜合驗證，該材料最大能夠承受流速為5.26 m/s的水流沖刷而不發生破壞，也未出現明顯土顆粒流失。

（2）柔性光滑溢洪道的消能率在28.5%～30.39%之間，柔性臺階溢洪道的消能率在80.8%～87.6%之間。臺階溢洪道消能效果明顯，優于光滑溢洪道。柔性光滑溢洪道泄洪過程水流的流態穩定、摻氣量較少，柔性臺階溢洪道泄洪過程流態復雜，摻氣量較多。柔性臺階溢洪道消能效果，主要由溢洪道材料表面摩擦、水流跌落及臺階變形消耗的能量共同作用產生的。

（3）泄流前、后溢洪道的變形結果表明，兩種溢洪道變形都很小，未發生破壞、結構穩定性良好，與壩體結合良好，驗證了柔性結構的可靠性以及適應變形方面的優勢。

（4）通過無防護條件的壩體泄流試驗表明，在沒有溢洪道保護的條件下，土壩壩體是不具備過水能力的，溢洪道保護壩體抗水流沖刷的作用明顯。

（5）綜合分析，認為柔性臺階溢洪道消能效果、抗水流沖刷能力及變形穩定性都能夠滿足淤地壩工程的要求，為柔性溢洪道向工程推廣提供了理論、試驗依據。