梯級水庫土石壩漫頂潰決試驗研究

吳然然，孫浩淼，陳情情，戎貴文

(安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232000)

1 引言

近幾十年來，為進一步開發水能資源和提高防洪水平，在世界范圍內建造了許多梯級水庫，其所發揮的經濟效益日漸顯著。在考慮水庫經濟效益的同時，梯級水庫大壩安全風險不容忽視。在我國所有類型的水庫大壩中，土石壩為數量最多的壩型，土石壩在供水、灌溉、水力發電和航運等方面發揮著重要的作用[1]。但許多土石壩服役時間較長，存在一定的安全隱患，尤其是惡劣環境下土石壩安全運行保障面臨著嚴峻的挑戰。歷史上發生過多起壩體潰決事故，自1954年有較系統潰壩記錄以來，到2014年的61年間共發生水庫潰壩3529座，年均57.9座[2]。水庫大壩一旦潰決將造成嚴重的社會影響和環境影響。

經統計分析發現，土石壩潰決的原因有漫頂、管涌、滑坡和壩下埋管漏水等[2,3]。管涌滲透和漫頂破壞是土石壩潰決的兩種主要方式。在參數分析、數值模擬和物理實驗的基礎上，研究漫頂破壞模式對土石壩潰決有了更好的認識[4]。但現有的實驗研究主要集中在單水庫大壩壩體潰決問題上，而探討梯級水庫條件下土石壩漫頂潰決的研究成果較少[5～12]。因此，研究梯級水庫土石壩漫頂潰決對發展和完善土石壩潰決機理具有重要意義。

2 物理試驗模型建立

2.1 室外模型簡介

物理試驗模型由兩座水庫、四座模型壩和渠道組成，為了更好地模擬天然河道的形態，人工開挖渠道的深度和寬度均沿程變化。兩座梯級水庫分別是由長為3.8 m、寬為3.4 m、深為0.5 m的矩形水庫和直徑為1.8 m、深度為0.7 m的圓形水庫共同組成。渠道由長直平坡渠段、彎曲正坡渠段和長直正坡渠段三部分組成，總長為23.9 m。

矩形水庫位于河道上游，圓形水庫位于河道彎曲段。從渠道上游至下游依次堆砌4座土石壩模型。模型壩1位于矩形水庫出口處，模型壩2位于圓形水庫出口處，模型壩3設置于圓形水庫下游長直平坡渠段內，模型壩4設置于彎曲正坡渠段末端。

模型壩筑壩用土的最大粒徑為5.85 mm，中值粒徑為2.65 mm，不均勻系數Cu=6.8，曲率系數Cc=1.62。Cu大于5，Cc介于1～3之間，表明試驗用土級配良好且連續。

2.2 模型壩建立過程

根據模型試驗需要，取大量土樣進行晾曬，實時測量其含水率，當其含水率達到最佳區間時，用碎土機對所取土樣進行破碎，根據破碎程度不同對土樣進行粒徑篩選，篩選留下來的土樣用來填筑模型壩體。筑壩時，首先將兩塊長形木板固定在渠道間，然后根據不同粒徑的土樣分層填筑，最后根據模型壩的斷面設計尺寸對模型壩進行削坡，使得尺寸與設計尺寸相一致。為確保壩體和壩坡的穩定性，需要對削坡結束后的壩體進行反復壓實，壩體穩定之后，撤去兩塊長方形木板。各模型壩的斷面設計參數見表1。

表1 模型壩的斷面設計參數 m

2.3 坡面網格和潰口參數

在4個模型壩上均預留一定尺寸的潰口，具體尺寸見表2。為了便于用視頻記錄、捕捉試驗過程，模型壩堆砌結束后，用生石灰在壩面繪制5 cm×5 cm方形網格。

表2 模型壩預設潰口參數 m

2.4 試驗設備及布設過程

室外物理試驗過程中使用WR110型水壓力傳感器、WR7100型智能無紙記錄儀、WR2088LT型水位變送器、攝像機等儀器對模型壩漫頂潰決過程進行記錄。

填筑模型壩的過程中，在模型壩1和模型壩2內分別布設3個水壓力傳感器，模型壩3和模型壩4內分別布設2個水壓力傳感器。在整個渠道中，每隔0.5 m布設1個水位變送器。在上游渠道、模型壩2下游、模型壩4下游的岸邊分別布設3部攝像機，拍攝追蹤和捕捉潰壩過程。

3 試驗過程

室外物理模型試驗分為兩種工況，即兩個水庫組成的梯級水庫土石壩漫頂潰決試驗和單水庫土石壩漫頂潰決試驗。

第一種工況下，上游矩形水庫中先蓄滿水，使得模型壩1發生漫頂潰決時產生的潰壩洪水流量讓模型壩2處于漫頂條件下發生潰決。由于梯級水庫洪水具有疊加效應，模型壩3和模型壩4在大流量洪水漫頂沖刷之后發生潰決。

第二種工況下，僅上游圓形水庫中蓄滿水，允許水流流過模型壩2壩頂，上游產生洪水對模型壩3和模型壩4的壩體進行漫頂沖刷，直至壩體完全坍塌。

實驗結束后根據所獲數據和視頻資料，分析在兩種工況下潰口發展和壩體坍塌的規律。

4 結論

通過觀察比較分析兩種工況下的試驗現象，可以得出以下3個方面的結論。

(1)模型壩1和模型壩2的潰口發展過程一致，均是潰口先受到水流沖刷，然后發生縱向下切，形成最終潰決發生的潰口，直至潰決結束。

(2)水庫數量對漫頂洪水的初始水流條件和漫頂破壞的連續過程有顯著影響。

(3)梯級水庫系統中洪水具有疊加效應，水庫數量的增加往往會顯著加快早期的潰口發展過程。