堰塞湖關(guān)鍵工程措施快速、定量分析方法研究——以2018年“11.03”白格堰塞湖為例

王 琳，段慶偉，劉立鵬，蔡思敏，孫 平

(1.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048； 2.中國水利水電科學研究院巖土工程研究所，北京 100048)

1 研究背景

堰塞湖在庫水位滲透或漫頂沖刷作用下，極易發(fā)生失控性潰決。當堰塞湖潰決時，洪水淹沒災(zāi)害隨著潰口的發(fā)展和潰決洪水演進傳播，會釀成巨大災(zāi)難[1]。近20年來，我國堰塞湖的發(fā)生頻率較高[2]，遠遠超出國外平均水平。2000年4月，易貢堰塞湖[3-4]形成，潰決流量達到94 810 m3/s。2008年5月汶川地震造成257處堰塞湖，唐家山[5-7]和小崗劍[8]堰塞湖是其中洪峰流量最大的兩座，其流量分別達到6 500、3 950 m3/s。2014年8月云南省魯?shù)榭h發(fā)生“8.03”紅石巖堰塞湖[9-10]，最終通過開挖8 m寬引流槽，降低了下游黃角樹和天花板水電站的風險。2018年發(fā)生的金沙江“10.10”和“11.03”白格堰塞湖[11-18]潰決流量分別達到10 000和31 000 m3/s，轉(zhuǎn)移人員41 003人，直接經(jīng)濟損失達68×108元。

51%的堰塞湖會在形成后的7 d內(nèi)潰決[19]。堰塞湖的發(fā)生無法確定，若能采取快速的應(yīng)急處置，則可以降低災(zāi)害。即使發(fā)生潰決事件，通過提前預(yù)警、人口轉(zhuǎn)移等方式可以做到零死亡。開挖引流槽是堰塞湖應(yīng)急處置中最重要的關(guān)鍵工程措施。通過開挖引流槽將白格堰塞湖基本按照預(yù)定方案潰決，從而最大限度減少下游700 km地區(qū)的災(zāi)害損失，是有效降低災(zāi)害損失的典型案例[16]。

《堰塞湖應(yīng)急處置技術(shù)導(dǎo)則》(SL 451-2009)[20]提出需對堰塞湖應(yīng)急處置關(guān)鍵工程措施——開挖引流槽開展?jié)Q洪水計算，以降低堰塞湖風險。目前，堰塞湖應(yīng)急處置面臨的問題是：降低潰決洪水風險的關(guān)鍵工程措施分析方法能否滿足現(xiàn)有實際。

Costa等[21]認為開挖引流槽可以提高堰塞體的穩(wěn)定性，Schuster等[22]總結(jié)20個歷史潰決案例中所采取的降低堰塞湖潰決風險的工程措施，Satter等[23]闡述了過去10年大中型堰塞湖的風險降低措施。但這些成果都是根據(jù)實踐經(jīng)驗和工程實例，為降低堰塞湖的風險提供的定性方法。由于堰塞湖形成后地質(zhì)條件惡劣，道路堵塞，專業(yè)人員很難在有限的時間內(nèi)獲取詳細數(shù)據(jù)。因此，如何快速、定量地確定降低潰決洪水風險的關(guān)鍵工程措施迫在眉睫。

本文歸納總結(jié)國內(nèi)外堰塞湖工程處置實例，基于堰塞湖潰決洪水分析[24-25]，提出降低堰塞湖風險的關(guān)鍵工程措施——開挖引流槽的快速、定量分析方法，選擇參數(shù)化潰決分析方法開展關(guān)鍵工程措施的對比論證，期望能為今后國內(nèi)外堰塞湖應(yīng)急處置提供技術(shù)參考。

2 堰塞湖應(yīng)急處置工程措施

2.1 常用工程措施

部分堰塞湖形成后，河道依然保持原有的下泄路徑，此時并無其他泄流通道，會造成堰塞湖內(nèi)持續(xù)蓄水，在形成后幾天內(nèi)發(fā)生潰決，造成嚴重的次生災(zāi)害。若地震形成的連珠式堰塞湖發(fā)生連鎖潰決，其破壞力將更為巨大。例如在綿遠河，僅21 km河段，2008年汶川地震時形成了“黑洞巖—小崗劍(上)—小崗劍(下)—一把刀” 4個自上而下的堰塞湖，一旦處理不慎，則會造成嚴重災(zāi)害[8]，故工程措施的選擇尤為重要。目前主要有壩前排水、開挖引流槽及爆破3種處置方案。

2.1.1 壩前排水 抽水排險技術(shù)是在條件允許的前提下，通過水泵強排堰塞湖庫水，達到降低堰塞湖水位、控制風險的目的。一般對庫容較小的堰塞湖可采取此方法。2004年10月23日發(fā)生的日本新瀉縣地震，造成了嚴重的災(zāi)害損失，由于11月8日東竹澤堰塞湖的水位已從144.0 m上漲至150.5 m，故采取水泵強排水措施[26]。至11月17日，堰塞湖最高水位達157.76 m，庫容約2.50×106m3，對下游的威脅增加。至12月20日，水位降至144 m，很好地控制了堰塞湖的潰決風險。安裝排水管道實施強排水的措施較為經(jīng)濟且易于實行，但由于排水管的過水能力較小，且?guī)靸?nèi)水體體積較大，也會造成一定風險，并可能會產(chǎn)生地基侵蝕問題，危及壩體安全。因此，東竹澤堰塞湖采取了臨時調(diào)整水泵排水軟管位置、修補復(fù)原壩基受侵蝕之處等措施，以確保排水的順利進行。

2.1.2 開挖引流槽 引流槽除險是國內(nèi)外堰塞湖除險最為常用的技術(shù)，其基本指導(dǎo)思想是控制堰塞湖在庫容較小、水頭較低的情況下泄流。一部分堰塞湖會實施人工潰決，使庫水位迅速降低，險情基本解決。白格、易貢、唐家山、肖家橋堰塞湖的除險皆屬此例。以白格堰塞湖為例，2018年11月3日，“10.10”白格滑坡的殘余滑坡體再次下滑，堵塞引流槽后，在原殘余體基礎(chǔ)上形成“11.03”白格堰塞湖，如果該堰塞湖蓄滿，最大庫容將達7.7×108m3，一旦潰決將會造成極其嚴重的損失。因此，應(yīng)急救災(zāi)指揮部啟動了人工干預(yù)開挖引流槽的應(yīng)急處置措施。至11月11日下午，引流槽開挖完成，引流槽長220 m，槽底高程2 952.52 m，頂寬42 m，底寬3 m，如圖1所示。13日13:40，堰塞湖壩前最高水位為2 956.40 m，相應(yīng)庫容為5.79×108m3；13日18:00，潰決洪峰流量為31 000 m3/s左右[17]。

圖1 2018年“11.03”白格堰塞湖引流槽泄洪圖[16]

2.1.3 爆破 對于滑坡區(qū)河段岸坡陡峭、河谷狹窄、大石塊較多、引流槽較難開挖的堰塞湖可選擇爆破施工形成引流槽。在汶川地震中出現(xiàn)的小崗劍堰塞湖就選用此方式。6月12日10:30實施爆破后，下游漢旺水文站13:17量測的最高洪峰約為3 950 m3/s，隨后流量逐漸減小，成功降低了小崗劍堰塞湖所造成的風險[8]。1964年塔吉克斯坦Zeravshan河 (38.3°N，72.5°E)被0.15×108m3的滑坡堵塞[27]，形成220 m高、1 800 m厚、400 m寬的堰塞體。采用爆破為主，輔以推土機清土的方式施工了一條深40～50 m的引流槽，使Zeravshan河維持滑坡前的水位。但在爆破時要特別注意爆炸數(shù)量以及位置的選取，應(yīng)避免過度地加寬和加深引流槽而引起過大的洪峰流量，對下游造成二次災(zāi)害。

2.1.4 問題探討 堰塞湖應(yīng)急處置時，工程措施并不是割裂的，壩前抽水可延緩壩前水位的上升，為后續(xù)處置措施爭取時間，再開挖引流槽以確保堰塞湖的安全控泄。1987年7月，意大利Lombardia地區(qū)Zandila山發(fā)生滑坡堵塞了Val Pola山谷，形成了體積約0.4×108m3的堰塞體，壩體長達1 200 m，橫跨河谷，壩體沿河谷方向厚度達2 500 m(如圖2所示)[28]?；掳l(fā)生后，立即采取了工程措施來增加壩體的穩(wěn)定性并使堰塞湖保持較低水位。首先采用水泵抽水以減緩庫水位上升速度，再從壩體頂部開挖了一條2 km長的引流槽，并在下游修建了攔砂壩(如圖3所示)。與此同時在穩(wěn)定坡面一側(cè)開挖隧洞，隧洞直徑為5.0和4.2 m，長3 km，容許流量達540 m3/s，由于后序的工程處置措施完備，并未引起較大的災(zāi)害[28]。

圖2 意大利Val Pola山谷滑坡及其堰塞湖[28]

圖3 意大利Val Pola堰塞體開挖溢流槽及下游攔砂壩[28]

2.2 關(guān)鍵工程措施——開挖引流槽

綜上所述，在應(yīng)急處置的工程措施中，無論是壩前排水或開挖引流槽，都須進行堰塞湖潰決洪水分析，其對關(guān)鍵工程措施方案的論證極為重要。目前應(yīng)用最廣泛的關(guān)鍵工程措施為開挖引流槽，基于經(jīng)驗，一般在結(jié)構(gòu)較為松散的堰塞體上選擇開挖淺而寬的引流槽，在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的堰塞體上選擇開挖窄而深的引流槽，如圖4所示。

圖4 堰塞湖引流槽開挖示意圖

目前對開挖引流槽的方案論證多通過參數(shù)化方法，沒有考慮基于物理機制的量化分析方法。堰塞湖形成后地質(zhì)條件惡劣，道路堵塞，很難在有限的時間內(nèi)獲取詳細的壩體數(shù)據(jù)。因此，如何快速、定量地確定降低潰決洪水風險的關(guān)鍵工程措施迫在眉睫。下文將介紹基于物理機制的DB-IWHR(dam break-Institute of Water Resources and Hydropower Research)潰決分析方法，根據(jù)此方法編制的程序可保證工程師在1 h內(nèi)完成目標工況的計算，在堰塞湖應(yīng)急處置時可快速應(yīng)用。

3 堰塞湖關(guān)鍵工程措施快速、定量分析方法

3.1 基于物理機制的DB-IWHR潰決模型

DB-IWHR是本團隊Chen等[24]提出的基于物理機制的潰決洪水分析方法，此方法采用寬頂堰公式計算潰決流量，考慮土水作用機制，基于試驗提出雙曲線形式的沖蝕模型；在計算潰口擴展時，采用總應(yīng)力法模擬潰口擴展[3]，并經(jīng)過改進提出經(jīng)驗性的雙曲線圖表以快速模擬潰口發(fā)展[25]，模型參數(shù)可通過材料強度參數(shù)回歸得到。DB-IWHR模型如下：

(1)水量平衡。潰口流量可通過寬頂堰公式計算，潰口水量滿足守恒原理，即潰口出流量等于水量的損失率，計算公式如下：

(1)

式中：mq為流量系數(shù)，可取0.320～0.385；mb為側(cè)向收縮系數(shù)，可取0.910～0.997；B為潰口寬度，m；g為重力加速度，m/s2；H為庫水位高程，m；z為潰口進口處底高程，m；W為水庫庫容，m3；t為時間，s；q為天然入庫流量，m3/s。

(2)沖刷。潰口沖刷的沖蝕率按雙曲線模型確定，如公式(2)、(3)：

(2)

v=k(τ-τc)

(3)

(3)雙曲線潰口崩塌。當潰口不斷被沖深時，會發(fā)生側(cè)向崩塌，可通過潰口邊坡穩(wěn)定分析逐級確定臨界坡面和滑裂面，其計算簡圖如圖5所示，逐級崩塌模式如公式(4)、(5)：

B=B0+2Δz+2htan(β-π/2)

(4)

(5)

式中：B0為潰口的初始寬度，m；β0為初始潰口傾角，(°)，可選擇β0=π(天然休止角)；β為潰口傾角，(°)；h為水深，m，在數(shù)值計算中，可近似取前一積分歩的值。

1/m1和1/m2分別表示雙曲線的初始切線和漸近線，m1、m2值可根據(jù)經(jīng)驗公式(6)、(7)確定：

m1=0.0073c+0.072

(6)

m2=0.0332 tanφ+0.0086

(7)

式中：c為凝聚力，kPa；φ為摩擦角，(°)。

圖5 潰口邊坡穩(wěn)定計算簡圖

3.2 “11.03”白格堰塞湖引流槽開挖對比分析

3.2.1 物理機制潰決分析 2018年10月10日22:06，西藏自治區(qū)昌都市和四川省甘孜自治州交界處的金沙江河道右岸發(fā)生山體滑坡，堵塞了金沙江干流，形成白格堰塞湖。至11月3日，由于原處滑坡再次發(fā)生崩塌，覆蓋殘余壩體，形成“11.03”白格堰塞湖。堰塞體的堰頂寬約為195 m，長約273 m，堰頂高程約2 966.5 m，堰塞體高出水面58.24 m，如果蓄滿，最大庫容將達7.9×108m3，“11.03”白格堰塞湖基本概況如表1所示。開挖引流槽成為降低白格堰塞湖風險的關(guān)鍵工程措施。11月8日，現(xiàn)場搶險挖掘機抵達堰塞體壩頂，通過3天的施工，一條長220 m，頂寬42 m，底寬3 m，最大深度15 m的倒梯形導(dǎo)流槽施工完成。堰塞體埡口高程降低至2 952.52 m。11月12日凌晨04:45，引流槽開始進水，整個引流槽泄水道在10:50被淹沒；13日8:00，通過引流槽的流量增大；13日12:00，潰決沖蝕迅速加快；13日13:40，堰塞湖庫容達5.79×108m3，相應(yīng)的最高水位為2 956.40 m；13日18:00潰決洪峰流量達到31 000 m3/s；14日8:00，退至基流[29-30]。堰塞體過流后形成新河道，平面上呈向右岸凸出的弧形，開口寬180～240 m[16]。

圖6所示為“11.03”白格堰塞湖水位、潰口流量、潰口寬度的計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比。根據(jù)實測結(jié)果，在13日18時，潰口最大洪峰達到31 000 m3/s，潰決庫容達到5.79×108m3。反演分析結(jié)果為13日18:40最大洪峰流量達到33 438.30 m3/s，潰決庫容達到5.21×108m3。若不開挖引流槽，則在水位達到堰頂高程2 966.5 m時堰塞湖將潰決，庫容將達到8.08×108m3，峰值預(yù)測為39 277.35 m3/s，開挖引流槽可使洪峰流量減少26.7%，洪量減少39.5%。運用基于物理機制的分析方法可快速、定量地評價堰塞湖關(guān)鍵工程措施，并快速確定引流槽開挖方案。

3.2.2 參數(shù)化潰決分析 將上述基于物理機制的潰決分析方法與參數(shù)化潰決分析方法進行比較，選取美國墾務(wù)局(Bureau of Reclamation, U.S. USBR)[31]、Froehlich[32]和Xu等[33]3組典型的參數(shù)化模型(下文分別稱為USBR模型、Froehlich模型、Xu模型)分析評價引流槽的開挖措施方案。這3個模型均可計算潰決流量、最終潰口寬度和潰決時間，其他參數(shù)化模型無法計算以上3個結(jié)果，3個參數(shù)化潰決模型及本文DB-IWHR模型對白格堰塞湖潰決的計算結(jié)果如表2所示 。

表1 “11.03”白格堰塞湖基本概況

圖6 “11.03”白格堰塞湖潰決計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比

表2 “11.03”白格堰塞湖計算結(jié)果對比

針對潰決流量，USBR模型計算的結(jié)果為27 196.02 m3/s，與白格堰塞湖實際潰決流量31 000 m3/s的誤差為-12.27%，在誤差范圍內(nèi)。Froehlich模型和Xu模型計算的潰決流量分別為19 000.84和62 514.09 m3/s，誤差分別為-38.71%和101.66%。USBR模型和Froehlich模型潰決計算結(jié)果的誤差均在50%以內(nèi)，被認為是可接受的[34]，USBR模型模擬計算潰決流量明顯優(yōu)于其他兩個模型。而DB-IWHR計算的潰決流量為33 438.30 m3/s，誤差只有7.87%。

針對潰口最終寬度，實測的潰口寬度為180～240 m，USBR模型計算的潰口平均寬度為151.68 m，相對于最大實際寬度的誤差為-36.80%，F(xiàn)roehlich模型計算的潰口寬度為250.18m，誤差為4.24%。Xu模型計算的寬度為210.01 m，在實際潰口寬度范圍內(nèi)。USBR模型和Froehlich模型的誤差均可接受，Xu模型模擬計算的潰口寬度明顯優(yōu)于其他兩個模型。DB-IWHR計算的潰口寬度為245.01 m3/s，誤差僅為2.08%。

針對到達潰決洪峰時間，USBR模型計算的到達洪峰時間為1.67 h，與實際的誤差為-61.43%，F(xiàn)roehlich模型和Xu模型模擬計算的到達洪峰時間分別為2.80和18.17 h，誤差分別為-35.33%和319.63%，只有Froehlich模型模擬計算的到達潰決洪峰的時間可以接受。DB-IWHR計算的到達洪峰時間為5.01 h，誤差為15.70%。

綜上所述，在模擬潰決洪峰流量時，USBR模型明顯優(yōu)于其他兩個模型；模擬潰口寬度時，Xu模型明顯優(yōu)于其他兩個模型；在模擬到達洪峰時間時，只有Froehlich模型計算的誤差可以接受。由表2可知，本文基于物理機制快速、定量分析的計算結(jié)果明顯優(yōu)于所比較的3個參數(shù)化潰決模型。此外，基于物理機制的潰決模型可以給出更詳細的結(jié)果，例如潰決過程的變化過程線、潰口水位的下降過程和潰口發(fā)展過程(如圖6所示)。

4 結(jié) 論

(1)通過歸納總結(jié)國內(nèi)外多座堰塞湖應(yīng)急處置經(jīng)驗，在確定堰塞湖應(yīng)急處置工程措施時，關(guān)鍵工程措施方案的論證極為重要，引流槽是目前應(yīng)用最為廣泛的關(guān)鍵工程措施。

(2)以“11.03”白格堰塞湖為例，運用本研究團隊開發(fā)的基于物理機制的DB-IWHR模型開展了堰塞湖關(guān)鍵工程措施——開挖引流槽量化分析，發(fā)現(xiàn)其反演分析的潰決數(shù)據(jù)與實測潰決數(shù)據(jù)較為吻合，并可在1 h內(nèi)完成方案論證，適用于堰塞湖應(yīng)急處置的快速、定量需求，可用于降低堰塞湖潰決洪水風險的關(guān)鍵工程措施——開挖引流槽的方案論證。

(3)通過白格堰塞湖關(guān)鍵工程措施——開挖引流槽的方案對比論證，表明在應(yīng)急處置中緊急開挖的一條長220 m、深15 m，頂寬42 m，底寬3 m的引流槽進行泄洪，可使堰塞湖庫容由8.08×108m3減小至5.79×108m3，潰決洪峰流量由39 277.35 m3/s減小至31 000 m3/s，從而降低了堰塞湖潰決洪水對下游的威脅。

(4)選擇3組典型的參數(shù)化模型分析評價關(guān)鍵工程措施——引流槽的開挖措施方案，在模擬潰決洪峰流量時，USBR模型明顯優(yōu)于其他兩個模型；模擬潰口寬度時，Xu模型明顯優(yōu)于其他兩個模型；在模擬到達洪峰時間時，只有Froehlich模型計算的誤差可以接受。但參數(shù)化模型無法模擬潰決相關(guān)參數(shù)的變化發(fā)展過程。