崩塌型堰塞壩形成條件與過程研究

(1.中國人民武裝警察部隊 水電第一總隊，廣西 南寧 530028；2.中交隧道工程局有限公司，北京 10010)

1 研究背景

堰塞壩是在自然作用下、由巖土體快速堆積所致，未經(jīng)人力作用而自然形成的起攔蓄水作用的天然擋水構(gòu)筑物，屬于土石壩的一種[1]。依據(jù)成因的不同，將堰塞壩劃分為滑坡型堰塞壩、崩塌型堰塞壩和泥石流型堰塞壩[1]，根據(jù)范天印等人的研究成果[2]，滑坡型堰塞壩發(fā)育最多，崩塌型堰塞壩次之，泥石流型堰塞壩形成最少，其中崩塌型堰塞壩約占堰塞壩總量的17.1%。

隨著近年來地殼運動加劇，作為主要的地震次生災(zāi)害，堰塞壩發(fā)育越來越頻繁，造成的影響也越來越大，若不及時采取有效措施進行處置，極有可能引起巨大災(zāi)害，國內(nèi)外都有堰塞壩破壞而造成大量人員傷亡與財產(chǎn)損失的事例[3-4]。堰塞壩作為一種特殊的地形地貌形式，具有巨大的危害性，因此引發(fā)國內(nèi)外學者圍繞其形成與破壞開展了大量研究，其中，J.E.Costa等人根據(jù)堰塞壩的成因研究了堰塞壩的形成與破壞[5]，L.Ermini等人采用地形無量綱參數(shù)預(yù)測方法研究了堰塞壩的發(fā)展變化[6]，符文熹等人研究了堰塞壩的主要工程地質(zhì)問題[7]等。以上研究，更多的是從滑坡堵江成壩的角度研究堰塞壩的形成與可能造成的危害，而對于崩塌沖擊形成的堰塞壩，缺乏對其形成條件與過程的深入分析，研究成果很少[8]。為此，本文結(jié)合前人的研究成果，從崩塌體的形成、運動和泥流沖刷等方面研究了崩塌型堰塞壩的形成條件，從不穩(wěn)定因素積累、重力崩墜、撞擊-彈落-重夯成壩3個階段研究了堰塞壩的形成過程，并進行了案例分析。

2 形成條件

崩塌型堰塞壩是在一定的地形條件下，陡坡上部巖土體被直立裂縫切割、拉裂后，因根部空虛，在自重和地震等外力作用下失去穩(wěn)定，折斷壓碎或局部滑移，突然脫離母巖土體急劇向下傾倒、翻滾、跳躍，造成江河堵塞的堆積體。這一過程的形成必須具備如下幾個條件：形成坡面崩塌；崩塌土體能到達河床及對岸；到達河床的土體不因水流作用而流動形成泥石流被帶走；河流水流的挾沙能力、沖刷能力較小，難以造成崩塌土體的瞬間流失。

2.1 地形條件

關(guān)于崩塌形成的地形條件，已有很多研究成果[8-10]，雖然還不能準確預(yù)測崩塌的形成，但是通過分析以上研究成果，并結(jié)合相關(guān)泥沙調(diào)查結(jié)果，可以將坡面崩塌形成的地形條件概括為：坡面傾角30°以上且有表土層的坡面最易形成坡面崩塌。根據(jù)這一地形條件，即可通過現(xiàn)場勘查或者在大比例尺地形圖上搜尋，預(yù)測坡面崩塌可能形成的地域。特別是在地震發(fā)生以后，通過在大比例尺地形圖上分析震區(qū)河流的岸坡條件，搜尋滿足這一基本條件的流域，便于及時派出專家技術(shù)人員進行現(xiàn)場勘查，將可能形成的崩塌型堰塞壩險情控制在萌芽狀態(tài)。

2.2 巖土體運動條件

崩塌一旦形成，巖土體沿著坡面運動，能否到達河床和對岸，是形成崩塌型堰塞壩的關(guān)鍵條件。對于這一條件，可以通過分析巖土體在坡面上停止運動的臨界角度θck來進行判斷。巖土體在坡面上運動，滿足質(zhì)量及動量守恒定律，分析質(zhì)量及動量守恒定律并進行推導，得出巖土體在坡面上停止運動的臨界角度：

(1)

崩塌一旦形成，其背面的水流對于崩塌巖土體的運動影響極小，一般可以忽略不計。為此，式(1)可簡化成：

θck=tan-1{μk(1-λ)(ρs-ρ)/ρf}

(2)

利用式(2)計算所得的臨界角度θck，即可判斷巖土體能否到達河床及對岸。例如，對于常見土體，假設(shè)其坡面參數(shù)為：λ=0.25，ρs=2.65 g/cm3，ρ=1.0 g/cm3，μk=0.726，將參數(shù)帶入式(2)，得臨界角度θck=22.8°。依此可知，只要岸坡傾角大于22.8°，土體就不會停積于岸坡之上；反之，無論土體運動速度多大，也會因減速停止而無法到達河床。對于上部坡面長度(傾角大于θck)為坡面土體厚度hf的20～30倍的坡面，坡面傾角及巖土體性質(zhì)對崩塌體的運動速度影響微乎其微，崩塌體的速度將達到一個常數(shù)。對于這類坡面，當崩塌體運動到下部坡面(傾角小于θck)時開始減速，從減速開始到停止運動，這段距離Xfs可以按下式進行計算：

(3)

式中，下標u、d表示上部斜面和下部斜面的變量；hf為土體的最大厚度；fb為流動層和斜面間的流體阻力系數(shù)；h為土體的平均厚度；d為平均粒徑。

根據(jù)以上分析，對于圖1的崩塌巖土體，可按照以下步驟進行巖土體能否到達河床及對岸的判斷。

(1)計算θck，，將θ=θck的點定為C點；直線連接點A(崩塌點，當崩塌點未定時，選最陡30°以上的地點為點A)、點B(河流對岸)和點C，模似成圖A′B′C′；

(2)A′C′的傾角為θu，B′C的傾角為θd，按式(3)計算Xfs。如果Xfs大于BC間長度，則崩塌體能夠到達河床及對岸，極有可能形成堰塞壩。

圖1 崩塌巖土塊的運動

2.3 水流沖刷條件

崩塌體運動至河床以后，能否短時間之內(nèi)堵塞河道形成堰塞壩，還與河水流的沖刷條件有關(guān)。該條件包括水流的和沖刷能力，如果沖刷能力較強，到達河床的巖土體就會因水流的作用而流動化為泥石流被帶走。為了形成崩塌型堰塞壩，必須保證河水流能力和沖刷能力較弱。因此，水流的沖刷存在一個臨界條件。對于如何通過河水流的挾沙能力來判斷堰塞壩能否形成，必須建立一個臨界條件，可以壽命時間10 s為基準來判斷堰塞壩的形成，壽命大于10 s則判斷堰塞壩形成，反之則沒有形成。

為此，采用相同的表示方法，將堰塞壩的高度(V/BLB)等同于“顆粒”的平均粒徑d(V為崩塌體的體積，B為河流平均寬度，LB為堰塞壩的壩底長)，以q/[g1/2(V/BLB)3/2]為橫軸、I為縱軸繪制一平面(見圖2)，以平面上的一條曲線來判別堰塞壩的形成。根據(jù)匡尚富[8]的水槽實驗結(jié)果，得出泥沙崩塌體能否形成堰塞壩的臨界曲線為

(4)

圖2 崩塌形成堰塞壩的臨界條件

崩塌土體到達河床以后，能否形成堰塞壩，除了與水流條件有關(guān)以外，還與崩塌體的組成有關(guān)。當崩塌體以粗顆粒(巖塊)為主，水流與崩塌體容易分離，不易形成堰塞壩；當崩塌體為細顆粒時，抗沖刷能力較弱，也不易停積于河床形成堰塞壩；而當崩塌體同時具有粗細顆粒且呈雙峰型分布時，則具有較強的抗沖刷和防滲能力，易于形成堰塞壩。

3 形成過程

崩塌型堰塞壩的形成過程可以分為不穩(wěn)定因素積累、重力崩墜以及撞擊-彈落-重夯成壩3個階段。

(1)不穩(wěn)定因素積累。巖土體在長期地質(zhì)營力作用下，產(chǎn)生節(jié)理、裂隙或斷裂，完整性受到破壞，甚至破裂分割成支離破碎的塊體，為崩塌堵江奠定了基礎(chǔ)。此階段歷時長短隨巖石性質(zhì)與結(jié)構(gòu)、構(gòu)造活動程度、邊坡形狀、外營力強度等而不同，如圖3所示。

圖3 不穩(wěn)定因素的積累

(2)重力崩墜。崩塌體脫離母巖，在自重作用下沿平行岸坡的構(gòu)造裂隙拉裂變形，沿最大重力梯度方向急劇而猛烈地崩落，然后堆積于坡麓或飛入河道，形成初步堆積，如圖4所示。

圖4 重力崩墜

(3)撞擊-彈落-重夯成壩。崩塌體撞擊對岸陡壁向后反彈，同時整體快速向下墜落，直到崩塌土體填滿河道，在重夯機制下形成堰塞壩，堵斷河道，形成完全堵江，上游形成堰塞湖，如圖5所示。

圖5 撞擊-彈落-重夯成壩

根據(jù)以上分析，崩塌形成堰塞壩，由于其特有的形成過程，形成的堰塞壩一般是以大塊石、塊石和碎石堆積為主，壩體結(jié)構(gòu)較為松散，抗?jié)B能力差，易發(fā)生壩體滲流。堰塞壩通常規(guī)模中等，留存時間長，若大塊石較多，則不易開挖泄流渠。

4 典型案例

近年來，我國并不乏崩塌型堰塞壩形成的案例。

2008年，“5·12”汶川大地震所形成的堰塞壩有近1/3為崩塌型堰塞壩，其中最具代表性的為岷江映秀段老虎嘴堰塞壩[11]。老虎嘴堰塞壩所處岷江河段是典型的深切“V”型河谷，兩岸陡峻。在地震的作用下，左岸的花崗巖山體風化層發(fā)生大規(guī)模崩塌，堵塞河道，形成高約25 m，體積100萬m3的堰塞壩，見圖6。

圖6 老虎嘴崩塌型堰塞壩

四川漢源縣省道S306新線猴子巖段，地處大渡河峽谷區(qū)，山體坡度超過60°，受兩邊支溝的切割作用，山體三面臨空。2009年8月6日，受S306新線施工擾動影響，不穩(wěn)定裸露巖體發(fā)生崩塌，引起公路上部高260 m、順河方向長300 m的山體整體發(fā)生失穩(wěn)破壞，崩塌的山體下落進入大渡河[12]。上部崩塌體同時觸發(fā)了下部松散堆積物發(fā)生淺層滑坡，與上部崩塌的山體一起迅速進入了大渡河，阻斷了河流，見圖7。崩塌持續(xù)大約5 min，崩塌體在大渡河河道迅速形成高約40 m、順河方向300余m、頂部寬約373 m的堰塞壩。

圖7 漢源猴子巖崩塌型堰塞壩

5 結(jié) 論

本文通過研究崩塌型堰塞壩的形成條件與形成過程，得出崩塌型堰塞壩的形成條件包括地形、坡面運動和水流沖刷。

(2)坡面運動條件。岸坡傾角大于臨界傾角θck，其中，臨界傾角θck可以通過式(2)、式(3)計算。

(3)水流沖刷條件。河水流的挾沙能力和沖刷能力較弱，可通過q/[g1/2(V/BLB)3/2]為橫軸、I為縱軸的平面曲線來判別。

崩塌型堰塞壩的形成過程包括不穩(wěn)定因素積累、重力崩墜以及撞擊-彈落-重夯成壩3個階段。在近年來的地震、降雨與人工活動中，作為典型堰塞壩之一，崩塌型堰塞壩的發(fā)育越來越多，在2008年“5.12”汶川大地震中，近1/3的堰塞壩是崩塌型堰塞壩。不同類型的堰塞壩，具有不同的壩體結(jié)構(gòu)、材料組成、防滲性能等，必須分別研究對應(yīng)的應(yīng)急處置措施，用于指導此類次生動力災(zāi)害的處置。