简析唐家山堰塞体溃口宽度的模拟计算论文

唐家山堰塞体为地震诱发山体滑坡而堆积形成的天然坝,相对堆石坝具有以下特点:泥沙颗粒不均匀,组成物质松散,渗流严重,岸坡不稳定,坝体稳定性更低,其力学稳定性、抗冲性较差.受二次滑坡的影响,坝体呈现明显的双层结构,上层为含水性较好的粘性土层,下层为较易崩塌的砂土层.唐家山溃口的形成发展过程也较为复杂,为人工开挖、溯源冲刷和溃口崩决的混合过程,在溃决过程中存在一定的漫流,同时双层土体结构导致水头差较大,渗流明显.匡尚富提出,天然坝的溃决过程可以分为溢流侵蚀溃决型、滑动崩决型、逆流渐进溃决型等.对比唐家山堰塞体的实际情况,其侵蚀方式为溢流侵蚀,而堰塞体则与多发生滑动崩决型溃决的坝体接近.

1唐家山堰塞湖溃口

唐家山堰塞湖库水位持续上升,严重威胁水库下游人民群众的生命和财产安全.因此在坝顶位置沿河开挖了溢洪道宣泄洪水以减轻溃坝洪水灾害.溢洪道底部尺寸为695m×4m,两侧边坡1∶1.5,入口处高程为742m.由于底部及边坡均由碎石堆砌而成,溢洪道可蚀性强.2008年6月7日7:06时,溢洪道开始排水,入口处的初始水位为740.37m,初始水面宽为58m,初始水深0.18m.到6月10日1∶30时,水位攀升至最大值743.10m,随后逐渐降落,在6月10日8:00时降落至742.18m.该水位持续了1h,随后迅速降落,从9:00时的742.17m降落至11:30时的735.81m,对应的最大洪峰流量为6900m3/s.随后,在水流的持续冲刷及重力作用下,溢洪道迅速垮塌.在6月10日15:00时,溢洪道达到临时稳定状态,此时水面宽145m,河底高程721.2m.最后相对稳定的溃口宽为131.2m,溃口深为20.8m.

2计算结果及分析

为了寻求合适的模型以模拟唐家山堰塞体的溃决,采用以Osman公式为代表的河岸展宽模型及以Froehlich方法和垦务局模型为代表的土石坝溃决模型,比较分析其应用于计算唐家山溃口模拟的结果.

2.1河岸展宽模型

Osman和Thorne提出计算河岸横向冲刷距离的公式,在Δt(s)时间内,粘性土河岸被水流横向冲刷后退的`距离为

ΔB=Cl×Δt×τf-τce-1.3τcγbk(1)

式中,ΔB为Δt(s)时间内河岸因水流侧向冲刷而后退的距离,m;γbk为河岸土体容重,kN/m3;τf为作用在河岸上的水流切应力,N/m2;τc为河岸土体的启动切应力,N/m2;Cl为河岸抗冲系数.

2.2土石坝溃坝模型

在Fu等中,采用Macchione提出的预测土坝溃决洪水的方法模拟预报了唐家山溃口的洪水过程,但是Fu等的模拟计算表明,需要采用不同的特征速度ve来分别模拟洪峰的峰现时间和洪峰流量,特征流速ve分别取值0.33m/s和1.9m/s可以模拟得到洪峰流量和洪峰流量的发生时间,而Macchione特征流速范围为0.05—0.10m/s.即Fu等的模拟中特征速度ve取值0.33m/s才能较为合理地模拟唐家山堰塞湖溃口的洪峰流量,相比原文献中的区间范围取值偏大约3倍.因此,本节不再对比分析Macchione方法的适用性.

对比Froehlich和Macchione公式的适用范围可发现:Macchione为土石坝的溃坝模拟,用于验证Macchione模型的溃坝实例多为土坝,仅少量坝体为细沙、土和卵石的混合物,而溃决原因多为管涌,少部分为漫流和渗流导致的溃堤,此外,Macchione假定溃决断面为三角形,在溃口的发展过程中与实际相差较大.而Froehlich和垦物局的方法则是较多地依赖水深,与坝体结构等关系不大,与实际情况不符,导致计算结果与实测不符.

3结论

从计算与实测结果的对比可以发现,Osman方法、Froehlich和垦务局的模拟结果均不是很理想,不能满足唐家山堰塞体的溃口宽度计算,需要针对堰塞体的具体特点改进模型.由于Osman公式为模拟非粘性河岸展宽的水动力学-土力学方法,是基于物理机理的河岸坍塌模型.接下来仅讨论Osman公式中尚需要改进的地方.

对于将Osman公式应用于唐家山堰塞体,除夏军强等指出的两处不足(不能考虑孔隙水压力和静水压力对河岸稳定性的影响,和假定河岸崩塌时的平面滑动面必须限于通过坡脚),本文认为还存在以下困难:一是不能考虑土体具有明显的双层结构情况下的大水压差;二是导流渠弯道中二次环流的影响难以估计.有学者针对各项不足提出改进方法.如Darby和Thorne针对不考虑孔隙水压力和静水压力对稳定性的影响及滑动面必须通过坡脚的假定这两个不足改进了Osman模型.在模拟顺治河段的河床变形中,Darby和Thorne考虑河岸可能发生平面滑动和圆弧滑动两种破坏情况,夏军强等指出,虽然计算值与实测值仍存在一定的误差,但同时考虑两种破坏情况更符合实际.弯道对河岸展宽的作用则可根据Thorne和Osman中的方法得到改进,弯道剪切力与平均剪切力的关系式为τbτ=frcW,其中,τb为弯道外测的剪切力,τ为平均剪切力,τ=rwRS,rc为弯道曲率半径,W为河宽,将τb代替式(1)中的τf即可考虑弯道作用,该关系根据文献中的图即可获.但是,双层土体导致的大水压差仍需要深入的研究.