泥石流堰塞壩研究進(jìn)展

曹春然，陳華勇,3，Robin Neupane

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100000； 2.中國科學(xué)院 山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041； 3.中國科學(xué)院 青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100101)

堰塞湖作為一種常見的自然界現(xiàn)象，主要是在地震和強(qiáng)降雨等誘發(fā)作用下，滑坡、泥石流、冰磧物等堵截河道，造成上游段壅水而形成的天然湖泊[1]。堰塞湖形成方式不同，其危險(xiǎn)度、危害特征以及相應(yīng)的處置對(duì)策也不同。泥石流導(dǎo)致的堰塞壩是我國地質(zhì)災(zāi)害常見類型，在我國西南地區(qū)，高山峽谷眾多，松散物質(zhì)豐富，很容易暴發(fā)大型泥石流堵江[2]。從長期影響來說，泥石流通過改變河流泥沙而影響該河流的河性。從短期危害來說，泥石流堵河造成湖水位的上漲會(huì)對(duì)上游的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和道路等各種設(shè)施造成淹沒災(zāi)害，堰塞壩一旦潰決又將產(chǎn)生巨大的洪水，沖毀沿程所有房屋、道路、農(nóng)田以及基礎(chǔ)設(shè)施等，造成嚴(yán)重的損失[3]。例如：從1919年到1968年半個(gè)世紀(jì)之間，云南東川蔣家溝發(fā)生7次堵斷小江事件，最長堵江時(shí)間達(dá)48 d，水位抬升10 m，上游回水十幾千米，淹沒良田[4]；1953年西藏波密古鄉(xiāng)溝暴雨誘發(fā)泥石流，大規(guī)模黏性泥石流沖出溝口導(dǎo)致帕隆藏布江被堵塞，回水約10 km，造成140余人死亡，大量房屋、農(nóng)田和森林被毀壞，損失慘重[5]；1984年和1985年西藏林芝縣培龍溝連續(xù)暴發(fā)特大泥石流堵斷帕隆藏布江事件，回水約6 km，最寬處220 m，最深處14.3 m，淹沒上游7 km川藏公路和80多輛車，堰塞壩潰決后又沖毀下游2 km川藏公路和5座橋梁，造成上億元經(jīng)濟(jì)損失[2,6-7]。2008年汶川地震后，泥石流堵江事件頻率進(jìn)一步增加，2010年8月7日，甘肅舟曲縣突降暴雨，導(dǎo)致三眼峪、羅家峪暴發(fā)特大規(guī)模泥石流并堵塞白龍江，形成的堰塞湖使近一半縣城被淹，造成上千人遇難和巨大的財(cái)產(chǎn)損失[8-9]；2010年8月13～14日局部地區(qū)強(qiáng)降雨，四川綿竹清平鄉(xiāng)文家溝[10-12]，汶川縣映秀鎮(zhèn)紅椿溝[13-14]、燒房溝[15]，銀杏鄉(xiāng)銀杏坪溝[16]、高家溝[17-18]等突發(fā)大規(guī)模泥石流，泥石流堵塞綿遠(yuǎn)河、岷江河道而形成堰塞湖，導(dǎo)致交通、通信、電力等中斷，造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，深入開展泥石流堰塞壩特征調(diào)查、泥石流堵江以及泥石流壩潰決方面的研究，對(duì)提升泥石流堰塞壩的災(zāi)害防治和災(zāi)后重建等具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 泥石流堰塞壩的特點(diǎn)

泥石流形成堰塞壩一般可分為3個(gè)過程：首先，溝道中碎屑物和水混合后失去凝聚力而流動(dòng)，泥石流起動(dòng)；之后，泥石流帶走沿程堆積材料并逐步匯入主流；最后，泥石流規(guī)模進(jìn)一步增強(qiáng)，并在河道停積而形成堰塞壩。泥石流堰塞壩是物源條件、水源條件和地形條件3個(gè)方面綜合作用的結(jié)果。其中，物源和水源提供了物質(zhì)條件，地形提供了空間條件。在地形條件方面，泥石流堰塞壩堵塞的河道、山谷一般比較窄，地形坡度較大。一方面，高陡的地形能夠使泥石流以較快的速度沖下并堵塞河道、山谷；另一方面，堵塞壩與兩側(cè)山體能夠形成了天然的蓄水區(qū)，上游來流積累后形成堰塞湖。在我國藏東南地區(qū)由于谷深山高，巖體破裂，冰川發(fā)育，冰湖潰決后轉(zhuǎn)化為泥石流，泥石流入河后常常會(huì)堵斷主河。

在泥石流性質(zhì)和規(guī)模方面，堰塞壩多以大規(guī)模黏性泥石流堆積為主。黏性泥石流重度較大，也相對(duì)均勻，一般呈整體堆積，具有一定的抗沖刷能力；而稀性泥石流流動(dòng)性較好，大部分被主河水流帶走，只有大于極限粒徑的部分才能夠沉積下來。泥石流規(guī)模也對(duì)堰塞湖形成具有重要影響，只有大規(guī)模泥石流匯入主河才會(huì)出現(xiàn)完全堵斷主河的現(xiàn)象，如果匯入主河的泥石流規(guī)模不夠大，可能形成潛入式堰塞壩。

在堰塞體物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)方面，壩體滲透穩(wěn)定性及抗沖刷能力是堰塞湖能否形成的關(guān)鍵。物質(zhì)組成、物理力學(xué)特性對(duì)堰塞壩的形成影響十分明顯，如果堰塞壩顆粒級(jí)配寬廣，自身穩(wěn)定性較好，并且抗?jié)B能力較好，則有利于形成堰塞湖。

2 泥石流堰塞壩的形成

2.1 泥石流堵河的影響因素及判別研究

泥石流堰塞壩的形成過程是泥石流與主河道水流相互抵抗的過程，如果主河水流不能及時(shí)沖刷走匯入的泥石流，就會(huì)造成河道堵塞。導(dǎo)致堵河的因素較多，且各種因素之間具有一定的相關(guān)性，但形成某個(gè)具體堰塞壩的過程，常常受一個(gè)或幾個(gè)主導(dǎo)因素控制。吳積善等[19]針對(duì)西藏東南部泥石流溝的泥石流暴發(fā)狀況，分析了形成堰塞壩的主要影響因素，主要包括：支溝泥石流(規(guī)模、性質(zhì)和固體粒徑)、主河水流(流量、比降和寬度)和交匯區(qū)地形(交匯夾角和坡度)3個(gè)方面。其中在冰湖潰決、冰雪崩或大型滑坡作用下，所誘發(fā)的首陣流量大、速度高、巨礫多且垂直于主河的黏性泥石流，最容易形成堰塞壩。郭志學(xué)等[20]以支流匯入水槽實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，認(rèn)為堵河影響因素包括流量比、流速比、密度、總量、主河寬度和入?yún)R角等，并認(rèn)為泥石流與主河的流量比、總量和入?yún)R角等增大有利于發(fā)生堵河現(xiàn)象，而主河寬度和比降的增大不利于發(fā)生堵河，支溝泥石流密度與主河臨界堵河流量表現(xiàn)出二次拋物線關(guān)系。周必凡等[21]對(duì)泥石流堵河進(jìn)行理論分析，建立了泥石流的堵河最小規(guī)模、主河流量、泥石流的河床條件等計(jì)算公式。黨超等[22]認(rèn)為泥石流堵河影響因素包括：主河寬度、主河坡度、支溝泥石流抗沖刷強(qiáng)度以及二者的流量比、二者的交匯角。朱平一等[6]分析了川藏公路培龍溝泥石流堵河成因，認(rèn)為泥石流堵河的主要影響因素有：泥石流性質(zhì)、泥石流規(guī)模、與主河交匯關(guān)系、泥石流與主河的動(dòng)力條件和交匯區(qū)地形地貌等。唐川等[23]調(diào)查了云南小江和岷江典型泥石流溝，認(rèn)為泥石流堵河主要受泥石流容重和泥石流流量、主河寬度和主河流量影響。張金山等[24-25]調(diào)查了岷江上游2條堵塞型泥石流溝和2條不堵河型泥石流溝，對(duì)泥石流堵河基本特征進(jìn)行分析總結(jié)，并采用向?qū)＜覇柧碚{(diào)查的方式確定泥石流堵河的影響因素，主要包括：泥石流規(guī)模、泥石流流量、主河寬度、泥石流溝比降、泥石流級(jí)配、主河比降、泥石流重度、與主河夾角等。徐永年等[26]得出泥石流堵河主要影響因素有：泥石流密度、泥石流規(guī)模和交匯夾角，以支溝泥石流功率(可按峰值流量計(jì)算)在垂直河道方向分量與主河水流功率之比來表征影響度。

通過以上學(xué)者的分析，可以看出泥石流堵河的影響因素很多，作用效果復(fù)雜，且各因素之間既相互關(guān)聯(lián)，又獨(dú)立發(fā)揮作用，使得泥石流堵河判別式的確立非常困難，想提出一種適用于所有情況的泥石流堵河臨界判別式幾乎不可能。因此只能分析出主要的影響因素，并做出相應(yīng)的界定，提出特定條件下的堵河判別。表1為現(xiàn)有的泥石流堵河判別式。

表1 泥石流堵河判別式Tab.1 Discriminant of debris flow blocking river

2.2 泥石流堵河過程數(shù)值模擬

在認(rèn)識(shí)泥石流堰塞壩形成的力學(xué)機(jī)理以后，需要通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)一步研究泥石流堵河的物理過程。在堵河數(shù)值模擬方面，陳春光等[29]基于泥石流匯入主河后呈現(xiàn)出的三維特點(diǎn)，建立了交匯區(qū)混合流動(dòng)力學(xué)方程，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算方法標(biāo)志網(wǎng)格(MAC)算法，建立了泥石流與主河水流交匯的計(jì)算模型。J.Hübl等[30]采用DEM與二次流變模型結(jié)合的方法，考慮了相關(guān)學(xué)科的多種數(shù)據(jù)類型，模擬了黏性流的停積過程。Y.Huang等[31]利用光滑質(zhì)點(diǎn)流體動(dòng)力學(xué)(SPH)，這種純Lagrangian、無網(wǎng)格的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，模擬了文家溝泥石流形成及堵河過程。陳日東等[32]簡化泥石流與水流交匯關(guān)系后，通過有限元特征分裂算法(CBS)，提出了泥石流在主河中堆積的計(jì)算模型，并運(yùn)用該模型分析了泥石流在主河堆積后對(duì)主河水深、流速和流路等的影響。

數(shù)值模擬作為一種方便快捷的研究方法，研究成果多，模型的計(jì)算效率和精度很高，對(duì)泥石流堵河計(jì)算也取得了一定的成果，但泥石流與主河交匯堆積模型的建立依然困難。究其原因：① 與泥石流計(jì)算模型本身的研究困難有關(guān)系；② 泥石流與主河間的交互機(jī)理難表述，兩者交匯是復(fù)雜黏性流和非黏性流之間作用，很難量化泥石流和主河水流在交互面上的關(guān)系；③ 模型算法的選擇難，穩(wěn)定性要求高，計(jì)算模型一方面要對(duì)泥石流和水流進(jìn)行模擬，另一方面要應(yīng)對(duì)交匯處劇烈的河床變化。

3 泥石流堰塞壩的潰決

3.1 泥石流堰塞壩潰決過程

堰塞壩的成因有很多，如滑坡形成的滑坡壩，崩塌形成的堆石壩，冰川終磧物形成的冰磧壩等。與上面的堰塞壩相比，由于泥石流堰塞壩壩體物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)上的差異，使其潰決過程區(qū)別于其他堰塞壩。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于泥石流堰塞壩潰決方面的研究較少，對(duì)泥石流堰塞壩潰決過程與潰決機(jī)理了解尚不夠深入。因此，可以借鑒傳統(tǒng)土石壩和滑坡堰塞壩取得的成果，結(jié)合泥石流堰塞壩自身結(jié)構(gòu)特性和堆積特征，來進(jìn)一步分析泥石流堰塞壩潰決過與潰決機(jī)理。

堰塞壩的潰決是主河水流和堆積壩體之間相互作用的結(jié)果。一方面，主河水流沖刷掏蝕壩體，潰口在下切的同時(shí)向兩側(cè)發(fā)展；另一方面，潰口的增大引起潰決流量的增大，潰口坍滑的土體進(jìn)入潰決流中，又引起其挾沙能力的變化[33]。統(tǒng)計(jì)已知的堰塞壩潰決事件，主要有3種破壞模式：漫頂破壞、壩體失穩(wěn)破壞和管涌滲透破壞。當(dāng)水位漫過壩頂時(shí)，水流會(huì)沖蝕壩體，導(dǎo)致壩體逐漸破壞，即漫頂潰決；在地震、降雨及滲流作用下，壩體可能發(fā)生壩坡失穩(wěn)破壞；堰塞壩在滲流作用下，也可能發(fā)生壩坡管涌潰決。因?yàn)槟嗍餮呷麎蔚膲误w結(jié)構(gòu)特征及堆積幾何特征不同于滑坡堰塞壩，導(dǎo)致其潰決過程與潰決模式的不同。泥石流在進(jìn)入主河前已充分混摻，且飽含細(xì)顆粒物質(zhì)，使得泥石流堰塞壩壩體內(nèi)部往往不存在明顯孔隙和滲流路徑，因此壩體基本上很難發(fā)生滲透和管涌破壞。泥石流堰塞壩規(guī)模一般不大，大多數(shù)在短期內(nèi)發(fā)生漫頂潰壩。泥石流堰塞壩難以形成較大規(guī)模主要是受限于泥石流自身規(guī)模，且泥石流的流動(dòng)性限制了壩體高度。由于泥石流規(guī)模有限，如果泥石流堵斷主河，常常就會(huì)出現(xiàn)漫頂潰決。胡卸文等[34]通過現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查，對(duì)“9·24”泥石流堵河狀況及潰壩模式進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，總結(jié)出其破壞模式為：扇緣部位首先過流，接著水流擠壓對(duì)岸并淘刷對(duì)岸堰塞體，最后逐級(jí)沖開堆積扇。黨超等[35]將泥石流堰塞壩的破壞總結(jié)為沖刷侵蝕、壩體在水力作用下再啟動(dòng)、壩體在重力作用下再啟動(dòng)這3種模式。陳華勇等[36]將溢流模式下壩體的潰決過程歸納為“由水流沖蝕引起的連續(xù)下切”及“潰口邊坡失穩(wěn)坍塌引起的間歇性橫向擴(kuò)展”。在潰壩實(shí)驗(yàn)方面，由于泥石流堰塞壩體積巨大，無法進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)，通常是進(jìn)行一定比例尺的模型實(shí)驗(yàn)。對(duì)于模型實(shí)驗(yàn)，主要采取預(yù)設(shè)不同的壩體材料和幾何形態(tài)，控制來流的流速和流量等，觀察潰壩發(fā)展變化過程，分析不同因素對(duì)潰決過程的影響以及潰壩機(jī)理。黨超等[35]以西藏地區(qū)泥石流堵河事件為概化模型進(jìn)行泥石流堰塞壩的漫頂潰決實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中改變壩體參數(shù)和主溝的水力參數(shù)來研究泥石流堰塞壩潰決的過程，分析了顆粒粒徑與啟動(dòng)流速之間的關(guān)系，并提出了顆粒啟動(dòng)的臨界條件。耿學(xué)勇等[37]開展了13組不同來水流量、壩高、壩體含水率和壩頂寬度的泥石流堰塞壩潰決及洪水特性的水槽實(shí)驗(yàn)，得出潰口侵蝕速度與上游來水流量呈正比，潰決模式對(duì)泥石流堰塞壩潰決洪峰影響最大，庫區(qū)水位下降至30%～50%附近一般會(huì)出現(xiàn)潰決洪峰，并結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了泥石流堰塞壩潰決洪水計(jì)算公式。李建華等[38]針對(duì)堰塞壩潰口擴(kuò)展的主要影響因素，用刻度紙和攝像機(jī)記錄不同狀況下潰口斷面的形成、發(fā)展和變化過程，分析出壩體中的粗砂含量、壩頂長度、壩后坡度、入庫流量等因素與潰口下切展寬的初始速率、平均速率、最大速率等之間的相關(guān)性及敏感性。

3.2 泥石流堰塞壩潰決機(jī)理及數(shù)值模擬

泥石流堰塞壩漫頂破壞的過程實(shí)質(zhì)上是水流對(duì)壩體的沖刷侵蝕過程?，F(xiàn)有對(duì)壩體漫頂破壞機(jī)理的初步分析大多著眼于潰壩過程中顆粒的沖刷與起動(dòng)，從不同粒徑顆粒的沖刷起動(dòng)特征層面來說明潰壩機(jī)理[39]。壩體溢流沖刷破壞機(jī)制可從3個(gè)方面分析：① 坡面流剪力，坡面顆粒運(yùn)動(dòng)是坡面水流拖曳力作用造成的；② 坡面流流速，潰口中水流速度越大對(duì)壩體的掏蝕越強(qiáng)；③ 坡面流能量，坡面顆粒運(yùn)動(dòng)必定要損耗一定的能量。其中，從水流流速入手最直觀也最簡單。分析顆粒的受力情況，顆粒起動(dòng)是水流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的拖曳力和上舉力超過顆粒間的黏結(jié)力。水流運(yùn)動(dòng)的拖曳力和上舉力體現(xiàn)在水流的流速上，當(dāng)流速效應(yīng)超過顆粒的黏結(jié)力效應(yīng)后，顆粒便發(fā)生運(yùn)動(dòng)。常用的顆粒的起動(dòng)流速公式如下：

沙莫夫公式

(1)

唐存本公式

(2)

張瑞瑾公式

(3)

式中：Uc為顆粒的起動(dòng)流速；γs和γ分別為顆粒和水流的重度；h為顆粒位置的水流深度；d為顆粒直徑；g為重力加速度。以上3個(gè)計(jì)算公式具有相同的形式，反映了相同的顆粒起動(dòng)流速變化規(guī)律，即不同粒徑顆粒在同樣水深條件下的起動(dòng)流速隨粒徑的增加而增加，同一粒徑顆粒的起動(dòng)流速隨水流深度增加而增加。

水流在壩體坡面運(yùn)動(dòng)時(shí)，也常常會(huì)形成陡坎沖刷。跌過陡坎的水舌會(huì)沖擊下坡面，并在陡坎壁面一側(cè)產(chǎn)生反向漩流，漩流剪應(yīng)力作用會(huì)沖刷河床并掏蝕壁面底部，導(dǎo)致坡腳侵蝕，陡坎從而不斷向上游發(fā)展，最終抵達(dá)迎水面使?jié)⒖谪炌āＴ谪Q向上，漩流剪應(yīng)力掏蝕深切底槽促使?jié)⒖谠谪Q向上的發(fā)展；在橫向上，水流剪應(yīng)力沖蝕潰口兩側(cè)坡體促使?jié)⒖谧儗?，水流作用?huì)在兩側(cè)形成陡立的臨空面，臨空面土體在重力作用下發(fā)生崩塌或滑動(dòng)破壞。Hanson等[40-41]給出了陡坎侵蝕速率計(jì)算公式：

(4)

式中：H為陡坎高差；Ev為垂直面上的侵蝕量；kd為侵蝕系數(shù)；τe為有效剪應(yīng)力；τc為臨界剪應(yīng)力。

目前，專門對(duì)泥石流堰塞壩潰決過程的數(shù)值模擬較少，但很多研究人員通過建立模型對(duì)滑坡堰塞壩潰決過程進(jìn)行了模擬，主要包括基于參數(shù)的模型和基于物理過程的模型?；趨?shù)的模型是擬合分析已知潰壩事件參數(shù)而得到的統(tǒng)計(jì)模型。常見的基于參數(shù)模型是將壩體高度、壩體體積、庫容、攔蓄水量等作為特征參數(shù)，擬合出關(guān)于洪峰、潰壩時(shí)長和潰口穩(wěn)定寬度之間的關(guān)系式。采用基于參數(shù)的模型來評(píng)估堰塞壩穩(wěn)定性和流量，具有方便、快捷的特點(diǎn)，尤其是堰塞壩剛形成時(shí)，急需判斷堰塞壩的穩(wěn)定性和潰決過程中的峰值流量等參數(shù)，此時(shí)參數(shù)模型具有非常大的優(yōu)勢?；谖锢磉^程的模型是從理論角度分析堰塞壩形成與發(fā)展機(jī)理，考慮了泥沙輸移、水流運(yùn)動(dòng)和邊坡穩(wěn)定性等學(xué)科知識(shí)，構(gòu)建一個(gè)時(shí)變過程來預(yù)測潰壩發(fā)展過程。數(shù)值模擬是研究堰塞壩潰決問題的一種有效手段，深入研究泥石流堰塞壩潰決數(shù)學(xué)模型，能進(jìn)一步了解潰壩機(jī)理，更加精確分析泥石流堰塞壩的潰決過程，從而制定相應(yīng)決策，控制和減少災(zāi)害損失，因而在理論性和實(shí)用性上都具有重要的意義。

4 結(jié)語與展望

泥石流堰塞壩的形成，特別是黏性泥石流堵江成壩過程，是一個(gè)復(fù)雜的非牛頓體與牛頓體相互作用過程。由于泥石流堰塞壩在幾何特征、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與滑坡堰塞壩存在較大的差異性，所以泥石流堰塞壩潰決過程、洪水形成和演進(jìn)過程與滑坡堰塞壩潰決與洪水演進(jìn)過程大相徑庭，開展泥石流堰塞壩的形成-潰決過程與機(jī)理研究，可為泥石流堰塞壩潰決洪水的防災(zāi)減災(zāi)工作提供有力的科技支撐。近年來國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于泥石流堰塞壩的形成與潰決機(jī)理研究工作取得了一定的進(jìn)展，但仍然存在很多不足，在今后的研究中應(yīng)注重以下幾個(gè)方面。

(1) 系統(tǒng)分析影響泥石流堰塞壩形成機(jī)理的重要因素，總結(jié)泥石流堰塞壩形成機(jī)理的一般性規(guī)律；加強(qiáng)對(duì)泥石流堵河動(dòng)力過程的研究，建立泥石流堵河成壩的完整過程模型實(shí)驗(yàn)；從全流域的角度提出泥石流堰塞壩形成的預(yù)測模型。

(2) 加強(qiáng)對(duì)潰決過程影響因素的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)分析研究；合理地進(jìn)行泥石流堰塞壩潰決分析，建立與潰口變形直接相關(guān)的泥沙輸移理論模型；加強(qiáng)對(duì)泥石流堰塞壩潰決機(jī)理的描述，完成潰口從起始破壞到最終穩(wěn)定的潰決全過程準(zhǔn)確模擬。

(3) 在泥石流堰塞壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析方面，深入研究堰塞壩潰決的影響因素，選取更好的評(píng)估指標(biāo)，建立一個(gè)完善的評(píng)估方法；根據(jù)泥石流堰塞壩的演化特征和災(zāi)害鏈效應(yīng)，提出流域性泥石流堰塞湖危險(xiǎn)性的評(píng)估方法。