2. 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室(中国科学院成都山地灾害与环境研究所), 成都 610041
2. Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Processes, Chinese Academy of Sciences(Institute of Mountain Hazards and Environment Chinese Academy of Sciences), Chengdu 610041, China
0 引言
堰塞坝常由于地震、降雨和冰雪融化导致土体或岩体滑移，堵塞河谷或河道而形成[1-2]。坝体物质一般为欠固结土，具有松散性。堰塞坝溃决迅速，大体积的壅水在短时间内释放，常形成汹涌洪水，造成灾难性的后果[3-4]。如：1933年8月25日，四川叠溪地震后多个堰塞坝溃决，造成下游2 500多人死亡[5]；1941年，秘鲁Huaraz市Lake Cohup上的一处冰碛湖溃决，导致城市的1/3被淹没，6 000余人丧生[6]。对堰塞坝溃决机理的了解将有助于洪灾的预防。
坝体材料的物理力学性质会影响堰塞坝溃决演化过程，使溃决特征产生差异，但以前学者的研究往往对此不够重视；为此，欧盟IMPACT项目组[7]开展了多组大型原位试验，分析了不同颗粒级配堰塞坝的溃决模式和过程，指出土体组成对溃决过程有重要作用。但大型原位试验操作起来复杂，许多学者采用室内水槽试验模拟坝体溃决，分析颗粒级配、密度、坝体形状、来流条件、底床坡度对溃决流量和侵蚀率的影响，以及这些因素与溃口尺寸的关系[8-16]。如：Frank[9]通过溃坝试验，研究了不同击实功作用下坝体溃口演化和溃决流量的变化规律；Walder等[10]、Frank[9]和Rifai等[11]通过溃坝试验，观测了坝体溃口的演化过程，并分析了材料密度对溃决过程的影响；付建康等[16]探究了不同坝后蓄水量、水位和颗粒物质组成条件下的坝体渗流、漫顶破坏过程。然而上述研究并未涉及初始含水量对溃坝过程的影响，造成溃决参数与初始含水量间的关系不明确。
含水量作为材料的物理力学参数之一，主要影响材料的状态和侵蚀性(soil state and hence erodibility)。M. Morris等[7]指出，含水量是影响坝体溃决的关键因素之一，从定量的角度探索初始含水量对溃决过程的影响规律，对溃口演化过程和峰值流量的准确预测有重要作用。Al-Riffai[17]研究了初始含水量对堤坝破坏特性的影响，分析了破坏过程中孔隙水压力的演变规律。但是，他们只讨论了饱和和干燥两种初始条件，并未给出初始含水量与溃决参数，如侵蚀率之间的关系等。Jiang等[18]对均质无黏性砂进行水槽实验，讨论了堰塞坝渐进式溃决模式下上游坝体的渗流及下游河床的侵蚀，研究了初始含水量溃决流量的影响，但并未讨论含水量对溃口展宽规律和堰塞坝侵蚀机理的影响。Winterwerp等[19]研究了初始含水量对淤泥质土侵蚀率的影响，并给出了初始含水量与侵蚀率间的关系，但其成果仅适用于黏性土。
针对上述问题，本文通过开展不同初始含水量条件下的堰塞坝漫顶溃决试验，分析了不同初始含水量下的堰塞坝溃决特征，定量地探讨了初始含水量对溃决流量和溃口演化规律的影响，并研究了溃口深度和宽度的关系，以期进一步揭示不同初始含水量条件下的堰塞坝溃决机理。
1 试验设计试验以宗渠沟堰塞坝为原型。宗渠沟位于茂县城南约7 km处，是岷江左岸的一级支流，整个流域位于川西北高原的东南边缘，系四川省盆周山地向西北高原的过渡地带。5·12汶川地震中，宗渠沟内形成一个背水坡30°、迎水坡20°、坝顶宽度和高度均约30 m、河对岸长度约60 m的堰塞坝。堰塞坝主要为龙头包峰崩坡积物和滑坡堆积物。堰塞体物质组成主要为：巨块石、块石、漂石和碎石等，约占5%；30~100 cm的块碎石，约占60%；小于30 cm的细小颗粒，约占35%。由于溃决水流的水动力特征由重力主导，因此需采用弗洛德准则进行试验设计。采用1:100的几何比例尺，并保证模型坝体迎、背水坡与原型的迎、背水坡与水平面夹角相同。同时，试验采用变态模型，即横河向宽度设置为原型缩尺后的一半，其中水槽玻璃为对称轴，并在坝顶一侧设置初始溃口，便于观察下切侵蚀过程。由几何比例尺，可知流量比例尺为1:100 000，由《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》[20]，并采用设计频率为2%时的流量为试验来流，可得试验来流流量为1 L/s。
1.1 试验材料根据宗渠沟的材料组成和比例尺，在保证试验模型和原型细颗粒质量分数相同条件下，设计了模型的材料颗粒粒组，如图 1所示。
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| 图 1 人工配置试验材料 Fig. 1 Experimental materials |
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试验材料的最大粒径为3 cm，颗粒中值粒径为4.8 mm，不均匀系数为12.0。材料含水率和干密度分别为7.82%和1.72 g/cm3。材料的颗粒级配曲线如图 2所示。
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| 图 2 试验材料颗粒级配曲线 Fig. 2 Grain-size distribution curve of the experimental material |
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试验水槽长15.0 m、宽0.3 m、高0.6 m，可调坡度为0°~30°。水槽两侧为有刻度的钢化玻璃，便于试验过程中对不同时刻的溃口底部进行高程记录。来水流量通过电磁流量计控制。试验过程中，均将坝体迎水坡坡脚设置在距水箱10 m处。试验装置如图 3所示。
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| a.示意图；b.整体图；c.正视图。 图 3 试验装置 Fig. 3 Experimental equipment layout |
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根据宗渠沟堰塞坝原型，模型坝体的迎水坡、背水坡坡度分别30°、20°，坝顶宽30 cm，坝高30 cm。在坝体一侧预设初始溃口，其形状为等腰直角三角形，高度和宽度均为4 cm(图 3a)。底床坡度设置为1°。
开展了两组预前试验，发现当下游为定床条件时，较大的初始含水量(如7.8%和10.3%)可诱发下游坡失稳，继而导致堰塞坝溃决。本文拟重点研究漫顶溃决模式；因此，为避免坝坡失稳模式，借鉴Van Emelen S等[21]学者的经验，在下游铺设与坝体相同材料的5 cm动床。在筑坝过程中发现，当材料的初始含水量大于10.3%时，水槽末端渗水明显，可能对试验结果产生较大误差；因此本试验所采用的最大初始含水量为10.3%。本文选取0.3%、2.4%、4.2%、7.8%和10.3% 5种初始含水量。具体参数如表 1所示。
| 试验组 | 初始含水量/% | 底床坡度/(°) | 下游河床 |
| T-1 | 7.8 | 1 | 定床 |
| T-2 | 10.3 | 1 | 定床 |
| T-3 | 0.3 | 1 | 动床 |
| T-4 | 2.4 | 1 | 动床 |
| T-5 | 4.2 | 1 | 动床 |
| T-6 | 7.8 | 1 | 动床 |
| T-7 | 10.3 | 1 | 动床 |
| 注：T-1和T-2为预试验。 | |||
试验前，对符合颗粒级配曲线的人工配置材料称质量，配置适量水并搅拌均匀，以满足试验含水量要求。需要说明的是，堰塞坝是一个巨型堆积体，其初始含水量可能是时空不均的。本文中的模型坝体简化为各位置处的初始含水量相同，且为平均初始含水量。
1.4 溃决流量测试方法溃决流量是溃决过程中非常重要的参数。可通过埋设在坝前的孔隙水压力传感器测出各时刻的坝前水位，再利用水量平衡获得溃决流量，其中水量平衡方程为
(1) 式中：q为溃决流量，L/s；qin为来水流量，L/s；t为时间，s；W为堰塞湖库容，L，是水位的函数。
2 试验结果 2.1 不同初始含水量下的堰塞坝溃决特征试验中通过红线、蓝线及白色的矩形纸片标记位置，用于观察同一位置的坝体内部结构变化。通过试验发现：不同初始含水量下的堰塞坝均发生漫顶溢流溃决。虽然下游动床对渗流有减缓作用[21]，可降低下游坝坡失稳的发生概率，但是，坝体内部细颗粒运移现象仍显著。图 4展示了初始含水量为7.8%时，不同时刻的坝体内部结构变化情况。由图 4可知：粗颗粒间的细颗粒随渗流向下游迁移，并在部分位置出现贯通通道，改变了土体初始结构；但土骨架并未破坏，未造成下游坡失稳。
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| a.初始时刻；b.蓄水达到坝顶时刻。红线、蓝线及白色纸片用于标记位置。 图 4 坝体内部细观结构(T-6试验) Fig. 4 Internal structure of dam (Test T-6) |
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总体来看，不同初始含水量下的堰塞坝溃决过程基本一致，可分为3个阶段。以初始含水量为7.8%时的堰塞坝溃决过程为例进行分析，其流量过程曲线如图 5所示。第一阶段(0~140 s)，主要是牵引侵蚀过程。此阶段过流流量随时间增长而逐渐增大，但增长缓慢，泥沙以悬移质运动为主。当水流运动到下游坡面后，在背水坡面处形成一条较小冲沟。第二阶段(140~280 s)主要是溯源侵蚀过程。此阶段流量快速增长到峰值流量3.76 L/s，后迅速下降。该阶段水流携带能力增强，背水坡水流快速将坡面物质向下输移，水流不断下切背水坡处的泄流槽，溃口底部加深，最终达到迎水坡坡面，引发水头急剧降落。第三阶段(280~320 s)主要是水沙运动再平衡过程。坝前水位快速下降后，出水流量逐渐减小，水流携沙能力渐变弱，此阶段的明显特征是堰塞坝残留体表面和下游河床出现粗化层。粗化层可保护下面颗粒物质不被冲刷，水流浓度保持恒定，水沙运动达到平衡，溃决过程结束。
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| 图 5 初始含水量为7.8%时的溃决流量过程 Fig. 5 Breaching process with initial soil moisture of 7.8% |
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溃决流量与初始含水量间的关系如图 6所示。从图 6可以看出：不同初始含水量下的溃决流量过程曲线均具有“单峰”的特点，说明初始含水量不改变曲线峰值点的数目；同时，曲线上升段持续时间均比下降段时间要长，表明“涨水”速率小于“退水”速率；并且，初始含水量的增加可提高峰值流量，缩短峰值流量出现的时间。在初始含水量处于4.2%以下时，峰值流量与初始含水量关系曲线相对平缓，峰值流量增长较慢；而初始含水量大于4.2%后，曲线斜率增大，峰值流量增长较快，峰值流量与初始含水量之间呈显著的非线性关系(图 7)。
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| 图 6 5种不同初始含水量下的溃决流量曲线 Fig. 6 Discharge graphs for five initial soil moistures |
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| 图 7 峰值流量与初始含水量间的关系 Fig. 7 Relationships between peak discharges and initial soil moistures |
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图 8反映了不同初始含水量条件下堰塞坝的下切过程。从图 8中可以看出：不同初始含水量条件下的堰塞坝纵剖面均具有水流坡折点，说明下切过程中均受到溯源侵蚀；溃决初期和溃决末期坝体纵剖面坡降减缓，水流坡折点不明显，表明牵引侵蚀作用增强；初始含水量较低(如0.3%)时溃口底部坡折点较明显(图 8a)，而初始含水量较大(如10.3%)时，溃口底部坡折起伏相对平缓(图 8e)，说明初始含水量增大后，溯源侵蚀作用减弱，水流牵引侵蚀作用增强；溃决结束后，5种不同初始含水量的堰塞坝残留体顶部，靠近上游部位均较下游部位高(图 8中坝体剖面左边为上游，右边为下游)，坝顶坡降相比之前河床增加；残留坝体高度与初始含水量相关，具有初始含水量越大残留坝体越低的规律。
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| a.初始含水量为0.3%；b.初始含水量为1.4%；c.初始含水量为4.2%；d.初始含水量为7.8%；e.初始含水量为10.3%。 图 8 5种不同初始含水量条件下堰塞坝纵剖面变化示意图 Fig. 8 Variations of longitudinal profile of dam for five initial soil moistures |
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由不同初始含水量条件下堰塞坝平均侵蚀率(图 9)可知：初始含水量小于4.2%时，平均侵蚀率的梯度较小(图中红色虚线所示)，平均侵蚀率受初始含水量的影响相对较弱；在初始含水量大于4.2%(小于7.8%)后，平均侵蚀率梯度加大(图中绿色虚线所示)，平均侵蚀率受初始含水量影响强烈；尤其当初始含水量大于7.8%后，曲线斜率进一步增大(图中蓝色虚线所示)，说明初始含水量对侵蚀率的影响程度进一步增强。出现这种结果的原因是：一方面，初始含水量增大后坝体材料的内摩擦角等参数降低，导致颗粒起动切应力降低[18]，侵蚀率增大；另一方面，初始含水量增大后渗流作用增强，产生了明显的细颗粒运移，改变了坝体内部结构，使粗颗粒受水流拖拽面增大，提高了水流作用力，增大了侵蚀率。
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| 图 9 5种不同初始含水量条件下堰塞坝平均侵蚀率 Fig. 9 Average erosion rate of dam for five initial soil moistures |
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通过分析溃口宽度与深度的关系，可以了解溃口在空间上的演化规律。由图 10可知，不同初始含水量下的溃口宽度和深度的关系存在差异：以经过坐标原点、斜率(k)为1的直线为分界线，初始含水量为0.3%、2.4%和4.2%对应的曲线基本位于分界线的上方，且初始含水量越低，曲线距分界线越远；初始含水量较高(10.3%)时，曲线基本位于分界线的下方；初始含水量为7.8%时对应的曲线处于分界线周围，曲线偏离分界线的程度较低，并与其存在多个交叉点。从发展趋势上看，随着溃决的进行，溃口宽深比曲线的斜率先增加后减小。初始含水量较低，如0.3%、2.4%、4.2%时，曲线斜率呈先增大后减小，且曲线渐趋于分界线的规律；高初始含水量(10.3%)对应的曲线斜率先增大后减小，且曲线最终远离分界线。
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| 图 10 不同初始含水量下溃口宽度与深度间的关系 Fig. 10 Relationships between breach widths and depths with different initial soil moistures |
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图 11为溃决结束后溃口宽深比与初始含水量的关系。由图 11可知，溃决结束后，溃口宽深比随初始含水量的增大而逐渐减小。初始含水量为0.3%对应的宽深比最大，且超过1.00；初始含水量为2.4%与4.2%对应的宽深比接近于1.00；初始含水量为7.8%对应的溃口宽深比虽小于1.00，但溃口宽度与深度差值不大；最大初始含水量10.3%对应的宽深比最小，约0.85。
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| 图 11 溃决结束后的溃口宽深比与初始含水量间的关系 Fig. 11 Relationship between breach width and depth ratio after dam failure and initial soil moisture |
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在较低的含水量条件下，土中水主要以结合水的形式存在，抗剪强度较高，且存在较大的基质吸力，黏聚力较大；随着含水量的增加，土颗粒周围的水膜变厚，自由水增多，削弱了土颗粒间的接触和咬合能力，且土中基质吸力随含水量的增大而逐步减小，导致土体的黏聚力降低。另外，土颗粒表面的水膜增厚致使土颗粒间的摩擦系数减小，即内摩擦角减小[22]。随坝体材料的黏聚力和内摩擦角降低，坝体的抗剪强度降低，稳定性变差[23]。另外，初始含水量变化后，渗透速率随之改变，细颗粒迁移速率改变，影响坝体的孔隙率，继而进一步改变渗透系数[24-25]，导致渗流强度发生变化(图 12)。同时，孔隙率改变，使坝体材料的密实度发生变化，进一步影响土体的黏聚力和内摩擦角[26]。
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| 图 12 渗流过程中细颗粒迁移示意图(a)和渗流后的土体结构示意图(b) Fig. 12 Schematic diagram of fine particles' migration due to seepage (a) and schematic diagram of soil structure after fine particles' migration (b) |
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堰塞坝溃决过程的3个阶段与土体的侵蚀特性密切相关。侵蚀率是衡量土体侵蚀特性的重要指标，为剪切应力的函数[27]：
(2) 式中：Dr为侵蚀率，g/(m2·s)；Kr为土壤的可侵蚀性参数，g/(m2·s·Pa)；τ为水流的剪切应力，Pa；τc为土颗粒的临界起动切应力，Pa。
由式(2)可知，当τ≤τc时，土颗粒不被侵蚀，而当τ>τc时，土体被侵蚀。因此，土颗粒的临界起动切应力越大，土体越难被侵蚀。Annandale[28]建立了土颗粒的临界起动切应力表达式：
(3) 式中：g为重力加速度，m/s2；d为中值粒径，m；ρs为土粒密度，kg/m3；ρw为水密度，kg/m3；φ为土颗粒的内摩擦角，(°)。
由前文3.1分析可知，初始含水量增大后，通过增加水膜厚度可减小土体的黏聚力和内摩擦角[22]。土体内摩擦角减小后，由式(3)可知，τc降低，土体易被侵蚀。侵蚀率增大，使峰值流量时刻提前，降低了坝体的残留高度。
4 结论与展望1) 不同初始含水量条件下的堰塞坝溃决过程均表现为3个典型阶段。第一阶段为牵引侵蚀过程，第二阶段为溯源侵蚀过程，第三阶段为水沙运动再平衡过程。
2) 初始含水量的增大可加快侵蚀进程，减弱溯源侵蚀强度，提高牵引侵蚀强度，降低坝体残留高度。初始含水量的增大还可缩短溃决时间，加大溃决峰值流量和平均侵蚀率，且初始含水量越大，峰值流量和平均侵蚀率增长越快；这与初始含水量增大降低强度参数、影响细颗粒运移有密切关系。初始含水量增大可降低溃口展宽率，增大侵蚀率。溃口宽深比在溃决的前两阶段随初始含水量的增大而减小，溃决结束后随初始含水量的增大呈先趋近于1.00、后远离1.00的规律。
3) 野外的堰塞坝土体大都为非均质的粗细颗粒混合体。本文根据野外实际情况设计了试验材料，但由于粗细颗粒混合材料的持水能力较弱，很难将材料维持在高含水量状态。所以，作者并未研究高初始含水量条件下的堰塞坝溃决特征。如何实现堰塞坝材料的高初始含水量，以及探索高含水量条件下的堰塞坝溃决特征是未来作者将要开展的工作。
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