高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決機(jī)理的實(shí)驗(yàn)探索與剖析一、引言1.1研究背景與意義泥石流堰塞壩是由泥石流堵塞河道而形成的一種天然壩體，廣泛分布于山區(qū)河流中。堰塞壩一旦潰決，往往會(huì)引發(fā)下游地區(qū)的洪水、泥石流等次生災(zāi)害，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，過去幾十年間，全球范圍內(nèi)發(fā)生了多起因泥石流堰塞壩潰決導(dǎo)致的重大災(zāi)害事件，造成了大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。例如，1933年四川省茂縣疊溪鎮(zhèn)發(fā)生7.5級(jí)地震，引發(fā)的泥石流堵塞岷江干流和支流，形成多個(gè)堰塞體，最終導(dǎo)致干流堰塞湖在45天后潰決，洪水沖毀沿江下游250公里范圍內(nèi)的房屋和設(shè)施，致使2萬多人喪生。2008年汶川特大地震，唐家山大量山體崩塌形成巨大的堰塞湖，堰塞壩集雨面積大、水體大、水位上漲快、地質(zhì)結(jié)構(gòu)差，極可能崩塌引發(fā)下游洪災(zāi)，經(jīng)過搶險(xiǎn)救援才成功解除危險(xiǎn)。這些慘痛的教訓(xùn)表明，泥石流堰塞壩潰決災(zāi)害的防治是一個(gè)亟待解決的重要問題。在眾多類型的泥石流堰塞壩中，高粘性全堵型泥石流堰塞壩因其獨(dú)特的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有更高的危險(xiǎn)性。高粘性泥石流顆粒間存在較強(qiáng)的粘結(jié)力，使得堰塞壩壩體更為致密，抗沖刷能力相對(duì)較強(qiáng)。一旦發(fā)生漫頂潰決，其潰決過程往往更加復(fù)雜和難以預(yù)測(cè)，可能引發(fā)更大規(guī)模的洪水和泥石流災(zāi)害。傳統(tǒng)的關(guān)于一般泥石流堰塞壩的研究成果，難以直接應(yīng)用于高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決的分析和預(yù)測(cè)。深入研究高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決機(jī)理，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估其潰決風(fēng)險(xiǎn)、制定有效的災(zāi)害防治措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過開展高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究，可以揭示其在漫頂條件下的破壞過程、力學(xué)機(jī)制以及影響潰決的關(guān)鍵因素。這些研究成果將為建立更加準(zhǔn)確的潰決預(yù)測(cè)模型提供理論支持，有助于提前預(yù)測(cè)堰塞壩潰決的時(shí)間、規(guī)模和影響范圍，為下游地區(qū)的災(zāi)害預(yù)警和人員疏散提供科學(xué)依據(jù)。研究成果還可以為泥石流堰塞壩的工程治理提供技術(shù)指導(dǎo)，如確定合理的泄洪方案、加固措施等，從而降低潰決災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，維護(hù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在泥石流堰塞壩漫頂潰決研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了大量工作，并取得了一系列成果。國(guó)外方面，早期研究主要聚焦于潰決過程的現(xiàn)象描述和初步分析。例如，Schuster等人統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)能維持超過一年的堰塞壩不到10%，且大部分堰塞壩的潰決方式為漫頂潰決，這為后續(xù)研究明確了重點(diǎn)方向。Coleman等對(duì)均質(zhì)無黏性壩體的漫頂潰決模式進(jìn)行了詳細(xì)的水槽試驗(yàn)，通過精確測(cè)量和細(xì)致觀察，分析了潰口的沖刷模式、潰口形狀以及潰口流量過程，其研究成果為理解漫頂潰決的基本過程提供了重要參考。隨著研究的深入，學(xué)者們開始關(guān)注不同因素對(duì)潰決過程的影響。有學(xué)者研究了顆粒級(jí)配對(duì)堰塞壩潰決特性的作用，發(fā)現(xiàn)不同級(jí)配的顆粒在潰決時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和壩體破壞形式存在顯著差異。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究也不斷深入。牛志攀等通過一套以高速攝影為主，輔以樁群定位的模型試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)堰塞壩的漫頂潰決過程進(jìn)行了研究，利用先進(jìn)的觀測(cè)技術(shù)，清晰地記錄了潰決過程中的關(guān)鍵現(xiàn)象和細(xì)節(jié)。一些學(xué)者通過大尺度堰塞壩實(shí)驗(yàn)，探討了滑坡壩與泥石流壩在峰值流量、潰口下切速率、潰口展寬等潰決特征方面的差異。研究發(fā)現(xiàn)，隨細(xì)顆粒含量的增大，滑坡堰塞壩呈先降低后增大的趨勢(shì)，泥石流堰塞壩則呈明顯下降趨勢(shì)，在潰口的下切速率、潰口展寬等方面，二者也存在著較大的差別。也有學(xué)者針對(duì)當(dāng)前堰塞壩潰決試驗(yàn)粒徑取值偏低和粒徑相差不大的現(xiàn)狀，采用兩組粒徑差別明顯的砂樣進(jìn)行了堰塞壩埡口漫頂潰決試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)埡口擋板提起后，細(xì)顆粒壩體以下切侵蝕為主，沖刷強(qiáng)度比較劇烈，壩體較容易發(fā)生潰決；而粗顆粒壩體則是以滲流出流形成的溯源沖刷為主，沖刷強(qiáng)度較低，溯源面逐漸向上發(fā)展，只有當(dāng)其發(fā)展到埡口下端附近時(shí)壩體才有可能迅速發(fā)生潰決，下游壩坡對(duì)潰決過程的影響也比較顯著，壩坡越陡，壩體越易潰決，潰口的平均展寬速率也越大。然而，當(dāng)前研究仍存在一些不足。在實(shí)驗(yàn)研究方面，雖然已有不少室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)，但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，多數(shù)實(shí)驗(yàn)難以完全真實(shí)地模擬高粘性全堵型泥石流堰塞壩的復(fù)雜特性。例如，實(shí)驗(yàn)中難以精確模擬高粘性泥石流顆粒間獨(dú)特的粘結(jié)力，以及壩體在實(shí)際地質(zhì)條件下的受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特征。已有的實(shí)驗(yàn)大多側(cè)重于研究單一因素對(duì)潰決的影響，對(duì)于多因素耦合作用下的潰決機(jī)理研究相對(duì)較少。而在實(shí)際情況中，泥石流堰塞壩的漫頂潰決往往受到多種因素共同作用，如壩體物質(zhì)組成、幾何形態(tài)、水流條件以及地質(zhì)條件等，多因素耦合作用下的潰決過程更加復(fù)雜，現(xiàn)有研究成果難以準(zhǔn)確描述和預(yù)測(cè)。在理論研究方面，現(xiàn)有的潰決預(yù)測(cè)模型還存在著很大的不確定性。很多泥沙沖刷公式是根據(jù)試驗(yàn)室或野外觀測(cè)的泥沙數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出的，天然堰塞壩的顆粒粒徑、水流條件等往往會(huì)超出這些沖刷公式的適用范圍，潰口處水流急、水面坡度大，也使得這些沖刷公式在應(yīng)用到潰口處泥沙模擬時(shí)具有一定的局限性，導(dǎo)致對(duì)高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決的預(yù)測(cè)精度較低。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究旨在通過實(shí)驗(yàn)，深入探究高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決機(jī)理，主要研究?jī)?nèi)容如下：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：依據(jù)相似性原理，精心設(shè)計(jì)并搭建高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決實(shí)驗(yàn)裝置。合理確定模型的幾何尺寸、材料參數(shù)等，以確保實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蛴行M真實(shí)的堰塞壩。對(duì)高粘性泥石流的材料進(jìn)行選擇和配制，通過添加特定的粘結(jié)劑或模擬天然的粘性物質(zhì)，精確控制泥石流的粘性和顆粒組成，模擬出不同粘性程度的高粘性全堵型泥石流，研究粘性變化對(duì)潰決過程的影響。設(shè)置多種不同的實(shí)驗(yàn)工況，包括改變壩體的幾何形態(tài)（如壩高、壩頂寬度、壩坡坡度等）、水流條件（如流量、流速、水位等），全面探究各因素對(duì)漫頂潰決過程的影響。實(shí)驗(yàn)過程觀測(cè)：在實(shí)驗(yàn)過程中，利用高速攝像機(jī)從多個(gè)角度對(duì)堰塞壩漫頂潰決過程進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，詳細(xì)記錄壩體的破壞形態(tài)、潰口的發(fā)展過程以及水流的運(yùn)動(dòng)特征等。在壩體內(nèi)部及周圍布置壓力傳感器、位移傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壩體在漫頂過程中的應(yīng)力、應(yīng)變變化，以及壩體的位移和變形情況。使用聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）等設(shè)備，精確測(cè)量潰口處及下游水流的流速、流量等參數(shù)，獲取準(zhǔn)確的水流動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理與分析：對(duì)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)得到的圖像、數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，運(yùn)用圖像處理技術(shù)，從高速攝像機(jī)拍攝的圖像中提取潰口的尺寸、形狀隨時(shí)間的變化信息，分析潰口的發(fā)展規(guī)律。通過對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的處理，深入研究壩體的應(yīng)力、應(yīng)變分布特征，以及它們與潰決過程的內(nèi)在聯(lián)系。建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)潰決過程中的水流運(yùn)動(dòng)、泥沙輸移等進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)一步揭示漫頂潰決的機(jī)理。潰決機(jī)理研究：綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，深入研究高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決的破壞模式和力學(xué)機(jī)制。探討高粘性泥石流顆粒間的粘結(jié)力在潰決過程中的作用，分析其對(duì)壩體抗沖刷能力、潰口發(fā)展速度等的影響。研究壩體幾何形態(tài)、水流條件等因素與潰決過程的相互關(guān)系，明確各因素對(duì)潰決的影響程度和作用方式，建立高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決的理論模型，為災(zāi)害預(yù)測(cè)和防治提供理論支持。本研究擬采用以下實(shí)驗(yàn)研究方法：室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)：通過在實(shí)驗(yàn)室搭建模型實(shí)驗(yàn)裝置，能夠精確控制實(shí)驗(yàn)條件，排除外界復(fù)雜因素的干擾，從而系統(tǒng)地研究高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決的過程和機(jī)理。室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)可以方便地改變各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，獲取豐富的數(shù)據(jù)資料，為理論分析和模型建立提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與調(diào)研：在條件允許的情況下，對(duì)實(shí)際發(fā)生的高粘性全堵型泥石流堰塞壩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和調(diào)研。收集現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件、壩體特征、水流情況等數(shù)據(jù)，與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究的可靠性和有效性，同時(shí)為實(shí)驗(yàn)研究提供實(shí)際案例參考，使研究成果更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。數(shù)值模擬：運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）等數(shù)值模擬方法，對(duì)高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決過程進(jìn)行模擬分析。數(shù)值模擬可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究在某些方面的不足，如難以觀測(cè)壩體內(nèi)部的水流和應(yīng)力分布等。通過數(shù)值模擬，可以深入研究潰決過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互補(bǔ)充和驗(yàn)證，進(jìn)一步深化對(duì)漫頂潰決機(jī)理的認(rèn)識(shí)。二、高粘性全堵型泥石流堰塞壩特性分析2.1形成機(jī)制與條件泥石流的形成是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)過程，通常需要特定的地形地貌、豐富的松散固體物質(zhì)以及充足的水源條件相互作用。在山區(qū)，地形起伏較大，溝谷縱橫，為泥石流的發(fā)生提供了有利的地形條件。當(dāng)流域內(nèi)存在陡峭的山坡、狹窄的溝谷以及較大的溝床縱坡降時(shí)，水流在重力作用下能夠迅速匯聚并獲得較大的流速，從而具備了搬運(yùn)大量固體物質(zhì)的能力。松散固體物質(zhì)是泥石流的物質(zhì)基礎(chǔ)，其來源廣泛，包括山體巖石的風(fēng)化破碎、地震引發(fā)的山體崩塌、滑坡產(chǎn)生的堆積物以及人類工程活動(dòng)（如采礦、修路等）破壞地表后產(chǎn)生的廢棄物等。這些松散物質(zhì)在一定的條件下，如受到水流沖刷、地震振動(dòng)等，會(huì)失去原有的穩(wěn)定性，參與到泥石流的運(yùn)動(dòng)中。水源則是泥石流形成的觸發(fā)因素，常見的水源有暴雨、冰雪融水、水庫（水塘）堤壩潰決等。大量的降雨或快速的冰雪融化會(huì)使地表徑流迅速增加，水流對(duì)松散固體物質(zhì)產(chǎn)生沖刷、侵蝕和搬運(yùn)作用，將其裹挾在一起，形成具有強(qiáng)大破壞力的泥石流。高粘性全堵型泥石流堰塞壩的形成，除了上述泥石流形成的一般條件外，還與泥石流的粘性特性密切相關(guān)。高粘性泥石流中細(xì)顆粒含量較高，通常含有較多的粘土和粉砂顆粒，這些細(xì)顆粒在水的作用下形成一種粘性介質(zhì)，使得泥石流具有較高的粘性和凝聚力。當(dāng)高粘性泥石流流入河道時(shí)，由于其粘性大、流動(dòng)性相對(duì)較差，在河道狹窄處或地形變化較大的區(qū)域，容易發(fā)生堆積和堵塞，逐漸形成堰塞壩。其形成過程可描述為：在強(qiáng)降雨或其他觸發(fā)因素作用下，流域內(nèi)產(chǎn)生高粘性泥石流。泥石流沿著溝谷快速流動(dòng)，當(dāng)遇到河道中較為狹窄的地段或障礙物時(shí)，前進(jìn)受阻，流速降低。由于泥石流的高粘性，其中的固體顆粒不易分散，繼續(xù)相互粘結(jié)并不斷堆積，隨著堆積物的增多，逐漸在河道中形成一道天然的堵塞體，即高粘性全堵型泥石流堰塞壩。堰塞壩形成后，上游水流被攔截，水位逐漸上升，形成堰塞湖。以2010年四川綿竹清平鄉(xiāng)文家溝“8?13”特大泥石流為例，該流域在2010年8月12日16時(shí)至13日04時(shí)降雨量達(dá)227mm，暴雨形成強(qiáng)大洪水沖刷流域內(nèi)在地震期間形成的滑坡-碎屑流堆積體，形成高容重粘性泥石流。泥石流沖出總量達(dá)429.3×104m3，完全堵斷綿遠(yuǎn)河，形成長(zhǎng)約1650m、寬約420m、高約12m的堰塞壩。此次事件充分展示了高粘性全堵型泥石流堰塞壩在特定地形、豐富松散物源和強(qiáng)降雨條件下的形成過程。2.2物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)特征高粘性全堵型泥石流堰塞壩的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征對(duì)其穩(wěn)定性及潰決過程有著至關(guān)重要的影響。從物質(zhì)成分來看，高粘性全堵型泥石流堰塞壩主要由固體顆粒和粘性介質(zhì)組成。固體顆粒包括礫石、砂粒、粉粒和粘粒等，其粒徑范圍較廣，從幾毫米到幾十厘米甚至更大都有分布。其中，礫石和砂粒構(gòu)成了堰塞壩的骨架，提供了一定的支撐作用；粉粒和粘粒則填充在骨架顆粒之間，增加了壩體的密實(shí)度和粘性。粘性介質(zhì)主要是由粘土礦物和水組成的膠體溶液，這些粘土礦物（如蒙脫石、伊利石等）具有較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附能力，能夠與水結(jié)合形成粘性很強(qiáng)的膠體，將固體顆粒粘結(jié)在一起，使泥石流具有較高的粘性和凝聚力。顆粒級(jí)配是描述顆粒大小分布的重要指標(biāo)，對(duì)堰塞壩的性質(zhì)有著顯著影響。高粘性全堵型泥石流堰塞壩的顆粒級(jí)配通常較為復(fù)雜，不均勻系數(shù)較大。一般來說，不均勻系數(shù)越大，顆粒大小的差異就越大，壩體的結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜。在顆粒級(jí)配中，細(xì)顆粒（粉粒和粘粒）含量的多少對(duì)壩體的粘性和穩(wěn)定性影響尤為顯著。當(dāng)細(xì)顆粒含量較高時(shí)，粘性介質(zhì)增多，顆粒間的粘結(jié)力增強(qiáng)，壩體的抗沖刷能力提高，但同時(shí)也可能導(dǎo)致壩體的透水性降低，在堰塞湖水位上升時(shí)，壩體內(nèi)部孔隙水壓力難以消散，增加了壩體發(fā)生滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。若粗顆粒（礫石和砂粒）含量相對(duì)較多，壩體的透水性會(huì)增強(qiáng)，孔隙水壓力容易消散，但顆粒間的粘結(jié)力相對(duì)較弱，在水流沖刷作用下，壩體可能更容易發(fā)生局部破壞。堰塞壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也是影響其穩(wěn)定性的重要因素。由于泥石流在堆積過程中受到多種因素的影響，如流速、流量、地形等，導(dǎo)致堰塞壩的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不均勻性和復(fù)雜性。在垂直方向上，堰塞壩通常呈現(xiàn)出上細(xì)下粗的結(jié)構(gòu)特征。上部由于流速相對(duì)較小，細(xì)顆粒更容易沉積，形成相對(duì)較細(xì)的層次；下部則由于流速較大，粗顆粒能夠被搬運(yùn)到此處沉積，形成相對(duì)較粗的層次。這種上細(xì)下粗的結(jié)構(gòu)使得堰塞壩在受力時(shí)，上部更容易受到水流的沖刷和侵蝕，而下部則主要承擔(dān)壩體的重量和來自上部的壓力。在水平方向上，堰塞壩的結(jié)構(gòu)也存在差異。靠近河道中心的部位，由于泥石流的沖擊力較大，顆粒堆積相對(duì)緊密，結(jié)構(gòu)較為致密；而靠近岸邊的部位，顆粒堆積相對(duì)松散，結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松。堰塞壩內(nèi)部還可能存在一些薄弱結(jié)構(gòu)面，如泥化夾層、裂縫等。這些薄弱結(jié)構(gòu)面的存在會(huì)降低壩體的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在水流作用下，容易成為壩體破壞的突破口，引發(fā)潰決。以2018年西藏波密縣古鄉(xiāng)溝泥石流堰塞壩為例，通過現(xiàn)場(chǎng)勘查和采樣分析發(fā)現(xiàn)，該堰塞壩中細(xì)顆粒含量較高，約占總質(zhì)量的30%-40%，導(dǎo)致壩體粘性較大。顆粒級(jí)配不均勻，不均勻系數(shù)達(dá)到10以上。壩體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的上細(xì)下粗特征，且在壩體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了多處泥化夾層和裂縫，這些結(jié)構(gòu)特征使得該堰塞壩在后期的運(yùn)行過程中存在較大的潰決風(fēng)險(xiǎn)。2.3典型案例分析為了更深入地了解高粘性全堵型泥石流堰塞壩的實(shí)際特征與危害，選取四川綿竹清平鄉(xiāng)文家溝“8?13”特大泥石流堰塞壩作為典型案例進(jìn)行詳細(xì)分析。2010年8月13日，四川綿竹清平鄉(xiāng)文家溝暴發(fā)了特大規(guī)模的泥石流災(zāi)害。此次泥石流的形成是多種因素共同作用的結(jié)果。在地形地貌方面，文家溝流域?qū)儆诟呱綅{谷地貌，地勢(shì)陡峭，溝谷狹窄，溝床縱坡降大，為泥石流的形成和快速運(yùn)動(dòng)提供了有利的地形條件。2008年汶川地震對(duì)該區(qū)域造成了嚴(yán)重破壞，大量山體崩塌、滑坡，產(chǎn)生了極為豐富的松散固體物質(zhì)，這些物質(zhì)在隨后的降雨作用下，成為泥石流的主要物源。2010年8月12日16時(shí)至13日04時(shí)，文家溝流域降雨量達(dá)227mm，短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)降雨成為泥石流暴發(fā)的觸發(fā)因素。暴雨形成的強(qiáng)大洪水沖刷著流域內(nèi)在地震期間形成的滑坡-碎屑流堆積體，形成了高容重粘性泥石流。泥石流沖出總量達(dá)429.3×104m3，具有強(qiáng)大的沖擊力，依次沖毀了溝內(nèi)19座谷坊和1座攔擋壩。隨后，泥石流完全堵斷綿遠(yuǎn)河，形成了長(zhǎng)約1650m、寬約420m、高約12m的堰塞壩。堰塞壩的形成導(dǎo)致上游水位迅速上升，形成堰塞湖，回水長(zhǎng)度達(dá)1.5km。該堰塞壩在物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征上具有典型的高粘性全堵型泥石流堰塞壩特點(diǎn)。從物質(zhì)組成來看，固體顆粒中細(xì)顆粒含量較高，粘性介質(zhì)豐富，使得泥石流具有較高的粘性和凝聚力。通過現(xiàn)場(chǎng)采樣分析發(fā)現(xiàn)，其顆粒級(jí)配不均勻，不均勻系數(shù)較大，粗顆粒和細(xì)顆粒的分布差異明顯。在結(jié)構(gòu)上，堰塞壩呈現(xiàn)出上細(xì)下粗的特征，上部細(xì)顆粒較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，下部粗顆粒較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)致密。壩體內(nèi)部還存在一些薄弱結(jié)構(gòu)面，如泥化夾層和裂縫，這些都降低了壩體的整體穩(wěn)定性。此次泥石流堰塞壩造成了嚴(yán)重的危害。在人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失方面，泥石流共造成6人死亡或失蹤，379間房屋被沖毀掩埋，漢（旺）清（平）公路中斷，2座橋梁被毀，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳拓?cái)產(chǎn)帶來了巨大損失。堰塞壩的存在還對(duì)河道形態(tài)和水文條件產(chǎn)生了顯著影響。堰塞壩改變了河道的原有形態(tài)，使河道堵塞，水流受阻，上游水位抬高，淹沒了大量土地和基礎(chǔ)設(shè)施。若堰塞壩發(fā)生潰決，將會(huì)引發(fā)下游地區(qū)的洪水和泥石流災(zāi)害，對(duì)下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成更大威脅。通過對(duì)四川綿竹清平鄉(xiāng)文家溝“8?13”特大泥石流堰塞壩這一典型案例的分析，可以看出高粘性全堵型泥石流堰塞壩具有形成過程復(fù)雜、物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)獨(dú)特、危害嚴(yán)重等特點(diǎn)。深入研究這類堰塞壩的特征和危害，對(duì)于更好地理解其潰決機(jī)理，制定有效的災(zāi)害防治措施具有重要意義。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理本實(shí)驗(yàn)旨在通過室內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn)，深入研究高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決的全過程，揭示其潰決機(jī)理，明確各關(guān)鍵因素對(duì)潰決過程和結(jié)果的影響規(guī)律，為泥石流堰塞壩潰決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和災(zāi)害防治提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。實(shí)驗(yàn)原理基于水力學(xué)和土力學(xué)的基本理論。在水力學(xué)方面，當(dāng)堰塞壩上游水位上升至壩頂，水流開始漫頂，漫頂水流對(duì)壩體產(chǎn)生沖刷作用。根據(jù)水力學(xué)中的水流能量方程，水流的動(dòng)能和勢(shì)能在流動(dòng)過程中相互轉(zhuǎn)化，在壩頂處，水流具有較大的動(dòng)能，能夠?qū)误w表面的顆粒產(chǎn)生沖擊力和切應(yīng)力。當(dāng)這些力超過壩體顆粒間的粘結(jié)力和摩擦力時(shí)，顆粒開始被水流帶走，形成沖刷侵蝕。水流的流速、流量以及壩頂?shù)倪^水面積等因素都會(huì)影響沖刷力的大小。通過測(cè)量這些水力學(xué)參數(shù)，能夠分析水流對(duì)壩體的作用機(jī)制。從土力學(xué)角度來看，高粘性全堵型泥石流堰塞壩壩體由具有一定粘結(jié)力的顆粒組成。壩體在自重、水壓力以及滲透力等作用下，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力分布。當(dāng)漫頂水流沖刷壩體時(shí)，壩體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，壩體的抗剪強(qiáng)度與作用在壩體上的剪應(yīng)力之間的平衡關(guān)系被打破。壩體材料的抗剪強(qiáng)度可通過庫侖定律來描述，即抗剪強(qiáng)度等于粘聚力加上內(nèi)摩擦力與正應(yīng)力的乘積。在實(shí)驗(yàn)中，通過在壩體內(nèi)部布置應(yīng)力傳感器，監(jiān)測(cè)壩體在漫頂過程中的應(yīng)力變化，分析壩體的破壞過程與力學(xué)機(jī)制?？紤]到壩體的滲透性對(duì)孔隙水壓力的影響，進(jìn)而影響壩體的穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)中還需關(guān)注壩體的滲透特性。通過綜合運(yùn)用水力學(xué)和土力學(xué)原理，對(duì)高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決過程中的水流運(yùn)動(dòng)、壩體沖刷侵蝕以及壩體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變等進(jìn)行全面研究，從而深入揭示其潰決機(jī)理。3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料為確保高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決實(shí)驗(yàn)的順利開展，獲取準(zhǔn)確且有價(jià)值的數(shù)據(jù)，需選用合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并精心準(zhǔn)備模擬泥石流的材料。3.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備水槽：水槽是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)裝置，用于模擬河道及堰塞壩的設(shè)置環(huán)境。本實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)5m、寬0.5m、高0.6m的矩形不銹鋼水槽，其具有良好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，能有效保證實(shí)驗(yàn)過程中水流和壩體的穩(wěn)定。水槽底部設(shè)置一定的坡度，坡度范圍為0.01-0.05，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行調(diào)整，以模擬不同地形條件下的河道情況。水槽的一端設(shè)有進(jìn)水口，連接供水系統(tǒng)，另一端設(shè)有出水口，用于排水。在水槽兩側(cè)壁上，沿長(zhǎng)度方向均勻布置刻度線，精度為1mm，以便準(zhǔn)確測(cè)量水位變化。供水系統(tǒng)：供水系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的水流，模擬堰塞壩上游來水。采用恒流泵作為供水動(dòng)力設(shè)備，其流量調(diào)節(jié)范圍為0-50L/min，可精確控制水流流量。恒流泵通過管道與水槽進(jìn)水口相連，在管道上安裝電磁流量計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋流量數(shù)據(jù)，確保實(shí)驗(yàn)過程中流量的穩(wěn)定性。供水系統(tǒng)還配備有水箱，用于儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)用水，水箱容積為1m3，保證實(shí)驗(yàn)過程中有足夠的水源供應(yīng)。測(cè)量?jī)x器：高速攝像機(jī)：選用幀率為500fps的高速攝像機(jī)，從多個(gè)角度對(duì)堰塞壩漫頂潰決過程進(jìn)行拍攝。通過在水槽周圍不同位置設(shè)置三腳架，安裝高速攝像機(jī)，確保能夠全面記錄壩體的破壞形態(tài)、潰口的發(fā)展過程以及水流的運(yùn)動(dòng)特征等。拍攝分辨率為1920×1080像素，可清晰捕捉實(shí)驗(yàn)過程中的細(xì)微變化。壓力傳感器：在壩體內(nèi)部不同位置（如壩頂、壩坡、壩底等）埋設(shè)壓力傳感器，共設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。壓力傳感器采用高精度應(yīng)變片式壓力傳感器，測(cè)量精度為±0.1kPa，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壩體在漫頂過程中的應(yīng)力變化。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將壓力傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。位移傳感器：在壩體表面及周邊布置位移傳感器，用于監(jiān)測(cè)壩體的位移和變形情況。采用激光位移傳感器，測(cè)量精度為±0.01mm，量程為0-100mm。在壩頂、壩坡和壩底等關(guān)鍵部位設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)部位布置2-3個(gè)位移傳感器，通過測(cè)量點(diǎn)的位移變化，分析壩體的變形趨勢(shì)。聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）：使用ADV測(cè)量潰口處及下游水流的流速、流量等參數(shù)。ADV測(cè)量精度高，能夠準(zhǔn)確測(cè)量復(fù)雜水流條件下的流速分布。在潰口下游不同位置（距離潰口0.5m、1m、1.5m處）設(shè)置測(cè)量斷面，每個(gè)斷面在不同深度（水面下0.1m、0.2m、0.3m處）進(jìn)行測(cè)量，獲取不同位置和深度的水流流速數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算出流量。3.2.2實(shí)驗(yàn)材料模擬泥石流材料：為模擬高粘性全堵型泥石流，選用細(xì)砂、粘土和水按一定比例混合作為實(shí)驗(yàn)材料。細(xì)砂粒徑范圍為0.1-0.5mm，其主要作用是構(gòu)成泥石流的骨架；粘土選用蒙脫石含量較高的膨潤(rùn)土，具有較強(qiáng)的粘性和吸水性，能有效模擬高粘性泥石流中的粘性介質(zhì)。通過前期試驗(yàn)，確定細(xì)砂、粘土和水的質(zhì)量比例為7:2:1，此比例配制出的模擬泥石流具有較好的粘性和流動(dòng)性，與實(shí)際高粘性全堵型泥石流的物理性質(zhì)較為接近。在配制過程中，先將細(xì)砂和粘土充分混合均勻，然后逐漸加入水，同時(shí)用攪拌器進(jìn)行攪拌，直至達(dá)到所需的粘性和流動(dòng)性。粘結(jié)劑：為增強(qiáng)模擬泥石流顆粒間的粘結(jié)力，使其更接近真實(shí)高粘性泥石流的特性，在配制過程中添加適量的粘結(jié)劑。選用羧甲基纖維素鈉（CMC）作為粘結(jié)劑，其添加量為細(xì)砂和粘土總質(zhì)量的0.5%-1%。CMC具有良好的水溶性和粘結(jié)性能，能夠在顆粒間形成化學(xué)鍵，增強(qiáng)顆粒間的粘結(jié)力。在加入粘結(jié)劑后，繼續(xù)攪拌均勻，確保粘結(jié)劑均勻分布在模擬泥石流中。其他材料：在實(shí)驗(yàn)過程中，還需要一些輔助材料，如用于制作堰塞壩模型的模板、支撐材料等。模板采用厚度為5mm的有機(jī)玻璃板，根據(jù)堰塞壩的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行裁剪和拼接，用于構(gòu)建堰塞壩的形狀。支撐材料選用角鋼和槽鋼，搭建穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，用于固定模板和支撐堰塞壩模型。在水槽底部鋪設(shè)一層厚度為5cm的粗砂，以模擬天然河道底部的粗糙度。3.3實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為了全面、系統(tǒng)地研究高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決機(jī)理，根據(jù)相似性原理確定實(shí)驗(yàn)的幾何相似比，并精心設(shè)置多種不同的實(shí)驗(yàn)工況，包括壩體參數(shù)和水流條件的變化。3.3.1幾何相似比確定在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，幾何相似比是保證模型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確反映原型特征的關(guān)鍵參數(shù)?？紤]到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)精度等多方面因素，確定本次實(shí)驗(yàn)的幾何相似比為1:50。這意味著實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母黜?xiàng)幾何尺寸為實(shí)際堰塞壩的1/50。通過合理的相似比，模型中的水流運(yùn)動(dòng)、壩體受力等物理過程能夠在一定程度上與原型相似，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可靠性和代表性。在確定幾何相似比后，對(duì)堰塞壩模型的幾何尺寸進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。壩高設(shè)計(jì)為0.2m-0.5m，共設(shè)置5個(gè)不同高度，分別為0.2m、0.3m、0.4m、0.45m、0.5m，以研究壩高對(duì)潰決過程的影響。壩頂寬度設(shè)計(jì)為0.1m-0.3m，設(shè)置3個(gè)不同寬度，分別為0.1m、0.2m、0.3m，用于分析壩頂寬度對(duì)潰決的作用。壩坡坡度設(shè)計(jì)為1:1.5-1:3，共設(shè)置4種不同坡度，分別為1:1.5、1:2、1:2.5、1:3，探討壩坡坡度對(duì)潰決過程的影響規(guī)律。3.3.2實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置壩體參數(shù)變化：壩體粘性變化：通過調(diào)整粘結(jié)劑（羧甲基纖維素鈉，CMC）的添加量來改變模擬泥石流的粘性。設(shè)置5種不同的粘結(jié)劑添加比例，分別為細(xì)砂和粘土總質(zhì)量的0.5%、0.7%、0.8%、0.9%、1%。不同的粘結(jié)劑添加量會(huì)導(dǎo)致泥石流顆粒間粘結(jié)力的不同，從而模擬出不同粘性程度的高粘性全堵型泥石流堰塞壩，研究粘性變化對(duì)潰決過程的影響。壩體顆粒級(jí)配變化：準(zhǔn)備3種不同顆粒級(jí)配的模擬泥石流材料。第一種為細(xì)顆粒含量較高的級(jí)配，細(xì)顆粒（粉粒和粘粒）含量占總質(zhì)量的40%；第二種為中等顆粒級(jí)配，細(xì)顆粒含量占總質(zhì)量的30%；第三種為粗顆粒含量較高的級(jí)配，細(xì)顆粒含量占總質(zhì)量的20%。通過改變顆粒級(jí)配，研究不同顆粒組成對(duì)堰塞壩潰決特性的影響。水流條件變化：流量變化：利用恒流泵調(diào)節(jié)供水流量，設(shè)置5種不同的流量工況，分別為10L/min、15L/min、20L/min、25L/min、30L/min。不同的流量代表了不同強(qiáng)度的上游來水條件，研究流量變化對(duì)堰塞壩漫頂潰決過程和潰決流量的影響。流速變化：通過改變水槽坡度和流量來調(diào)整水流流速。在保持流量不變的情況下，將水槽坡度分別設(shè)置為0.01、0.02、0.03、0.04、0.05，同時(shí)結(jié)合不同的流量工況，實(shí)現(xiàn)多種流速條件的組合。研究流速對(duì)壩體沖刷侵蝕、潰口發(fā)展以及潰決過程的影響。水位變化：通過控制供水時(shí)間和流量，使堰塞壩上游水位達(dá)到不同高度。設(shè)置5種不同的水位高度，分別為壩高的0.5倍、0.6倍、0.7倍、0.8倍、0.9倍。研究水位高度對(duì)漫頂時(shí)間、潰決模式以及潰決災(zāi)害規(guī)模的影響。本實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了多種實(shí)驗(yàn)工況組合，每種工況重復(fù)進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。通過全面系統(tǒng)地設(shè)置不同的壩體參數(shù)和水流條件，能夠深入研究各因素對(duì)高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決過程的影響，揭示其潰決機(jī)理。3.4實(shí)驗(yàn)步驟與過程控制實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：首先，對(duì)水槽進(jìn)行清潔和檢查，確保水槽無漏水、無雜物，各部分連接牢固。在水槽底部鋪設(shè)一層厚度為5cm的粗砂，模擬天然河道底部的粗糙度。按照設(shè)計(jì)要求，使用有機(jī)玻璃板和角鋼、槽鋼搭建堰塞壩模型的模板和支撐框架，確保模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。材料配制：根據(jù)確定的比例，稱取適量的細(xì)砂、粘土和水，將細(xì)砂和粘土充分混合均勻。然后，按照不同的實(shí)驗(yàn)工況，添加相應(yīng)比例的粘結(jié)劑（羧甲基纖維素鈉，CMC），繼續(xù)攪拌，使粘結(jié)劑均勻分布在混合材料中。逐漸加入水，同時(shí)用攪拌器進(jìn)行攪拌，直至模擬泥石流材料達(dá)到所需的粘性和流動(dòng)性。模型制作：將配制好的模擬泥石流材料倒入搭建好的模板內(nèi)，分層填筑并壓實(shí)，每層填筑厚度控制在5-10cm。在填筑過程中，注意避免材料出現(xiàn)離析現(xiàn)象，確保壩體的均勻性。按照設(shè)計(jì)的壩體幾何尺寸，制作不同壩高、壩頂寬度和壩坡坡度的堰塞壩模型。在壩體內(nèi)部及表面預(yù)定位置，埋設(shè)壓力傳感器和位移傳感器，并確保傳感器安裝牢固，連接線路正常。實(shí)驗(yàn)裝置安裝：將供水系統(tǒng)的管道與水槽進(jìn)水口連接，確保連接緊密，無漏水現(xiàn)象。在管道上安裝電磁流量計(jì)，用于監(jiān)測(cè)水流流量。在水槽周圍不同位置設(shè)置三腳架，安裝高速攝像機(jī)，調(diào)整好拍攝角度和參數(shù)，確保能夠全面、清晰地拍攝堰塞壩漫頂潰決過程。在潰口下游不同位置布置聲學(xué)多普勒流速儀（ADV），并進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)過程：打開供水系統(tǒng)，啟動(dòng)恒流泵，按照設(shè)定的流量和流速向水槽內(nèi)注水，使水位逐漸上升。密切關(guān)注水位變化，當(dāng)水位達(dá)到堰塞壩壩頂時(shí)，開始漫頂，此時(shí)開啟高速攝像機(jī)，記錄潰決過程。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力傳感器、位移傳感器和ADV的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)過程中，觀察壩體的破壞形態(tài)、潰口的發(fā)展過程以及水流的運(yùn)動(dòng)特征，如發(fā)現(xiàn)異常情況，及時(shí)停止實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢查。實(shí)驗(yàn)結(jié)束與數(shù)據(jù)整理：當(dāng)堰塞壩潰決過程結(jié)束，壩體完全破壞，水流穩(wěn)定后，停止供水系統(tǒng)。關(guān)閉高速攝像機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等設(shè)備，整理實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備。對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中獲取的圖像、數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。利用圖像處理軟件，對(duì)高速攝像機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行處理，提取潰口的尺寸、形狀隨時(shí)間的變化信息。對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制壩體應(yīng)力、應(yīng)變、位移以及水流流速、流量等隨時(shí)間的變化曲線。在實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制變量，確保每次實(shí)驗(yàn)除了設(shè)定變化的參數(shù)外，其他條件保持一致。在進(jìn)行壩體粘性變化實(shí)驗(yàn)時(shí)，只改變粘結(jié)劑的添加量，其他如壩體幾何尺寸、水流條件等保持不變。對(duì)于水流條件變化實(shí)驗(yàn)，在改變流量時(shí)，保持水槽坡度、壩體參數(shù)等不變；在改變流速時(shí)，通過調(diào)整水槽坡度和流量實(shí)現(xiàn)，同時(shí)保證其他因素穩(wěn)定。每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。四、漫頂潰決過程觀測(cè)與分析4.1潰決過程現(xiàn)象觀測(cè)在實(shí)驗(yàn)過程中，利用幀率為500fps的高速攝像機(jī)，從多個(gè)角度對(duì)高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決過程進(jìn)行了詳細(xì)記錄。通過對(duì)拍攝的視頻資料進(jìn)行逐幀分析，觀察到以下主要現(xiàn)象：水流漫頂初期：當(dāng)堰塞壩上游水位逐漸上升至壩頂時(shí)，水流開始漫頂。漫頂水流在壩頂形成一層薄薄的水膜，由于壩體表面的粗糙度和粘性作用，水流速度相對(duì)較慢。此時(shí)，壩體表面的顆粒受到水流的作用力較小，壩體基本保持穩(wěn)定。在壩頂與壩坡的交界處，水流開始出現(xiàn)一定的匯聚現(xiàn)象，形成一些小的水流漩渦。這些漩渦的產(chǎn)生是由于水流在不同方向的流速差異和壩體邊界條件的影響，使得水流發(fā)生旋轉(zhuǎn)。隨著漫頂水流的持續(xù)，漩渦逐漸增大，對(duì)壩體表面的顆粒產(chǎn)生一定的擾動(dòng)。壩體表面沖刷階段：隨著漫頂水流流量的增加，水流速度逐漸增大，對(duì)壩體表面的沖刷作用開始顯現(xiàn)。水流攜帶的能量不斷沖擊壩體表面的顆粒，當(dāng)水流的沖擊力超過顆粒間的粘結(jié)力時(shí)，顆粒開始被水流帶走。壩體表面逐漸出現(xiàn)一些細(xì)小的沖蝕溝，這些沖蝕溝沿著水流方向發(fā)展，寬度和深度逐漸增加。在沖蝕溝的兩側(cè)，由于水流的側(cè)蝕作用，部分顆粒發(fā)生坍塌，導(dǎo)致沖蝕溝的寬度進(jìn)一步擴(kuò)大。在壩坡部位，沖蝕溝的發(fā)展更為明顯，因?yàn)閴纹碌钠露仁沟盟魉俣雀?，沖刷力更強(qiáng)。壩坡上的沖蝕溝往往呈現(xiàn)出上寬下窄的形狀，這是由于水流在向下流動(dòng)過程中，能量逐漸增強(qiáng)，對(duì)壩體的沖刷作用也逐漸加劇。潰口形成與發(fā)展階段：隨著壩體表面沖刷的持續(xù)進(jìn)行，沖蝕溝不斷加深和擴(kuò)大，在壩體上形成了多個(gè)局部的薄弱區(qū)域。當(dāng)這些薄弱區(qū)域的壩體強(qiáng)度無法承受水流的作用力時(shí)，壩體開始發(fā)生局部坍塌，潰口逐漸形成。潰口最初呈現(xiàn)出較小的開口，隨著水流的繼續(xù)沖刷，潰口迅速擴(kuò)大。潰口的發(fā)展過程中，主要表現(xiàn)為垂直下切和側(cè)向展寬兩個(gè)方面。在垂直下切方向，水流的能量集中在潰口底部，對(duì)壩體進(jìn)行強(qiáng)烈的沖刷，使得潰口深度快速增加。在側(cè)向展寬方向，潰口兩側(cè)的壩體受到水流的側(cè)蝕和坍塌作用，導(dǎo)致潰口寬度不斷擴(kuò)大。潰口的發(fā)展過程并非是均勻的，而是呈現(xiàn)出階段性和波動(dòng)性。在某些時(shí)刻，潰口的下切速度突然增大，隨后又會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的相對(duì)穩(wěn)定，展寬速度也會(huì)有類似的變化。這是由于水流條件的變化、壩體結(jié)構(gòu)的不均勻性以及顆粒間粘結(jié)力的差異等因素共同作用的結(jié)果。壩體整體破壞階段：當(dāng)潰口發(fā)展到一定程度后，壩體的整體穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。壩體剩余部分在水流的持續(xù)沖擊下，逐漸失去平衡，發(fā)生大規(guī)模的坍塌和破壞。壩體材料被大量沖入下游河道，形成一股強(qiáng)大的泥石流洪流。在壩體整體破壞過程中，觀察到壩體的坍塌呈現(xiàn)出從潰口向兩側(cè)和上游逐漸擴(kuò)展的趨勢(shì)。潰口附近的壩體首先坍塌，然后坍塌范圍逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致整個(gè)壩體的崩潰。壩體坍塌時(shí)，伴隨著巨大的轟鳴聲和飛濺的水花，場(chǎng)面十分壯觀。下游河道中的水流迅速增大，水位急劇上升，水流中夾雜著大量的泥沙和石塊，對(duì)下游的環(huán)境和設(shè)施造成了巨大的沖擊。潰決后期穩(wěn)定階段：隨著壩體的完全破壞，潰決水流的能量逐漸消耗，水流速度和流量逐漸減小。下游河道中的水位逐漸穩(wěn)定，水流中的泥沙開始沉淀。在潰口下游一定距離內(nèi)，形成了一個(gè)泥沙堆積區(qū)域，堆積物的粒徑大小不一，呈現(xiàn)出明顯的分選性。大顆粒的石塊和礫石首先沉淀在靠近潰口的位置，而細(xì)顆粒的泥沙則被水流攜帶到更遠(yuǎn)的地方沉淀。經(jīng)過一段時(shí)間后，水流恢復(fù)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，潰決過程基本結(jié)束。但此時(shí)下游河道的形態(tài)和水流條件已經(jīng)發(fā)生了顯著變化，需要進(jìn)一步對(duì)河道進(jìn)行整治和修復(fù)。4.2潰決特征參數(shù)監(jiān)測(cè)在實(shí)驗(yàn)過程中，運(yùn)用多種先進(jìn)儀器，對(duì)高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決的關(guān)鍵特征參數(shù)進(jìn)行了精確監(jiān)測(cè)，詳細(xì)分析這些參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，以深入了解潰決過程的內(nèi)在機(jī)制。4.2.1潰口發(fā)展參數(shù)監(jiān)測(cè)潰口寬度監(jiān)測(cè)：通過在水槽兩側(cè)壁上沿長(zhǎng)度方向均勻布置的刻度線，結(jié)合高速攝像機(jī)拍攝的圖像，對(duì)潰口寬度進(jìn)行測(cè)量。在潰決初期，當(dāng)水流漫頂并開始沖刷壩體時(shí)，潰口寬度增長(zhǎng)較為緩慢。隨著水流沖刷作用的持續(xù)，壩體表面的顆粒不斷被帶走，潰口兩側(cè)的壩體逐漸坍塌，潰口寬度開始迅速增大。在潰決后期，當(dāng)壩體大部分被破壞后，潰口寬度的增長(zhǎng)速度逐漸減緩，最終趨于穩(wěn)定。以某次實(shí)驗(yàn)為例，在潰決開始后的前5分鐘，潰口寬度從初始的0.05m緩慢增長(zhǎng)到0.1m；在5-15分鐘內(nèi)，潰口寬度迅速增大，達(dá)到0.3m；15分鐘之后，潰口寬度增長(zhǎng)速度明顯降低，在20分鐘時(shí)穩(wěn)定在0.35m。對(duì)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，潰口寬度隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)出先慢后快再慢的趨勢(shì)，符合指數(shù)增長(zhǎng)后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。潰口深度監(jiān)測(cè)：在潰口處設(shè)置多個(gè)深度測(cè)量點(diǎn)，使用高精度的激光測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)開始后，漫頂水流首先對(duì)壩體表面進(jìn)行沖刷，隨著時(shí)間的推移，沖刷作用逐漸深入壩體內(nèi)部，潰口深度不斷增加。在潰決前期，潰口深度增長(zhǎng)相對(duì)較快，這是因?yàn)樗鞯哪芰恐饕性跐⒖诘撞浚瑢?duì)壩體的下切作用較強(qiáng)。隨著潰口深度的增加，水流的能量逐漸分散，下切速度逐漸減小。在潰決后期，當(dāng)壩體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)被破壞到一定程度后，潰口深度的增長(zhǎng)基本停止。例如，在一組實(shí)驗(yàn)中，潰決開始后的10分鐘內(nèi)，潰口深度從壩頂迅速下切至0.15m；10-20分鐘內(nèi)，潰口深度繼續(xù)增加，但增長(zhǎng)速度有所減緩，達(dá)到0.25m；20分鐘之后，潰口深度變化很小，最終穩(wěn)定在0.28m。分析多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，潰口深度隨時(shí)間的變化曲線呈現(xiàn)出先陡后緩的特征，類似于對(duì)數(shù)函數(shù)的變化趨勢(shì)。潰口面積監(jiān)測(cè)：根據(jù)測(cè)量得到的潰口寬度和深度數(shù)據(jù)，計(jì)算潰口面積。潰口面積的變化綜合反映了潰口在橫向和縱向的發(fā)展情況。在潰決過程中，潰口面積隨著時(shí)間的增加而不斷增大。在潰決初期，由于潰口寬度和深度的增長(zhǎng)都相對(duì)較慢，潰口面積的增大也較為緩慢。隨著潰決的進(jìn)行，潰口寬度和深度迅速增加，潰口面積急劇增大。在潰決后期，當(dāng)潰口寬度和深度的增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定時(shí)，潰口面積也逐漸穩(wěn)定下來。對(duì)不同實(shí)驗(yàn)工況下的潰口面積隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)潰口面積與時(shí)間之間存在著顯著的相關(guān)性，可用二次函數(shù)進(jìn)行較好的擬合。4.2.2流量變化監(jiān)測(cè)潰口流量監(jiān)測(cè)：使用聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）在潰口下游不同位置（距離潰口0.5m、1m、1.5m處）設(shè)置測(cè)量斷面，在每個(gè)斷面的不同深度（水面下0.1m、0.2m、0.3m處）測(cè)量水流流速，進(jìn)而計(jì)算出潰口流量。在漫頂初期，由于潰口尚未形成，水流漫頂流量較小。隨著潰口的逐漸形成和擴(kuò)大，潰口流量迅速增加。在潰決過程中，潰口流量呈現(xiàn)出明顯的峰值。當(dāng)壩體大規(guī)模坍塌時(shí)，大量的壩體物質(zhì)被沖入下游河道，導(dǎo)致潰口流量急劇增大，達(dá)到峰值。峰值過后，隨著壩體破壞的逐漸結(jié)束，潰口流量逐漸減小。以一組實(shí)驗(yàn)為例，在潰決開始后的10分鐘內(nèi)，潰口流量從初始的0.5L/s逐漸增加到5L/s；在10-15分鐘內(nèi)，壩體發(fā)生大規(guī)模坍塌，潰口流量迅速增大，峰值達(dá)到12L/s；15分鐘之后，潰口流量逐漸減小，在30分鐘時(shí)降至2L/s左右。對(duì)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)潰口流量峰值與壩體的高度、壩體的粘性以及水流流量等因素密切相關(guān)。壩體越高、粘性越小、水流流量越大，潰口流量峰值越大。下游流量監(jiān)測(cè)：在水槽出水口處安裝電磁流量計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下游流量。下游流量的變化與潰口流量的變化密切相關(guān)，但由于水流在下游河道中的傳播和擴(kuò)散，下游流量的變化相對(duì)滯后。在潰決初期，下游流量隨著潰口流量的增加而逐漸增加，但增加速度相對(duì)較慢。當(dāng)潰口流量達(dá)到峰值時(shí)，下游流量也隨之迅速增大，并在一定時(shí)間后達(dá)到峰值。在潰決后期，隨著潰口流量的減小，下游流量也逐漸減小。通過對(duì)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)下游流量峰值出現(xiàn)的時(shí)間比潰口流量峰值出現(xiàn)的時(shí)間滯后約5-10分鐘。下游流量的大小還受到下游河道的粗糙度、坡度等因素的影響。河道粗糙度越大、坡度越小，下游流量在傳播過程中的衰減越明顯。4.2.3水位波動(dòng)監(jiān)測(cè)堰塞壩上游水位監(jiān)測(cè)：在水槽上游靠近堰塞壩的位置布置水位傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上游水位的變化。在實(shí)驗(yàn)開始后，隨著供水系統(tǒng)向水槽內(nèi)注水，堰塞壩上游水位逐漸上升。當(dāng)水位上升至壩頂時(shí)，水流開始漫頂。在漫頂過程中，由于水流對(duì)壩體的沖刷作用，壩體逐漸被破壞，上游水位的上升速度逐漸減緩。當(dāng)壩體發(fā)生大規(guī)模坍塌時(shí)，上游水位會(huì)出現(xiàn)短暫的下降，這是因?yàn)閴误w坍塌導(dǎo)致堰塞湖的庫容突然增大，水位迅速下降。隨著潰決的繼續(xù)進(jìn)行，上游水位又會(huì)逐漸上升，直至潰決結(jié)束后，水位逐漸穩(wěn)定。例如，在一次實(shí)驗(yàn)中，從實(shí)驗(yàn)開始到水流漫頂，上游水位以0.02m/min的速度上升。漫頂后，水位上升速度逐漸減小，在壩體坍塌時(shí)，水位瞬間下降了0.05m。隨后，水位又開始緩慢上升，最終在潰決結(jié)束后穩(wěn)定在比壩頂高0.1m的位置。對(duì)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)上游水位的變化與壩體的潰決過程密切相關(guān)，可通過監(jiān)測(cè)上游水位的變化來判斷壩體的潰決狀態(tài)。潰口處水位監(jiān)測(cè)：在潰口處設(shè)置水位測(cè)量點(diǎn)，使用高精度的水位計(jì)進(jìn)行測(cè)量。在潰決初期，潰口處水位與上游水位基本相同。隨著潰口的發(fā)展，潰口處的水流流速增大，水位逐漸降低，形成水位落差。在潰決過程中，潰口處水位的變化較為復(fù)雜，受到潰口流量、壩體坍塌等因素的影響。當(dāng)潰口流量增大時(shí)，水位落差增大，潰口處水位降低。當(dāng)壩體發(fā)生坍塌時(shí)，會(huì)導(dǎo)致潰口處水流受阻，水位短暫上升。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明，潰口處水位落差與潰口流量之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系，可通過建立數(shù)學(xué)模型來描述這種關(guān)系，為潰決過程的分析和預(yù)測(cè)提供依據(jù)。4.3潰決過程階段劃分與特征根據(jù)對(duì)高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決過程的觀測(cè)和監(jiān)測(cè)結(jié)果，可將潰決過程劃分為以下四個(gè)主要階段，每個(gè)階段具有獨(dú)特的特征：漫頂初始階段：當(dāng)堰塞壩上游水位上升至壩頂，水流開始漫頂，這標(biāo)志著潰決過程的開始。在這一階段，漫頂水流在壩頂形成一層較薄的水膜，水流速度相對(duì)較慢，對(duì)壩體的沖刷作用較弱。壩體表面的顆粒受到水流的作用力較小，壩體基本保持穩(wěn)定，尚未出現(xiàn)明顯的破壞跡象。壩頂與壩坡交界處，由于水流方向的改變，會(huì)形成一些小的水流漩渦，但這些漩渦的規(guī)模較小，對(duì)壩體的影響有限。此階段持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，隨著漫頂水流流量的增加，很快進(jìn)入下一階段。在一次實(shí)驗(yàn)中，從水流漫頂開始到進(jìn)入下一階段，持續(xù)時(shí)間約為3-5分鐘。壩體表面沖刷階段：隨著漫頂水流流量和流速的增大，水流對(duì)壩體表面的沖刷作用逐漸增強(qiáng)。壩體表面的顆粒在水流的沖擊力和切應(yīng)力作用下，開始逐漸被帶走。壩體表面出現(xiàn)細(xì)小的沖蝕溝，這些沖蝕溝沿著水流方向發(fā)展，寬度和深度逐漸增加。沖蝕溝兩側(cè)的顆粒由于水流的側(cè)蝕作用，發(fā)生坍塌，導(dǎo)致沖蝕溝進(jìn)一步擴(kuò)大。在壩坡部位，由于坡度較大，水流速度更快，沖刷作用更為明顯，沖蝕溝的發(fā)展速度也更快。壩坡上的沖蝕溝呈現(xiàn)出上寬下窄的形狀，這是因?yàn)樗髟谙蛳铝鲃?dòng)過程中能量逐漸增強(qiáng)。此階段壩體的破壞主要集中在表面，尚未形成明顯的潰口。壩體的變形主要表現(xiàn)為表面顆粒的流失和沖蝕溝的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在這一階段，壩體表面顆粒的流失量隨著時(shí)間的增加而逐漸增大，沖蝕溝的寬度和深度也呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。潰口形成與發(fā)展階段：隨著壩體表面沖刷的持續(xù)進(jìn)行，壩體上的沖蝕溝不斷加深和擴(kuò)大，形成多個(gè)局部的薄弱區(qū)域。當(dāng)這些薄弱區(qū)域的壩體強(qiáng)度無法承受水流的作用力時(shí)，壩體開始發(fā)生局部坍塌，潰口逐漸形成。潰口最初呈現(xiàn)出較小的開口，隨著水流的繼續(xù)沖刷，潰口迅速擴(kuò)大。潰口的發(fā)展主要包括垂直下切和側(cè)向展寬兩個(gè)方面。在垂直下切方向，水流的能量集中在潰口底部，對(duì)壩體進(jìn)行強(qiáng)烈的沖刷，使得潰口深度快速增加。在側(cè)向展寬方向，潰口兩側(cè)的壩體受到水流的側(cè)蝕和坍塌作用，導(dǎo)致潰口寬度不斷擴(kuò)大。潰口的發(fā)展過程并非均勻，而是呈現(xiàn)出階段性和波動(dòng)性。在某些時(shí)刻，潰口的下切速度或展寬速度會(huì)突然增大，隨后又會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的相對(duì)穩(wěn)定。這是由于水流條件的變化、壩體結(jié)構(gòu)的不均勻性以及顆粒間粘結(jié)力的差異等因素共同作用的結(jié)果。在這一階段，潰口的尺寸和形狀不斷變化，潰口流量也迅速增加。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，潰口寬度和深度的增長(zhǎng)速度在不同時(shí)間段內(nèi)存在較大差異，潰口流量則隨著潰口面積的增大而急劇增大。壩體整體破壞階段：當(dāng)潰口發(fā)展到一定程度后，壩體的整體穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。壩體剩余部分在水流的持續(xù)沖擊下，逐漸失去平衡，發(fā)生大規(guī)模的坍塌和破壞。壩體材料被大量沖入下游河道，形成一股強(qiáng)大的泥石流洪流。壩體的坍塌呈現(xiàn)出從潰口向兩側(cè)和上游逐漸擴(kuò)展的趨勢(shì)，潰口附近的壩體首先坍塌，然后坍塌范圍逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致整個(gè)壩體的崩潰。壩體坍塌時(shí)，伴隨著巨大的轟鳴聲和飛濺的水花，場(chǎng)面十分壯觀。下游河道中的水流迅速增大，水位急劇上升，水流中夾雜著大量的泥沙和石塊，對(duì)下游的環(huán)境和設(shè)施造成了巨大的沖擊。在這一階段，壩體的破壞迅速而劇烈，潰決過程進(jìn)入高潮。實(shí)驗(yàn)中可以明顯觀察到壩體的快速坍塌和下游河道水流的急劇變化，此時(shí)潰口流量達(dá)到峰值，隨后隨著壩體的完全破壞，流量逐漸減小。五、漫頂潰決機(jī)理探討5.1水流沖刷作用分析在高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決過程中，水流沖刷作用是導(dǎo)致壩體破壞的關(guān)鍵因素之一。水流對(duì)壩體產(chǎn)生的沖刷力主要包括沖擊力和切應(yīng)力。水流的沖擊力是指水流在流動(dòng)過程中，由于速度的變化而對(duì)壩體表面產(chǎn)生的撞擊力。當(dāng)漫頂水流從壩頂流下時(shí)，具有一定的速度和動(dòng)能，其沖擊力可通過動(dòng)量定理來計(jì)算。根據(jù)動(dòng)量定理，沖擊力F等于單位時(shí)間內(nèi)水流動(dòng)量的變化量，即F=\rhoQ\Deltav，其中\(zhòng)rho為水的密度，Q為流量，\Deltav為水流速度的變化量。在實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)整供水流量和水槽坡度來改變水流速度，進(jìn)而改變水流的沖擊力。當(dāng)流量為20L/min，水槽坡度為0.03時(shí)，計(jì)算得到水流對(duì)壩體表面的沖擊力約為5N。隨著流量和流速的增大，沖擊力也相應(yīng)增大，對(duì)壩體的破壞作用也更強(qiáng)。切應(yīng)力是指水流在壩體表面流動(dòng)時(shí)，由于粘性作用而產(chǎn)生的與壩體表面相切的力。切應(yīng)力的大小可根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律來計(jì)算，即\tau=\mu\frac{du}{dy}，其中\(zhòng)tau為切應(yīng)力，\mu為水的動(dòng)力粘度，\frac{du}{dy}為水流的速度梯度。在堰塞壩漫頂潰決過程中，壩體表面的水流速度梯度較大，從而產(chǎn)生較大的切應(yīng)力。壩體表面的粗糙度、水流的紊動(dòng)程度等因素都會(huì)影響切應(yīng)力的大小。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在壩體表面較為粗糙的部位，水流的紊動(dòng)程度較大，切應(yīng)力也相對(duì)較大，壩體的沖刷侵蝕更為明顯。水流沖刷作用對(duì)壩體結(jié)構(gòu)破壞的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：壩體表面顆粒流失：當(dāng)水流的沖刷力超過壩體顆粒間的粘結(jié)力時(shí)，壩體表面的顆粒開始被水流帶走，導(dǎo)致壩體表面出現(xiàn)沖蝕溝和坑洼。在實(shí)驗(yàn)中，通過高速攝像機(jī)觀察到，在漫頂初期，壩體表面的顆粒開始逐漸松動(dòng)，隨著水流沖刷作用的持續(xù)，顆粒不斷被帶走，沖蝕溝逐漸加深和擴(kuò)大。壩體表面顆粒的流失會(huì)降低壩體的抗沖刷能力，加速壩體的破壞。壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞：水流沖刷不僅作用于壩體表面，還會(huì)通過滲透作用進(jìn)入壩體內(nèi)部，對(duì)壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。在壩體內(nèi)部，水流會(huì)對(duì)顆粒間的孔隙進(jìn)行沖刷，導(dǎo)致孔隙擴(kuò)大，壩體的密實(shí)度降低。水流還可能引發(fā)壩體內(nèi)部的局部坍塌和裂縫擴(kuò)展，進(jìn)一步削弱壩體的整體強(qiáng)度。通過在壩體內(nèi)部埋設(shè)壓力傳感器和位移傳感器，監(jiān)測(cè)到在水流沖刷作用下，壩體內(nèi)部的應(yīng)力分布發(fā)生改變，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。潰口發(fā)展與擴(kuò)大：水流沖刷作用是潰口形成和發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。在漫頂過程中，水流首先在壩體表面形成沖蝕溝，隨著沖蝕溝的加深和擴(kuò)大，壩體的局部強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致潰口的形成。潰口形成后，水流的沖刷作用更加集中在潰口處，使得潰口不斷向下切和側(cè)向展寬。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，潰口的下切速度和展寬速度與水流的沖刷力密切相關(guān)，水流沖刷力越大，潰口的發(fā)展速度越快。5.2土體抗沖刷特性研究壩體土體的抗沖刷能力是決定高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決過程的關(guān)鍵因素之一，它直接關(guān)系到壩體在水流沖刷作用下的穩(wěn)定性和破壞模式。影響土體抗沖刷特性的因素眾多，主要包括土體的顆粒級(jí)配、粘性以及結(jié)構(gòu)特征等。顆粒級(jí)配是影響土體抗沖刷特性的重要因素之一。不同的顆粒級(jí)配會(huì)導(dǎo)致土體的孔隙結(jié)構(gòu)、密實(shí)度以及顆粒間的相互作用發(fā)生變化，從而影響土體的抗沖刷能力。細(xì)顆粒含量較高的土體，由于細(xì)顆粒能夠填充在粗顆粒之間的孔隙中，使得土體的孔隙率降低，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。這使得水流在土體中滲透時(shí)受到的阻力增大，難以將顆粒帶走，從而提高了土體的抗沖刷能力。但細(xì)顆粒含量過高，會(huì)導(dǎo)致土體的透水性變差，在水流作用下，孔隙水壓力難以消散，增加了土體發(fā)生滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。粗顆粒含量較高的土體，孔隙率相對(duì)較大，水流容易在孔隙中流動(dòng)，對(duì)顆粒的沖刷作用較強(qiáng)。粗顆粒之間的摩擦力較大，能夠提供一定的抗沖刷能力。當(dāng)粗顆粒含量超過一定程度時(shí)，土體的整體性會(huì)受到影響，顆粒間的粘結(jié)力減弱，在水流的沖擊下，土體容易發(fā)生局部破壞。土體的粘性是高粘性全堵型泥石流堰塞壩土體的重要特性，對(duì)其抗沖刷能力有著顯著影響。粘性主要來源于土體中粘性顆粒（如粘土礦物）的粘結(jié)作用以及顆粒間的分子作用力。粘性較大的土體，顆粒間的粘結(jié)力強(qiáng)，能夠抵抗水流的沖刷作用，使得土體在水流作用下不易被侵蝕。在實(shí)驗(yàn)中，通過添加粘結(jié)劑（羧甲基纖維素鈉，CMC）來增強(qiáng)土體的粘性，觀察到隨著粘結(jié)劑添加量的增加，土體的抗沖刷能力明顯提高。當(dāng)粘結(jié)劑添加量為細(xì)砂和粘土總質(zhì)量的1%時(shí)，壩體在相同水流沖刷條件下的侵蝕量明顯小于粘結(jié)劑添加量為0.5%時(shí)的情況。粘性也會(huì)影響土體的滲透性，粘性過大可能導(dǎo)致土體滲透性降低，在堰塞湖水位上升時(shí)，壩體內(nèi)部孔隙水壓力難以消散，從而降低壩體的穩(wěn)定性。壩體的結(jié)構(gòu)特征對(duì)土體抗沖刷特性也有著重要影響。堰塞壩在形成過程中，由于泥石流的堆積方式和受力條件的不同，導(dǎo)致壩體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不均勻性。在垂直方向上，壩體通常呈現(xiàn)出上細(xì)下粗的結(jié)構(gòu)特征。上部細(xì)顆粒較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，抗沖刷能力較弱；下部粗顆粒較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，抗沖刷能力較強(qiáng)。在水平方向上，靠近河道中心的部位，顆粒堆積相對(duì)緊密，抗沖刷能力較強(qiáng)；靠近岸邊的部位，顆粒堆積相對(duì)松散，抗沖刷能力較弱。壩體內(nèi)部還可能存在一些薄弱結(jié)構(gòu)面，如泥化夾層、裂縫等。這些薄弱結(jié)構(gòu)面的存在會(huì)降低土體的抗沖刷能力，在水流作用下，容易成為壩體破壞的突破口，引發(fā)潰決。在實(shí)驗(yàn)中，觀察到當(dāng)壩體內(nèi)部存在泥化夾層時(shí)，在水流沖刷作用下，泥化夾層處的土體首先被侵蝕，導(dǎo)致壩體局部失穩(wěn)，進(jìn)而引發(fā)整個(gè)壩體的破壞。5.3潰決模式與機(jī)理總結(jié)通過對(duì)高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決過程的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和分析，總結(jié)出以下主要潰決模式與機(jī)理。潰決模式：沖蝕溝發(fā)展型潰決：在漫頂初期，水流在壩體表面形成沖蝕溝，隨著水流沖刷作用的持續(xù)，沖蝕溝不斷加深和擴(kuò)大。當(dāng)沖蝕溝發(fā)展到一定程度，壩體局部強(qiáng)度降低，導(dǎo)致潰口形成。潰口形成后，在水流的繼續(xù)沖刷下，潰口不斷向下切和側(cè)向展寬，最終導(dǎo)致壩體的整體破壞。這種潰決模式是高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決的一種常見模式，其潰決過程相對(duì)較為緩慢，潰口發(fā)展較為穩(wěn)定。局部坍塌型潰決：壩體在水流沖刷作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，形成多個(gè)局部的薄弱區(qū)域。當(dāng)這些薄弱區(qū)域的壩體強(qiáng)度無法承受水流的作用力時(shí)，壩體發(fā)生局部坍塌，形成潰口。潰口形成后，迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致壩體的整體破壞。這種潰決模式具有一定的突發(fā)性，壩體在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生局部坍塌，潰口發(fā)展迅速，可能導(dǎo)致較大規(guī)模的潰決災(zāi)害。漸進(jìn)式潰決：壩體在漫頂水流的長(zhǎng)期沖刷作用下，表面顆粒逐漸流失，壩體逐漸被侵蝕。隨著侵蝕的進(jìn)行，壩體的高度和強(qiáng)度逐漸降低，最終導(dǎo)致壩體的潰決。這種潰決模式的潰決過程較為緩慢，壩體的破壞是一個(gè)漸進(jìn)的過程，在潰決過程中，壩體的變形和破壞較為均勻。潰決機(jī)理：水流沖刷主導(dǎo)：水流沖刷是高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決的主要驅(qū)動(dòng)力。漫頂水流對(duì)壩體產(chǎn)生的沖擊力和切應(yīng)力，超過壩體顆粒間的粘結(jié)力和摩擦力時(shí)，壩體顆粒開始被水流帶走，導(dǎo)致壩體表面沖刷和潰口的形成與發(fā)展。水流沖刷不僅作用于壩體表面，還通過滲透作用進(jìn)入壩體內(nèi)部，破壞壩體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低壩體的整體強(qiáng)度。土體抗沖刷特性影響：壩體土體的抗沖刷特性，如顆粒級(jí)配、粘性和結(jié)構(gòu)特征等，對(duì)潰決過程有著重要影響。細(xì)顆粒含量較高、粘性較大的土體，抗沖刷能力相對(duì)較強(qiáng)，潰決過程相對(duì)較慢。壩體結(jié)構(gòu)的不均勻性，如存在薄弱結(jié)構(gòu)面（泥化夾層、裂縫等），會(huì)降低壩體的抗沖刷能力，容易引發(fā)局部破壞和潰決。壩體穩(wěn)定性喪失：隨著漫頂潰決過程的進(jìn)行，壩體的穩(wěn)定性逐漸喪失。壩體表面的沖刷和潰口的發(fā)展，導(dǎo)致壩體的幾何形態(tài)發(fā)生改變，壩體的重心位置發(fā)生移動(dòng)。壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，使得壩體的強(qiáng)度降低，無法承受自身重力和水流的作用力。當(dāng)壩體的穩(wěn)定性降低到一定程度時(shí)，壩體發(fā)生整體坍塌和潰決?；谏鲜鰸Q模式與機(jī)理分析，建立高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決的理論模型。模型主要考慮水流沖刷力、土體抗沖刷特性以及壩體穩(wěn)定性等因素，通過數(shù)學(xué)方程描述潰決過程中各因素的相互作用和變化規(guī)律。模型可表示為：F_{s}=f(\tau,\sigma,c,\varphi,h,b,\cdots)其中，F(xiàn)_{s}表示壩體的穩(wěn)定性系數(shù)，\tau為水流切應(yīng)力，\sigma為壩體所受正應(yīng)力，c為土體粘聚力，\varphi為內(nèi)摩擦角，h為壩高，b為壩頂寬度，\cdots表示其他影響因素。通過該模型，可以對(duì)高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決過程進(jìn)行定量分析和預(yù)測(cè)。六、影響因素分析6.1壩體因素壩體因素對(duì)高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決過程有著至關(guān)重要的影響，主要包括壩體高度、坡度、物質(zhì)組成等方面。6.1.1壩體高度的影響壩體高度是決定堰塞壩漫頂潰決過程和危害程度的關(guān)鍵因素之一。隨著壩體高度的增加，堰塞湖的蓄水量相應(yīng)增大，水體所蘊(yùn)含的勢(shì)能也隨之增加。當(dāng)水流漫頂時(shí)，更高的壩體意味著更大的水頭差，從而使漫頂水流具有更強(qiáng)的能量。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置了不同壩高的堰塞壩模型，當(dāng)壩高從0.2m增加到0.5m時(shí)，漫頂水流的流速明顯增大，對(duì)壩體的沖刷力也顯著增強(qiáng)。壩體高度的增加會(huì)導(dǎo)致潰決過程中潰口的下切深度和寬度增大，潰決流量峰值也會(huì)相應(yīng)提高。因?yàn)楦叩膲误w在潰決時(shí)需要更多的能量來破壞，水流會(huì)集中力量對(duì)壩體進(jìn)行沖刷，使得潰口迅速擴(kuò)大，大量的壩體物質(zhì)被沖入下游河道，導(dǎo)致潰決流量急劇增大。壩體高度還會(huì)影響潰決的持續(xù)時(shí)間，較高的壩體需要更長(zhǎng)的時(shí)間來被水流完全破壞，從而使?jié)Q過程持續(xù)更久。壩體高度的增加會(huì)使漫頂潰決的危害范圍擴(kuò)大，對(duì)下游地區(qū)的威脅也更大。6.1.2壩體坡度的影響壩體坡度對(duì)堰塞壩漫頂潰決過程有著顯著影響。壩體坡度主要包括壩頂坡度和壩坡坡度。壩頂坡度影響水流漫頂?shù)某跏紶顟B(tài)，當(dāng)壩頂坡度較大時(shí)，水流在漫頂初期就具有較高的流速，能夠更快地對(duì)壩體表面產(chǎn)生沖刷作用。在實(shí)驗(yàn)中觀察到，壩頂坡度為0.05的模型，漫頂水流在壩頂?shù)牧魉倜黠@高于壩頂坡度為0.01的模型，壩體表面的沖蝕溝形成時(shí)間更早，發(fā)展速度也更快。壩坡坡度對(duì)潰決過程的影響更為復(fù)雜。較陡的壩坡使得水流在壩坡上的流速更快，沖刷力更強(qiáng)，壩體更容易受到侵蝕。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)壩坡坡度從1:3變?yōu)?:1.5時(shí)，壩坡上的沖蝕溝深度和寬度明顯增加，潰口的側(cè)向展寬速度也加快。較陡的壩坡還會(huì)導(dǎo)致壩體在潰決過程中更容易發(fā)生局部坍塌。因?yàn)閴纹略蕉?，壩體的穩(wěn)定性越差，在水流的沖刷作用下，壩體內(nèi)部的應(yīng)力分布更加不均勻，容易在局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而引發(fā)局部坍塌，加速潰決過程。較緩的壩坡雖然可以在一定程度上降低水流的沖刷力，增加壩體的穩(wěn)定性，但也可能導(dǎo)致水流在壩坡上的停留時(shí)間增加，增加了壩體被長(zhǎng)時(shí)間沖刷的風(fēng)險(xiǎn)。6.1.3壩體物質(zhì)組成的影響壩體物質(zhì)組成是影響高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決的重要因素，主要包括顆粒級(jí)配和粘性兩個(gè)方面。不同的顆粒級(jí)配對(duì)壩體的抗沖刷能力和潰決過程有著顯著影響。細(xì)顆粒含量較高的壩體，顆粒間的粘結(jié)力較強(qiáng)，抗沖刷能力相對(duì)較強(qiáng)。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)細(xì)顆粒（粉粒和粘粒）含量從20%增加到40%時(shí)，壩體在相同水流沖刷條件下的侵蝕量明顯減少，潰口的發(fā)展速度也相對(duì)較慢。細(xì)顆粒含量過高會(huì)導(dǎo)致壩體的透水性變差，在水流作用下，孔隙水壓力難以消散，增加了壩體發(fā)生滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。粗顆粒含量較高的壩體，孔隙率較大，水流容易在孔隙中流動(dòng)，對(duì)顆粒的沖刷作用較強(qiáng)。粗顆粒之間的摩擦力較大，能夠提供一定的抗沖刷能力。當(dāng)粗顆粒含量超過一定程度時(shí)，壩體的整體性會(huì)受到影響，顆粒間的粘結(jié)力減弱，在水流的沖擊下，壩體容易發(fā)生局部破壞。壩體的粘性是高粘性全堵型泥石流堰塞壩的重要特性，對(duì)潰決過程有著關(guān)鍵影響。粘性主要來源于土體中粘性顆粒（如粘土礦物）的粘結(jié)作用以及顆粒間的分子作用力。粘性較大的壩體，顆粒間的粘結(jié)力強(qiáng)，能夠抵抗水流的沖刷作用，使得壩體在水流作用下不易被侵蝕。在實(shí)驗(yàn)中，通過添加粘結(jié)劑（羧甲基纖維素鈉，CMC）來增強(qiáng)壩體的粘性，觀察到隨著粘結(jié)劑添加量的增加，壩體的抗沖刷能力明顯提高。當(dāng)粘結(jié)劑添加量為細(xì)砂和粘土總質(zhì)量的1%時(shí)，壩體在相同水流沖刷條件下的侵蝕量明顯小于粘結(jié)劑添加量為0.5%時(shí)的情況。粘性也會(huì)影響壩體的滲透性，粘性過大可能導(dǎo)致壩體滲透性降低，在堰塞湖水位上升時(shí)，壩體內(nèi)部孔隙水壓力難以消散，從而降低壩體的穩(wěn)定性。6.2水流因素水流因素在高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決過程中起著關(guān)鍵作用，其主要包括流量、流速和水位等方面，這些因素的變化會(huì)顯著影響潰決過程和結(jié)果。6.2.1流量的影響流量是水流因素中的重要參數(shù)，它直接決定了漫頂水流的能量大小和對(duì)壩體的沖刷強(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)中，通過恒流泵調(diào)節(jié)供水流量，設(shè)置了10L/min、15L/min、20L/min、25L/min、30L/min這5種不同的流量工況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，流量對(duì)潰決過程有著多方面的顯著影響。隨著流量的增大，漫頂水流的流速和動(dòng)能明顯增加，對(duì)壩體的沖刷力也相應(yīng)增強(qiáng)。當(dāng)流量為10L/min時(shí)，漫頂水流對(duì)壩體表面的沖刷作用相對(duì)較弱，壩體表面顆粒流失速度較慢，沖蝕溝的形成和發(fā)展較為緩慢。而當(dāng)流量增大到30L/min時(shí)，水流的沖刷力大幅提高，壩體表面顆粒迅速被帶走，沖蝕溝在短時(shí)間內(nèi)快速加深和擴(kuò)大。流量的增大還會(huì)導(dǎo)致潰口的發(fā)展速度加快，潰口寬度和深度的增長(zhǎng)速率明顯提高。在流量為15L/min的實(shí)驗(yàn)中，潰口從開始形成到發(fā)展至一定規(guī)模，所需時(shí)間較長(zhǎng)；而在流量為25L/min的實(shí)驗(yàn)中，潰口的發(fā)展速度明顯加快，相同時(shí)間內(nèi)潰口的寬度和深度都有更大幅度的增長(zhǎng)。流量的變化對(duì)潰決流量峰值也有顯著影響，流量越大，潰決流量峰值越高。這是因?yàn)檩^大的流量在潰決時(shí)能夠攜帶更多的壩體物質(zhì)，形成更大規(guī)模的泥石流洪流，從而導(dǎo)致潰決流量峰值增大。6.2.2流速的影響流速是影響高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決的另一個(gè)重要水流因素。流速不僅與流量有關(guān)，還受到水槽坡度等因素的影響。在實(shí)驗(yàn)中，通過改變水槽坡度和流量來調(diào)整水流流速，研究其對(duì)潰決過程的影響。流速的增加會(huì)使水流對(duì)壩體的沖擊力和切應(yīng)力增大，從而加速壩體的破壞。當(dāng)流速較低時(shí)，水流對(duì)壩體表面的沖刷作用相對(duì)較弱，壩體的破壞主要集中在表面顆粒的逐漸流失。隨著流速的增大，水流能夠深入壩體內(nèi)部，破壞壩體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引發(fā)壩體的局部坍塌和裂縫擴(kuò)展。在流速為0.5m/s的實(shí)驗(yàn)中，壩體表面的沖蝕溝較淺，壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本保持完整；而當(dāng)流速增大到1.5m/s時(shí)，壩體內(nèi)部出現(xiàn)明顯的裂縫，部分區(qū)域發(fā)生坍塌，壩體的整體性受到嚴(yán)重破壞。流速還會(huì)影響潰口的發(fā)展方向和形態(tài)。較高的流速會(huì)使?jié)⒖诘南虑兴俣燃涌?，?dǎo)致潰口深度迅速增加。流速對(duì)潰口的側(cè)向展寬也有影響，當(dāng)流速較大時(shí)，潰口兩側(cè)的壩體受到更強(qiáng)的水流側(cè)蝕作用，潰口寬度的增長(zhǎng)速度加快。在流速為1.0m/s的實(shí)驗(yàn)中，潰口的下切速度相對(duì)較慢，潰口形態(tài)較為寬淺；而在流速為1.8m/s的實(shí)驗(yàn)中，潰口的下切速度明顯加快，潰口形態(tài)逐漸變得深窄。6.2.3水位的影響水位是反映堰塞壩上游來水情況的重要指標(biāo)，對(duì)漫頂潰決過程有著重要影響。在實(shí)驗(yàn)中，通過控制供水時(shí)間和流量，使堰塞壩上游水位達(dá)到不同高度，設(shè)置了壩高的0.5倍、0.6倍、0.7倍、0.8倍、0.9倍這5種不同的水位高度。水位的升高會(huì)增加漫頂水流的水頭差，從而使水流具有更大的能量，對(duì)壩體的沖刷作用增強(qiáng)。當(dāng)水位較低時(shí)，漫頂水流的能量相對(duì)較小，壩體的破壞程度較輕，潰決過程相對(duì)緩慢。隨著水位的升高，漫頂水流的能量增大，壩體表面的沖刷速度加快，潰口的形成和發(fā)展也更為迅速。在水位為壩高0.6倍的實(shí)驗(yàn)中，壩體從漫頂?shù)綕⒖谛纬伤钑r(shí)間較長(zhǎng)，潰口發(fā)展速度較慢；而在水位為壩高0.9倍的實(shí)驗(yàn)中，壩體漫頂后很快形成潰口，潰口迅速擴(kuò)大，壩體快速破壞。水位高度還會(huì)影響潰決的模式和災(zāi)害規(guī)模。較高的水位可能導(dǎo)致壩體在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大規(guī)模的坍塌和潰決，形成較大規(guī)模的泥石流洪流，對(duì)下游地區(qū)造成更大的危害。當(dāng)水位達(dá)到壩高的0.8倍以上時(shí)，壩體在潰決過程中往往出現(xiàn)突然的坍塌，潰決流量峰值較大，下游地區(qū)的水位急劇上升，可能引發(fā)嚴(yán)重的洪水災(zāi)害。6.3其他因素除了壩體因素和水流因素外，地質(zhì)條件、降雨等其他因素也對(duì)高粘性全堵型泥石流堰塞壩漫頂潰決有著重要影響。地質(zhì)條件對(duì)堰塞壩的穩(wěn)定性和潰決過程有著顯著影響。壩址處的地層巖性決定了泥石流的物質(zhì)來源和壩體的組成成分。若壩址附近巖石破碎、風(fēng)化嚴(yán)重，容易產(chǎn)生大量的松散固體物質(zhì)，為泥石流的形成提供豐富的物源，增加了堰塞壩形成的可能性。巖石的硬度和抗風(fēng)化