堤防溃口特征分析及水流特性研究评述

颜志庆，李 琪，马洪福，刘明潇

(1. 华北水利水电大学水利学院，郑州 450045； 2. 华北水利水电大学水力学及河流研究所，郑州 450046)

我国是一个洪水多发，溃口频生的国家。在所有的自然灾害中，洪水自身造成的灾害比约占一半；同时，在我国比较常见的自然灾害中，洪灾发生的频率、影响范围及所造成的损失情况均居前列[1]。据统计，在过去将近150年中，黄河大堤发生决口96次；在我国每年因洪水灾害平均每年经济损失达150～200 亿元人民币，占全年主要灾害损失的30%～30.3%[2]。洪水灾害不仅对附近居民的生命财产安全造成威胁，更严重影响到社会结构的稳定和经济发展。而在众多洪水险情中，堤防溃口是造成损失最严重、影响面最大、抢险最为艰难的[3]。

堤防作为最重要、最常用的防洪举措之一，大多数修建在江河两侧或其他水体的外侧，用来约束水流以防止洪水肆虐危害附近。而土堤由于取材方便、建造成本低、被广泛应用。然而堤防是自然工程，由于技术条件的限制不能够保证它的绝对安全；当产生的洪水超过堤防的抵御能力，或在汛期抢险不当或不及时，都会导致堤防出现溃口[4]。如：2010年，江西扶河位于灵山何家段的唱凯堤发生溃口，最终溃口宽度为348 m，由于堤防溃决导致外泄水量2.73 亿m3，淹没3个乡镇，受淹面积约84.2 km2，最终造成经济财产损失约9 亿元[5]；1998年8月7日, 长江九江段决堤50 m，溃口处流速高达4.5 m/s[6]，导致九江市40万人的生命财产安全受到严重威胁，最终总共沉入9 只船，最大150 t，最小70 t于8月10日将溃口封堵，造成直接损失1 407 万，间接损失900多万；2016年7月10日，湖南省华荣河新华垸发生大型溃口，溃口宽度47 m，流速2.61 m/s，水深6.87 m，水势严重，最终不惜采用“卡车敢死队”的方式，向溃口投入8辆30t重的大卡车将溃口封堵[7]。

江河溃决关乎国计民生，溃口堵复十万火急。目前江河堵口所采用的方法，均是向溃口自由抛投堵口物料，大都抛投柳枕石，土工包，大块混凝土等材料；由于其在溃口处的水下稳定性系数仅为0.7～0.8而导致堵口所需时间长，甚至绝大多数堵口物料因为稳定性差而在高速水流中常被冲散并冲向下游导致堵口物料利用率低，通常现场堵口物料的实际使用量为理论计算的1.5倍，如果遇到急流甚至高达2倍以上，因此堵口物料所需费用是巨大的[8]。同时自由抛投的堵口物料在溃口处仅仅依靠自重来维持稳定，它会因承受高速水流的作用或因自身重力不足而难以达到稳定状态被冲向下游；当用自重过大的抛投物料时，又会因溃口现场条件而受到限制。因此当遇到落差较大，流速较高的大型溃口时，甚至不惜沉船沉车。目前溃口抢堵方法大都具有耗费时间长，堵口物料利用率，低安全等缺点。堤防溃口发生机理和溃口堵复技术是近半个世纪以来国内外研究热点之一，也是我国防灾减灾领域的重点研究课题。为此，笔者针对国内外堤防溃口的类型、发展因素、形成特征和堵口技术等研究现状进行了简要评述，重点阐述了堤防溃口堵复的技术研究和模拟试验方法，同时给出了堵口新技术需要解决的关键技术问题，以期为堤防溃口的发生、发展及堵复等问题的研究起到推动作用。

1 堤防溃口水力边界特征分析

1.1 堤防类型

堤防是指为约束水流外溢而修筑的挡水建筑物，通常修筑在江、河、分洪区等外侧[9]；其作用为抵御超标准的大洪水泛滥而影响附近居民的生命财产安全以及威胁国家财产安全造成社会经济损失。根据堤防所在的位置不同可分为河堤、海堤、湖堤、水库堤防和渠(沟)堤等；根据承担的功能不同可分为防洪堤、防潮堤、防波堤、防沙堤、濳堤、护城堤、导航堤、导流堤，历代治河中还有刺水堤、减水堤、遥堤、格堤和月堤[4]等；根据建造的材料不同，堤防划分为土堤、砂堤、石堤以及混凝土堤4种，见表1。

表1 堤防类型(按建筑材料划分)

土堤是在众多堤防中修建过程最为复杂，受水流作用影响最强，同时也是应用最为广泛的堤防之一。土堤分为黏性土堤与非黏性土堤两种；非黏性土堤大多由砂壤土建造，由于砂壤土颗粒较粗，比表面积相对较小，黏性矿物质成分很少，粒间的黏聚力较小，因此抵抗水流的主要作用力为泥沙颗粒的有效重力，并且过大的土颗粒间隙容易导致水流的渗流、管涌等破坏；而黏性土堤是由黏性土建造而成，黏性土颗粒比表面积通常较大，并且大量的黏性矿物质成分增强了颗粒间物理化学作用，土颗粒之间的紧密结合能够很好地防止渗水现象的发生，因此颗粒间的黏结力是黏性土堤防的主要抗冲力。近几年来，国内外不少工程多选用人工加砾黏土或砾质黏土来完成堤防土方填筑[10]。

1.2 堤防溃口类型及溃口发展的影响因素

1.2.1 堤防溃口类型

根据引发堤防溃口的主要动力，可将堤防溃口划分为水力溃口型和非水力溃口型两大类。水力溃口型按照水作用的形态不同可分为漫溢溃口、冲刷溃口、渗透溃口、凌汛溃口等4类；非水力溃口型主要包括出于战争目的的溃口和地震诱发的溃口两类[11]。

1.2.2 影响堤防溃口发展的因素

堤防溃口发展的影响因素主要包括以下3个方面：一是溃口处的水动力因子，包括河道流量、河道水位及其变动情况以及波浪的作用；二是溃口处的边界条件，主要指筑堤材料的物理特性(黏性土、非黏性土)以及堤防的结构特征等；三是溃口持续时间。在堤防发生溃口时，以上三个影响因素即相互影响又相互制约。

当水流动力因素作用相对较强时，此时由于堤内、外水位的大落差将产生溃口处大流速，筑堤材料会因无法抵抗水流的冲刷作用而导致溃口迅速扩宽，同时伴随溃口断面面积的不断增大，水流的水动力作用将会渐渐减弱，表现为流速的减小。溃口的边界条件，即其口门形状，与洪水发生时间及堤防的建造材料特性密切相关；当堤防的建造材料为砂壤土时，由于砂壤土的内黏聚力小、相互之间的作用力小，溃口断面因容易被水流冲刷迅速增大，最终形成的溃口断面形状为矩形；当堤防的建筑材料为黏性土壤时，由于黏性土颗粒之间的相互作用力，即黏聚力较大，溃口会抵御水流的作用很难被冲刷，形成的溃口断面形状为三角形或梯形。同时水流对堤防的冲刷时间越长，溃口断面形成越大、堤防所受破坏越大；洪水持续时间越短，对堤防的影响越小。因此对于溃口的发展，水流的冲击作用使溃口的边界发生改变，溃口边界的变化反过来会对水流产生约束，以上两者的相互影响最终决定了溃口断面的变化过程及形状。

1.3 堤防溃口发展过程

土堤溃口形成的原因不同，导致其发展过程不同。目前土堤溃口的产生大多是由于漫溢和管涌而导致的，那么针对这两种情况来具体说明。

(1)由于漫溢导致堤防溃口形成的过程，主要分以下4个阶段：

第一阶段：从堤防顶部漫溢开始，当下游面的侵蚀发展到峰顶的下游边缘时结束。这个阶段会导致上下游很长一段堤防被水流侵蚀，水流不仅侵蚀堤防下游面还可能侵蚀堤防顶部的局部薄弱处。一旦侵蚀现象发生，侵蚀地区的湍流将会加速堤防的侵蚀过程。

第二阶段：在阶段一结束时开始，当水流侵蚀进行到顶部的上游边缘时结束。如果在这个过程中水位下降，在第一或第二阶段的堤防可能不会出现溃口。

第三阶段：在第二阶段结束时开始，当水流已经侵蚀到堤防基础时结束。

第四阶段：在阶段三结束时开始，当溃口完成成型时结束。

(2)由于管涌导致堤防溃口形成的具体过程如下：

第一阶段：在首次观察管涌出现时开始，但土堤中的土不发生移动，此时堤防中的土壤与渗透水流混合在一起。

第二阶段：从阶段一结束时开始，并在堤防顶部崩溃时结束。 在第二阶段，由于堤防顶部已经出现溃口其附近的部位的材料会停止移动。

第三阶段：在阶段二结束时开始，当水流已经侵蚀到堤防基础时(类似于漫溢的第三阶段)结束。

第四阶段：在阶段三结束时开始，并在溃口完成成型时结束。

通过分析这两种情况下溃口的形成过程发现：虽然各种堤防溃口类型的初始阶段趋向于不同，但堤防溃口形成的最后两个阶段是相似的。第三阶段堤防的基础被水流侵蚀，由于堤防基础的土壤结构被破坏，被侵蚀堤防的基础失去稳定；第四阶段溃口已经形成并最终达到稳定状态。高速水流的作用使溃口快速形成，当发现溃口并开始调动人力物力来进行抢堵时，堤防溃口往往已经处于第三阶段以后。

1.4 堤防溃口理论公式

对于堤防溃口水利要素的理论计算可采用溃坝公式及宽顶堰公式对溃口处的水力参数(流量、流速)进行计算和验证。

1.4.1 溃坝公式法验证

溃堤和溃坝都属于非恒定含间断的浅水问题[12]．因此在计算和验证堤防溃口处泄流量时，根据谢任之[13]在《溃坝水力学》中提出的溃坝坝址峰顶流量计算公式：

(1)

式中：Q为峰顶流量，m3/s，在此指堤防溃口处洪峰最大流量；B为坝址河谷宽度，在此指堤防溃口中轴线处的宽度；H0为溃坝前上游水深，在此指堤防出现溃口处上游水深；g为重力加速度(9.81 m/s2)。

任何一个耐密型玉米品种必须通过品种审定，经过多点试验、示范，才能大面积推广应用，否则就会带来麻烦和减产损失。2011年建昌县某经销商因为没有试验，直接大面积推广一个品种，结果造成严重减产。

1.4.2 宽顶堰公式法验证

土堤防由于漫溢、渗流等作用出现溃口时，根据刘默，韩程起[14]在河道堤防模拟溃口水力计算简化算法研究一文中提出，往往因堤防的上游河床为淤泥质河床，在高速水流的冲击下因淘刷作用导致上游河床出现一定的下陷，并在确定典型研究溃口对象时，堤防溃口处的下游侧为土质漫滩区，可见堤防溃口的最终形态与宽顶堰的形式相似，如图1所示，Z0为河道水位，Z1为滩区水位，V0为溃口流速，V1为河道流速。

图1 堤防溃口纵断面Fig.1 Longitudinal section of the levee breaches

故根据宽顶堰流公式对所确定的溃口参数进一步验证。

(2)

式中：H0为堰顶全水头，在此带入堤防溃口处上游水深；b为断面宽度，在此带入堤防溃口宽度；m为堰的流量系数，取决于口门的进口形式和堰的相对高度P1/H，可用下列经验公式计算：

对于口门入口近似为直角的宽顶堰：

(3)

对于口门进口近似为圆角的宽顶堰：

(4)

侧向收缩系数ε计算公式为：

(5)

上游河床被淘刷的堤防溃口形状虽与宽顶堰相似，但堤防溃口上游为主河道，来流面积更广，示意图见图2，故根据公式(3)，在计算侧向收缩系数时，A1相比A2为无限，A2/A1=0，则侧向收缩系数取为0.57。

图2 宽顶堰示意Fig.2 The sign of wide weir

2 溃口水流特性研究

2.1 溃口水流数值模拟研究

20世纪末以来，国内外学者针对堤坝(防)溃口处的水流特性和溃口发展机理建立了相关数学模型并进行了数值模拟。Zhang X. F. 等[20]提出了一种平面二维非均匀沙的数值模型，模拟了溃坝后的河床变形过程。陈裙等[21]在已有平面而二维非恒定、非均匀沙不平衡悬移质泥沙数学模型模拟堤防出现溃口完整演变过程的基础上，通过考虑溃口横向宽度变化过程的模拟，并借鉴Daffy提出的分析湿性土河岸稳定性的方法，创建了一种能够模拟堤防溃口宽度变化数学模型。宋利祥[27]提出以堤防溃口处的高速水流作为研究对象，并以二维浅水方程Godunov型有限体积法为基础，建立了适用于不规则计算域和地形上溃堤洪水演进的高性能二维数学模型来展现溃堤处高速水力的性质。之后，袁晶等[28]利用动网格技术，结合土力学中黏性土河岸的崩塌机理，建立了可变网格下的堤防溃口展宽二维数学模型。Han, K. Y.等[22]通过研究一种从破裂堤防洪泛波传播的组合，建立一维和二维流体动力学模型，同时该模型以1990年9月12日至13日在韩国汉江发生的堤防溃口为例，采用一维模型通过Preissmann方法解决了Saint-Venant方程，二维模型通过积分有限差分法求解了扩散波方程。同样的，Yohannis Birhanu Tadess等[25]通过建立二维水动力(Telemac2D)洪水模型，来模拟2013年6月在德国万治河产生的堤防溃口。S. Huang等[26]通过建立模型并扩展到纳入准二维方法和蒙特卡罗分析来进行溃口洪水敏感性分析，以确定水力条件和边界条件对所得水流的敏感性。并用德国易北河的一个堤防溃口进行验证。苑希民等[32]提出为解决河道洪峰流量增大和漫溃堤长历时相伴发生的洪灾现象，借鉴全二维气相色谱理论提出全二维水动力模型概念，建立了模拟河道和灌区洪水演进的漫溃堤洪水联算全二维水动力模型，并采用Roe格式的近似Rie-mann解对界面通量进行数值求解。溃口数值模拟研究尚只能初步研究堤防溃口处水力特性以及预测堤防溃口未来的发展走向，对于溃口处边界条件的真实性及准确性尚缺乏优化研究。

2.2 溃口水流模型试验研究

溃口水流研究机理分为溃坝和溃堤研究，两者溃口前后的水流特性具有本质上的不同。溃坝前的水流基本处于静水状态，溃坝后水流方向基本垂直于坝轴线；而溃堤前的水流为动水，流速方向基本平行于堤防轴线，溃堤后口门水流成为大河支流。目前国内外学者针对溃坝、溃堤进行了水流物理模型研究。溃口水力模型试验可以为溃口处洪水动力学分析和数值模拟研究提供较为完整的数据资料，但由于研究规模大、经费高、花费时间长等原因，针对现有溃口的水流物理模型试验研究非常有限。针对溃坝的水力模型试验研究，Frazão、Bellos等[29]人分别在渠道上和变截面水槽开展了溃坝水流实验，揭示了溃坝洪水波在干底斜坡上的流动特征，以及二维溃坝洪水在收缩段和扩宽段的运动规律。针对溃堤的水力模型试验研究，孙芦忠等[30]进行了堤防决口的水力学模型试验研究，在满足相似理论的前提下,对不同口门形状、几何尺度和水头的决口模型进行水力学试验，获得了决口口门附近的流场分布、流量、流速和水面线等重要水力学参数的变化规律,并给出了计算矩形、U形和V形口门流量的经验公式，试验研究成果为进行大型决口抢险提供重要的科学依据。Roger等[29]关注到了溃堤与溃坝的区别，通过物理模型实验研究和分析了河道水流影响下溃堤后期趋于稳定时分洪水流的特性，但其设计的物理实验仅测量了溃堤完全稳定后的水面情况，不能提供变化过程中的水面数据。王党伟等[31]根据溃堤机理研究的基础上进行了漫顶溃堤水槽试验，分别以溃堤内外水位差、流量、堤身材料以及密实度作为变量进行了多组试验，记录了水位和溃口的发展过程，为溃堤水沙数学模型的建立提供了理论基础。之后，陆灵威[29]则通过物理模型实验，模拟了溃堤发生时河道和洪泛区内水流过程，采用压力传感器阵列和声学多普勒流速仪对溃堤洪水演进过程中的关键物理量进行了测量，分析研究了洪泛区内洪水波的传播特征、河道内溃口上下游落水波的不对称性和溃口流量过程，实验成果弥补了当前河道溃堤实测和实验资料不充足的现状，为河道溃堤洪水基本特性和演变规律研究提供基础的实验资。张晓雷[32]进行了堤漫滩洪水的概化模型试验，模拟了生产堤溃决后主槽内的水位变化及不同程度漫滩洪水的传播过程。综上所述，溃口研究不仅需要关心洪水演进程，还需要了解口门局部区域的流场。物理模型实验不仅可以弥补实际观测的困难和不足，还可以为数值模拟提供研究数据。因此，相对于数值模拟和实际观测来说，物理模型试验是一种便于测取溃口洪水各项数据的可靠的研究方法。

3 堤防溃口水力特征研究的认识与建议

(1)监测和决策系统的建立与完善。堤防溃口发生时间短，持续时间长，造成损失大，更快、更高效的加强堤防出险排查，是各级河务部门更加关注的问题。从源头预防堤防溃决发生，建立一套完善的汛期堤坝实时监测网络系统十分必要；处理堤防出险，还需建立和完善堤防抢险决策系统。

(2)溃口堵复技术的关键技术问题。溃口堵复难在溃口口门比降大、流速高，抛投物很难在河床稳定生根；而过大的抛投物又受到投放机械设备的限制。堵口物料成体消杀水势有助于提高溃口堵复效率，因此开发更为先进、科学的溃口河床固结技术与抛投方法十分必要，快速高效的溃口堵复技术必须解决：溃口抛投物迅速生根与抛投体迅速扩展两个关键技术问题。

(3)数值模拟与物理模拟相结合的溃口及堵口研究方法。数值模拟研究为实际溃口抢堵提供研究基础及为以后的经验总结提供验证手段，但由于堤防溃口处边界条件具有一定的不确定性和特殊性，且在模拟的过程中边界条件的理想化导致误差存在，而物理模型试验可以真实的模拟现场运行环境和水流运动状态，但缺乏溃口发生机制的定性分析和预判能力，因此数值模拟与实际试验相结合是研究溃口和溃口堵复技术的高效研究方法。

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