Qualitative analysis of the overtopping-induced failure of noncohesive landslide dams: Effect of material composition and dam structure on breach mechanisms
01摘要
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滑坡坝由宽级配材料组成，其特点是结构不均匀，控制着溃坝机制。然而，对不同材料组成的单结构坝和反级配结构坝的破坏特征研究还不够。本文通过一系列水槽试验，研究了非粘性坝体材料和反级配结构对滑坡体溃坝过程及溃坝后溃坝机制、水力特性和残坝参数的影响。结果表明，溃坝过程受坝体材料组成和坝体结构控制。粗粒度坝因渗流而保持稳定，中粒度坝因头部切割和向后侵蚀而破坏，细粒度坝因层状侵蚀而破坏。粗粒度覆盖层的反级配坝主要表现为向后侵蚀或滑动与向后侵蚀相结合，中等粒度覆盖层的反级配坝主要表现为顶切和向后侵蚀。单结构坝的最大侵蚀速率出现在加速溃坝阶段，逆级配结构坝的最大侵蚀速率出现在初始漫顶或加速溃坝阶段。根据断裂过程和侵蚀特征提取了四种纵向演化模式。另外，可以通过测量溃口宽度来估计溃坝时的流出流量，溃口宽度定义为溃口波峰两端在溢流面上的直线距离。单结构坝的峰值流量和残坝参数对料体中位直径都很敏感。反级配结构坝的这些参数都在由顶层材料和底层材料组成的坝的观测值范围内。单结构和反级配结构坝的初始冲过期和反向冲蚀期分别占总溃决期的10% ~ 35%和36% ~ 66%。当考虑顶层材料来表征逆级配结构坝的材料特征时，在预测决口参数时会出现严重的误差。
02图表
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03结论
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本文通过一系列的模拟试验研究了不同材料组成和坝体结构的滑坡坝的漫顶特征。综合分析了溃决过程、纵向演化规律、水力参数和残坝参数。讨论了影响冲蚀性状特征的因素以及逆级配结构对冲蚀性状参数的影响。得出以下结论:
(1)滑坡坝溃决过程受坝体物质组成和坝体结构的支配。粗粒坝通过渗流保持稳定，中粒坝通过头部切割和反向侵蚀破坏，细粒坝通过层状侵蚀决口。粗粒度覆盖层的反级配结构坝主要是向后侵蚀或滑动-向后侵蚀复合破坏，中等粒度覆盖层的反级配结构坝主要是头切和向后侵蚀破坏。
(2)单结构坝在加速溃坝阶段冲刷速率最大，逆级配结构坝在初始漫顶或加速溃坝阶段冲刷速率最大。根据断裂过程和侵蚀特征，导出了四种纵向演化模式。单结构坝的两种模式均表现为阶梯式池侵蚀，然后围绕固定支点逆时针旋转，侵蚀剖面沿水流方向由凹向线性过渡，侵蚀点固定在坝趾。反级配结构坝的两种模式均表现为纵向凹形，侵蚀点向上移动，反坡角减小，冲刷坑侵蚀后再逆时针旋转侵蚀。
(3)通过测量溢流面上的缺口宽度，可以估算滑坡坝的出流流量。单结构坝的洪峰流量随材料组成中位数直径的增大而减小，而反级配结构坝的洪峰流量大于顶层材料筑坝的洪峰流量，低于底层材料筑坝的洪峰流量。对于单一结构和反级配结构坝，初始过顶溃阶段和反向冲蚀阶段分别占总溃决时间的10% ~ 35%和36% ~ 66%。
(4)溃坝后，由于物质的选择性侵蚀和沉积，形成残坝。对于单结构坝，残坝高度和下游坡角随坝料中径的增大而增大。对于反级配结构坝，残坝高度和下游坡角均落在由顶层材料和底层材料构成的坝的观测值范围内。
(5)采用顶层材料表征逆级配结构坝，会导致溃决参数分析出现较大误差。试验结果表明，洪峰流量为试验值的0.4 ~ 0.7倍，溃决持续时间为试验值的1.1 ~ 1.6倍，残坝高度为试验值的1.1 ~ 1.5倍，下游坡角为试验测量值的2.0 ~ 3.9倍。
结果表明，滑坡坝的溃决过程、演化模式和溃决参数受坝体材料组成和逆级配结构的影响。附加材料特性、大坝结构特征的影响以及大坝结构与溃决参数之间的定量关系将在未来的研究中进一步探讨。
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