堰塞湖群潰決風險影響因素研究

李洪濤，范乃賢，胡嵐平

（1.四川嘉陵江蒼溪航電開發(fā)有限公司，四川蒼溪 628400；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，河南 鄭州 450018；3.四川南充都京港務(wù)有限公司，四川 南充 637000）

1 概 述

“5·12”汶川特大地震形成了113座堰塞湖，主要特點：瞬時形成，機理復(fù)雜，滑坡原貌與地質(zhì)構(gòu)造不詳，健康情況難易診斷；汛期臨近，湖水上漲，險情加劇，搶險工期要求緊；地處峽谷，交通不便，排險施工難度大；分布密集，同一流域上可能形成幾座甚至十幾座堰塞湖，如石亭江流域8座、白沙河流域3座、綿遠河流域16座、北川都壩河流域10座。

應(yīng)急排險期間，由于應(yīng)急資源和搶險時間有限，無法對堰塞湖群中所有堰塞湖進行詳細勘擦，進行徹底治理，只能定性分析堰塞湖群的風險影響因素，根據(jù)各種因素的綜合考慮，優(yōu)選一個或幾個堰塞湖進行處置，進而使得整個流域能夠安全度汛。

2 目前常用堰塞湖風險評價

2.1 堰塞湖風險等級初步評價

為保證堰塞湖的安全，首先應(yīng)估計其穩(wěn)定性。在資料缺乏的情況下，可采用地貌無量綱堆積體指數(shù)法，快速初步評估堰塞體穩(wěn)定性。

式中：Vd——堰塞體體積，m3；Ab——流域面積，km2；Hd——堰塞體最大壩高，m。

當 DBI＜2.75 時，堰塞體穩(wěn)定；當 2.75＜DBI＜3.08時，堰塞體介于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之過渡區(qū)；當DBI＞3.08時，堰塞體不穩(wěn)定。

2.2 堰塞湖危險等級劃分標準

根據(jù)水利部頒布的《堰塞湖危險等級劃分標準》，見表1，初步確定堰塞湖風險等級，從而為堰塞湖處理措施提供依據(jù)。

表1 堰塞湖潰決風險等級評估標準表

3 風險影響因素分析

據(jù)以上分析，得到影響堰塞湖群的風險性因素有堰塞體組成成分、潰決高度和寬度、集雨面積和常年洪水。

3.1 堰塞體組成成分

土石塊在水流達到一定強度后，可有靜止轉(zhuǎn)為運動，土石塊開始脫離靜止狀態(tài)而進入運動狀態(tài)，土石塊就會被水流帶走。而土石塊的物質(zhì)組成是其啟動條件的重要因素。因此堰塞體的組成是判定堰塞體風險性的重要因素之一，堰塞體絕大多數(shù)都是由于某側(cè)山體順層滑坡入江形成，一般情況下，堰塞體由上而下似層狀，堰塞體的下部塊度較大，咬合程度較好，透水性較好，基本不會發(fā)生滲透破壞，中上部塊度較小，結(jié)構(gòu)松散，易被沖刷破壞，表面通常存留一定量的坡集土。

3.2 堰塞湖庫容規(guī)模和位置

堰塞湖的庫容規(guī)模和位置關(guān)系是在一定程度上影響著下游堰塞湖造成沖刷大小和對下游造成可能危險破壞性大小。河段堰塞湖位置關(guān)系分上游大下游小、上游小下游大兩種，無論哪種分布，應(yīng)及時排除蓄水量大者險情。如：

1）鐘嘴堰塞湖位于楊家溝堰塞湖上游，庫容約20萬m3，楊家溝堰塞湖庫容約85萬m3，在2009年汛前對鐘嘴堰塞湖引潰時，并未對楊家溝堰塞體產(chǎn)生任何影響，而對楊家溝堰塞湖降水排險時，其下游滴水巖堰塞體呈現(xiàn)較大沖刷。

2）1933年疊溪地震形成銀瓶崖、大橋和疊溪“三大湖連?！?，加上大橋和疊溪之間的松坪溝3處小堰塞湖為“六湖連串”，由于處于下游最大的疊溪海子未及時排險或引流，主震后45 d，余震使松坪溝中和松坪溝下兩處堰塞湖連潰，進而使疊溪堰塞體中上部幾乎整體潰決，死傷數(shù)千人。

說明堰塞體潰決跟自身堰塞湖庫容規(guī)模和位置有關(guān)，若庫容大的堰塞湖在上游，庫容小的在下游，就必須對庫容大的堰塞體進行應(yīng)急處理，反之，庫容小的在上游，庫容大的在下游，就可不處理或稍后處理。

3.3 潰決高度和寬度

目前，我國用于潰壩模型計算主要源于以下3個公式：

1）堰塞體材料為柔性體的堰體易形成部分潰決計算公式：

2）美國水道試驗站對上式作了簡化后的計算公式：

3）黃河水利委員會水利科學研究所根據(jù)實驗求得：

式中：Qm——壩址處洪峰流量，m3/s；B——潰壩時壩前水面寬度，m；H0——壩前水深，m；b——潰口寬度，m；h——潰口頂上水深，m；h′——殘留堰塞體高度，m。

根據(jù)目前我國用于計算潰壩的模型，可得出潰決的高度和寬度，即潰口形態(tài)，是判定潰決流量及對下游影響的主要因素之一。主要根據(jù)堰體中上游的物質(zhì)成分、顆粒大小、分層分區(qū)情況等因素的綜合考慮，堰體一般不會一潰到底，即便小崗劍堰塞體一次性爆破降水也未達到全潰，還剩30余m高主要由大孤塊石組成的堰體。

3.4 集雨面積和常年洪水

眾所周知，集雨面積和常年洪水是推算堰塞湖庫容、堰塞湖可能的洪水位高程等諸多重要因素之一，從而影響堰塞壩潰決時最大壩址處流量、洪水向下游演進時流量的大小等。如：徐家壩堰塞湖位于綿遠河最上游，蓄滿水量在1000萬m3左右，壩高超過110 m，可謂庫大壩高，但由于位置處于堰塞湖群的最上游，集雨面積較小，堰體寬厚，其潰壩風險大大降低。

4 新增因素的討論

堰塞湖構(gòu)成的堰塞湖群，各堰塞湖間相互影響，通過綿遠河、白沙河、澗河等流域堰塞湖群的排險治理經(jīng)驗，除對堰塞湖群的潰決進行了常用風險影響因素分析外，在前人的基礎(chǔ)上引入新的影響堰塞湖群風險綜合評價影響因素，包括：堰塞體上下游邊坡穩(wěn)定性、堰塞體上下游及左右岸邊坡災(zāi)害發(fā)育情況、堰頂及堰體是否發(fā)生沖刷滲流破壞、河道特性、社會屬性、技術(shù)可行性等。

4.1 堰塞體幾何形態(tài)及堰塞體上下游邊坡穩(wěn)定性

堰塞體幾何形態(tài)是判定其自身穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，通常利用厚高比、上下游坡比等參數(shù)進行判定堰塞體的自身穩(wěn)定性。首先對堰塞體巖、土結(jié)構(gòu)進行詳細調(diào)查分析，分析堰塞體巖、土材料分區(qū)以及堰塞體幾何尺寸；其次對堰塞湖進行滲流計算和邊坡穩(wěn)定計算，土的滲透變形類型判定應(yīng)按國家現(xiàn)行標準GB50287《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》有關(guān)規(guī)定執(zhí)行；再次進行抗滑穩(wěn)定計算，包括上游最高水位并形成穩(wěn)定滲流時下游邊坡的穩(wěn)定、穩(wěn)定滲流期遇地震時上下游邊坡的穩(wěn)定、應(yīng)急安全處置措施時的下游邊坡穩(wěn)定；最后如果堰塞湖蓄水高程超過堰塞體頂高程，應(yīng)進行沖刷能力評估，評估內(nèi)容包括堰塞體材料的抗沖刷破壞能力、應(yīng)急泄流渠保持穩(wěn)定泄流條件下的最大可能下泄能力。

4.2 上下游、左右岸災(zāi)害發(fā)育情況

堰塞湖上游災(zāi)害發(fā)育情況直接影響著是否有潛在滑坡、泥石流等涌入堰塞湖庫區(qū)而使水位雍高甚至形成洪水波；下游災(zāi)害發(fā)育情況關(guān)系著殘留體有再次堵江的可能性；左右岸災(zāi)害發(fā)育情況決定著是不是有二次滑動將堰塞體加高的可能，因此上下游、左右岸災(zāi)害發(fā)育情況也需在堰塞湖群風險評價總考慮進去。如：在綿遠河上游堰塞湖調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，“5·12”特大地震形成的楊家溝堰塞湖汛前規(guī)模并不大，2008年9月下旬，綿遠河上游連降暴雨，滑坡殘留體二次滑動入江將堰塞體明顯加高，而且還有殘留體再次堵江的風險。小崗劍堰塞體左岸松散滑坡體。

4.3 堰頂及堰體是否發(fā)生沖刷滲流破壞

在調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)一些堰塞湖由于堰塞體架空現(xiàn)象明顯，滲漏嚴重，堰塞體存在有一定的危險性，然而有些堰塞湖堰頂已形成穩(wěn)定的泄水槽或堰體以形成穩(wěn)定的滲流通道（滲流水流無渾濁現(xiàn)象），堰塞體健康狀態(tài)良好，如都江堰市白沙河河口上游約11 km的枷擔灣堰塞湖，控制集雨面積164.5km2，最大可能蓄水量約 6.1×106 m3，成庫長度2.23 km，堰體高 60.00～80.00 m，壩頂長度200.0 m，順河流方向長220.0 m，體積約8.2×105 m3。堰體80%以上為花崗巖碎石、塊石，結(jié)構(gòu)密實。已形成5 m寬的天然泄水陡槽并達到入出平衡。

4.4 上游堰塞體潰決斷面距壩前河道距離

目前，我國對于缺乏資料地區(qū)的潰壩洪水向下游演進計算采用黃河水利委員會水利科學研究所的經(jīng)驗公式進行計算。

計算公式：

式中：QLM——壩下游L處洪峰流量,m3/s；W——潰壩下泄總水量,m3；Qm——壩址處洪峰流量,m3/s；L——下游斷面至壩址距離，m；υ——河道洪水期斷面最大平均流速,m/s，在有資料地區(qū)可采用實測最大值,如無資料，一般山區(qū)可采用υ=3.0～5.0 m/s，半山區(qū)可采用2.0～3.0 m/s，平原地區(qū)可采用1.0～2.0 m/s；K——經(jīng)驗系數(shù)，山區(qū)取K=1.1～1.5，半山區(qū)取K=1.0，平原區(qū)去K=0.8～0.9。

例如：

1）干溝堰塞體下游面與一崗橋堰塞湖庫尾相連，兩個堰塞湖水位差較小，河道距離基本等于一崗橋堰塞湖的庫長，若干溝堰塞湖潰決，潰決水量直接進入一崗橋堰塞湖中，湖水可起到較大消能作用，對下游影響較小。

2）一崗橋堰塞體距下游小木嶺堰塞湖河道距離約1.5 km，此段河道比降超過8%，河床結(jié)構(gòu)松散，河道堆積物較多，若一崗橋堰塞湖潰決，將極大可能形成泥石流，其巨大沖擊力可將小木嶺堰塞湖沖潰，將極大可能形成下游堰塞湖的連潰。

4.5 河道特性

由于地震后兩岸山體巖災(zāi)害較為發(fā)育，山洪易形成；其次起初的天然河道明顯出現(xiàn)淤積現(xiàn)象且結(jié)構(gòu)松散。

4.6 社會屬性

對堰塞湖群進行風險評價除了關(guān)注堰塞湖群的自然屬性外，還需要關(guān)注堰塞湖群的社會屬性，對堰塞湖群潰決后的社會危害性（風險影響影響人口和公共設(shè)施破壞性等因素）進行考慮。實際上，堰塞湖群本身是具有社會屬性的，因為它潰決后會帶來嚴重的社會危害。所以，堰塞湖風險評估中需充分考慮其社會屬性，這樣的話既有利于人們?nèi)ト娴卣J識堰塞湖風險，也對堰塞湖的應(yīng)急處置排險、綜合治理和災(zāi)后恢復(fù)重建工作提供一定的技術(shù)服務(wù)。

4.7 技術(shù)可行性

最后還要考慮在工程施工中的施工技術(shù)可行性，即施工難度和預(yù)計投資等因素，堰塞湖大多地處峽谷，交通不便，施工技術(shù)難度相對較大，如：都江堰市白沙河三座堰塞湖位于無人區(qū)內(nèi)，無路可通，大型機械無法進入施工場地，必須先修路再排險。

［1］周宏偉，楊興國等，李洪濤，等.地震堰塞湖排險技術(shù)與治理保護［J］.四川大學學報（工程科學版），2009，41（3）：96-101.

［2］Casagl,iN,Ermin,iL.Geomorphic analysis of landslide dams in the Northern Apennine［J］.Japanese Geomorphological Union，20（3）:219—249.

［3］SL450-2009，堰塞湖風險等級劃分標準［S］.

［4］四川大學.四川省綿竹市綿遠河上游楊家溝堰塞湖安全性評價報告［R］.2009，3.

［5］四川大學.四川省綿竹市綿遠河上游鐘嘴至長河壩河段堰塞湖安全性評價報告［R］.2009，3.

［6］成都勘測設(shè)計研究院.唐家山堰塞壩治理可行性研究報告［R］.2008，10.

［7］SL451-2009，堰塞湖應(yīng)急處置技術(shù)導則［S］.

［8］四川大學.四川省綿竹市綿遠河上游一把刀至小崗劍河段堰塞湖安全性評價報告［R］.2009，3.

［9］GB50487-2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［10］四川大學.都江堰市白沙河無人區(qū)枷擔灣、窯子溝、關(guān)門山溝堰塞湖安全性評價報告［R］.2008，12.

［11］四川大學.四川省綿竹市綿遠河上游一崗橋至干溝河段堰塞湖安全性評價報告［R］.2009，3.