西藏洛隆縣巴曲冰湖潰決型泥石流演進(jìn)過程模擬研究

劉 波 ，胡卸文,2 ，何 坤 ，黃 濤 ，韓 玫 ，席傳杰 ，文 強 ，張曉宇

（1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756；2.西南交通大學(xué)高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 611756；3.西南交通大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，四川 成都611756；4.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

20世紀(jì)以來，全球氣溫普遍升高，冰川融化加劇，冰湖規(guī)模及數(shù)量隨之增加。同時在喜馬拉雅高山地區(qū)，冰湖潰決災(zāi)害也顯著增加[1]。據(jù)資料記載，20世紀(jì)30年代至今，西藏境內(nèi)共有25個冰磧湖發(fā)生過29次潰決[2]。這些冰湖潰決災(zāi)害主要分布于喜馬拉雅山中段和念青唐古拉山東段，大多形成了規(guī)模巨大的洪水災(zāi)害，導(dǎo)致人員失蹤、房屋被毀、橋梁和道路等基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重破壞。例如，1988年7月15日西藏波密米堆終磧湖發(fā)生潰決，最大洪峰流量1 270 m3/s，潰決水量5.4×106m3，形成了大規(guī)模的潰決洪水-泥石流災(zāi)害[3]。1985年，林芝縣培龍溝上游發(fā)生大規(guī)模冰崩，形成臨時性冰湖，之后冰湖潰決，攜帶大量冰塊的洪水激發(fā)了特大型泥石流，溝口最大流量達(dá)8 195 m3/s，并堵塞帕隆藏布江，之后堰塞壩潰決，潰決洪水嚴(yán)重?fù)p毀了川藏公路[4]。2013年西藏嘉黎縣忠玉鄉(xiāng)發(fā)生冰湖潰決洪水災(zāi)害事件，導(dǎo)致忠玉鄉(xiāng)238戶1 160人受災(zāi)，房屋、橋梁、道路等基礎(chǔ)設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞，直接經(jīng)濟損失高達(dá)2.7億元[5]。

由冰湖潰決產(chǎn)生的泥石流具有暴發(fā)突然、持續(xù)時間短、洪峰值高、流量大且級聯(lián)效應(yīng)明顯等特點。泥石流在運移途中可能誘發(fā)溝道兩岸崩塌、滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害，可進(jìn)一步放大冰湖潰決所帶來的危害。誘發(fā)冰湖潰決的因素繁多，可以概括為外部誘因（如冰/雪崩、強降雨、冰川躍動及地震等）和內(nèi)部誘因（如冰磧壩內(nèi)死冰消融及冰磧壩管涌通道擴大等）兩大類[6]。冰湖潰決方式包括漫頂溢流潰壩、管涌潰壩、瞬間潰壩或多種潰決形式共存，如加拿大哥倫比亞Queen Bess冰湖潰決分兩階段，先是冰崩落入湖中產(chǎn)生漫頂洪水，然后漫頂洪水掏蝕作用導(dǎo)致冰磧壩潰決形成洪水，然后兩股洪水在下游大約7 km處疊加到一起，造成了更大的洪水。

冰湖潰決風(fēng)險分析是進(jìn)行冰湖潰決演進(jìn)模擬的重要前提。Huggel等[7]曾總結(jié)提出了冰湖潰決評價的指標(biāo)體系，該體系包括3個一級指標(biāo)以及18個二級指標(biāo)，考慮了冰湖特征、冰壩特征、地形地貌以及氣候等外界因素的影響，更貼近實際地評價冰湖潰決危險性。國內(nèi)學(xué)者陳儲軍等[8]對年楚河流域冰湖潰決進(jìn)行了調(diào)查，并提出了8個評價指標(biāo)：積雪面積、積雪平均坡度、冰舌坡度、冰湖與冰舌間隔長度、湖水總體積、終磧壟頂部寬度、終磧壟背水坡坡度、終磧壟下游會合處落差。Casagli等[9]基于意大利70座堰塞壩提出了堆積體指標(biāo)（BI）法來判斷堰塞壩穩(wěn)定性。之后，Ermini等[10]在此基礎(chǔ)上基于84座堰塞壩資料（阿爾卑斯和亞平寧山區(qū)36座、日本17座、美國和加拿大20座，新西蘭和印度等其他國家11座）對其進(jìn)行改進(jìn)，增加了壩體高度，提出了無量綱堵塞指數(shù)（dimensionless blockage index, DBI），并統(tǒng)計分析得出具體數(shù)值。Dong等[11]基于40座日本堰塞壩，提出了考慮峰值流量、壩高、壩寬、壩長及壩體體積等多種因素的Ls（a model including catchment area (A), dam height (H) and dam volume (V), AHV）指標(biāo)。Tacconi等[12]基于意大利300座堰塞壩，提出考慮壩體體積、流域面積和溝道坡降的HSDI指標(biāo)。

隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，學(xué)者們將數(shù)值模擬方法逐漸引入冰湖潰決演進(jìn)研究。岳志遠(yuǎn)等[13]利用可以捕捉激波的WAF TVD二階精度格式數(shù)值方法模擬了冰壩潰決洪水，驗證了該模型的可靠性。劉林等[14]采用MIKE21FM模擬了不同潰決模式對洪水特征的影響。朱海波等[15]采用LAHARZ模型驗證了桑旺錯冰磧湖潰決水量。Petrakov等[16]采用FLO-2D模型對俄羅斯高加索山脈中部的Bashkara冰湖群可能的潰決洪水進(jìn)行了模擬并提出早期預(yù)警系統(tǒng)和緩解災(zāi)害的措施。曹鵬等[17]利用FLO-2D評估了甘肅麻路河流域泥石流危險性。以上研究聚焦于潰決洪水的演進(jìn)，但冰湖潰決可能產(chǎn)生洪水，也可能引發(fā)泥石流。不同于暴雨型泥石流，冰湖潰決數(shù)值模擬必須從冰湖庫容、冰湖潰決洪水/泥石流洪峰流量、冰湖潰決洪水演進(jìn)等方面進(jìn)行分析，因此需要考慮冰湖潰決型洪水在演進(jìn)過程中轉(zhuǎn)化為泥石流的情形。

快速物質(zhì)運動模擬軟件（rapid mass movement simulation，RAMMS）由瑞士WSL雪崩研究所開發(fā)，其中泥石流模塊采用了Voellmy-Salm單相流模型，將泥石流假設(shè)為具有摩擦力的流體。由于其模擬結(jié)果準(zhǔn)確度較好，已被國內(nèi)外工程界和學(xué)術(shù)界廣泛接受并應(yīng)用[18-19]。RAMMS可采用物質(zhì)釋放法和流量曲線法來設(shè)置泥石流的初始起動條件。在運動過程中，采用考慮摩擦系數(shù)的單相流體來模擬潰決型泥石流。同時可以在三維地形圖上模擬潰決洪水演進(jìn)，并查看整個過程的分時結(jié)果。

本文以巴曲冰湖泥石流溝為例，首先采用現(xiàn)場調(diào)查和遙感解譯查明巴曲冰湖泥石流的基本特征，之后采用規(guī)范公式計算了巴曲冰湖泥石流在暴雨條件下暴發(fā)的動力學(xué)特征參數(shù)。計算了巴曲7個冰湖的體積，并基于無量綱堵塞指數(shù)（DBI）評價了巴曲冰湖堰塞體的穩(wěn)定性。最后采用RAMMS數(shù)值模擬揭示了巴曲冰湖潰決后的演進(jìn)過程，由于巴曲冰湖流量曲線無法獲取，因此采用物質(zhì)釋放法更符合實際情況。通過模擬得到了巴曲冰湖泥石流在四種場景下的危險性分布范圍。最后討論了冰湖潰決對泥石流流量的放大效應(yīng)以及四種場景下冰湖潰決型泥石流的暴發(fā)條件，并結(jié)合川藏鐵路線路位置提出了對應(yīng)的防治工程建議。

1 研究區(qū)概況

巴曲冰湖泥石流溝位于西藏昌都市洛隆縣臘久鄉(xiāng)，八美村坐落于巴曲堆積扇上。擬建川藏鐵路A車站位于堆積扇右側(cè)，B隧道從巴曲溝下方穿過，隧道入口位于巴曲溝右側(cè)（圖1）。巴曲泥石流流域面積49.25 km2，主溝長11.82 km，平均縱坡降133.89 ‰，最大高程5 324 m，相對高差1 582 m。

圖1 巴曲溝全貌圖Fig.1 The view of the whole Baqu gully

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

川藏鐵路沿線泥石流可以分為暴雨型泥石流、冰川型泥石流和冰川-暴雨混合型泥石流[20]。巴曲泥石流位于伯舒拉嶺山脈東北側(cè)，為高山峽谷地貌，受區(qū)域環(huán)境因素和地勢影響，冰湖發(fā)育[21]，該區(qū)域內(nèi)泥石流以冰川-暴雨混合型為主。巴曲流域地勢南高北低，溝道呈深“V”型，支溝較為發(fā)育，谷坡25 °～70 °，谷寬20～100 m。堆積扇平面呈扇形，地形平坦開闊，有擠壓河道的現(xiàn)象。

研究區(qū)內(nèi)主要斷層為信本斷裂帶。地表出露巖性主要為石炭—二疊系來姑組石英砂巖、白堊系大磨拐河組石英砂巖和白堊紀(jì)花崗巖、古近系宗白群含砂礫巖（圖2）。巴曲泥石流溝道縱坡降存在分段特性，可將其分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)，其中形成區(qū)與流通區(qū)的界限不明顯（圖3）。

圖2 巴曲冰湖泥石流物源分布圖Fig.2 Geological setting and material sources of Baqu glacier-lake debris flow gully

圖3 巴曲冰湖泥石流溝的主溝縱斷面圖（圖2中1-1’剖面）Fig.3 Vertical section 1-1’ of main gully of the Baqu debris flow (section 1-1’ in Fig.2)

1.2 物源條件

溝域內(nèi)可啟動物源共83處（圖2），總靜儲量約12.88×106m3，總動儲量約2.39×106m3。物源類型主要為溝道物源、坡面物源、崩滑物源、凍融物源（圖4）[22]，豐富的固體物質(zhì)可顯著增大泥石流的沖出固體物質(zhì)量[23]。

圖4 巴曲泥石流典型物源Fig.4 Typical sources photography of Baqu debris flow

1.3 水文條件

研究區(qū)屬于高原亞溫帶亞濕潤氣候區(qū)，日照充足，蒸發(fā)強烈，干雨季分明，年降水量少，多年平均降水量490.24 mm，主要集中在6—9月。最大年降水量704.33 mm（1998年），最大月降水量165.6 mm，最大日降水量39.2 mm。該區(qū)域年平均氣溫1.5～13.6 ℃，年溫差較大。巴曲溝水源包括冰川融水、降雨及冰湖溢流。巴曲溝常年平均流量約2.5 m3/s。

通過Landsat-8衛(wèi)星影像的分析解譯，巴曲溝內(nèi)存在小型冰湖點7處（圖5）。冰湖點面積最大0.194 km2，面積最小0.01 km2，其中有3個冰湖面積大于0.1 km2。根據(jù)現(xiàn)場走訪調(diào)查及遙感衛(wèi)星解譯，發(fā)現(xiàn)在汛期冰湖基本全部解凍，非汛期面積小于0.1 km2的冰湖點基本處于凍結(jié)狀態(tài)，面積大于0.1 km2的冰湖點處于半凍結(jié)狀態(tài)，且溝內(nèi)冰湖常年處于正常溢流狀態(tài)。

圖5 巴曲流域冰湖分布圖Fig.5 Distribution of glacier lakes in the Baqu catchment

冰湖庫容量是估算潰決洪峰流量的必要參數(shù)，盡管學(xué)者們在利用遙感衛(wèi)星測量湖水深度方面做了不少工作，但是直接通過遙感數(shù)據(jù)獲取冰磧湖水量參數(shù)仍然十分困難。一般是通過遙感手段獲取冰磧湖面積A，再由以下經(jīng)驗公式估算湖水深度D：

式中：V—冰湖庫容/m3；

A—冰湖面積/m2；

D—湖水深度/m。

式（1）為Huggel等[7]于2002年提出，并得到了廣泛應(yīng)用，該擬合公式的r2值為0.916，表明相關(guān)性較好。公式樣本來自15個冰磧湖，這些湖主要分布在阿爾卑斯高山一帶，與青藏高原地質(zhì)條件接近，因此對巴曲各冰湖的容量計算也使用該公式，計算結(jié)果見表1。

表1 巴曲冰湖面積及庫容Table 1 Area and volume of glacier lakes in Baqu

2 泥石流動力學(xué)特征參數(shù)

在不考慮冰湖潰決的情況下，采用規(guī)范公式計算巴曲冰湖泥石流的基本特征參數(shù)。

2.1 泥石流流速

泥石流流速指泥石流流體在通過某一斷面處時的平均速率，由于不同斷面溝床比降和糙率不同，流速變化很大。根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ-T-0220-2006）[24]，巴曲泥石流的易發(fā)性評分為103分，查表可得重度為17.10 kN/m3，大于16 kN/m2，屬于黏性泥石流，因此采用式（3）計算流速：

nc—河床糙率，取0.08；

Hc— 泥深/m；

Ic—泥石流水力坡度，取巴曲溝道縱比降133.89‰。

計算結(jié)果如表2所示。

表2 巴曲泥石流溝口流速Table 2 Velocity of debris flow at the mouth of the Baqu gully

2.2 泥石流洪峰流量

假設(shè)泥石流與暴雨同步發(fā)生，暴雨流量全部轉(zhuǎn)為泥石流流量。采用雨洪法計算泥石流峰值流量，得出各斷面潰決洪水流量后，考慮溝道堵塞情況，根據(jù)式（4）計算泥石流峰值流量：

式中：Qc—泥石流峰值流量/（m3·s-1）；

Qmax—暴雨洪峰流量/（m3·s-1）；

φ—泥石流泥沙修正系數(shù)；

Dc—泥石流堵塞系數(shù)，取1.5。

計算結(jié)果如表3所示。

表3 巴曲泥石流溝口洪峰流量Table 3 The peak discharge at the mouth of Baqu gully

2.3 泥石流沖擊力

泥石流沖擊力包括整體沖擊力和單塊最大沖擊力，整體沖擊力計算公式為：

式中：F—泥石流整體沖壓力/（kN·m-2）；

g—重力加速度/（m·s-2）；

α—受力面與泥石流沖壓力F方向的夾角；

λ—受力體形狀系數(shù)，取1.33。

單塊塊石最大撞擊力按式（6）計算：

式中：Fs— 單塊巨石撞擊力/ kN；

γ—動能折減系數(shù)，正面撞擊時取0.3；

α—受力面與泥石流撞擊面夾角；

C1、C2— 巨石與建筑物彈性變形系數(shù)，C1+C2=0.005；

W—巨石重量/ kN。

沖擊力計算均考慮最危險情況，即有關(guān)參數(shù)選取為沖擊力最大數(shù)值，并只考慮正面撞擊，具體結(jié)果如表4所示。

表4 巴曲泥石流整體沖擊力及最大塊石沖擊力Table 4 Impact pressure and maximum impact force of rock mass in the Baqu debris flow

2.4 泥石流一次沖出總量

由于泥石流比一般洪水更具暴漲暴落特點，一次泥石流過程一般比較短，泥石流過程線可以概化成單峰曲線，故一次泥石流過流總量按照下式計算：

式中：Wc— 一次泥石流總量/ m3；

T—泥石流歷時/s；

Qc—泥石流峰值流量/（m3·s-1）。

泥石流歷時 T 采用下式計算：

式中： L總—擴口到溝口總距離/km，取12.4；

Vc—泥石流平均速度/（m·s-1）。

計算得泥石流歷時 T 為27 min，1%暴雨頻率下一次泥石流總量為30.39×104m3。一次沖出固體物質(zhì)總量 Ws由下式計算:

式中： γc—泥石流重度/（kN·m-3）；

γw—清水重度/（kN·m）；-3

γs—泥石流中固體物質(zhì)重度/（kN·m-3）。

計算可得1%暴雨頻率下一次沖出固體物質(zhì)總量為13.08×104m3，具體結(jié)果見表5。

表5 巴曲泥石流一次沖出總量及固體物質(zhì)量Table 5 Total amount of run-out metarials and solid materials of the Baqu debris flow

3 冰湖堰塞壩的穩(wěn)定性評價

巴曲溝內(nèi)共有7個冰湖，若發(fā)生潰決，潰決洪水將在流動過程中侵蝕溝床轉(zhuǎn)化為高含砂洪水，因此對這些冰湖潰決風(fēng)險的評價尤為重要。冰湖潰決風(fēng)險評價的主要內(nèi)容是對冰湖堰塞壩的穩(wěn)定性評價。鐘啟明[25]等采用5種堰塞壩穩(wěn)定性評價指標(biāo)對國內(nèi)外421座堰塞壩進(jìn)行評價，發(fā)現(xiàn)DBI和Ls（AHV）指標(biāo)表現(xiàn)較好，并對西藏地區(qū)的白格堰塞湖和加拉堰塞湖表現(xiàn)出較好的適用性。由于DBI綜合考慮了包括漫頂和管涌等各種壩體潰決形式，并且樣本具有廣泛性和代表性，并且Ls（AHV）的錯判率高于DBI[25]，因此本文采用DBI來判斷巴曲冰湖堰塞壩的穩(wěn)定性。DBI采用下式計算[10]：

式中： Ab—堰塞壩控制流域面積/km2；

Hd—壩體高度/m；

Vd—堰塞壩體積/m3。

通常認(rèn)為當(dāng)DBI＜2.75時，壩體穩(wěn)定；當(dāng)2.75≤DBI≤3.08時，壩體介于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間；當(dāng)DBI＞3.08時，壩體不穩(wěn)定。

基于遙感影像圈定各壩體控制流域面積，并估算各堰塞壩體積。計算得出巴曲各冰湖的DBI（圖6），結(jié)果表明1#冰湖堰塞壩的DBI值處于非穩(wěn)定區(qū)，3#、4#和6#堰塞壩的DBI值處于非穩(wěn)定區(qū)與穩(wěn)定區(qū)之間，因此巴曲部分冰湖有潰決可能性。

圖6 巴曲各冰湖堰塞體的DBI判別圖Fig.6 DBI discriminant diagram of the Baqu glacial lake dams

4 冰湖潰決數(shù)值模擬

4.1 RAMMS

RAMMS采用Voellmy-Fluid摩擦模型。模型中將摩擦阻力分為兩部分: 一為靜摩擦阻力，含庫侖型摩擦系數(shù)（μ）；二為運動阻力，與速度和粘性湍流摩擦系數(shù)（ξ）有關(guān)，總阻力為[19]：

式中：ρ—密度/（kg·m-3）；

φ—材料的內(nèi)摩擦角/（°）；

H—流動高度/m；

U —速度/(m·s-1)。

摩擦系數(shù) μ和 ξ是常數(shù)，當(dāng)流體正在快速流動時ξ主導(dǎo)，當(dāng)流體快要停止時 μ又作為主導(dǎo)。由于泥石流流體行為并不表現(xiàn)為線性關(guān)系，基本的Voellmy-Salm模型可以被修正為含有屈服應(yīng)力。為了模擬屈服應(yīng)力，引入?yún)?shù)N0。在這種情況下，摩擦阻力S的新方程為：

式中：N0—流體材料的屈服應(yīng)力。

在較高的正壓力下，N0將增大剪應(yīng)力。在低法向應(yīng)力（較低的流動高度）下，剪切應(yīng)力從S=0迅速增大到S=N0。當(dāng)法向壓力較大時，S與N關(guān)系的斜率不變。如果 μ=0，流體的行為將變?yōu)轲椥浴?/p>

4.2 模型設(shè)置

本文結(jié)合堰塞壩的穩(wěn)定性評價結(jié)果開展RAMMS數(shù)值模擬，研究以下四種工況下的堰塞壩潰決后的演進(jìn)過程及危害性：（1）1#相對不穩(wěn)定堰塞壩潰決；（2）1#—4#壩體全部潰決；（3）6#壩體潰決；（4）6#、1#—4#壩體全部潰決。

基本條件設(shè)置為：密度為1 300 kg/m3，重力加速度取9.8 m/s2，庫侖型摩擦系數(shù)為0.15，黏性湍流摩擦系數(shù)為150 m/s2（根據(jù)調(diào)查所得數(shù)據(jù)通過物理原理計算所得）。

4.3 冰湖潰決泥石流演進(jìn)過程

根據(jù)模擬結(jié)果，巴曲冰湖潰決后演進(jìn)過程可分為四個階段：起始階段、匯流階段、沖出階段和停積階段。由于篇幅限制，且不同場景演進(jìn)過程相似，本文僅展示場景四工況下巴曲冰湖潰決泥石流的演進(jìn)過程（圖7）。

在起始階段，堰塞壩在毀滅性地震或強降雨等條件下同時發(fā)生破壞，巴曲冰湖開始發(fā)生潰決，此時1#冰湖水深最大為15.71 m，見圖7（a），3#和4#冰湖水量不斷向1#冰湖匯聚，見圖7（e）。在匯流階段，主溝內(nèi)1#—4#冰湖的潰決洪水向下游運動，在約2 h時與6#冰湖的潰決洪水匯集，見圖7（b）。匯流后的洪水?dāng)y帶溝道內(nèi)泥沙、碎石向溝道下游運動，由于下游溝道狹窄，因此流速更大，見圖7（f）。

當(dāng)泥石流到達(dá)溝口后，由于冰湖水量較大，因此存在一個較長時間的穩(wěn)定沖出階段，見圖7（c），這個過程持續(xù)約1.5 h。由于堆積扇坡度很緩，沖出溝口后的泥石流動能受到損耗，流速迅速減小，見圖7（g）。隨著潰決過程進(jìn)入尾聲，溝口泥石流進(jìn)入停積階段，結(jié)果表明1#冰湖潰決后剩余湖水深度仍有9.57 m，見圖7（d）。此時由于泥石流動能降至到最大動能的5 %，模擬自動停止，見圖7（h），整個泥石流演進(jìn)過程總歷時約4.5 h。

圖7 場景四下巴曲冰湖群潰決后演進(jìn)過程Fig.7 Evolution process of glacier lakes in Baqu after outburst under scenario 4

4.4 不同場景下冰湖潰決危害性評價

根據(jù)不同場景下泥石流的最終停積深度可以判斷其對川藏鐵路某車站的影響。如圖8（a）所示，當(dāng)僅有1#冰湖潰決時，冰湖停積深度由17.29 m降低至7.84 m。特別是在堆積區(qū)，最大堆積厚度為1.91 m，見圖8（b），堆積范圍可能淹沒川藏鐵路，因此需要采取必要的防護(hù)措施。

如圖8（c）（d）所示，當(dāng)1#—4#冰湖潰決時，由于潰決水量的增大，泥石流的影響范圍明顯擴大，同時其最大深度也增大至3.36 m。而僅有支溝的6#冰湖潰決時，盡管其影響范圍與其他場景接近，但堆積區(qū)最大深度僅1.53 m，見圖8（e）（f）。在極端地震工況下，場景二和場景三疊加之后，堆積扇的最大深度達(dá)4.35 m，見圖8（g）（h）。因此，模擬結(jié)果表明若冰湖潰決將會對擬建川藏鐵路A車站產(chǎn)生一定影響，但由于川藏鐵路僅從堆積扇邊緣經(jīng)過，因此可以通過設(shè)置導(dǎo)流堤對冰湖潰決泥石流進(jìn)行攔截和導(dǎo)流。同時，導(dǎo)流堤的高度應(yīng)根據(jù)不同場景下的堆積深度設(shè)置，并考慮適當(dāng)?shù)陌踩叨群蜎_起高度。

圖8 四種場景下巴曲冰湖潰決危害性Fig.8 The hazard map of glacier lakes outburst in four scenes.

5 討論

5.1 流量放大效應(yīng)

如表6所示，將模擬得到的泥石流動力學(xué)特征參數(shù)與規(guī)范公式計算的結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明，相比于暴雨型泥石流，冰湖潰決型泥石流流量更大、沖擊力更強且影響范圍更大。在溝口位置，按規(guī)范公式計算的100年一遇降雨頻率下的流速和沖擊力與模擬結(jié)果接近，但冰湖潰決型泥石流流量約為規(guī)范公式法的5.1倍，說明若將冰湖堰塞壩潰決看成溝道堵塞潰決的一部分，通過采用合適的堵塞系數(shù)也具備一定的合理性。根據(jù)式（4），當(dāng)泥沙系數(shù) φ取0.223時，對應(yīng)的巴曲泥石流堵塞系數(shù)Dc則可取4.17。該堵塞系數(shù)可用于冰湖潰決型泥石流流量的快速評估。

表6 巴曲冰湖溝口泥石流溝特征參數(shù)匯總表Table 6 Summary of characteristic parameters at the mouth of the Baqu glacier lake debris flow gully

5.2 模擬結(jié)果可靠性

本文模擬的場景主要基于各冰湖堰塞體的DBI判定結(jié)果，但由于擬合公式固有的局限性，DBI值仍有一定的誤報率[23]。同時，由于該模型并沒有考慮堰塞體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、冰滑坡和氣候變暖等因素，因此這些冰湖的潰決可能性仍然是很難預(yù)測的。盡管如此，由于川藏鐵路屬于百年工程，因此在工程設(shè)計中，這些可能潰決的冰湖對川藏鐵路的影響是不容忽視的。

在冰雪融化和降水量大增的條件下，由于1#冰湖位于最下游，更容易成為雨水和冰雪融水的匯集區(qū)，從而導(dǎo)致溢流口流量迅速增大和堤壩管涌擴大，因此場景一（1#冰湖潰決）的發(fā)生概率更高。除此之外，西藏地區(qū)冰湖潰決的另一個重要誘因是冰/雪崩或冰滑坡，其高速入湖產(chǎn)生的涌浪可能直接誘發(fā)冰湖潰決[26]。由于巴曲1#—4#冰湖呈串珠狀分布，若最上游的4#冰湖受冰/雪崩或冰滑坡誘發(fā)而潰決，將產(chǎn)生級聯(lián)效應(yīng)，依次引起3#、2#和1#冰湖的潰決，對應(yīng)場景二（1#—4#冰湖潰決）。6#冰湖位于巴曲另一個支溝，其潰決與否不受其它冰湖的影響，因此單獨設(shè)置了場景三（6#冰湖潰決）。由于6#冰湖規(guī)模不大，其單獨潰決影響較小。巴曲位于喜馬拉雅地震帶，具備發(fā)生8級以上地震的可能性，如2015年尼泊爾8.1級地震[27]。而極端地震可能誘發(fā)大量堰塞體失穩(wěn)，因此設(shè)定了場景四（1#—4#冰湖和6#冰湖全部潰決）。

川藏鐵路工程設(shè)計壽命期為120年，在此期間發(fā)生Ⅷ以上地震的可能性相對較小，但由于氣候變暖，存在發(fā)生冰滑坡或冰/雪崩的可能性。據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)以來我國西藏地區(qū)共發(fā)生過28次冰湖潰決事件，其中60% 的冰湖潰決是冰湖涌浪造成的。因此，建議在川藏鐵路設(shè)計及運行中重點針對場景二條件下冰湖潰決危害采取必要的防范措施，采用防護(hù)堤等措施對冰湖潰決泥石流進(jìn)行攔截和引流，避免其對川藏鐵路的直接沖擊。

6 結(jié)論

（1）巴曲是一條典型的冰湖泥石流溝，流域面積49.25 km2，主溝長度11.82 km，平均縱坡降為133.89 ‰，相對高差1 582 m。溝道內(nèi)物源豐富，溝內(nèi)發(fā)育7處小型冰湖，總面積0.578 km2，體積1.03×107m3。通過DBI指標(biāo)判斷，巴曲1#冰湖堰塞壩處于非穩(wěn)定區(qū)，3#、4#和6#堰塞壩處于非穩(wěn)定區(qū)與穩(wěn)定區(qū)的過渡區(qū)，因此這些冰湖均有發(fā)生潰決的可能性。

（2）在100年一遇暴雨頻率下，巴曲暴雨型泥石流流量為383.67 m3/s，流速為5.59 m/s，泥深為1.35 m，整體沖擊力為80.1 kPa，一次沖出量為30.39×104m3，為大型泥石流。

（3）巴曲冰湖潰決后的演進(jìn)過程分為開始-匯流-沖出-停積四個階段，共歷時4.5 h。在場景四（1#—4#冰湖和6#冰湖全部潰決）工況的演進(jìn)過程中，溝口部位最大流速與常規(guī)泥石流接近，但最大流量為1 954.42 m3/s，約為暴雨型泥石流流量的5.1倍，同時，由于流量增大，溝口最大流深為4.35 m，約為常規(guī)泥石流的3.2倍。

（4）在川藏鐵路工程壽命期內(nèi)，建議重點針對場景二（1#—4#冰湖潰決）條件下冰湖潰決危害采取必要的防范措施，采取防護(hù)堤等工程對冰湖潰決洪水進(jìn)行攔截和引流，避免其對川藏鐵路的直接沖擊，同時提高下游路基和橋梁標(biāo)高，保障車站安全運行。