川藏公路南線滑坡泥石流壩潰決影響因素分析

郭國和，吳國雄，程尊蘭

(1.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074;3.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

滑坡泥石流壩是滑坡泥石流從主河岸坡或支溝沖進(jìn)并停淤在主河中形成的，其潰決是一個(gè)很復(fù)雜的自然現(xiàn)象。國內(nèi)有關(guān)泥石流堵塞壩及其危害的介紹始于20世紀(jì)60年代初，首先在研究川藏公路沿線古鄉(xiāng)溝泥石流時(shí)提出了這一問題。柴賀軍、晏鄂川等［1－2］對(duì)滑坡壩穩(wěn)定性、潰壩洪水及環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了大量研究。徐道明、陳儲(chǔ)軍［3－4］對(duì)冰川終磧湖潰決條件和潰決洪水及災(zāi)害進(jìn)行了研究。匡尚富［5］利用動(dòng)量原理分析了泥石流堵江的條件。吳積善、程尊蘭、朱平一等［6－7］對(duì)西藏東南部泥石流堵塞壩進(jìn)行了系統(tǒng)野外調(diào)查和機(jī)理研究。以前學(xué)者對(duì)各種天然壩體有一定研究，對(duì)滑坡壩的研究也比較多，但對(duì)潰壩過程及其影響因素還較少涉及，特別是對(duì)泥石流壩潰決研究更少。筆者以典型災(zāi)害點(diǎn)為依據(jù)，對(duì)影響滑坡泥石流壩潰決主要因素的作用機(jī)理進(jìn)行分析，為進(jìn)一步研究潰壩過程和洪水預(yù)測(cè)提供參考。

1 堵塞壩形成條件和主要特征值

川藏公路南線(西藏境內(nèi))地質(zhì)地貌、氣候、水文與構(gòu)造特征獨(dú)特而又脆弱，為地質(zhì)災(zāi)害的形成提供了充沛的水源、適宜的溝床縱坡和大量松散固體物質(zhì)等條件，導(dǎo)致本區(qū)滑坡泥石流活動(dòng)強(qiáng)烈，規(guī)模巨大，多次堵河形成高大的堵塞壩，堰塞湖蓄水潰決造成慘重的危害。雖然該區(qū)形成堵塞壩的次數(shù)相對(duì)較多，但由于堰塞湖潰決具有突發(fā)性和災(zāi)難性，且當(dāng)?shù)亟煌ㄅc通信條件不發(fā)達(dá)，科研力量薄弱，勘察觀測(cè)條件局限，現(xiàn)場(chǎng)考察代價(jià)太高，所采集到的第一手資料很少。通過對(duì)川藏公路南線實(shí)地考察，根據(jù)目擊者的介紹、堵塞壩形成后的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和有關(guān)文獻(xiàn)，統(tǒng)計(jì)了川藏公路南線有代表性的5次特大型或大型滑坡泥石流堵塞壩形成條件和主要特征值(表1)。

表1 典型滑坡泥石流壩形成條件和主要特征值［6］Tab.1 Conditions and main factors for the formation of typical landslide and debris－flow dams

從表1中可以看出，就所研究的4條溝道而言，其特征值(如流域面積、溝長、溝床比降)差異巨大，年降雨量在750～1360 mm之間，年均氣溫基本在7～13℃，堵塞壩體容重大致在2.0～2.3 t/m3地，支溝與主河基本垂直，匯流處主河寬度有著顯著的差別。這些溝道數(shù)據(jù)大部分是毫無規(guī)律可言的，但均形成了不同規(guī)模的堵塞壩。

2 典型滑坡泥石流堵河事例

2.1 培龍溝泥石流壩

培龍溝位于念青唐古拉山脈東南緣，帕隆藏布下游自西轉(zhuǎn)南拐彎處的右岸(圖1)。地理坐標(biāo)為30°02′00″—30°05′30″N，94°56′45″—94°00′45″E。溝口海拔高程2000 m，為川藏公路西藏境內(nèi)海拔最低點(diǎn)。該溝流域形態(tài)呈啞鈴形，源頭最高峰海拔5828 m，山坡平均坡度達(dá)32°。在海拔2850 m以上的圈椅形圍谷被現(xiàn)代海洋性冰川和常年積雪所覆蓋，山坡及脊峰基巖裸露、巖壁陡峭。下游溝谷形態(tài)呈較寬順暢的“U”型谷地。

圖1 培龍溝泥石流堵河點(diǎn)Fig.1 Location of blockage from Peilong gully

1983—1990年培龍溝發(fā)生了 19次泥石流［6－7］，其中有 3 次規(guī)模巨大，1984 年和 1985 年的特大泥石流均形成堵塞壩，回水淹埋上游6 km的川藏公路和79輛裝有貨物的汽車;潰壩后，涌波又沖毀了下游2 km川藏公路和沿程的5座橋梁，至今這上下游共8 km的路段成為川藏公路著名的“盲腸”，經(jīng)常發(fā)生斷道和翻車事故。

2.2 冬茹弄巴泥石流壩

冬茹弄巴位于帕隆藏布江上游左岸，地理坐標(biāo)為 29°36′59″—29°40′45″N，96°22′05″—96°26′30″E。該溝位于東西走向的拉薩—波密褶皺帶東端，巖性主要為燕山晚期的花崗巖，內(nèi)部節(jié)理發(fā)育。流域內(nèi)地形崎嶇，高差很大，峽谷深切，一般山坡坡度在33°以上，最大在53°以上。流域特征值見表1。該段主河流量不大，再加上溝道很窄，冬茹弄巴泥石流多次堵塞帕隆藏布江(圖2)，最近的一次堵江是1975 年6 月12 日［6－7］，但相關(guān)資料并不多。

圖2 冬茹弄巴堵塞壩殘?bào)wFig.2 Residual blockage from Dongru gully

2.3 米堆溝泥石流壩

米堆溝位于帕隆藏布江中偏上游左岸，地理坐標(biāo)為 29°23′18″—29°32′10″N，96°27′45″—96°35′05″E。流域特征值見表1。1988年7月14日冰舌前緣約3.6×105m3崩入冰川末端光謝錯(cuò)冰湖(圖3)，造成冰磧堤局部潰決，強(qiáng)勁的潰決洪水，沖刷沿程的松散固體物質(zhì)，逐漸演變?yōu)槿葜貫?.70 t/m3的稀性泥石流［6－7］。泥石流只局部堵塞主河，形成了高7m左右的潛壩，沒有形成堵塞壩。

圖3 米堆溝堵河點(diǎn)Fig.3 Location of blockage from Midui gully

2.4 扎木弄巴滑坡壩

該溝于1902年和2000年2次爆發(fā)特大滑坡，堵斷主河易貢藏布，形成了堵塞壩(圖4)。尤其2000年堵塞壩累積高130 m，上游回水長30 km，淹沒了這范圍內(nèi)的一切村寨和農(nóng)田［6］。62 d后堵塞壩潰決，湖水最深處達(dá)110余m，高而兇猛的涌波，沿易貢藏布進(jìn)入帕隆藏布，匯入雅魯藏布江，直瀉我國的墨脫和鄰國印度，蕩凈了兩岸耕地和建筑物，在我國境內(nèi)損失達(dá)2.8億元人民幣。

圖4 易貢湖形成時(shí)的遙感圖片F(xiàn)ig.4 Remote sensing image of Yigong dammed lake

3 堵塞壩潰決影響因素分析

滑坡泥石流潰決是主河水流與溝道特征、壩體幾何形態(tài)以及壩體物質(zhì)結(jié)構(gòu)等多種因素共同作用的結(jié)果。具體來說，包括河道、堵塞壩、壩體與主河的夾角等各方面的參數(shù)，如河岸崩滑情況、河道順直程度、水位上漲速率，堆積體規(guī)模、壩體力學(xué)指標(biāo)、化學(xué)成分、巨礫含量與分布、含水量、密實(shí)度、空隙率、壩體沖蝕速率、壩體變形、管涌滲流以及流域質(zhì)地貌特征、流域面積、自然環(huán)境條件(氣溫、降雨等)、冰雪崩、冰湖潰決或大規(guī)?；?含崩塌)、地震活動(dòng)等。筆者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研成果，重點(diǎn)對(duì)影響堵塞壩潰決的以下因素進(jìn)行分析。

3.1 河道特征

3.1.1 主河流量

壩上游水位的上漲速度直接影響溢壩水量和溢壩后沖刷速度。在河道和壩體確定的情況下，主河流量越大，湖水位就上漲越快，越容易溢壩。上游水量越大，溢壩水流流速和流量也越大，可以直接控制壩體的潰壩過程。

3.1.2 河道縱比降

河道縱比降是河流動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù)，庫區(qū)水溢壩后，水流在壩體下游坡面上沖刷。錢寧提到平衡比降的概念，即當(dāng)河床縱比降大于平衡比降時(shí)沖刷過程繼續(xù)，直到小于平衡比降時(shí)沖刷停止［8］。他采用Meger－peter的推移質(zhì)公式推導(dǎo)，沖刷平衡比降可以表示為:

式中:D為床沙平均粒徑;D90為床沙中90%的重量較之為小的粒徑;n為床面曼寧系數(shù);h為水深。

另外，J對(duì)最大沖刷粒徑也有重要作用，Harrison［8］的水模型試驗(yàn)中:

式中:c是反映大小顆粒間相互作用的參數(shù);rs和r為泥沙和水的容重;Rb′和J分別是洪水泥沙阻力水力半徑與比降，可見縱比降對(duì)潰決過程和潰壩規(guī)模的影響力巨大。

3.1.3 河寬

雖然堰塞湖在開始潰決時(shí)，河流上游來水量是控制壩體能否潰決以及潰決時(shí)機(jī)的因素，但是一旦潰決發(fā)生，影響潰決洪水流量的決定因素就不是上游來水量了，堵塞壩潰決所形成潰決洪水流量往往是河道流量的數(shù)百上千倍，這一點(diǎn)可以從幾個(gè)堵塞壩潰決事例中清楚地看到。通過分析一些水利工程中土石壩潰決的研究成果發(fā)現(xiàn)，堵塞壩潰決的洪峰流量與上游庫區(qū)水的勢(shì)能有密切關(guān)系。例如，1988年Costa等［9］從能量觀點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合12個(gè)具體實(shí)例建立了如下關(guān)系式［9］:

式中:Q為潰壩洪水的流量;PE為堰塞湖水潛在勢(shì)能。因此，決定堵塞壩形成的庫容的河道參數(shù)——河寬和河床比降同樣成為控制潰決過程和潰決流量的重要因素。

另外，從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，幾乎所有影響較大的滑坡泥石流堵河事件，其上游河道通常較寬。這就說明堵塞壩的形成與河寬也存在相當(dāng)?shù)年P(guān)系。在主河流量一定的情況下，主河道寬越寬，越容易形成堵塞壩。其原因在于，大的河寬使滑坡泥石流沖入主河后，鋪展面大，流速衰減較快，庫區(qū)水位上漲緩慢，需要相對(duì)更長的時(shí)間才能漫頂溢壩，這段時(shí)間堆積體可能由于脫水和重力堆積作用而強(qiáng)度提高，能夠穩(wěn)定下來。當(dāng)然，如果未能穩(wěn)定下來，堰塞湖蓄積大量水體，潰壩洪水會(huì)更大，可能造成的災(zāi)害將更加嚴(yán)重。

3.1.4 其它河道因素

同樣的道理，由于河道邊岸的坡度對(duì)庫容大小有貢獻(xiàn)，所以也對(duì)潰壩洪水過程有影響。但是根據(jù)典型事例對(duì)比分析認(rèn)為，其影響力遠(yuǎn)不如前幾個(gè)因素重要。

3.2 堵塞壩壩體特征

3.2.1 壩體幾何形態(tài)

由于堵塞壩是突發(fā)性形成的，其橫斷面一般不規(guī)則，而且壩體形成后往往很快潰決，因此很難對(duì)壩體斷面尺寸統(tǒng)一化。泥石流壩潰決一般有2種方式:①壩頂溢流后壩體下游坡面被沖刷，逐漸溯源拉通壩頂，產(chǎn)生潰口進(jìn)而潰決;②堵塞壩過流后，或者沒有過流時(shí)，由于巨大的滲透水壓力和壩體下游坡面太陡，容易使堵塞壩失去穩(wěn)定性，壩體下游坡面上泥石流物質(zhì)再次啟動(dòng)而潰壩。可見，堵塞壩下游坡面的坡角是控制壩體穩(wěn)定性的最重要結(jié)構(gòu)因素。而上游坡角與河道上游流速以及壩體物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，一般是稍大于下游坡角，對(duì)潰壩過程影響不如下游坡角大。

壩體高度是堵塞壩最主要的形態(tài)因素，也是控制潰壩洪水大小的關(guān)鍵要素。這一點(diǎn)，在徐道明和陳儲(chǔ)軍［3－4］研究冰川終磧湖潰決時(shí)亦得到認(rèn)可。Costa公式中庫區(qū)水的勢(shì)能主要靠壩體高度控制，而且相對(duì)于河寬對(duì)庫區(qū)水的勢(shì)能的影響，它還可以反映出平均勢(shì)能的概念。即，相同庫區(qū)水勢(shì)能，如果堵塞壩較高，則平均每立方米水的勢(shì)能就較高，在潰壩后轉(zhuǎn)變?yōu)楹樗膭?dòng)能和流速就越大，沖刷能力越強(qiáng)，潰口發(fā)育快，在達(dá)到?jīng)_刷平衡比降之前庫區(qū)水下泄需要相對(duì)較短的時(shí)間，洪峰自然增大。

由于滑坡泥石流的堆積特性，使堆積壩頂存在一定傾角，而傾角的存在影響到壩體潰口出現(xiàn)的位置和潰決過程。壩頂傾角的形成與物質(zhì)的流變性以及滑坡泥石流的規(guī)模都有關(guān)系，不同的壩體其壩頂傾角往往相差很大，而且壩體形成后一般很快就被水流沖刷，所以很少有壩頂?shù)脑敿?xì)記錄，難以把握堵塞壩壩頂?shù)奶卣鳌?/p>

3.2.2 壩體物質(zhì)的密度和顆粒級(jí)配

泥石流壩潰決后，潰決過程結(jié)束可以是2種情況:①堵塞壩潰決到底，同時(shí)庫區(qū)中的水完全排出，河道流量恢復(fù)正常;②堵塞壩潰決后，潰決洪水在壩體寬闊平緩的下游坡面上沖刷，最終達(dá)到?jīng)_刷平衡。在公式(1)中，參數(shù)D起的作用是很大的，但是該公式中使用的是平均粒徑，而實(shí)際壩體潰決與滑坡泥石流物質(zhì)中的巨大石塊數(shù)量和分布情況有很大關(guān)系。這是因?yàn)?，通常潰壩洪水流量較大，只有特別大的石塊才能在這樣大的洪水中穩(wěn)定下來。例如，所考察的拉松錯(cuò)湖，就是數(shù)百年前泥石流堵江后壩體經(jīng)過沖刷最終穩(wěn)定下來，在湖的出口處全是由直徑1 m左右的巨石組成的急灘，這也證明了堵塞壩物質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)壩體穩(wěn)定性的重要作用。

壩體物質(zhì)密度和顆粒級(jí)配參數(shù)集中反映了壩體的物理力學(xué)性質(zhì)(主要為黏聚力和內(nèi)摩擦角等抗剪強(qiáng)度指標(biāo))。由于壩體顆粒級(jí)配分布范圍大，粒徑從十幾米的巨石到非常細(xì)膩的黏土都有，而且堆積無分選性，因此，堆積體密度的概念意義并不大，而級(jí)配則直接影響到其抗沖刷性、壩體穩(wěn)定性以及抵抗水流滲透和管涌的能力。

3.3 壩體與主河夾角

在前人研究泥石流堵河判別條件時(shí)，支溝與主河的夾角均被作為一個(gè)參數(shù)［5－6］。從實(shí)例分析也不難發(fā)現(xiàn)夾角對(duì)堵塞壩形成與潰決的重要貢獻(xiàn)，如果該夾角很小，泥石流體將幾乎順河而下，難以堵塞河道。由于支溝與主河夾角的存在，在主河水流的沖刷推移作用下，泥石流壩與主河也必然存在一定夾角。它影響著壩體受力和壩前壅水水位變化，從而影響潰壩時(shí)機(jī)和潰壩進(jìn)程。此夾角越大，同條件下壩體軸向長度越小，穩(wěn)定性相對(duì)較好，越不易潰壩，但潰壩過程則會(huì)較快。對(duì)于滑坡壩而言，堵塞壩與主河夾角的影響也類似于泥石流壩。

4 結(jié)語

1)影響堵塞壩潰決的主要因素為河道上游來水量、河寬、河床比降、壩體高度、壩體下游坡面傾角、壩體物質(zhì)組成，其中以壩體高度和壩體下游坡面坡度最為關(guān)鍵。由于潰壩資料匱乏和影響因素的交織性，未能對(duì)這些影響因素進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

2)通過對(duì)滑坡泥石流壩潰決的研究，啟示我們不能忽視小樣本事件，應(yīng)重視現(xiàn)場(chǎng)原始數(shù)據(jù)的采集和積累，特別應(yīng)對(duì)公路沿線地質(zhì)水毀災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)研究，多技術(shù)融合，野外調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析相配合，深入研究災(zāi)害機(jī)理與防治技術(shù)。

3)研究結(jié)果可以為進(jìn)一步的堵塞壩潰決模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬提供基本資料，對(duì)野外堵塞壩潰決洪水預(yù)測(cè)的參數(shù)采集、對(duì)河道沿線川藏公路以及農(nóng)田水利設(shè)施防災(zāi)減災(zāi)具有一定的指導(dǎo)意義。

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