泥石流堵壩及潰決分析研究

趙 鑫，向曉華

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231)

泥石流堵壩及潰決分析研究

趙 鑫，向曉華

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231)

在我國全面建設(shè)小康社會過程中，山區(qū)泥石流危害日益引起人們的重視，如何興利除害，有效地防治泥石流的發(fā)生已成為普遍關(guān)注的問題。本文通過國內(nèi)外專家學(xué)者對泥石流和潰壩研究的闡述，結(jié)合新疆克孜河泥石流具體實例，對泥石流的堵壩條件及泥石流壩體潰決過程進行探討與分析，對災(zāi)害的發(fā)生可以更進一步地做好預(yù)測與預(yù)報工作。

泥石流 堵壩 潰決 模擬分析

1 研究目的和意義

泥石流是一種典型的固液兩相流，是各種自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果，也是一種常見的山地災(zāi)害。我國是一個多山地、地勢高差大、地殼結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、季風(fēng)降水變化率大并多冰雪融水的國家，泥石流有比較廣泛的分布，暴發(fā)也比較頻繁，尤其是西北和西南地區(qū)，每年造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡均很大。泥石流一旦成災(zāi)，將加劇水土流失及荒漠化進程，將對山區(qū)及河谷地貌造成不同程度的破壞，而且泥石流沖積扇還將耕地演變成荒漠及沙石灘地，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成極大的不良影響。由于泥石流含有大量的泥沙石塊，具有發(fā)生突然、歷時短暫、來勢兇猛、破壞力極強的特點，使人們防不勝防，特別是在當(dāng)前我國全面建設(shè)小康社會過程中，伴隨著城市化進程和經(jīng)濟建設(shè)向山區(qū)的延伸發(fā)展，做到人與自然和諧相處，因而山區(qū)泥石流的危害日益引起人們的重視，如何興利除害，有效防治泥石流災(zāi)害已成為普遍關(guān)注的問題〔1〕。泥石流匯入主河，不僅可能形成堆積堵塞河道，而且使江河含沙量增高，并使匯流區(qū)及其下游河道發(fā)生劇烈變化，產(chǎn)生不利影響。泥石流匯入主河道，還可能形成天然壩或堰塞湖，將會對堵塞處上游造成淹沒災(zāi)害；泥石流堵壩所形成庫盤蓄水后，還將對下游的建筑設(shè)施及生命財產(chǎn)構(gòu)成“定時炸彈”般的威脅，一旦泥石流天然壩發(fā)生潰決，將會產(chǎn)生很大的潰壩型洪水災(zāi)害，對下游造成不可估量的損失。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

泥石流活動幾乎遍及全球所有山區(qū)，人類同泥石流災(zāi)害的斗爭由來已久，但是真正對泥石流運動進行研究，則是近半個世紀的事。歐美國家泥石流系統(tǒng)研究始于19世紀中葉，亞洲國家泥石流研究起步于20世紀中葉，以日本泥石流研究進展最快，技術(shù)先進，成效顯著。此外，在有泥石流發(fā)生的其他國家，如德國、英國、南斯拉夫、羅馬尼亞、加拿大、挪威、澳大利亞和新西蘭、印度尼西亞等地也先后開展了泥石流的系統(tǒng)研究〔2〕。以泥石流形成背景為主線的預(yù)測預(yù)報研究，是在區(qū)域和單溝兩個層面上開展的研究。區(qū)域尺度上的研究主要體現(xiàn)在泥石流危險性區(qū)劃研究中，根據(jù)泥石流形成背景條件(地質(zhì)、地貌、植被等)和已知的泥石流溝分布和活動狀況，進行泥石流危險度區(qū)劃。前蘇聯(lián)早在1975年就出版了全國范圍內(nèi)的泥石流危險區(qū)劃圖，在危險區(qū)劃分中，把全蘇聯(lián)泥石流分布劃分為3個帶、12個地區(qū)、28個省。日本政府早在20世紀70年代就進行了全國范圍的泥石流危險性區(qū)劃，確定出62272條泥石流溝，102萬戶居民居住在泥石流危險區(qū)范圍內(nèi)。降水是目前導(dǎo)致泥石流暴發(fā)的最直接的觸發(fā)因素，以降雨條件為主線的泥石流預(yù)測預(yù)報研究，主要通過對雨量資料的統(tǒng)計分析，確定泥石流臨界雨量和觸發(fā)雨量。目前眾多的研究均集中在此類研究中，如西班牙J.Corominas等通過分析東比利牛斯山Llobregat河附近的降雨資料和泥石流發(fā)生的關(guān)系，得出：(1)在無前期降雨條件下，短歷時高強度降雨觸發(fā)泥石流的條件是24h降雨190mm左右，或者48h降雨超過300mm；(2)在有前期降雨的條件下，中等強度的降雨24h達到40mm即可發(fā)生泥石流。P.Aleotti以意大利西北部P.Region為例，通過研究降水事件與泥石流發(fā)生之間的統(tǒng)計關(guān)系，確定了該區(qū)導(dǎo)致泥石流發(fā)生的降水閾值。T.Glade、M.Crozier和P.Smith等人，利用Crozier和Eyles提出的“前期日降雨經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?AntecedentDailyRainfallMode1)，研究了新西蘭北島地區(qū)的典型災(zāi)害區(qū)，證實模型的結(jié)果能夠代表區(qū)域特定降雨條件下泥石流災(zāi)害事件的發(fā)生概率〔3〕。概括起來，國外泥石流研究成果有以下幾個方面：(1)進行了泥石流的調(diào)查和編目統(tǒng)計，日本、奧地利等許多國家公布了該國泥石流溝的數(shù)字；(2)應(yīng)用電子計算機技術(shù)進行泥石流觀測和實驗工作，提出了觀測精度和研究水平；(3)深入研究粘性泥石流的形成機理，運動過程，流體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)。

在潰壩方面，根據(jù)文獻資料統(tǒng)計〔4〕，目前世界上約1/3的大壩失事是由洪水漫頂造成的。洪水漫頂失事在土石壩中尤為突出，占土石壩潰壩總數(shù)的39%。隨著科學(xué)技術(shù)的進步、社會經(jīng)濟的發(fā)展以及人民生活水平的提高，對潰壩的研究以及安全管理對策也在不斷地發(fā)生變化。在壩體潰決方面，美國和奧地利在20世紀五六十年代進行了大量的室內(nèi)試驗；美國甚至還在現(xiàn)場做過1∶2的大模型試驗。根據(jù)兩國的試驗結(jié)果進行分析，兩國的潰決時間尺度關(guān)系基本一致；另外，對于同樣的護坡塊石，坡度減緩時，沖開壩坡的臨界水頭也顯著增加。當(dāng)下游壩面坡度由1∶1.5減小到1∶2時，試驗表明臨界水頭增加15%。歐洲在最近幾年投入巨資專門對潰壩洪水進行了全面的比較研究，1998年由歐盟支持啟動的CADAM項目歷時2年，和隨后啟動的IMPACT項目都對土石壩的潰壩機理進行了大量的模型試驗研究，取得了豐碩的成果。20世紀國外許多專家學(xué)者也就潰壩問題提出許多自己的觀點與結(jié)論，在解決問題方面也提出許多自己的獨特見解。1892年，德國里特爾推出矩形河槽斷面瞬時全潰壩址洪峰流量，首次提出潰壩流量計算公式〔5〕；1938年，赫里斯佳諾維奇將河槽概化為拋物線型，在下游有水情況下推出計算公式；1957年，斯托克借鑒了里特爾和赫里斯佳諾維奇的理論，將壩址流態(tài)分為急流、臨界流和緩流三種情況，推導(dǎo)出矩形河槽、下游有一定水深的靜止水體等情況下，瞬時全潰的潰壩水流流態(tài)的洪峰流量計算公式。

我國對泥石流的研究起步較晚，20世紀60年代，是我國泥石流研究工作發(fā)展階段，鐵道科學(xué)院成立西南研究所，一開始就將泥石流的研究和防治列為重要任務(wù)，并在峨眉山興建我國最早的泥石流實驗室。與此同時，中國科學(xué)院在西南、西北的有關(guān)研究所都將泥石流列為重要研究課題，后來又集中到成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所。該所在東川礦務(wù)局泥石流觀測站的基礎(chǔ)上，建成蔣家溝泥石流觀測研究站〔6〕。泥石流預(yù)測預(yù)報作為一項重要減災(zāi)手段，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，是減災(zāi)研究的熱點和關(guān)鍵問題。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)盧剛對新疆泥石流的危害作了相應(yīng)的評價；西南交通大學(xué)陳春光博士作了關(guān)于“泥石流與主河水流交匯模型及耦合計算方法”的研究，陳曉清博士作了泥石流防治信息系統(tǒng)的研究；中國水利水電科學(xué)研究院陳德明對泥石流與主河水流交匯模型及耦合計算方法進行了研究；中科院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所張金山等，就岷江上游泥石流堵河影響因素進行了研究；吳積善，程尊蘭，耿學(xué)勇對西藏泥石流堵壩潰決進行了研究；四川大學(xué)郭志學(xué)等就泥石流堵江及入?yún)R主河等問題作了相應(yīng)的研究。在潰壩方面，我國現(xiàn)有大、中、小型水庫約8.6萬座，總庫容4100億m3，灌溉面積約4700萬hm2(7億畝)，防洪保護面積3200萬hm2(4.8億畝)。據(jù)不完全統(tǒng)計，自1954年以來，潰壩總數(shù)約2900余座(失事率約3.4%)，50年代170余座，60年代710余座，70年代1900余座。就這方面問題，不少專家學(xué)者都做了相應(yīng)的研究。1982年，謝任之教授從圣維南方程和不連續(xù)波方程出發(fā)，全面研究了潰壩瞬間的連續(xù)波、臨界波和不連續(xù)波流態(tài)，提出了瞬間全潰的壩址最大流量的統(tǒng)一公式；重慶科研設(shè)計院柴賀軍等就天然土石壩的潰壩方式作了相應(yīng)的分析；朱勇輝、廖鴻志、吳中如等對土壩潰決模型及其發(fā)展進行了研究；成都理工學(xué)院工程地質(zhì)研究所符文熹等也對堵江滑坡作壩進行分析；新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)雷曉云等對新疆潰壩洪水進行了數(shù)值模擬計算。幾十年來在各方面的共同的努力下，對泥石流與潰壩洪水的研究及防治都取得了顯著成效，并有不少專著問世。中科院山地所崔鵬研究員等，就風(fēng)景區(qū)泥石流的防治作了大量研究工作；唐川等人就云南泥石流作了災(zāi)害風(fēng)險分析評價，并建立滑坡泥石流災(zāi)害信息系統(tǒng)；汝乃華、牛運光編著《大壩事故與安全》；謝任之編著了《潰壩水力學(xué)》。

從文獻檢索的情況來看，國內(nèi)外對泥石流的研究主要是集中在山地災(zāi)害的研究方面，對潰壩的研究主要集中在對土石壩等人工建造壩體潰決的理論分析方面，專門針對泥石流等堵壩或天然壩體潰決的機理、過程以及其危害性評價方面的研究則較少。

3 實例分析

通過以上國內(nèi)外對泥石流和潰壩研究的闡述，結(jié)合新疆克孜河泥石流〔7〕具體實例，對泥石流的堵壩條件及泥石流壩體潰決過程進行探討與分析，獲得了一些有實際意義的成果。這些成果對泥石流等堵塞河道及泥石流形成的天然壩體潰決的研究，都具有一定的參考價值，并對災(zāi)害的發(fā)生可以更進一步地做好預(yù)測與預(yù)報工作?？俗魏恿饔蚴且粋€泥石流多發(fā)地區(qū)，上游局部山區(qū)暴雨產(chǎn)生的泥石流常常涌入克孜河，不僅造成河水泥沙量劇增，而且在一定條件下堵塞河道形成天然壩。據(jù)該河1955年以來的水文記載〔8〕和有關(guān)調(diào)查資料，1966年、1998年、1999年均因位于克孜河上游右岸的恰爾阿依格爾溝暴發(fā)泥石流將克孜河河道堵塞，形成泥石流天然壩并潰決而發(fā)生潰壩型特大洪水，導(dǎo)致下游水利工程設(shè)施被沖毀或失效，造成巨大的經(jīng)濟損失。目前，克孜河上游泥石流堵壩的隱患尚未消除，而下游正擬建若干水利樞紐工程，一旦再次形成堵壩并潰決，仍將對下游水利工程和人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重威脅。因此，對克孜河上游泥石流堵壩的機理和潰決過程進行研究和模擬，預(yù)測潰壩洪水過程、潰壩洪峰流量以及下游洪水演進情況，對克孜河下游的泥石流災(zāi)害事故早期預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)和保護人民生命財產(chǎn)安全具有重要現(xiàn)實意義。其研究獲得的主要結(jié)論如下：

3.1 現(xiàn)場調(diào)研及基本資料

(1)現(xiàn)場調(diào)查表明完全具備了產(chǎn)生泥石流的地質(zhì)、地貌條件，一旦該區(qū)域出現(xiàn)局部強降雨天氣，將會誘發(fā)該溝爆發(fā)泥石流；

(2)對泥石流堵壩點上游庫盤地形進行測繪所獲得的庫容曲線，為克孜河泥石流堵壩潰決洪水過程的數(shù)值模擬分析以及今后對該河可能出現(xiàn)的潰壩洪水預(yù)測提供了重要依據(jù)；

(3)通過對恰爾阿依格爾溝出口泥石流堆積范圍的地形變化監(jiān)測，得知該泥石流溝出口地形所形成的泥石流運動方向，是導(dǎo)致克孜河能否形成堵壩的一個重要條件；

(4)通過現(xiàn)場取樣、試驗與分析所得到的泥石流堆積體主要物理性質(zhì)參數(shù)，為克孜河泥石流堵壩條件分析和壩體潰決分析提供了基本參數(shù)。

3.2 堵壩探討

采用配方法估算泥石流規(guī)模大小，對不同雨強條件下的泥石流產(chǎn)流量規(guī)模進行分析。計算結(jié)果表明，恰爾阿依格爾溝產(chǎn)生的泥石流規(guī)模隨雨強的增大而增加，若產(chǎn)生的泥石流完全涌入主河槽，則發(fā)生堵壩的可能性很大，一旦條件完全滿足，就將會形成堵壩。

3.3 潰壩計算分析

通過對1966年與1999年兩次泥石流壩體潰決模擬分析，可以得出以下結(jié)論：采用瞬時潰決模型模擬計算，結(jié)果與克孜河實測潰壩洪峰流量偏差較大，而采用逐步潰決模型模擬計算，結(jié)果則比較接近實測值。因此，采用沖刷率確定潰口擴展的逐步潰決模型，預(yù)測和分析克孜河潰壩洪水是合理可行的。

3.4 洪水預(yù)測與防治措施

在防治泥石流災(zāi)害措施，采取防與治相結(jié)合。對河道水流大小及泥石流產(chǎn)流區(qū)域降水情況進行監(jiān)測，以防為主；而對于泥石流溝及泥石流與主河交匯處，以治為主，最直接有效的措施就是采用導(dǎo)流槽，在泥石流溝出口處改變泥石流的走向，減小泥石流與主河的交匯角來達到減小或避免災(zāi)害損失的目的。

〔1〕中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所著.中國泥石流[M].北京：商務(wù)印書館，2000：111～221.

〔2〕崔 鵬，高克昌，韋方強.泥石流預(yù)測預(yù)報研究進展[J].中國科學(xué)院院刊，2005，(5).

〔3〕李德基.泥石流減災(zāi)理論與實踐[M].北京：科學(xué)出版社，1997，(7)：16～57.

〔4〕王立輝，胡四一.潰壩問題研究綜述[J].水利水電科技進展，2007，(1).

〔5〕LiYong，SuPengcheng，CuiPeng.AprobabilisticViewofDebrisFlow[J].JournalofMountainScience.2008，(5).

〔6〕韋方強，胡凱衡，崔 鵬等.蔣家溝泥石流堵江成因與特征[J].水土保持學(xué)報，2002，(12).

〔7〕趙 鑫.新疆克孜河泥石流堵壩及潰決分析[D].新疆：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2009.

〔8〕何 慧.從1999年葉爾羌河和克孜河洪水看新疆河流水情變化趨勢[J].新疆水文水資源局，2005.

趙 鑫(1980-)，男，講師，主研工程施工及管理。

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