冰磧湖潰決災(zāi)害評估及應(yīng)急泄流技術(shù)

解家畢，丁留謙，張啟義

（中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

冰磧湖是冰舌表面湖擴(kuò)展的結(jié)果，或是由終磧/側(cè)磧堰塞溝谷積水形成的湖泊。在全球氣候變暖、高海拔地區(qū)特別是熱帶高海拔地區(qū)變暖趨勢更為明顯的背景下，冰川普遍退縮，冰川災(zāi)害事件增多，冰磧湖變得不穩(wěn)定，潰決風(fēng)險增大。

一、冰磧湖潰決的誘因與災(zāi)害評估

冰磧湖潰決的誘因與潰決機(jī)制是兩個不同的概念，前者是指導(dǎo)致冰磧湖潰決因素，后者是指冰磧湖潰決洪水形成過程。潰決誘因主要有冰/雪崩、降水以及冰內(nèi)湖水釋放等引起的冰磧湖水位上升、冰磧壩內(nèi)死冰消融、堤壩管涌擴(kuò)大、地震等。Yamada在研究尼泊爾境內(nèi)喜馬拉雅山冰湖時，把冰磧湖潰決誘因分為外部誘因(如冰/雪崩、降雨、地震等)和內(nèi)部誘因(如冰磧壩內(nèi)死冰消融、管涌等)。許多冰湖往往是某一種誘因激發(fā)其他因素改變，或者多種誘因共同作用導(dǎo)致潰決。通過Richardson和 Reynolds等學(xué)者的分析可知冰崩和冰滑坡是冰磧湖潰決的主要誘因。

冰磧湖潰決風(fēng)險評價指標(biāo)體系大致可分為定性、半定量和定量三類。王欣根據(jù)McKillop等在篩選冰磧湖潰決參數(shù)時把評價指標(biāo)分為冰磧湖參數(shù)、冰磧壩參數(shù)、母冰川、冰湖盆參數(shù)以及它們之間相互關(guān)系的思想，歸納得出冰磧湖潰決風(fēng)險評價指標(biāo)如表 1。

表1中各項指標(biāo)能定性、半定量地評估冰磧湖潰決風(fēng)險。近年，定量估算冰磧湖潰決風(fēng)險研究也取得較大進(jìn)展。有學(xué)者將母冰川危險冰體的體積與湖水體積比值(R)的倒數(shù)定義為冰湖潰決危險性指數(shù)(Idi)，即Idi=1/R，R值越大其發(fā)生潰決的概率越小，并計算出西藏若干個冰湖的潰決危險性指數(shù)變化于0.054～0.73之間。

在冰磧湖潰決過程中常伴有泥石流發(fā)生。潰決洪水流經(jīng)的下游河床比降小且山谷開闊時，或者河段泥沙少，則僅發(fā)生洪水或“碎屑洪水”（debris flood）。如果河床比降足夠大，且攜帶大量泥沙，則潰決洪水將轉(zhuǎn)化為泥石流（debris flow），潰決泥石流顯示為黏塑性且為層狀。如果不能準(zhǔn)確估計潰決洪水的流動特性，即對潰決洪水仍保持為洪水還是將轉(zhuǎn)化為泥石流估計錯誤，則會導(dǎo)致減災(zāi)措施的不合理，造成不必要的設(shè)施損壞和生命損失。

潰決洪水（泥石流）的流動特性包括洪峰流量、潰決泥石流量、行進(jìn)距離和淹沒面積等特性。其中，洪峰流量是最重要的一個量值；潰決泥石流體積將影響行進(jìn)距離和淹沒面積，也較重要。冰磧湖潰決洪水（泥石流）的模擬主要從湖水量計算、潰決洪峰估算、泥石流體積估算、潰決洪水（泥石流）最遠(yuǎn)距離估算、淹沒面積估算等方面進(jìn)行。

表1 冰磧湖潰決風(fēng)險評價指標(biāo)

二、冰磧湖應(yīng)急泄流方法

為了防止湖水潰決發(fā)生洪水，需要提前對有險情的冰磧湖進(jìn)行排險。從冰磧湖潰決的誘因分析可知，應(yīng)急泄流、提前釋放湖水是最可行的排險方式。冰磧湖應(yīng)急泄流應(yīng)根據(jù)地質(zhì)特點、穩(wěn)定條件和險情是否緊迫等因素，考慮以下兩種思路：①分析形成沖切條件，論證造成溯源沖刷的可能，放空庫容；②保證壩體穩(wěn)定，降低水位，降低風(fēng)險等級，實現(xiàn)減災(zāi)目的。

第一種思路要利用工程措施形成泄流渠，利用泄洪水力逐步?jīng)_蝕壩體，拓寬泄流渠，實現(xiàn)降低水位、放空大部分庫容的目的。這種方法可滿足快速除險要求，但形成的洪峰流量較難控制，對下游可能會產(chǎn)生較大的影響，適用于短期內(nèi)壩體存在潰決風(fēng)險的冰磧湖。第二種思路要求泄洪措施安全穩(wěn)定，泄洪流量可控，因此對下游影響較小，適用于壩體穩(wěn)定、短時間內(nèi)不會產(chǎn)生潰決的冰磧湖。一般在冰磧湖應(yīng)急處置過程中限于客觀條件，應(yīng)在初期階段首先實現(xiàn)，以達(dá)到第一時間降低冰磧湖風(fēng)險等級和減災(zāi)的目的。

其次，通過行業(yè)能力需求確定產(chǎn)出目標(biāo)。課程組走訪和調(diào)查部分專業(yè)相關(guān)的用人單位和畢業(yè)生，了解了他們對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的要求。發(fā)現(xiàn)在實踐工作中計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生不但要具有較好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識和實踐能力，還需要有較強(qiáng)陳述發(fā)言、自主的持續(xù)學(xué)習(xí)、創(chuàng)新能力以及較好的團(tuán)隊合作意識等。

1.形成沖切條件泄流方式

開挖泄流渠是緊急處置冰磧最簡單和最常用的方法。

開渠引流沖切泄流處理冰磧湖時，應(yīng)根據(jù)泥沙起動和推移質(zhì)運動規(guī)律，估算人工引流渠的沖刷發(fā)展過程。人工引流渠的沖刷發(fā)展與上游水位、冰磧湖庫容、引流渠尺寸、引流渠床面及兩岸物質(zhì)組成有直接關(guān)系。引流渠的沖刷發(fā)展過程計算步驟包括：①確定床面不同粒徑物質(zhì)的起動流速，②確定引流渠的流速發(fā)展過程，③計算引流渠的沖刷發(fā)展過程。

推移質(zhì)起動流速的計算方法很多，這些方法計算得到的起動流速不僅差別很大，而且由于多數(shù)方法是在一定的粒徑范圍、水深范圍、流速范圍內(nèi)推導(dǎo)而得的，在實際應(yīng)用中有很大局限性。在實際中，冰磧壩的物質(zhì)組成級配很寬，引流渠水力條件變化迅速且范圍大，因此選擇一個使用范圍較廣，且具有一定精度的推移質(zhì)起動流速計算方法是模擬人工引流渠沖刷發(fā)展的關(guān)鍵。

引流渠的沖刷發(fā)展過程與冰磧壩的潰決過程密切相關(guān)。研究人員通過大量觀測得出，滑坡堰塞壩、冰磧壩與人工填筑土石壩都屬于逐漸潰決型壩體，逐漸潰決壩體潰口剖面沖刷發(fā)展過程包括表層沖刷和溯源沖刷兩種，而表層沖刷從立面上看又包括潰口底部沖刷與橫向擴(kuò)展沖刷兩種過程。因此，一個潰口沖刷發(fā)展過程包括了潰口底部表面沖刷、潰口兩側(cè)擴(kuò)寬沖刷、壩體后坡面溯源沖刷等三種情況。其中，潰口底部表面沖刷主要為水流剪切的普通沖刷過程；潰口兩側(cè)擴(kuò)寬沖刷則除了水流剪切的普通表面侵蝕外，還可能包含兩岸邊坡的坍塌擴(kuò)展；壩體后坡面的溯源沖刷更加復(fù)雜，水流作用力已不再是簡單的床面剪切，而是局部淘刷與水流沖擊作用導(dǎo)致的壩體物質(zhì)搬移運動，也可能包含了壩體物質(zhì)的崩塌與垮塌等多種物理過程。從目前的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，天然壩的潰口發(fā)展過程的物理模型不成熟，很難模擬潰口沖刷的三種過程。目前，在對天然壩進(jìn)行人工開挖泄流渠泄流設(shè)計時，一般的做法是根據(jù)天然壩的實際條件，根據(jù)專家經(jīng)驗判斷天然壩的幾種可能潰決形狀，計算潰口流量及其發(fā)展過程和相應(yīng)的下游演進(jìn)過程。根據(jù)最危險的洪水制定預(yù)警和應(yīng)急轉(zhuǎn)移方案，通過各種措施控制潰決洪水滿足下游相應(yīng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

（1）泄流渠的設(shè)計

人工開挖泄流渠引起沖切泄流設(shè)計時，需考慮地質(zhì)條件、施工條件、水力條件等因素?？刂扑髟诳烧瓶胤秶?，既要避免水能過大導(dǎo)致快速潰決，又要充分利用水力搬運能力挾帶土石，從而沖深、拓寬過流斷面，加大過水能力。盡量做到渠道上下游段分段保護(hù)，上游段相對穩(wěn)定安全，下游段借助水力沖刷。

泄流渠的設(shè)計需要注意幾個關(guān)鍵問題：

②過流流速確定。泄流渠道設(shè)計過流流速的大小，主要按冰磧湖壩體的潰決方式和下游的防洪能力來確定。泄流渠不淤臨界流速一般較低，與水中含砂量及泥沙運行規(guī)律有關(guān)，通常情況大于0.5m/s，泄流時流速較大較易滿足不淤條件。為形成溯源沖刷，泄流渠過流流速可高于不沖臨界流速。不沖臨界流速可借鑒砂質(zhì)土、礫石土、砂卵石渠床的列維公式進(jìn)行計算：

式中，VH為臨界不沖流速，m/s；dcp為渠床土粒平均粒徑，m；A為與渠床土壤密實程度有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)；R為水力半徑，m。

③泄流渠進(jìn)出水口確定。泄流渠進(jìn)出水口的布置應(yīng)有利于進(jìn)水和出水的銜接，盡量消除回流、渦流的不利影響。泄流渠進(jìn)口可建成逆坡，防止劇烈沖刷。進(jìn)出水口方向與主渠道的交角不宜太大。進(jìn)出水口的高程根據(jù)上游庫容、上游水位上升趨勢、壩體潰決方式、下游防洪標(biāo)準(zhǔn)、泄流渠長度和坡度以及現(xiàn)場施工能力等因素設(shè)計選擇。

④泄流渠渠線布置。渠線布置要充分考慮堰塞體的成因、地質(zhì)和水文條件，以滿足泄流流量、泄流渠安全穩(wěn)定為原則。開渠部位宜選粒徑較大、較穩(wěn)定的區(qū)域，避免引起壩體突然潰決，但同時要考慮上游來水情況、施工能力等因素，力爭在保證壩體穩(wěn)定的條件下選取工程量較小、施工難度較小的開渠部位。渠線可布置于天然壩與山體的接合處、天然壩中部、壩頂軟硬接合部等。

⑤泄流渠斷面形式及尺寸。冰磧湖泄流渠斷面可選用的形式有梯形、多邊形、矩形及復(fù)式斷面等。在應(yīng)急搶險過程中泄流渠通常選用梯形。渠道斷面可分為寬淺與窄深兩類。寬淺斷面水流穩(wěn)定，不易引起渠底沖刷，但所需斷面較大，位置選取較為困難。窄深斷面利于利用水流挾帶能力，逐步擴(kuò)寬切深斷面。泄流渠過水?dāng)嗝娉叽缛Q于泄流流量、允許抗沖流速和施工能力的要求。泄流渠一般設(shè)計為窄深狀，以便充分利用水流的挾帶能力，逐步擴(kuò)寬切深斷面。渠底坡度的選取應(yīng)以不引起淤積、沖刷為宜，經(jīng)驗取值1/400～1/10 000?？煞侄芜M(jìn)行設(shè)計，入口段宜為低坡或逆坡，中間段宜為平坡，下游段取較大坡度。

⑥泄流渠防護(hù)形式確定。泄流渠進(jìn)口盡量布置防護(hù)措施，邊坡可采用鋼筋石籠（鉛絲籠）或就地采用大塊石進(jìn)行防護(hù)。為形成沖刷條件，渠道出口邊坡和渠底可不進(jìn)行防護(hù)。如唐家山泄流渠設(shè)計局部采用鉛絲籠進(jìn)行防護(hù)。

（2）施工方法

泄流渠開挖時，要選擇最不利于蓄水瞬間集中下泄的方法，以避免蓄水短時間集中下泄，減小下泄流量。泄流渠開挖施工主要手段包括開挖、爆破、挖爆結(jié)合、水力沖切等。參見表2。

2.壩體穩(wěn)定泄流方式設(shè)計

對于壩體穩(wěn)定、短期內(nèi)不會潰決或者入庫流量較小的冰磧湖，可采用泵站抽水、虹吸排水、泄流渠泄水等方法。

（1）設(shè)置泵站抽水

適用于河道較狹窄、水面面積不大、水位較深的冰磧湖；對于湖面面積較大、水位較淺的冰磧湖則不適宜。該方法受電力條件的制約，且泄洪能力有限，適宜于小型冰磧湖緊急泄水。泵站泄洪計算需根據(jù)洪水演算、壩體穩(wěn)定要求確定泵站排水流量。要求所選泵型應(yīng)滿足運行安全可靠、揚程流量合理、結(jié)構(gòu)重量條件便于運輸施工等要求。

（2）虹吸排水

具有工程量小、施工方便、節(jié)約勞動力的特點，在電力條件不能滿足的情況下，該方法具有明顯優(yōu)勢。但該方法抽水高程有限，排水能力有限，可配合其他方法使用。虹吸排水包括注水式和抽真空式。

（3）開挖泄流渠

壩體穩(wěn)定泄流與形成沖切條件泄流兩者之間最大的區(qū)別是泄流渠的穩(wěn)定問題，后者要對渠道形成溯源沖刷，而前者則要形成穩(wěn)定的渠道，具體區(qū)別參見表3。

3.冰磧湖排險實例

2005年8月—2006年7月，位于西藏日喀則地區(qū)定結(jié)縣東南部的皮達(dá)湖和龍巴薩巴湖的排險，成功探索了高海拔、交通和通信不暢環(huán)境下冰磧湖人工排險的新經(jīng)驗，為永久性凍土層開挖設(shè)備的選擇、配套組合、施工組織積累了一定的施工經(jīng)驗。也為在高海拔地區(qū)極度缺氧情況下人員、機(jī)械作業(yè)提供了實踐依據(jù)。皮達(dá)湖、龍巴薩巴湖是首尾相連的兩個冰磧湖，皮達(dá)湖在上游，海拔約5 573 m，高出龍巴薩巴湖76 m。排險方案采取機(jī)械開挖方式，先在上游皮達(dá)湖壩體上開挖一條泄水明渠，降低湖內(nèi)水位，減少湖內(nèi)水量，同時減少了龍巴薩巴湖的補水量，而后再開挖下面的龍巴薩巴湖泄水明渠，降低湖水位，使兩湖壩體保持基本穩(wěn)定狀態(tài)，減少潰壩對下游的洪水危害。在明渠兩側(cè)用鉛絲石籠護(hù)坡，防止泄水過程中因壩坡失穩(wěn)而潰決，放水時準(zhǔn)備部分鉛絲石籠隨時搶護(hù)。同時進(jìn)行水情自動監(jiān)測，在下游實施洪水預(yù)警、預(yù)報，由當(dāng)?shù)卣赝咀龊冒踩枭?、?yīng)急準(zhǔn)備等措施。

三、結(jié) 語

①冰崩和冰滑坡是引起冰湖潰決的主要誘因。應(yīng)從遙感、GIS和野外調(diào)查三個層面及其組合對冰磧湖進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測。冰磧湖潰決參數(shù)包括冰磧湖參數(shù)、冰磧壩參數(shù)、母冰川參數(shù)、冰湖盆參數(shù)以及它們之間的相互關(guān)系。當(dāng)前有一些經(jīng)驗方法可以對潰決風(fēng)險進(jìn)行定量評估。

表2 泄流渠施工方法分析表

表3 不同思路開挖泄流渠設(shè)計與施工主要區(qū)別

②冰磧壩湖潰決中，常伴有泥石流發(fā)生。潰決洪水（泥石流）的流動特性對災(zāi)害評價非常有意義，包括洪峰流量、潰決泥石流量、行進(jìn)距離和淹沒面積等特性。

③應(yīng)急泄流是冰磧湖最可行的排險方法，開渠形成沖切泄流應(yīng)結(jié)合冰磧湖的特征處理好一些關(guān)鍵問題，包括過流標(biāo)準(zhǔn)、過流流速的確定和泄流渠的布置以及施工方法的選取。

[1]王欣，劉時銀.冰磧湖潰決災(zāi)害研究進(jìn)展[J].冰川凍土， 2007（4）.

[2]陳曉清，崔鵬，等.近15年喜馬拉雅山中段波曲流域冰川和冰湖變化[J].冰川凍土， 2005(4).

[3]Clague J J,Evans S G.A review catastrophic drainage ofmorainedammed 1ake in British Columbia[J].Quaternary Science Reviews,2000(19).

[4]蔣忠信，崔鵬，蔣良濰.冰磧湖漫溢型潰決臨界水文條件[J].鐵道工程學(xué)報，2004(12).

[5]Robin J.McKillop, John J.Clague.A procedure for making objective preliminary assessments of outburstflood hazard from morainedammed lakes in southwestern British Columbia[J].Nat Hazards，2007(41).

[6]劉寧.巨型滑坡堵江堰塞湖處置的技術(shù)認(rèn)知[J].中國水利，2008(16).

[7]李傳富，張玉初.西藏皮達(dá)湖和龍巴薩巴湖除險的思考 [J].中國水利，2008(6).