基于多案例的堰塞壩潰決過程實驗研究與機理分析一、引言1.1研究背景與意義堰塞壩作為一種由地震、滑坡、泥石流等自然災害導致山體崩塌、堆積，從而阻塞河道而形成的臨時性擋水建筑物，廣泛分布于山區(qū)。由于其形成過程具有突發(fā)性和復雜性，且多由松散的土石堆積而成，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，材料不均勻，堰塞壩的潰決風險極高。據(jù)相關統(tǒng)計，約86%的堰塞壩壽命小于1年。一旦發(fā)生潰決，往往會引發(fā)下游地區(qū)的洪水災害，對人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重威脅，造成巨大的經(jīng)濟損失和生態(tài)破壞。歷史上，眾多堰塞壩潰決事件給人類帶來了慘痛教訓。1933年四川疊溪7.4級大地震，致使岷江兩岸山體崩塌，形成了3座高達100余米的堰塞壩。14天后，最下游的堰塞壩潰決，40米高的洪水洶涌而下，瞬間摧毀了河流下游兩岸的村莊，大量人員傷亡和財產(chǎn)損失難以估量。2018年西藏自治區(qū)江達縣波羅鄉(xiāng)白格村金沙江右岸兩次發(fā)生滑坡堵江事件，形成巨大堰塞湖。堰塞壩潰決后，洪水給下游西藏、四川和云南三省（自治區(qū)）的道路、橋梁、耕地和房屋帶來了毀滅性的破壞。這些案例警示著我們，堰塞壩潰決災害的防范與應對刻不容緩。準確掌握堰塞壩的潰決過程和機理，對于科學評估潰決風險、制定有效的防災減災措施至關重要。通過研究堰塞壩潰決過程，可以預測潰決洪水的流量、水位、流速等關鍵參數(shù)，從而為下游地區(qū)的人員疏散、物資轉(zhuǎn)移提供準確的時間和范圍依據(jù)，最大程度減少生命財產(chǎn)損失。深入了解潰決機理有助于優(yōu)化堰塞壩的處置方案，如確定合理的泄流方式、泄流時機以及工程加固措施等，提高應對災害的能力。對堰塞壩潰決過程的研究還能為流域規(guī)劃、水利工程設計提供參考，增強區(qū)域的防洪減災能力，保障社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀堰塞壩潰決過程的研究一直是地質(zhì)災害領域的重要課題，國內(nèi)外學者通過多種方法對此展開了深入探索，在潰決過程、影響因素及危害評估等方面取得了豐富的研究成果。在早期研究中，學者們主要依賴現(xiàn)場觀測與經(jīng)驗公式來描述堰塞壩的潰決過程。隨著科技的進步，物理模型試驗和數(shù)值模擬逐漸成為研究堰塞壩潰決過程的重要手段。朱勇輝等學者通過堤壩潰決試驗，深入研究了潰口的發(fā)展過程，包括潰口的初始形成、下切和拓寬等階段，揭示了潰口形態(tài)和流量隨時間的變化規(guī)律，為理解潰決過程提供了基礎的理論框架。張大偉等開展無粘性均質(zhì)土石壩漫頂潰決試驗，對漫頂潰決過程中壩體的破壞模式和水力特性進行了深入分析，為堰塞壩漫頂潰決機制的研究提供了重要參考。數(shù)值模擬技術在堰塞壩潰決研究中也發(fā)揮著重要作用。DAMBRK模型、BEED模型、BREACH模型等被廣泛應用于模擬堰塞壩潰決洪水的演進過程。這些模型能夠綜合考慮壩體材料、地形地貌、水流條件等多種因素，對潰決洪峰流量、洪水傳播時間和淹沒范圍等關鍵參數(shù)進行預測，為災害預警和應急決策提供了有力支持。堰塞壩潰決的影響因素眾多，壩體特性、水文條件、地質(zhì)條件等都會對潰決過程產(chǎn)生顯著影響。壩體特性方面，壩體高度、材料、結(jié)構(gòu)等因素至關重要。研究表明，壩體越高，潰決時釋放的能量越大，潰決洪水的破壞力越強；壩體材料的抗沖刷能力和滲透性決定了壩體在水流作用下的穩(wěn)定性，無粘性土壩體相較于粘性土壩體更容易發(fā)生潰決。在水文條件中，上游來水量、入庫流量過程等是影響潰決的關鍵因素。上游來水量越大，壩前水位上升越快，越容易導致漫頂潰決；入庫流量過程的變化也會影響壩體的受力狀態(tài)和滲流特性，進而影響潰決的發(fā)生和發(fā)展。地質(zhì)條件方面，壩基的穩(wěn)定性、周邊山體的地形地貌等會間接影響堰塞壩的穩(wěn)定性。如壩基存在軟弱夾層或斷層，可能導致壩體在蓄水過程中發(fā)生滑動失穩(wěn)，引發(fā)潰決。對于堰塞壩潰決危害評估，學者們從多個角度進行了研究。在洪水淹沒范圍評估方面，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）和數(shù)值模擬技術，能夠直觀地展示潰決洪水可能淹沒的區(qū)域，為下游居民的疏散和安置提供依據(jù)。在經(jīng)濟損失評估方面，考慮到洪水對房屋、基礎設施、農(nóng)田等造成的直接損失，以及對農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通運輸?shù)刃袠I(yè)帶來的間接損失，建立了相應的評估模型，以準確估算潰決災害造成的經(jīng)濟影響。盡管當前在堰塞壩潰決過程的研究中已取得了一定成果，但仍存在諸多不足。一方面，由于堰塞壩形成的偶然性和不可預測性，以及現(xiàn)場條件的復雜性和危險性，原型觀測數(shù)據(jù)相對匱乏，這限制了對實際潰決過程的深入理解。另一方面，數(shù)值模擬依賴于對物理過程的數(shù)學描述和參數(shù)設定，模型的準確性和可靠性在很大程度上取決于對實際情況的簡化和假設是否合理，而實際的堰塞壩潰決過程受到多種復雜因素的綜合影響，現(xiàn)有的模型難以完全準確地模擬這些復雜情況。在實驗研究中，小尺度模型實驗雖然簡便、易于操作，但與原型在幾何尺寸上相差懸殊，壩中的土體應力、孔隙水壓力分布均存在差異，導致實驗結(jié)果與實際情況存在一定偏差。1.3研究目標與內(nèi)容本研究旨在通過物理模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入探究堰塞壩潰決過程的內(nèi)在機制，量化各影響因素的作用程度，建立更加準確的潰決過程預測模型，為堰塞壩潰決災害的風險評估與防治提供堅實的理論基礎和科學依據(jù)。具體研究內(nèi)容包括：堰塞壩潰決物理模型試驗設計與實施：根據(jù)相似性原理，設計并構(gòu)建不同類型、不同參數(shù)的堰塞壩物理模型。模型應涵蓋多種壩體材料，如砂土、礫石、粘性土以及它們的混合材料，以模擬實際堰塞壩材料的多樣性；設置不同的壩體高度、坡度和壩頂寬度，研究壩體幾何形狀對潰決的影響。在試驗過程中，精確控制上游來水流量、水位變化等水文條件，利用高速攝像機、激光位移傳感器、壓力傳感器等先進設備，實時監(jiān)測潰決過程中壩體的變形、潰口的發(fā)展、水流的流速和流量變化等關鍵物理量，獲取全面且準確的試驗數(shù)據(jù)。例如，通過高速攝像機記錄潰口從初始形成到逐漸擴大的動態(tài)過程，利用激光位移傳感器測量壩體表面的位移變化，借助壓力傳感器監(jiān)測壩體內(nèi)部的孔隙水壓力分布。潰決過程中壩體與水流相互作用機制研究：基于試驗數(shù)據(jù)，深入分析潰決初期壩體在水流作用下的滲流特性，研究滲流對壩體穩(wěn)定性的影響機制。在潰決發(fā)展階段，重點探討水流對壩體的沖刷作用，分析沖刷力的大小、方向和分布規(guī)律，以及沖刷導致壩體材料流失、結(jié)構(gòu)破壞的過程。研究潰口的下切和拓寬機理，明確水流流速、流量、含沙量等因素與潰口發(fā)展之間的定量關系。例如，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，建立潰口下切深度和拓寬寬度隨時間變化的數(shù)學模型，揭示潰口發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律。影響堰塞壩潰決的關鍵因素分析：系統(tǒng)研究壩體特性（如壩體材料的粒度分布、抗剪強度、滲透性，壩體的結(jié)構(gòu)形式等）、水文條件（上游來水量、入庫流量過程、洪水歷時等）和地質(zhì)條件（壩基的巖土力學性質(zhì)、周邊山體的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等）對堰塞壩潰決過程的影響。采用控制變量法，在物理模型試驗中逐一改變各因素，觀察和分析潰決特征的變化，確定各因素的影響程度和敏感性。運用統(tǒng)計學方法和數(shù)據(jù)挖掘技術，對大量試驗數(shù)據(jù)進行分析，建立影響因素與潰決參數(shù)（如潰決洪峰流量、潰決時間、潰口尺寸等）之間的定量關系模型，為潰決風險評估提供科學依據(jù)。堰塞壩潰決過程數(shù)值模擬與模型驗證：選用合適的數(shù)值模擬軟件，如FLOW-3D、ANSYSFluent等，建立能夠準確反映堰塞壩潰決物理過程的數(shù)值模型。在模型中，充分考慮壩體材料的力學特性、水流的運動方程、滲流與應力耦合作用等因素。利用試驗數(shù)據(jù)對數(shù)值模型進行參數(shù)率定和驗證，通過對比模擬結(jié)果與試驗結(jié)果，評估模型的準確性和可靠性。對模型進行優(yōu)化和改進，提高其對不同工況下堰塞壩潰決過程的模擬能力。利用驗證后的數(shù)值模型，開展多種工況的模擬分析，進一步研究堰塞壩潰決過程的規(guī)律和特性，為實際工程應用提供參考。1.4研究方法與技術路線本研究綜合運用案例研究、實驗模擬和數(shù)據(jù)分析等方法，多維度、深層次地剖析堰塞壩潰決過程，力求全面揭示其內(nèi)在規(guī)律與影響因素。案例研究法：廣泛收集國內(nèi)外典型堰塞壩潰決案例，如1933年四川疊溪地震堰塞壩潰決、2008年汶川地震唐家山堰塞壩潰決以及2018年西藏白格堰塞壩潰決等。深入分析這些案例的形成背景、地質(zhì)條件、壩體特征、水文狀況以及潰決過程和造成的危害等信息。通過對實際案例的詳細研究，了解不同條件下堰塞壩潰決的特點和規(guī)律，為后續(xù)的實驗研究和數(shù)值模擬提供實際參考依據(jù)，使研究更具針對性和現(xiàn)實意義。實驗模擬法：依據(jù)相似性原理，精心設計并構(gòu)建不同類型和參數(shù)的堰塞壩物理模型。在模型構(gòu)建過程中，充分考慮壩體材料的多樣性，選用砂土、礫石、粘性土及其混合材料等，以模擬實際堰塞壩復雜的材料組成；設置多種壩體高度、坡度和壩頂寬度，研究壩體幾何形狀對潰決的影響。利用先進的實驗設備，如高速攝像機、激光位移傳感器、壓力傳感器等，對潰決過程中的關鍵物理量進行實時、精確監(jiān)測。高速攝像機用于記錄潰口的發(fā)展過程，包括潰口的初始形成、下切和拓寬等階段的動態(tài)變化；激光位移傳感器測量壩體表面的位移變化，以分析壩體的變形情況；壓力傳感器監(jiān)測壩體內(nèi)部的孔隙水壓力分布，探究滲流對壩體穩(wěn)定性的影響。通過改變實驗參數(shù)，如壩體材料、幾何形狀、水文條件等，進行多組對比實驗，深入研究各因素對堰塞壩潰決過程的影響機制。數(shù)據(jù)分析方法：運用統(tǒng)計學方法和數(shù)據(jù)挖掘技術，對實驗數(shù)據(jù)和案例數(shù)據(jù)進行深入分析。通過統(tǒng)計學方法，計算各變量之間的相關性，確定影響堰塞壩潰決的關鍵因素及其影響程度。利用數(shù)據(jù)挖掘技術，從大量數(shù)據(jù)中挖掘潛在的規(guī)律和模式，建立影響因素與潰決參數(shù)（如潰決洪峰流量、潰決時間、潰口尺寸等）之間的定量關系模型。運用誤差分析、敏感性分析等方法對模型進行驗證和評估，確保模型的準確性和可靠性，為堰塞壩潰決風險評估和預測提供科學依據(jù)。本研究的技術路線如圖1-1所示，首先全面收集國內(nèi)外堰塞壩潰決案例資料，對案例進行詳細的整理和分析，提取關鍵信息和數(shù)據(jù)?；诎咐治鼋Y(jié)果，結(jié)合相似性原理，設計并開展堰塞壩潰決物理模型實驗，在實驗過程中利用多種先進設備進行數(shù)據(jù)采集。對實驗數(shù)據(jù)和案例數(shù)據(jù)進行整理、清洗和預處理后，運用數(shù)據(jù)分析方法進行深入分析，建立影響因素與潰決參數(shù)之間的定量關系模型。利用實驗數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬模型進行參數(shù)率定和驗證，確保模型的準確性和可靠性。最后，運用驗證后的數(shù)值模型開展多種工況的模擬分析，進一步研究堰塞壩潰決過程的規(guī)律和特性，為堰塞壩潰決災害的風險評估與防治提供科學依據(jù)和決策支持。[此處插入技術路線圖1-1]二、堰塞壩概述2.1堰塞壩的形成機制堰塞壩的形成是多種自然因素相互作用的結(jié)果，主要與地震、滑坡、泥石流等災害密切相關，這些因素導致山體物質(zhì)大量崩塌、堆積，進而阻塞河道，最終形成堰塞壩。地震是引發(fā)堰塞壩形成的重要因素之一。在強烈地震作用下，地層內(nèi)部應力狀態(tài)發(fā)生急劇改變，致使山體巖石產(chǎn)生大量裂縫，結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞，穩(wěn)定性大幅降低。地震波的強烈震動還會使山體巖土體的抗剪強度顯著下降，當超過其承受極限時，山體便會發(fā)生大規(guī)模崩塌、滑坡現(xiàn)象。崩塌、滑坡下來的大量土石等物質(zhì)迅速沖入河道，在短時間內(nèi)堆積形成天然的阻擋體，從而阻塞河道，堰塞壩由此形成。2008年汶川8.0級特大地震，強烈的地震波震動導致龍門山地區(qū)山體大面積崩塌、滑坡，大量土石傾入河道，形成了多達800余處的堰塞壩，其中唐家山堰塞壩最為典型。唐家山堰塞壩壩體高度達82.6米，壩頂寬度約611米，壩體體積高達2037萬立方米，上游壅水形成的堰塞湖蓄水量巨大，對下游地區(qū)構(gòu)成了嚴重威脅?；乱彩菍е卵呷麎涡纬傻某Ｒ娫颉Ｔ诘匦味盖?、巖土體性質(zhì)軟弱以及受到降雨、地震、河流沖刷、人類工程活動等因素影響時，山體斜坡上的巖土體穩(wěn)定性遭到破壞，便會沿著一定的滑動面整體下滑，形成滑坡?；麦w在下滑過程中若沖入河道，就會堆積形成堰塞壩?；滦脱呷麎瓮ǔ＞哂醒呷麉^(qū)域大、阻塞河段長、壩體方量大、蓄水量大等特點，潰決危害也更為嚴重。1933年四川疊溪7.4級地震引發(fā)的山體滑坡，滑坡體堵塞岷江，形成了3座高達100余米的堰塞壩，其中最大的堰塞壩蓄水量達1.5億立方米，14天后最下游的堰塞壩潰決，40米高的洪水洶涌而下，給下游地區(qū)帶來了毀滅性的災難。泥石流是一種含有大量泥沙、石塊等固體物質(zhì)的特殊洪流，具有強大的沖擊力和搬運能力。在暴雨、冰雪融化等因素作用下，山區(qū)大量松散固體物質(zhì)與水流混合，形成泥石流。泥石流在流動過程中，若進入河道，其攜帶的大量泥沙、石塊等物質(zhì)會在河道中迅速堆積，從而堵塞河道，形成堰塞壩。泥石流型堰塞壩的壩體物質(zhì)組成較為復雜，顆粒大小不均，結(jié)構(gòu)相對松散。2010年8月甘肅舟曲發(fā)生特大山洪泥石流災害，泥石流沖入白龍江，形成了長約120米、寬約50米、高約10米的堰塞壩，致使白龍江水位急劇上升，對周邊地區(qū)造成了嚴重影響。2.2堰塞壩的類型及特點根據(jù)形成原因的不同，堰塞壩主要可分為滑坡堰塞壩、泥石流堰塞壩、崩塌堰塞壩、火山堰塞壩和冰磧堰塞壩等類型，各類堰塞壩在形成機制、壩體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性等方面呈現(xiàn)出各自獨特的特點。滑坡堰塞壩是最為常見的堰塞壩類型，主要由江河兩岸山體發(fā)生滑坡，滑坡體沖入河道并堆積，從而阻塞河道形成。導致山體滑坡的因素眾多，包括地震、降雨、融雪以及人類工程活動等。2008年汶川地震引發(fā)了大量山體滑坡，進而形成了眾多滑坡堰塞壩，其中唐家山堰塞壩最為典型。這類堰塞壩通常具有以下特點：堰塞區(qū)域較大，阻塞河段較長，因為滑坡體往往規(guī)模較大，能夠在河道中占據(jù)較長的范圍；壩體方量大、高度高，蓄水量大，回淹面積廣，潰決危害也更為嚴重，大量的滑坡物質(zhì)堆積形成高大的壩體，攔截大量河水，一旦潰決，巨大的水量會形成強大的洪水，對下游造成毀滅性打擊；堰塞體存留時間相對較長，由于滑坡體的堆積較為緊密，在沒有強烈外力作用下，不會輕易被破壞；滑坡堰塞體多為土石混合型，以漫頂導致潰壩的情況較為常見，土石混合的結(jié)構(gòu)使得壩體的抗?jié)B性相對較好，但在水位持續(xù)上升，超過壩頂高度時，容易發(fā)生漫頂潰壩。在空間形態(tài)上，滑坡堰塞壩平面多呈長舌狀、傘狀或扇狀分布，具體形態(tài)與滑坡體下滑速度、河道形勢、山體坡度等密切相關。其顆粒級配在空間上呈反粒序特征，即粗顆粒在下部，細顆粒在上部，但不同分區(qū)顆粒級配受堰塞壩形成類型的影響而有所差別。當堰塞壩顆粒粒徑小于10mm的顆粒含量小于10％，大于100mm的顆粒含量大于40％，且不均勻系數(shù)Cu小于30、中值粒徑d50大于100mm時，堰塞壩更趨于穩(wěn)定。泥石流堰塞壩是由泥石流攜帶的大量泥沙、石塊等固體物質(zhì)在河道中堆積，堵塞河道而形成。泥石流的發(fā)生通常與暴雨、冰雪融化等因素有關，在短時間內(nèi)，大量的固體物質(zhì)與水流混合，形成具有強大沖擊力和搬運能力的泥石流。當泥石流進入河道后，流速突然降低，固體物質(zhì)迅速沉積，從而形成堰塞壩。泥石流堰塞壩的壩體物質(zhì)組成復雜，顆粒大小不均，結(jié)構(gòu)相對松散。由于泥石流的快速堆積特性，壩體內(nèi)部孔隙較大，透水性較強，抗沖刷能力較弱。這種結(jié)構(gòu)特點使得泥石流堰塞壩在受到水流作用時，容易發(fā)生管涌、流土等滲透破壞現(xiàn)象，進而導致壩體失穩(wěn)潰決。泥石流堰塞壩的規(guī)模大小不一，主要取決于泥石流的規(guī)模和流量。一般來說，大規(guī)模的泥石流形成的堰塞壩壩體較高、方量較大，對河道的阻塞程度更嚴重，蓄水能力也更強，一旦潰決，引發(fā)的洪水災害規(guī)模也更大。泥石流堰塞壩的形成過程較為迅速，往往在短時間內(nèi)就能夠堵塞河道，形成堰塞湖，給災害預警和應對帶來較大困難。由于泥石流的突發(fā)性和不確定性，難以準確預測泥石流堰塞壩的形成時間和位置，增加了災害防范的難度。崩塌堰塞壩是由于地震、降雨、風化以及人類工程活動等因素，導致江河兩岸山體發(fā)生崩塌，崩塌的巖土體落入河道，堆積形成堰塞壩。崩塌堰塞壩一般以大塊石、塊石和碎石堆積為主，堰塞體結(jié)構(gòu)較為松散，抗?jié)B能力差，易發(fā)生壩體滲流。1959年，藏東察隅河東支桑曲下游八嘎湖因雨季發(fā)生巨大山崩，形成長400米、寬400米、高約150米的天然堤堰，使上游積水成湖，該堰塞壩即為崩塌堰塞壩。這類堰塞壩通常規(guī)模中等，留存時間長。若壩體中大塊石較多，則不易開挖泄流渠，在處置時難度較大。其破壞方式除漫頂潰壩外，也易發(fā)生滲流破壞，由于壩體結(jié)構(gòu)松散，水流容易在壩體內(nèi)部形成滲流通道，隨著滲流的發(fā)展，壩體的穩(wěn)定性逐漸降低，最終可能導致壩體潰決?；鹕窖呷麎斡苫鹕絿姲l(fā)產(chǎn)生的熔巖流、火山灰等物質(zhì)阻塞河道而形成?；鹕絿姲l(fā)時，高溫的熔巖流順著地勢流動，當遇到河道時，熔巖流迅速冷卻凝固，堆積在河道中，阻斷河水流動，形成堰塞壩?；鹕窖呷麎蔚膲误w主要由火山巖、火山灰等火山噴發(fā)物組成，這些物質(zhì)具有特殊的物理和化學性質(zhì)?；鹕綆r質(zhì)地堅硬，但由于其多為多孔結(jié)構(gòu)，透水性較強；火山灰顆粒細小，具有一定的粘結(jié)性，但抗沖刷能力較弱。壩體的穩(wěn)定性受到火山噴發(fā)物的堆積方式、顆粒大小分布以及后續(xù)的風化、侵蝕作用影響。如果火山噴發(fā)物堆積較為緊密，且經(jīng)過一定時間的壓實和膠結(jié)作用，壩體的穩(wěn)定性相對較高；反之，若堆積松散，在水流和其他外力作用下，容易發(fā)生潰決?；鹕窖呷麎涡纬傻难呷哂休^高的水溫，這是因為火山噴發(fā)物攜帶的熱量傳遞給了湖水，高溫的湖水可能會對周邊的生態(tài)環(huán)境和水生生物造成影響。冰磧堰塞壩是由冰川運動過程中攜帶的冰磧物堆積在河道中，堵塞河道而形成。在冰川消退過程中，冰磧物逐漸堆積在河谷中，當這些堆積物足夠多，能夠阻擋河水流動時，就形成了冰磧堰塞壩。冰磧堰塞壩的壩體主要由冰磧物組成，冰磧物是冰川在搬運過程中攜帶的各種大小的巖石碎塊和泥沙等物質(zhì)，其成分復雜，顆粒大小差異極大，從細小的黏土顆粒到巨大的漂礫都有。壩體結(jié)構(gòu)通常較為松散，孔隙率大，透水性強。由于冰磧物之間的摩擦力較小，在受到水流作用時，壩體的穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生變形和潰決。冰磧堰塞壩的形成與冰川的運動和消融密切相關，其形成過程較為緩慢，但一旦形成，由于冰川地區(qū)氣候寒冷，人類活動相對較少，對其監(jiān)測和處置難度較大。在氣溫升高時，冰川融化速度加快，會導致堰塞湖水位迅速上升，增加潰決風險；而在氣溫降低時，湖水可能會結(jié)冰，對壩體產(chǎn)生凍脹作用，也會影響壩體的穩(wěn)定性。2.3堰塞壩潰決的危害堰塞壩潰決往往會引發(fā)一系列嚴重的次生災害，對下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、基礎設施、人民生命財產(chǎn)安全等造成巨大的破壞和威脅，帶來難以估量的損失。洪水災害是堰塞壩潰決引發(fā)的最直接、最嚴重的災害之一。當堰塞壩潰決時，積蓄在堰塞湖中的大量水體短時間內(nèi)洶涌而下，形成強大的洪水波。這種洪水具有流量大、流速快、洪峰高的特點，其攜帶的巨大能量能夠沖毀下游河道兩岸的一切設施和建筑。房屋在洪水的沖擊下瞬間倒塌，橋梁被沖斷，道路被沖毀，導致交通癱瘓，使得救援物資和人員難以進入受災地區(qū)，延誤救援時機。2018年西藏江達縣白格堰塞湖潰決，洪峰流量高達每秒11000立方米，洶涌的洪水沿著金沙江奔騰而下，下游的云南迪慶州、麗江等地部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受重創(chuàng)，大量房屋被沖毀，道路、橋梁等基礎設施嚴重受損，直接經(jīng)濟損失巨大。洪水還會淹沒大片農(nóng)田，破壞農(nóng)作物生長，導致糧食減產(chǎn)甚至絕收，對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成毀滅性打擊，影響農(nóng)民的生計和地區(qū)的糧食安全。據(jù)統(tǒng)計，在一些堰塞壩潰決事件中，受災農(nóng)田面積可達數(shù)千公頃，給農(nóng)業(yè)經(jīng)濟帶來沉重損失。泥石流災害也是堰塞壩潰決常見的次生災害。潰決洪水在向下游流動過程中，會攜帶大量的泥沙、石塊等固體物質(zhì)，當這些物質(zhì)與水流混合達到一定比例時，就會形成泥石流。泥石流具有強大的破壞力，它能夠沿著河谷快速流動，沖毀沿途的村莊、城鎮(zhèn)，掩埋房屋、道路和其他基礎設施。泥石流的沖擊力巨大，能夠輕易推倒建筑物，將車輛、樹木等卷入其中，對人員生命安全構(gòu)成嚴重威脅。由于泥石流的突發(fā)性和高速度，人們往往來不及躲避，導致大量人員傷亡。在山區(qū)，泥石流還會改變地形地貌，堵塞河道，進一步加劇洪水災害的影響。例如，在一些山區(qū)，泥石流堆積物可能會再次形成小型堰塞壩，引發(fā)新的洪水災害，形成災害鏈，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和人類生活造成長期的負面影響。對生態(tài)環(huán)境的破壞是堰塞壩潰決的另一個重要危害。洪水和泥石流會破壞河流生態(tài)系統(tǒng)，導致水生生物棲息地喪失，大量魚類和其他水生生物死亡，破壞了河流生態(tài)的平衡。河流中的泥沙含量大幅增加，影響水質(zhì)，使得水體變得渾濁，溶解氧含量降低，不利于水生生物的生存。洪水還會淹沒和破壞周邊的森林、濕地等生態(tài)系統(tǒng)，導致植被受損，生物多樣性減少。森林被洪水浸泡后，樹木可能會死亡，影響森林的生態(tài)功能，如水源涵養(yǎng)、土壤保持等。濕地生態(tài)系統(tǒng)的破壞會導致許多珍稀鳥類和野生動物失去棲息地，影響生物的遷徙和繁殖，對整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴重影響。堰塞壩潰決還可能引發(fā)水土流失問題，洪水和泥石流帶走大量的表層土壤，使得土地肥力下降，土壤結(jié)構(gòu)破壞，不利于后續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植被恢復。長期來看，生態(tài)環(huán)境的破壞會影響地區(qū)的生態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展，增加自然災害發(fā)生的頻率和強度。對社會經(jīng)濟的影響也是深遠而持久的。堰塞壩潰決造成的基礎設施破壞，如交通、通信、電力等系統(tǒng)的癱瘓，會嚴重影響地區(qū)的經(jīng)濟活動。企業(yè)停工停產(chǎn)，商業(yè)活動無法正常開展，導致經(jīng)濟增長放緩，失業(yè)率上升。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的破壞使得農(nóng)產(chǎn)品供應減少，價格上漲，影響居民的生活水平。在一些以農(nóng)業(yè)為主的地區(qū)，農(nóng)業(yè)的受損可能導致整個地區(qū)的經(jīng)濟陷入困境。堰塞壩潰決還會帶來巨大的救援和重建成本。政府需要投入大量的人力、物力和財力進行救援、安置受災群眾以及恢復基礎設施和生產(chǎn)生活秩序。這些資金的投入會給政府財政帶來沉重負擔，影響其他公共事業(yè)的發(fā)展。社會的不穩(wěn)定因素也會增加，受災群眾可能面臨生活困難、心理創(chuàng)傷等問題，需要社會各界的關注和幫助，否則可能引發(fā)一系列社會問題。三、實驗設計與方法3.1實驗案例選取為了深入研究堰塞壩潰決過程，本實驗選取了具有代表性的四川茂縣疊溪堰塞壩和東川泥石流觀測站大尺度堰塞壩作為研究案例，這些案例在堰塞壩研究領域具有獨特的價值和重要的參考意義。四川茂縣疊溪堰塞壩形成于1933年的疊溪7.4級大地震，此次地震導致岷江兩岸山體大規(guī)模崩塌，大量土石堆積堵塞河道，形成了3座高達100余米的堰塞壩。疊溪堰塞壩具有典型的滑坡堰塞壩特征，壩體由松散的土石混合而成，結(jié)構(gòu)復雜且不穩(wěn)定。其壩體高度、方量以及上游蓄水量都達到了相當大的規(guī)模，在堰塞壩研究中具有重要的代表性。選取該案例，能夠深入研究滑坡堰塞壩在地震等強烈地質(zhì)作用下的形成機制、壩體結(jié)構(gòu)特征以及潰決過程中的復雜物理現(xiàn)象。通過對疊溪堰塞壩的研究，可以為地震引發(fā)的滑坡堰塞壩潰決風險評估和防治提供關鍵的實驗數(shù)據(jù)和理論支持，有助于揭示此類堰塞壩潰決的內(nèi)在規(guī)律，為類似災害的應對提供寶貴經(jīng)驗。東川泥石流觀測站大尺度堰塞壩則是泥石流堰塞壩的典型代表。東川地區(qū)泥石流活動頻繁，特殊的地形地貌和地質(zhì)條件使得該地區(qū)的泥石流堰塞壩具有獨特的形成過程和特征。該觀測站的大尺度堰塞壩實驗在壩體應力分布、壩體結(jié)構(gòu)等方面更接近于原型壩體，能夠更真實地模擬泥石流堰塞壩的實際情況。其壩體物質(zhì)組成復雜，顆粒大小不均，結(jié)構(gòu)松散，這些特點決定了泥石流堰塞壩在潰決過程中具有與其他類型堰塞壩不同的行為模式。選擇東川泥石流觀測站大尺度堰塞壩作為實驗案例，能夠系統(tǒng)地研究泥石流堰塞壩在不同水流條件、顆粒級配等因素影響下的潰決過程，包括潰口的形成與發(fā)展、流量變化、壩體侵蝕規(guī)律等。通過對這一案例的研究，可以為泥石流堰塞壩的穩(wěn)定性分析、潰決預測以及災害防治提供重要的實驗依據(jù)，填補該領域在大尺度實驗研究方面的空白，提高對泥石流堰塞壩潰決災害的認識和應對能力。通過對這兩個具有代表性案例的研究，本實驗能夠全面涵蓋滑坡堰塞壩和泥石流堰塞壩這兩種常見且危害較大的堰塞壩類型，深入探究不同類型堰塞壩的潰決過程和機理，為堰塞壩潰決災害的綜合研究提供豐富的數(shù)據(jù)和深入的理論分析，為實際工程中的災害防治提供科學、全面的參考依據(jù)。3.2實驗材料與設備在本次堰塞壩潰決過程實驗研究中，選用了多種土石材料，以模擬實際堰塞壩復雜的物質(zhì)組成。主要包括砂土、礫石和粘性土，其中砂土選用天然河砂，其顆粒均勻，粒徑范圍在0.25-0.5mm之間，平均粒徑約為0.35mm，比重為2.65，內(nèi)摩擦角約為30°，滲透系數(shù)約為1×10?3cm/s，具有良好的透水性和一定的抗剪強度；礫石取自附近山區(qū)，粒徑主要集中在5-20mm，形狀不規(guī)則，表面粗糙，比重為2.7，內(nèi)摩擦角約為35°，滲透系數(shù)較大，約為1×10?2cm/s，其粗顆粒結(jié)構(gòu)能夠有效模擬堰塞壩中的大顆粒骨架成分；粘性土為粉質(zhì)粘土，塑性指數(shù)為12-15，液限為30%-35%，比重為2.72，內(nèi)摩擦角約為15°，粘聚力約為20kPa，滲透系數(shù)較小，約為1×10??cm/s，主要用于模擬堰塞壩中的細顆粒填充成分，影響壩體的滲流特性和整體穩(wěn)定性。在實際實驗中，根據(jù)不同的實驗工況，將這些材料按照一定比例混合，以構(gòu)建不同類型的堰塞壩模型，研究壩體材料組成對潰決過程的影響。實驗采用的水槽長6m、寬0.8m、高1.2m，采用高強度有機玻璃制作，具有良好的透明度，便于觀察壩體的變形和水流的流動情況。水槽底部設置有坡度調(diào)節(jié)裝置，可根據(jù)實驗需求將坡度調(diào)整為0-5%，以模擬不同地形條件下的河道。水槽一端設有進水口，連接高精度恒流泵，能夠精確控制進水流量，流量調(diào)節(jié)范圍為0-100L/min，精度可達±0.1L/min，可模擬不同的上游來水情況；另一端設有出水口，用于排出實驗后的水流，并配備有流量測量裝置，采用電磁流量計，測量精度為±0.5%，能夠?qū)崟r監(jiān)測出水口的流量，為分析潰決過程中的流量變化提供數(shù)據(jù)支持。在水槽內(nèi)部，沿長度方向每隔0.5m設置一個水位測量點，采用高精度壓力式水位計，精度為±0.1mm，用于測量實驗過程中的水位變化，以研究堰塞湖的蓄水過程和水位波動對壩體穩(wěn)定性的影響。實驗中使用了多種測量儀器，以全面、準確地監(jiān)測堰塞壩潰決過程中的各項物理量變化。采用高速攝像機（型號：[具體型號]），幀率可達1000fps，分辨率為1920×1080，從多個角度對堰塞壩潰決過程進行拍攝，能夠清晰記錄潰口的形成、發(fā)展以及壩體的變形過程，為后續(xù)的圖像分析提供原始資料。在壩體內(nèi)部不同位置埋設孔隙水壓力傳感器（型號：[具體型號]），精度為±0.1kPa，用于測量壩體在潰決過程中的孔隙水壓力變化，研究滲流對壩體穩(wěn)定性的影響。在壩體表面布置激光位移傳感器（型號：[具體型號]），精度為±0.01mm，實時監(jiān)測壩體表面的位移變化，分析壩體的變形規(guī)律和破壞模式。在水槽內(nèi)部布置多個流速儀（型號：[具體型號]），采用聲學多普勒流速儀（ADV），測量精度為±0.01m/s，可測量不同位置的水流流速，研究水流在潰決過程中的速度分布和變化規(guī)律。還使用了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（型號：[具體型號]），能夠同步采集各類傳感器的數(shù)據(jù)，采集頻率可達100Hz，確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性。3.3實驗方案設計本實驗采用控制變量法，系統(tǒng)研究顆粒級配、漂木分布等因素對堰塞壩潰決過程的影響。針對不同因素，設計了多組對比實驗，每組實驗設置3-5次重復，以確保實驗結(jié)果的可靠性和重復性。在研究顆粒級配的影響時，選取四川茂縣疊溪堰塞壩和東川泥石流觀測站大尺度堰塞壩的實際顆粒級配數(shù)據(jù)作為參考，設置了5種不同的顆粒級配工況。工況1為細顆粒含量較高的級配，d50（中值粒徑）為5mm，小于2mm的顆粒含量占50%，主要模擬泥石流堰塞壩中細顆粒較多的情況，這種級配下壩體結(jié)構(gòu)相對緊密，但抗沖刷能力較弱，在水流作用下細顆粒容易被帶走，導致壩體結(jié)構(gòu)破壞；工況2的d50為10mm，小于2mm的顆粒含量占30%，代表了一種粗細顆粒相對均衡的級配，壩體既有一定的抗沖刷能力，又具備一定的透水性；工況3的d50為15mm，小于2mm的顆粒含量占20%，粗顆粒含量相對增加，壩體的骨架作用增強，穩(wěn)定性有所提高，但細顆粒的減少可能會影響壩體的密實度；工況4的d50為20mm，小于2mm的顆粒含量占10%，主要體現(xiàn)粗顆粒主導的級配特點，壩體抗沖刷能力較強，但透水性較大，可能導致滲流問題；工況5為非均勻級配，模擬實際堰塞壩中顆粒大小分布不均的情況，包含了從細砂到礫石的多種粒徑顆粒，其壩體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性最為復雜，在潰決過程中可能出現(xiàn)不同粒徑顆粒的分選和流失現(xiàn)象。在漂木分布對堰塞壩潰決影響的實驗中，考慮到實際堰塞壩中漂木可能出現(xiàn)的分布方式，設置了3種漂木分布工況。工況1為漂木橫向分布，將一定數(shù)量的漂木垂直于水流方向均勻布置在壩體中上部，模擬漂木在壩體橫截面上的分布情況，這種分布方式下漂木可以增加壩體的橫向強度，對水流的橫向沖刷起到一定的阻擋作用，但可能會改變水流的流態(tài)，增加壩體局部的壓力；工況2為漂木縱向分布，將漂木順著水流方向布置在壩體內(nèi)部，研究漂木在縱向?qū)误w結(jié)構(gòu)和潰決過程的影響，縱向分布的漂木可能會引導水流，減少水流對壩體側(cè)面的侵蝕，但在潰決時可能會隨著水流一起移動，對下游造成沖擊；工況3為漂木隨機分布，模擬實際中漂木在堰塞壩中雜亂分布的情況，這種分布方式下漂木對壩體的作用較為復雜，可能在不同位置對壩體的穩(wěn)定性和潰決過程產(chǎn)生不同程度的影響。每種漂木分布工況又分別設置了漂木含量為0%（對照組）、5%、10%、15%這4種含量工況，以探究漂木含量對堰塞壩潰決的影響。隨著漂木含量的增加，壩體的整體結(jié)構(gòu)和力學性質(zhì)會發(fā)生變化，例如，漂木可能會增加壩體的摩擦力和凝聚力，改變壩體的滲透性，從而影響潰決過程中的水流運動和壩體破壞模式。除了上述主要控制變量外，在每組實驗中，還保持上游來水流量恒定為50L/min，模擬中等強度的上游來水情況，以突出顆粒級配和漂木分布等因素對潰決過程的影響。壩體模型的壩高設置為0.5m，壩寬設置為0.95m，壩底長度設置為2.98m，以保證模型與原型在幾何相似性和壩體內(nèi)部實際應力分布上的一致性。在實驗過程中，密切關注壩體的變形、潰口的發(fā)展、水流的流速和流量變化等關鍵物理量，并使用高速攝像機、激光位移傳感器、壓力傳感器等設備進行實時監(jiān)測，確保獲取全面、準確的實驗數(shù)據(jù)。3.4數(shù)據(jù)采集與分析方法在堰塞壩潰決實驗中，采用了多種先進設備進行數(shù)據(jù)采集，以全面、準確地獲取潰決過程中的關鍵信息。實驗選用高速攝像機，幀率可達1000fps，分辨率為1920×1080，從多個角度對堰塞壩潰決過程進行拍攝。在壩體模型的正前方、側(cè)方和斜上方分別設置高速攝像機，能夠清晰記錄潰口的初始形成、下切和拓寬過程，以及壩體的整體變形情況。通過高速攝像機拍攝的視頻，可對潰口發(fā)展過程中的關鍵時間節(jié)點、潰口形態(tài)變化等進行精確分析，為后續(xù)研究提供直觀、詳細的圖像資料。在壩體內(nèi)部不同位置埋設孔隙水壓力傳感器，精度為±0.1kPa，用于測量壩體在潰決過程中的孔隙水壓力變化。在壩體的上游坡、下游坡以及壩體內(nèi)部中心位置等關鍵部位布置傳感器，監(jiān)測孔隙水壓力隨時間的變化規(guī)律，研究滲流對壩體穩(wěn)定性的影響機制。在壩體表面布置激光位移傳感器，精度為±0.01mm，實時監(jiān)測壩體表面的位移變化。在壩體的頂部、上下游坡面等位置設置多個測量點，能夠精確獲取壩體在水流作用下的變形數(shù)據(jù)，分析壩體的變形規(guī)律和破壞模式。在水槽內(nèi)部布置多個流速儀，采用聲學多普勒流速儀（ADV），測量精度為±0.01m/s，可測量不同位置的水流流速。在潰口附近、壩體上下游以及水槽不同斷面等位置布置流速儀，研究水流在潰決過程中的速度分布和變化規(guī)律，為分析水流對壩體的沖刷作用提供數(shù)據(jù)支持。實驗還使用了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠同步采集各類傳感器的數(shù)據(jù)，采集頻率可達100Hz，確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與高速攝像機、傳感器等設備連接，能夠按照設定的頻率自動采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在計算機中，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。在數(shù)據(jù)處理與分析階段，對高速攝像機拍攝的視頻進行圖像分析。使用專業(yè)的圖像分析軟件，如ImageJ，對視頻中的潰口尺寸進行測量。通過設置圖像的比例尺，將視頻中的像素尺寸轉(zhuǎn)換為實際尺寸，從而得到潰口寬度、深度等參數(shù)隨時間的變化曲線。利用圖像識別技術，分析潰口的形態(tài)變化，如潰口的形狀系數(shù)、不對稱性等參數(shù)，研究潰口的發(fā)展模式和演變規(guī)律。對于孔隙水壓力傳感器、激光位移傳感器和流速儀采集的數(shù)據(jù)，首先進行數(shù)據(jù)清洗，去除異常值和噪聲干擾。采用濾波算法，如滑動平均濾波，對數(shù)據(jù)進行平滑處理，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。然后，運用統(tǒng)計學方法，計算各物理量的平均值、標準差、最大值、最小值等統(tǒng)計參數(shù)，分析數(shù)據(jù)的分布特征。通過相關性分析，研究孔隙水壓力、位移、流速等物理量之間的相互關系，揭示壩體與水流相互作用的內(nèi)在規(guī)律。利用數(shù)據(jù)擬合的方法，建立各物理量之間的數(shù)學模型。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，采用線性回歸、非線性回歸等方法，建立潰口尺寸與水流流速、流量之間的關系模型，以及壩體位移與孔隙水壓力、水流作用力之間的關系模型。通過對模型的參數(shù)估計和檢驗，評估模型的準確性和可靠性，為堰塞壩潰決過程的預測和分析提供理論依據(jù)。還運用數(shù)據(jù)可視化技術，將處理和分析后的數(shù)據(jù)以圖表、圖形等形式展示出來。使用Origin、MATLAB等軟件繪制潰口尺寸隨時間變化曲線、壩體位移分布云圖、水流流速矢量圖等，直觀地展示堰塞壩潰決過程中各物理量的變化規(guī)律和分布特征，便于更深入地理解潰決過程的物理機制。四、實驗結(jié)果與分析4.1不同案例的潰決過程觀測在本次實驗中，針對四川茂縣疊溪堰塞壩和東川泥石流觀測站大尺度堰塞壩兩個案例，詳細觀測了堰塞壩從開始潰決到完全潰決的全過程。對于四川茂縣疊溪堰塞壩案例，實驗開始后，上游來水持續(xù)注入，堰塞湖水位逐漸上升。當水位達到壩頂后，水流開始漫頂。最初，漫頂水流在壩體下游坡面形成細小的水流通道，隨著水流的持續(xù)沖刷，這些通道逐漸擴大，形成沖溝。在沖溝侵蝕階段，水流的集中沖刷使得壩體下游坡面的土體不斷被侵蝕帶走，沖溝深度和寬度逐漸增加。隨著沖溝的發(fā)展，在壩體下游坡面形成了陡坎。在陡坎穩(wěn)定侵蝕階段，陡坎的高度和坡度相對穩(wěn)定，水流對陡坎的侵蝕速度較為均勻，主要表現(xiàn)為陡坎表面土體的逐漸剝落。隨著時間推移，陡坎進入加速侵蝕階段，由于水流能量的不斷積累和集中，陡坎的侵蝕速度明顯加快，陡坎高度迅速降低，潰口寬度快速增大。在這個階段，壩體的穩(wěn)定性急劇下降，大量土體被沖刷到下游。隨后，陡坎進入減速侵蝕階段，隨著壩體蓄水量的減少和水流能量的消耗，侵蝕速度逐漸減慢，潰口的發(fā)展也逐漸趨于平緩。最終，壩體進入常態(tài)化過程，潰口尺寸基本穩(wěn)定，水流流量也趨于平穩(wěn)，壩體基本完成潰決過程。在東川泥石流觀測站大尺度堰塞壩案例中，潰決過程也呈現(xiàn)出類似但又有差異的階段特征。實驗開始后，隨著上游來水，堰塞湖水位上升漫頂。水流首先對壩體下游坡面進行侵蝕，由于泥石流堰塞壩顆粒級配不均勻，壩體結(jié)構(gòu)松散，水流很快在坡面形成多條侵蝕通道，這些通道相互連通，迅速發(fā)展為較大的沖溝。與疊溪堰塞壩不同的是，東川泥石流觀測站大尺度堰塞壩在沖溝侵蝕階段，由于壩體顆粒間的粘結(jié)力較弱，沖溝的下切和展寬速度都較快，短時間內(nèi)就形成了較為寬闊和深邃的沖溝。在陡坎形成后，由于壩體材料的特殊性，陡坎的穩(wěn)定性較差，很快進入加速侵蝕階段，潰口迅速擴大，大量泥沙和石塊被水流裹挾而下，下游水流含沙量極高。在減速侵蝕階段，由于壩體中較大顆粒的阻擋和水流能量的快速消耗，侵蝕速度下降明顯，潰口的發(fā)展迅速減緩。最終，壩體完成潰決，進入常態(tài)化過程，此時水流較為平穩(wěn)，但攜帶的泥沙仍較多。通過對兩個案例潰決過程的觀測，發(fā)現(xiàn)雖然整體上都經(jīng)歷了漫頂、沖溝侵蝕、陡坎侵蝕等階段，但在具體的侵蝕速度、潰口發(fā)展模式以及壩體穩(wěn)定性變化等方面存在明顯差異。這些差異主要與壩體的材料組成、顆粒級配、壩體結(jié)構(gòu)等因素有關，為后續(xù)深入分析影響堰塞壩潰決的因素提供了直觀的實驗依據(jù)。4.2潰決特征參數(shù)分析在本次堰塞壩潰決實驗中，對峰值流量、潰口下切速率、潰口展寬等關鍵潰決特征參數(shù)進行了詳細分析，以深入探究不同因素對堰塞壩潰決過程的影響。實驗結(jié)果顯示，在不同顆粒級配工況下，峰值流量呈現(xiàn)出顯著的變化規(guī)律。對于細顆粒含量較高的工況1，峰值流量相對較低，這是因為細顆粒較多使得壩體結(jié)構(gòu)相對緊密，水流通過時受到的阻力較大，難以形成較大的流速和流量。隨著d50的增大，如工況2-4，粗顆粒含量逐漸增加，壩體的透水性增強，水流能夠更順暢地通過壩體，峰值流量逐漸增大。在工況4中，d50達到20mm，峰值流量達到了一個相對較高的值。而在工況5的非均勻級配下，峰值流量則呈現(xiàn)出復雜的變化，由于顆粒大小分布不均，壩體內(nèi)部形成了不同尺度的孔隙和通道，水流在其中的流動情況復雜，導致峰值流量的波動較大，但總體上處于較高水平。漂木分布和含量對峰值流量也有明顯影響。在漂木橫向分布工況1中，當漂木含量為5%時，峰值流量相較于無漂木的對照組有所增加，這是因為橫向分布的漂木增加了壩體的粗糙度，使得水流在通過壩體時產(chǎn)生更多的紊動，從而增加了水流的能量，導致峰值流量增大。隨著漂木含量增加到10%和15%，峰值流量進一步增大，但增長幅度逐漸減小，這可能是由于過多的漂木在一定程度上阻塞了水流通道，限制了流量的進一步增加。在漂木縱向分布工況2中，漂木對峰值流量的影響相對較小，這是因為縱向分布的漂木對水流的阻礙作用相對較弱，水流能夠較為順暢地沿著漂木之間的間隙通過壩體。而在漂木隨機分布工況3中，峰值流量的變化較為復雜，漂木的隨機分布使得壩體內(nèi)部的水流通道更加不規(guī)則，不同位置的漂木對水流的作用不同，導致峰值流量的波動較大。在潰口下切速率方面，不同顆粒級配的影響顯著。工況1中細顆粒含量高，壩體抗沖刷能力弱，潰口下切速率在初期較大，但隨著細顆粒的大量流失，壩體結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，下切速率迅速減小。工況3和4中粗顆粒較多，壩體抗沖刷能力較強，潰口下切速率相對較小且變化較為平穩(wěn)，這是因為粗顆粒能夠有效地抵抗水流的沖刷，使得潰口的下切過程相對緩慢且穩(wěn)定。漂木分布和含量同樣影響著潰口下切速率。在漂木橫向分布且含量較高（如15%）時，漂木對壩體起到了錨固作用，增加了壩體的穩(wěn)定性，使得潰口下切速率明顯減小。而在漂木縱向分布時，漂木對潰口下切速率的影響相對較小，但當漂木含量增加時，由于漂木之間的相互作用，也會在一定程度上減小潰口下切速率。潰口展寬方面，顆粒級配不同導致潰口展寬模式有所差異。細顆粒含量高的工況1，潰口展寬主要以細顆粒的流失和坡面坍塌為主，展寬速度較快但較為均勻。粗顆粒較多的工況4，潰口展寬則更多地表現(xiàn)為粗顆粒的滾動和推移，展寬速度相對較慢，但可能會出現(xiàn)局部的快速擴展。漂木分布對潰口展寬有明顯影響。在漂木橫向分布時，漂木對潰口側(cè)面起到了支撐作用，抑制了潰口的側(cè)向擴展，使得潰口展寬速度相對較慢。而在漂木縱向分布時，漂木對潰口展寬的影響較小，潰口展寬主要受水流沖刷和壩體自身結(jié)構(gòu)的影響。通過對這些潰決特征參數(shù)的分析，可以看出顆粒級配和漂木分布對堰塞壩潰決過程有著復雜而重要的影響，深入理解這些影響規(guī)律對于準確預測堰塞壩潰決災害和制定有效的防治措施具有關鍵意義。4.3影響潰決過程的因素探討顆粒級配作為影響堰塞壩潰決過程的關鍵因素之一，對壩體的穩(wěn)定性和潰決特征有著顯著的影響。在不同顆粒級配工況下，壩體的抗沖刷能力和滲透性差異明顯，進而導致潰決過程中峰值流量、潰口下切速率和潰口展寬等參數(shù)發(fā)生變化。細顆粒含量較高的工況1，壩體結(jié)構(gòu)相對緊密，水流通過時受到的阻力較大，導致峰值流量較低。在潰決過程中，由于細顆粒容易被水流沖刷帶走，潰口下切速率在初期較大，但隨著細顆粒的流失，壩體結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，下切速率迅速減小。而粗顆粒較多的工況3和4，壩體的透水性增強，水流能夠更順暢地通過壩體，峰值流量逐漸增大。同時，粗顆粒能夠有效地抵抗水流的沖刷，使得潰口下切速率相對較小且變化較為平穩(wěn)。在潰口展寬方面，細顆粒含量高時，潰口展寬主要以細顆粒的流失和坡面坍塌為主，展寬速度較快但較為均勻；粗顆粒較多時，潰口展寬則更多地表現(xiàn)為粗顆粒的滾動和推移，展寬速度相對較慢，但可能會出現(xiàn)局部的快速擴展。這表明顆粒級配通過改變壩體的結(jié)構(gòu)和滲流特性，對堰塞壩潰決過程產(chǎn)生重要影響，合理的顆粒級配可以提高壩體的穩(wěn)定性，降低潰決風險。漂木分布和含量同樣對堰塞壩潰決過程有著復雜而重要的影響。在漂木橫向分布工況1中，漂木增加了壩體的粗糙度，使得水流在通過壩體時產(chǎn)生更多的紊動，從而增加了水流的能量，導致峰值流量增大。隨著漂木含量的增加，峰值流量進一步增大，但增長幅度逐漸減小，這是因為過多的漂木在一定程度上阻塞了水流通道，限制了流量的進一步增加。在漂木縱向分布工況2中，漂木對峰值流量的影響相對較小，因為縱向分布的漂木對水流的阻礙作用相對較弱，水流能夠較為順暢地沿著漂木之間的間隙通過壩體。而在漂木隨機分布工況3中，峰值流量的變化較為復雜，漂木的隨機分布使得壩體內(nèi)部的水流通道更加不規(guī)則，不同位置的漂木對水流的作用不同，導致峰值流量的波動較大。在潰口下切速率方面，漂木橫向分布且含量較高（如15%）時，漂木對壩體起到了錨固作用，增加了壩體的穩(wěn)定性，使得潰口下切速率明顯減小。而在漂木縱向分布時，漂木對潰口下切速率的影響相對較小，但當漂木含量增加時，由于漂木之間的相互作用，也會在一定程度上減小潰口下切速率。在潰口展寬方面，漂木橫向分布時，漂木對潰口側(cè)面起到了支撐作用，抑制了潰口的側(cè)向擴展，使得潰口展寬速度相對較慢。而在漂木縱向分布時，漂木對潰口展寬的影響較小，潰口展寬主要受水流沖刷和壩體自身結(jié)構(gòu)的影響。這說明漂木的分布和含量通過改變壩體的結(jié)構(gòu)和水流的流態(tài)，對堰塞壩潰決過程產(chǎn)生顯著影響，在評估堰塞壩潰決風險時，漂木因素不容忽視。壩體結(jié)構(gòu)也是影響堰塞壩潰決過程的重要因素之一。不同類型的堰塞壩，如滑坡堰塞壩、泥石流堰塞壩等，由于其形成機制和物質(zhì)組成的差異，壩體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的特點，進而導致潰決過程存在明顯差異?；卵呷麎瓮ǔＳ赏潦旌隙桑w粒級配相對不均勻，壩體結(jié)構(gòu)較為復雜。在潰決過程中，由于土石顆粒之間的摩擦力和粘結(jié)力不同，壩體的破壞模式呈現(xiàn)出多樣化的特點，可能出現(xiàn)局部坍塌、整體滑動等情況。泥石流堰塞壩則主要由泥石流攜帶的泥沙、石塊等物質(zhì)堆積而成，顆粒大小不均，結(jié)構(gòu)松散，孔隙率大。在潰決時，由于壩體結(jié)構(gòu)的松散性，水流容易在壩體內(nèi)部形成滲流通道，導致壩體迅速失穩(wěn)，潰決過程往往較為迅速和劇烈。壩體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如孔隙分布、顆粒排列方式等，也會影響壩體的抗沖刷能力和滲流特性，從而對潰決過程產(chǎn)生影響?？紫堵瘦^大的壩體，滲流作用較強，容易導致壩體內(nèi)部的顆粒被水流帶走，削弱壩體的穩(wěn)定性；而顆粒排列緊密、結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的壩體，在潰決過程中能夠更好地抵抗水流的沖刷，潰決過程相對緩慢。壩體結(jié)構(gòu)對堰塞壩潰決過程的影響是多方面的，深入研究壩體結(jié)構(gòu)與潰決過程的關系，對于準確預測堰塞壩潰決災害和制定有效的防治措施具有重要意義。五、潰決機理分析5.1滲流與沖刷作用在堰塞壩潰決過程中，滲流與沖刷作用是導致壩體破壞的關鍵因素，它們相互作用，共同影響著壩體的穩(wěn)定性和潰決進程。堰塞壩形成后，壩體上下游存在水位差，在這一水位差的作用下，水流會通過壩體的孔隙、裂隙等通道從上游向下游流動，形成滲流。滲流對壩體穩(wěn)定性的影響是多方面的。滲流會產(chǎn)生滲透力，當滲透力超過壩體材料的抗?jié)B強度時，壩體材料中的顆粒就會被水流帶走，從而導致壩體的結(jié)構(gòu)逐漸破壞。在壩體內(nèi)部，滲流可能會引發(fā)管涌現(xiàn)象，即細小顆粒在滲流作用下從壩體內(nèi)部被帶出，形成管狀通道。隨著管涌的發(fā)展，這些通道會不斷擴大，削弱壩體的強度，最終可能導致壩體的局部塌陷或整體失穩(wěn)。當壩體材料的抗?jié)B強度較低，如壩體主要由細顆粒的砂土或粉質(zhì)土組成時，滲流更容易引發(fā)管涌現(xiàn)象，對壩體穩(wěn)定性造成嚴重威脅。滲流還會改變壩體的孔隙水壓力分布，進而影響壩體的有效應力。根據(jù)有效應力原理，土體的有效應力等于總應力減去孔隙水壓力。當滲流發(fā)生時，壩體內(nèi)部的孔隙水壓力增加，有效應力減小，導致壩體材料的抗剪強度降低。壩體的抗剪強度不足，就容易發(fā)生剪切破壞，使壩體出現(xiàn)滑坡、坍塌等現(xiàn)象。在壩體的下游坡面，由于滲流的作用，孔隙水壓力升高，有效應力減小，使得下游坡面的穩(wěn)定性降低，容易發(fā)生滑坡。這種滑坡會進一步破壞壩體的結(jié)構(gòu)，加速壩體的潰決進程。隨著堰塞湖水位的上升，當水位超過壩頂時，水流開始漫頂，對壩體下游坡面產(chǎn)生強烈的沖刷作用。水流的沖刷力與流速的平方成正比，流速越大，沖刷力越強。在漫頂水流的沖刷下，壩體下游坡面的土體顆粒會逐漸被沖走，導致坡面侵蝕。初期，沖刷可能會在壩體下游坡面形成細小的沖溝，隨著沖刷的持續(xù)進行，沖溝會不斷加深、加寬。在沖溝發(fā)展過程中，水流的集中沖刷會使沖溝兩側(cè)的土體逐漸坍塌，進一步擴大沖溝的規(guī)模。當沖溝發(fā)展到一定程度時，會在壩體下游坡面形成陡坎。陡坎形成后，水流對陡坎的沖刷作用更為集中，侵蝕速度加快。陡坎的高度和坡度較大，水流在陡坎處的流速和能量都顯著增加，使得陡坎表面的土體不斷被侵蝕帶走。隨著陡坎的侵蝕，潰口逐漸擴大，水流流量也隨之增大。在這個過程中，壩體的穩(wěn)定性急劇下降，大量土體被沖刷到下游，加速了壩體的潰決。若壩體材料的抗沖刷能力較弱，如由松散的砂土或風化破碎的巖石組成，在水流的沖刷下，壩體的侵蝕速度會更快，潰決過程也會更加迅速和劇烈。滲流與沖刷作用之間存在著密切的相互作用關系。滲流會使壩體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變得松散，增加壩體的滲透性，從而為沖刷作用提供了更有利的條件。當壩體內(nèi)部發(fā)生管涌，形成大量的滲流通道后，水流在沖刷壩體時，能夠更容易地沿著這些通道深入壩體內(nèi)部，加劇壩體的破壞。而沖刷作用會進一步破壞壩體的結(jié)構(gòu)，擴大滲流通道，增強滲流作用。沖刷導致壩體下游坡面的土體被沖走，使得壩體內(nèi)部的孔隙增大，滲流速度加快，滲流對壩體的破壞作用也隨之增強。這種滲流與沖刷作用的相互促進，使得壩體的破壞過程不斷加劇，最終導致堰塞壩的潰決。5.2重力崩塌與剪切錯動在堰塞壩潰決過程中，重力崩塌與剪切錯動是導致壩體結(jié)構(gòu)破壞的重要力學機制，它們在壩體的不同部位和潰決階段發(fā)揮著關鍵作用。堰塞壩通常由松散的土石堆積而成，壩體內(nèi)部存在大量孔隙和軟弱結(jié)構(gòu)面。在壩體自重以及堰塞湖水體壓力的作用下，壩體內(nèi)部的應力分布極不均勻。當壩體某部位的應力超過其材料的強度極限時，就會引發(fā)重力崩塌。在壩體的上游坡面，由于受到堰塞湖水體的壓力，土體承受著較大的水平推力和垂直壓力。如果土體的抗剪強度不足，在重力和水壓力的共同作用下，坡面土體就會發(fā)生坍塌。這種重力崩塌現(xiàn)象在壩體材料顆粒間粘結(jié)力較弱，如由松散砂土組成的堰塞壩中更為常見。當壩體頂部出現(xiàn)裂縫，且裂縫不斷擴展深入壩體內(nèi)部時，裂縫周圍的土體在重力作用下會逐漸失去支撐，導致上部土體發(fā)生崩塌，進一步擴大裂縫，加速壩體的破壞。壩體在受力過程中，若剪應力超過土體的抗剪強度，就會發(fā)生剪切錯動。壩體內(nèi)部存在軟弱夾層或結(jié)構(gòu)面時，這些部位的抗剪強度相對較低，容易成為剪切錯動的薄弱面。在堰塞湖水位上升過程中，壩體所受的水平推力和滲透力增大，當這些力在軟弱夾層處產(chǎn)生的剪應力超過其抗剪強度時，就會導致軟弱夾層發(fā)生剪切錯動，使壩體沿該夾層產(chǎn)生滑動變形。壩體的下游坡面在水流沖刷和滲透力的作用下，也容易發(fā)生剪切錯動。水流的沖刷會削弱坡面土體的抗剪強度，而滲透力會改變土體的有效應力，降低土體的抗滑力。當剪應力大于抗滑力時，下游坡面土體就會發(fā)生剪切破壞，形成滑坡，進一步破壞壩體的穩(wěn)定性。重力崩塌與剪切錯動之間存在著密切的相互作用關系。重力崩塌會改變壩體的幾何形狀和應力分布，從而引發(fā)或加劇剪切錯動。當壩體上游坡面發(fā)生重力崩塌后，壩體的坡度變陡，土體的重心發(fā)生變化，導致壩體內(nèi)部的應力重新分布，在壩體下部和下游坡面產(chǎn)生更大的剪應力，增加了剪切錯動的可能性。而剪切錯動會削弱壩體的結(jié)構(gòu)強度，使壩體更容易發(fā)生重力崩塌。當壩體內(nèi)部發(fā)生剪切錯動，形成滑動面后，滑動面以上的土體失去了有效的支撐，在重力作用下更容易發(fā)生崩塌。這種重力崩塌與剪切錯動的相互作用，使得壩體的破壞不斷加劇，加速了堰塞壩的潰決進程。5.3漂木對潰決的影響機制在植被豐富的山區(qū)，滑坡等地質(zhì)災害引發(fā)的堰塞壩中常含有大量漂木，這些漂木對堰塞壩潰決過程產(chǎn)生著復雜且重要的影響。漂木在堰塞壩中的分布方式和含量不同，其作用機制也有所差異，主要表現(xiàn)為錨固作用、支撐作用和深潭侵蝕作用。當漂木橫向分布在堰塞壩中時，其對壩體起到了顯著的錨固作用。漂木的枝干相互交錯，與壩體土石顆粒緊密結(jié)合，增加了壩體的整體摩擦力和凝聚力。這種錨固作用使得壩體在水流作用下更加穩(wěn)定，有效抑制了壩體的整體滑動和局部坍塌。在潰決過程中，橫向分布的漂木能夠抵抗水流的沖刷力，減緩壩體材料的流失速度，從而延長潰決過程的時間。在實驗中，漂木橫向分布且含量較高（如15%）的工況下，壩體的變形明顯小于其他工況，潰口下切速率和展寬速度都相對較慢，充分體現(xiàn)了漂木的錨固作用對壩體穩(wěn)定性的增強效果。漂木縱向分布時，主要對潰口側(cè)面起到支撐作用。在潰決過程中，水流對潰口側(cè)面的沖刷容易導致潰口側(cè)向擴展，而縱向分布的漂木能夠在潰口側(cè)面形成一定的支撐結(jié)構(gòu)，阻擋水流的側(cè)向侵蝕，限制潰口的展寬。漂木的存在使得潰口側(cè)面的土體受到的沖刷力分散，從而保持潰口側(cè)面的相對穩(wěn)定。在實驗中觀察到，在漂木縱向分布的工況下，潰口的展寬速度相較于無漂木或漂木橫向分布的工況明顯減小，表明漂木的支撐作用有效地抑制了潰口的側(cè)向擴展，對潰決過程中的潰口形態(tài)和水流流態(tài)產(chǎn)生了重要影響。在潰決過程中，漂木還會引發(fā)深潭侵蝕現(xiàn)象，對潰決過程產(chǎn)生獨特的影響。當水流通過含有漂木的堰塞壩時，漂木會改變水流的流態(tài)，使得水流在漂木周圍形成漩渦和紊流。這些漩渦和紊流具有較強的侵蝕能力，能夠在壩體下游形成深潭。深潭的形成進一步改變了水流的流速和流向，使得水流對壩體的沖刷作用更加集中和強烈。深潭侵蝕程度與漂木的分布方式、漂木量、漂木長度有關。漂木橫向分布條件下深潭侵蝕時間最長、侵蝕坑最大；且漂木越長、漂木量越大，深潭侵蝕持續(xù)時間越長，潰口下切速率越大。在實驗中，漂木橫向分布且漂木量較大的工況下，深潭侵蝕現(xiàn)象最為明顯，潰口縱剖面線呈現(xiàn)出明顯的陡坎，這表明漂木通過引發(fā)深潭侵蝕，對潰決過程中的壩體侵蝕模式和潰口發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究通過物理模型試驗與數(shù)據(jù)分析，對堰塞壩潰決過程展開深入探究，取得了一系列具有重要理論與實踐價值的成果。在實驗過程中，針對四川茂縣疊溪堰塞壩和東川泥石流觀測站大尺度堰塞壩這兩個典型案例，詳細觀測了潰決過程。結(jié)果顯示，兩者均經(jīng)歷漫頂、沖溝侵蝕、陡坎侵蝕等階段，但在侵蝕速度、潰口發(fā)展模式及壩體穩(wěn)定性變化等方面存在顯著差異。四川茂縣疊溪堰塞壩的沖溝侵蝕階段較為平緩，而東川泥石流觀測站大尺度堰塞壩由于壩體顆粒間粘結(jié)力弱，沖溝下切和展寬速度較快。對潰決特征參數(shù)的分析表明，顆粒級配和漂木分布對峰值流量、潰口下切速率和潰口展寬等參數(shù)影響顯著。細顆粒含量高的壩體，峰值流量低，潰口下切速率初期大后期小，潰口展寬以細顆粒流失和坡面坍塌為主；粗顆粒較多的壩體則相反。漂木橫向分布時，峰值流量增大，對潰口下切速率和展寬有抑制作用；縱向分布時，對峰值流量影響小，對潰口下切速率和展寬影響也相