堰塞體危險性快速評價指標與分級研究
2022-04-02 13:11:39蔡耀軍欒約生易杜靚子羅杰向航
人民長江 2022年2期
蔡耀軍 欒約生 易杜靚子 羅杰 向航
摘要：堰塞體為快速形成的自然堆積體，結構較為松散，物質組成復雜，其后續(xù)發(fā)展難以把握，需快速進行堰塞體危險性分級判斷，方可為堰塞湖處置決策提供依據(jù)。通過梳理已有堰塞體潰決影響因素機制分析、堰塞湖潰決現(xiàn)場觀察、物理模型試驗和典型案例統(tǒng)計分析成果，并以堰塞湖庫容、來水量、堰塞體物質組成和幾何形態(tài)為主要判斷指標，以滲透破壞、涌浪及地震作為修正因素，提出了一種堰塞體危險性量化快速評價方法，并將該方法應用于大量的典型案例判定。結果表明，判定結果與實際情況吻合較好。研究成果可為堰塞湖應急處置提供一定參考。
關鍵詞：堰塞體; 危險性快速評價; 堰塞湖處理
中圖法分類號： P642
文獻標志碼： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.006
0引 言
堰塞體是由滑坡、崩塌、泥石流等自然作用造成的對河道或溝谷形成堰塞的堆積體。21世紀以來，中國堰塞湖呈高發(fā)頻發(fā)態(tài)勢，如2000年易貢堰塞湖、2008年汶川地震系列堰塞湖、2010年舟曲泥石流堰塞湖、2014年紅石巖崩塌堰塞湖、2018年金沙江白格堰塞湖和2018年雅魯藏布江加拉堰塞湖等。堰塞體物質組成復雜多變，結構較為松散，級配寬，存活期短。石振明等[1]通過對國內外276例堰塞湖的壽命統(tǒng)計得出：9%的堰塞湖壽命小于1 h，34%的堰塞湖壽命小于1 d，67%的堰塞湖壽命小于1個月，86%的堰塞湖壽命小于1 a。因此，堰塞湖處置時間緊迫，需要在堰塞體形成后快速開展風險評估，以便對堰塞湖采取科學有效的處置措施。
1堰塞體危險性評價技術現(xiàn)狀
1999年，Casagli和Ermini[2]對意大利亞平寧北部山區(qū)的70座堰塞體案例進開展了分析，并基于分析結果，提出了考慮流域面積和堰塞體體積的堆積指標法（BI）來判斷堰塞體穩(wěn)定性的方法。該方法計算簡便，但考慮因素較簡單，適用的廣泛性有所不足。
2003年，Ermini和Casagli[2]改進了堆積指標法，在原有基礎上增加了堰塞體高度參數(shù)，并提出了無量綱堆積體指標法（DBI），DBI=lg[A×H/V]，其中，A為堰塞湖匯水面積，H為堰塞體高度，V為堰塞體體積。在對84座堰塞湖資料統(tǒng)計分析的基礎上，提出當DBI<2.75時，認為堰塞體是穩(wěn)定的;當2.75
2009年，中華人民共和國水利行業(yè)標準SL450-2009《堰塞湖風險等級劃分標準》[4]提出了考慮堰塞湖規(guī)模、堰塞體物質組成、堰塞體高度的堰塞體危險性3個指標分級標準，以3個指標中的最高危險等級作為堰塞體的危險性級別，當分類指標的等級相差2級或以上、且最高等級指標只有一個時，堰塞體危險性級別降低一個等級。該方法考慮了堰塞體穩(wěn)定的影響因素和潰決風險災害影響因素，方法簡便，但堰塞體物質組成只是定性描述，未考慮來水量和壩體長度對堰塞體潰決風險的影響。劉寧等提出了相似的3個指標評價方法，只是堰塞體高度分級標準不同，而且要求3個指標至少滿足2個才能確定堰塞體危險性級別[5]，與DBI方法相比，其評價指標中增加了庫容，取消了匯水面積。從3個指標的影響機制角度看，水利行標方法在一定程度上反映了堰塞湖潰決可能造成的洪水大小，但對堰塞湖潰決可能性判斷方面有一定的弱化。
此后，2011年Dong等[5]以日本43座堰塞體、2016年Stefanelli等[6]利用意大利300個堰塞體案例、2020年單熠博等[6]以具有堰塞體物質組成定性描述的世界115個堰塞體為依據(jù)，采用邏輯回歸方法，建立了堰塞體穩(wěn)定性判別方法。這些方法主要是從邏輯回歸角度建立堰塞體穩(wěn)定性的相關關系方程，但對堰塞體潰決風險的機理機制方面考慮稍少。
2堰塞體危險性快速評價指標與分級
堰塞體發(fā)生沖刷潰決的外在驅動因素主要是堰塞湖的來水量和庫容，這直接影響著堰塞湖漫壩時水流的沖刷力大小、沖刷發(fā)展過程、洪水過程和潰堰洪峰流量;影響堰塞體潰決風險的內在因素是堰塞體的物質組成及其幾何形態(tài)。為此，選擇堰塞湖上游來水量、庫容、堰塞體物質組成、幾何形態(tài)作為堰塞體危險性等級劃分的主要指標。
2.1庫容危險性分級
堰塞湖庫容決定著堰塞湖的蓄水能力，直接影響著潰決洪峰的大小。2018年“10·10”白格堰塞湖，上游來水量約為1 700 m3/s，庫容為2.90億m3，潰口峰值流量為11 000 m3/s;而2018年“11·3”白格堰塞湖，上游來水量約為700 m3/s，庫容約為5.24億m3，潰口峰值流量達31 000 m3/s[7]。這表明堰塞湖庫容在堰塞體危險性方面具有關鍵性作用。基于97組有庫容和潰決流量的堰塞湖資料統(tǒng)計的庫容-潰口峰值流量關系如圖1所示。
由圖1可以看出：堰塞湖庫容小于100萬m3時，堰塞湖的潰口峰值流量一般小于1 000 m3/s，造成的危險低;庫容介于100萬～1 000萬m3時，潰口流量一般在1 000～3 000 m3/s，庫容對堰塞湖潰決峰值流量的作用顯現(xiàn);庫容介于0.1億～1.0億m3時，堰塞湖對潰口流量的提升作用已經(jīng)十分明顯，潰口流量一般在3 000～10 000 m3/s;庫容大于1.0億m3后，潰口流量顯著增大，一般大于10 000 m3/s。結合目前中國SL 252-2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》[8]，將堰塞湖庫容按<100萬m3、100萬～1 000萬m3、0.1億～1.0億m3、>1.0億m3，分為危險性小、中等、高、極高4個等級。
2.2來水量危險性分級
堰塞湖來水量一方面會影響堰塞湖蓄水的進程，另一方面又會起著補給堰塞湖蓄水量而阻止湖水位快速消減以維持潰口持續(xù)性高勢能、大流量沖刷的作用。上游來水量越大，流道沖刷發(fā)展進程越快，潰決時間越短，潰口洪峰流量越大。因此，大江大河的堰塞湖存活時間短、潰決速度快，而其支流和小型溝谷的堰塞湖存活時間較長、潰決速度較慢甚至能長期保存。很多堰塞湖在來水量小時發(fā)生堰頂溢流但不潰決，而在洪水期來水量大時因水流沖刷增大而發(fā)生潰決，比如湖北省的二荒坪堰塞湖在2011年未潰決，而在2012年雨季潰決;白沙河流域的枷擔灣、窯子溝、關門山溝堰塞湖在2008年未潰決，在2012年洪水期間潰決。在中國西北地區(qū)，存在多個由地震觸發(fā)的黃土滑坡堰塞湖，比如新疆的則克臺、甘肅的灑勒山、陜西游麟的丈八鄉(xiāng)、寧夏黨家岔等，堰塞體雖由黃土組成，抗沖性能差，卻能保存至今，就是因為上游來水量小，很少出現(xiàn)湖水溢流，或即使溢流，流量也很小或溢流時間很短，對堰塞體沖刷微弱或沖刷時間短。2018年金沙江白格“10·10”堰塞體和“11·3”堰塞體的物質組成基本相同，前者堰高為62 m、后者堰高為96 m，前者漫頂時上游來水量為1 600～1 700 m3/s，后者來水量為500～700 m3/s，自漫頂過流到潰決，前者用時10 h 45 min，后者用時31 h 10 min，上游來水量對潰時起到了重要作用。
收集了國內外69例[9-11]堰塞湖來水量與堰塞體存活時間或堰塞體危險性的關系，統(tǒng)計結果如圖2所示。來水量小于10 m3/s的堰塞湖有17例，其中12個為危險性低，占比約為70.5%;來水量為10～50 m3/s的堰塞湖有16例，其中10個為危險性中等，占比約為62.5%;來水量為50～150 m3/s的堰塞湖有14例，其中9個為危險性高，占比約為64.3%;來水量大于150 m3/s的堰塞湖有23例，其中15個為危險性極高，占比約65.2%?？傮w上，來水量小于10，10～50，50～150，大于150 m3/s時，對應的堰塞體危險性多為危險性小、中等、高、極高。所以，將來水量指標小于10m3/s，為10～50 m3/s和50～150 m3/s，以及大于150 m3/s分為危險性小、中等、高、極高4個等級。
2.3堰塞體物質顆粒風險分級
堰塞體物質組成是決定堰塞體抵抗水流沖刷侵蝕能力的主要控制因素。顆粒越大，抗沖刷能力越強，沖刷下切進程越慢，湖水下泄過程延長，洪峰趨于坦化，堰塞體危險性就越小。
較純的土質滑坡形成的堰塞體，其物質顆粒主要為細粒土或砂，抗沖刷性特別差，堰塞體易于潰決，而且潰決速度快，比如新疆葉城縣柯克亞鄉(xiāng)玉賽斯堰塞體為土質滑坡形成，在堰塞體形成后0.5 h就發(fā)生了潰決形成的泥石流。巖土混合的土質滑坡或以砂礫為主的泥石流形成的堰塞體，抗沖性較差，堰塞體也易于潰決，堰塞湖存活時間短，比如汶川地震形成的茶園溝堰塞體，物質組成為礫質土，堰塞體形成后受強降雨洪水作用，很快發(fā)生泥石流型的堰塞體潰決;2018年10月西藏米林縣加拉堰塞體，由色東浦溝源冰崩觸發(fā)的泥石流堆積而成，堆積物顆粒以砂、礫為主，夾少量塊石和冰塊，含水率高，呈軟塑狀態(tài)，抗沖性能較差，“10.17”堰塞湖從開始過流到潰決僅用時5.00 h，“10.29”堰塞湖從開始過流到潰決僅用時5.50 h。巖土混合的以風化巖石為主的非順層巖質滑坡或含塊石的卵礫石（中值粒徑達到粗礫類別）泥石流成因的堰塞體，抗沖刷性能一般，潰決后一般保留有殘留體，比如2018年金沙江白格堰塞湖，其“10.10”堰塞湖和“11.3”堰塞湖自漫頂?shù)綕Q用時分別達10.75 h和31.10 h?；鶐r順層滑坡和巖質崩塌形成的堰塞體往往顆粒大，包含大量擾動不大的似層狀巖體或塊度達數(shù)米的大塊石，比如2008年汶川地震形成的唐家山堰塞體、徐家壩堰塞體、老鷹巖堰塞體，堰塞體抗沖性強，漫頂后沖刷緩慢，或殘留體積大，或潰口深度小，存活時間長，典型的有1856年黔江地震形成的小南海堰塞湖、2008年汶川地震形成的徐家壩堰塞湖。
根據(jù)多個堰塞湖沖刷潰決過程的現(xiàn)場觀察和大型物理模擬試驗，潰流過程中不同沖刷階段的沖刷對象存在著差異。在堰塞體糙率條件下，過流小于10 m3/s時，流速一般小于1～2 m/s，沖刷對象基本限于黏粒和砂粒，總體呈均勻沖刷，沖刷進程緩慢，且沖刷主要出現(xiàn)在流道下游段，伴隨沖刷后的粗顆粒殘余在底床不斷增加，底蝕速率遠小于側蝕速率。過流介于10～50 m3/s時，流速大致位于1～2 m/s，沖刷對象達到礫石級顆粒，總體仍為均勻沖刷，沖刷緩慢，底床受碎石、塊石約束，沖刷較困難，因此側蝕速度大于底蝕速度，邊坡出現(xiàn)小規(guī)模坍塌。過流介于50～150 m3/s時，流速大致位于2～3 m/s，此時水流可以沖刷碎石，下游段底蝕開始變快，側蝕速率明顯加快，流道沖刷速度明顯加快，邊坡坍塌規(guī)模逐漸增大。過流介于150～1 000 m3/s時，流速大致位于3～6 m/s，溯源侵蝕開始扮演重要作用，底蝕速度明顯加快，礫石及塊徑不大的塊石均可以被沖刷，流道沿程出現(xiàn)多個沖刷陡坎，且陡坎不斷向上游推進或更替消亡，最終形成一個規(guī)模最大的陡坎。過流大于1 000 m3/s后，流速可達6～10 m/s，水流已經(jīng)能夠沖刷所有塊石，沖刷速度顯著加大，溯源侵蝕形成的陡坎快速向口門推進，側蝕與底蝕交替發(fā)展，口門快速打開，快速達到潰決高峰。
中國科學院成都山地災害與環(huán)境研究所的王道正等[12]研究也表明：堰塞體的平均粒徑對壩體的潰決特征具有顯著影響，平均粒徑越大，堰塞體整體抗沖刷能力越強，潰口發(fā)展速度越慢，潰決洪峰流量就越小，達到洪峰流量的時間也相對滯后。
考慮到堰塞湖應急搶險期間勘察試驗環(huán)境及可利用時間因素，將堰塞體顆粒分布曲線的中值對應的顆粒作為衡量堰塞體抗沖刷性能的特征值，即依據(jù)中值粒徑d50小于2，2～20，20～200 mm和大于200 mm劃分為危險性極高、高、中等、低，對應物質顆粒為土或砂、礫、碎石、塊石四類，這與GB50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范》[13]土的分類一致，也便于現(xiàn)場應急搶險人員根據(jù)已有工作經(jīng)驗快速進行堰塞體物質組成的危險性分級。
2.4堰塞體幾何形態(tài)
堰塞體幾何形態(tài)對堰塞體危險性的影響主要為堰塞體高度和順河向長度。堰塞體高度不僅影響堰塞湖庫容和堰塞湖潰決時的水流勢能、沖刷進程和潰決洪峰流量，還會影響潰口的沖刷深度。堰塞體越高，潰流時的勢能越大，沖刷下切能力越強，潰口洪峰越大，下泄洪量增加，給下游帶來的洪水風險也會越大。2018年金沙江白格滑坡2次失穩(wěn)堵江。其中，“10·10”滑坡堵江埡口高程約為2 932 m，埡口堆積高度約為62 m，潰決后口門河床高程約為2 900 m，潰深32 m，接近1/2潰決?！?1·3”滑坡堵江埡口高程約為2 966 m，開挖引流槽后高程為2 954 m，從天然河床起算的堆積高度為84 m，從上次潰決后河床起算的堆積高度為59 m，潰決后口門河床高程為2 904 m，潰深50 m，接近3/5潰決。這表明在同樣的堰塞體材料條件下，潰深隨堰塞體高度增大而增大。參考SL274-2020《碾壓式土石壩設計規(guī)范》[14]，可將壩高分為小于15，15～30，30～70，大于70 m 4個級別，對應的危險性逐級升高。
堰塞體順河向長度越長，流道溯源沖刷需要的時間越長，下泄洪水坦化越明顯。堰塞體順河向的長度與其高度的比值越大，堰塞湖潰口流道的水力梯度越小，沖刷力也越小，堰塞體長高比與堰塞體危險性呈反比。統(tǒng)計國內外54例堰塞體長高比（L/H）與堰塞湖存活時間關系如圖3所示。
統(tǒng)計關系顯示：L/H≤5時，堰塞湖漫頂數(shù)天后潰決;20>L/H>5時，自然沖刷數(shù)10 d至數(shù)月后潰決;L/H≥20時，存活1 a以上。
鑒于堰塞體高度同時影響水流勢能和庫容，是堰塞體幾何形態(tài)影響堰塞體危險性的主要因素，而堰塞體長度起著延緩水流沖刷的作用，對堰塞體危險性影響稍弱，故以高度作為分級的主要因素，以堰塞體的長高比作為修正因素，根據(jù)2個指標的組合條件進行分級，如表1所列。
3新的堰塞體快速評價方法與案例應用
首先根據(jù)堰塞湖庫容、上游來水量、堰塞體物質組成和堰塞體形態(tài)，對堰塞體的危險性單指標進行判別，如表2所列。
再采用加權平均法，對堰塞體危險性進行綜合判別：
A=（a1A1+a2A2+a3A3+a4A4）/4（1）
式中：A 為綜合判別的分值;a1，a2，a3，a4為4個指標對應的權重值，可根據(jù)4個指標的重要性進行選擇，其和為4，不分主次時都取為1;A1， A2，A3， A4為4個指標的危險性級別賦分值，極高危險、高危險、中危險、低危險分別賦值為4，3，2，1。當A≥3.00時判定為極高危險，當2.25≤A<3.00時判定為高危險，當1.50≤A<2.25時判定為中等危險，當A<1.50時為判定為低危險。
在公式（1）計算判定的基礎上，增加附加判據(jù)：① 當上游來水量<10 m3/s或堰塞湖庫容<0.01億m3時，堰塞體危險性等級宜直接判別為低危險等級;② 考慮滲透破壞或滑坡涌浪及地震余震進行調整，當下游坡面滲流揭示有滲透破壞，即有細顆粒持續(xù)帶出，或上游滑坡涌浪到達堰塞體時的高度大于2 m，或預測存在較大強度余震且對堰塞體整體穩(wěn)定構成嚴重影響時，可在表2基礎上調高堰塞體危險性一個等級，同時具有2個及以上不利因素時，可調高1～2個危險性等級，直至極高危險等級。
根據(jù)本文確定的堰塞體風險等級快速評價方法，對典型堰塞體進行危險性劃分，如表3所列。
由表3可以看出：當庫容和來水量都大、為危險性極高等級時，堰塞體高度一般都較大，這種情況下，堰塞體幾何形態(tài)的危險性級別一般也為高或極高，按本文判定方法確定的堰塞體危險性都為極高風險，與實際吻合性很好;當庫容或來水量小時，僅按公式計算判定易于將堰塞體危險等級劃分過高，而增加本文提出的附加判據(jù)后，判定結果與實際情況較為吻合。
5結 論
（1） 堰塞體危險性包含堰塞體會不會潰決、潰決時的進程、潰決的洪峰流量3個方面內容，因此選定堰塞湖庫容、上游來水量、堰塞體物質組成和幾何形態(tài)等4個指標作為堰塞體危險性快速評價主要指標，選定滲透破壞、堰塞湖區(qū)崩塌滑坡涌浪及地震余震等3個指標作為修正指標。
（2） 四指標評價方法既能考慮堰塞湖潰決的可能性、流域堰塞湖群連潰洪水疊加，也能考慮潰決洪水的大小。當庫容較小時，堰塞湖潰決的洪水小;當上游來水量小時，堰塞體潰決可能性小，堰塞體危險性小。按等權重進行判定時，易將堰塞體危險等級劃分偏高，而按增加的附加判據(jù)進行調整判定后，判定結果與實際情況吻合性好。
參考文獻：
[1]石振明，馬小龍，彭銘，等.基于大型數(shù)據(jù)庫的堰塞壩特征統(tǒng)計分析與潰決參數(shù)快速評估模型[J].巖石力學與工程學報，2014，33（9）：1780-1790.
[2]劉寧，楊啟貴，陳祖煜.堰塞湖風險處置[M].武漢：長江出版社，2016.
[3]EVANS S G，Hermanns R L，Strom A，et al.Natural and Artificial Rockslide Dams[M].New York：Springer，2011.
[4]中華人民共和國水利部.堰塞湖風險等級劃分標準：SL450-2009[S].北京：中國水利水電出版社，2009.
[5]劉寧，程尊蘭，崔鵬，等.堰塞湖及其風險控制[M].北京：科學出版社，2013.
[6]單熠博，陳生水，鐘啟明.堰塞體穩(wěn)定性快速評價方法研究[J].巖石力學與工程學報，2020，39（9）：1847-1858.
[7]蔡耀軍，欒約生，楊啟貴.金沙江白格堰塞體結構形態(tài)與潰決特征[J].人民長江，2019，50（3）：15-22.
[8]中華人民共和國水利部.水利水電工程等級劃分及洪水標準：SL252-2017[S].北京：中國水利水電出版社，2017.
[9]CAI Y J，CHENG H Y，WU S E，et al.Breaches of the Baige Barrier Lake：Emergency response and dam breach flood[J].Science China Technological Sciences，2020，63（7）：1164-1176.
[10]朱振宏，徐德輝.國內外堰塞湖治理研究資料匯編[R].武漢：長江水利委員會網(wǎng)絡與信息中心信息研究所，2008，8.
[11]TIMOTHY R N.Engineering geological assessment of selected landslide dams formed from the 1929 Murchison and 1968? Inangahua Earthquakes[D].Christchurch：University of Canterbury，2003，Appendix B：200-202.
[12]王道正，陳曉清.不同顆粒級配條件下堰塞壩潰決特征試驗研究[J].防災減災工程學報，2016，36（5）：827-832.
[13]中華人民共和國建設部.巖土工程勘察規(guī)范：GB50021-2001[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.
[14]中華人民共和國水利部.碾壓式土石壩設計規(guī)范：SL274-2020[S].北京：中國水利水電出版社，2020.
（編輯：趙秋云）
