岷江河谷深層傾倒形成演化特征及堵江災(zāi)害鏈效應(yīng)

蒙明輝， 崔圣華， 張文， 劉康林， 楊學(xué)之,2， 覃亮,2， 蔣濤

(1.四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司， 成都 610081； 2.四川省地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心， 成都 610081；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610059； 4.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所， 成都 611734)

龍門(mén)山強(qiáng)震山區(qū)在經(jīng)歷多次地震后，誘發(fā)了大量地質(zhì)災(zāi)害，其數(shù)量、規(guī)模、類(lèi)型及造成的損失舉世罕見(jiàn)[1-2]。岷江河谷地處龍門(mén)山強(qiáng)震區(qū)，特殊的深切峽谷地貌使得災(zāi)害往往發(fā)育高位且具有鏈?zhǔn)叫?yīng)[3]，如茂縣新磨村滑坡。同時(shí)，深切的峽谷也為反傾巖層的傾倒變形提供了良好的發(fā)育條件。

反傾斜坡因?qū)訝顜r體傾倒引起斜坡變形的研究已較為系統(tǒng)，胡振輝等[4]基于不同地貌類(lèi)型的邊坡傾倒變形體數(shù)量、面積、體積與厚度分析對(duì)邊坡傾倒變形的貢獻(xiàn)率；Liu等[5]以二古溪斜坡為例，分析了在變質(zhì)巖中深層傾倒變形的形成機(jī)制；Adhikary等[6]、Leandro等[7]對(duì)巖石邊坡的彎曲傾倒破壞機(jī)理進(jìn)行了研究；邢一飛等[8]結(jié)合典型實(shí)例，模擬了開(kāi)挖后邊坡傾倒變形機(jī)制及演化過(guò)程，并優(yōu)化了現(xiàn)有防治措施；寧奕冰等[9]以瀾滄江上游某深層傾倒體為研究對(duì)象，采用物理模擬和數(shù)值模擬，揭示了該類(lèi)深層傾倒體在河流下切及水庫(kù)蓄水作用下的失穩(wěn)機(jī)制及演化過(guò)程；黃達(dá)等[10]基于離心模型試驗(yàn)，研究了坡角、傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定及破壞模式的影響，進(jìn)一步分析了反傾邊坡變形機(jī)理；鄭達(dá)等[11]基于離心模型試驗(yàn)分析了邊坡傾倒變形彎折帶的演化發(fā)育過(guò)程與特征。

上述學(xué)者從傾倒變形的機(jī)理、傾倒邊坡的演化和穩(wěn)定性方面均有大量研究。但傾倒變形體的折斷帶完全風(fēng)化成“土”且轉(zhuǎn)化成滑帶的案例相對(duì)較少。

現(xiàn)在對(duì)茂縣梯子槽傾倒采用地質(zhì)測(cè)繪、InSAR、鉆探、物探、井探等手段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查的基礎(chǔ)上，對(duì)其特征、成因機(jī)制做初步探討。同時(shí)，針對(duì)傾倒可能造成的災(zāi)害鏈效應(yīng)，采用水利上的潰壩洪水模型，分析預(yù)測(cè)潰壩洪水對(duì)下游造成的風(fēng)險(xiǎn)，為短時(shí)間內(nèi)制定合理可行的應(yīng)急處置方案提供有力的技術(shù)支撐。

1 梯子槽深層傾倒概況

區(qū)域構(gòu)造上屬于龍門(mén)山中央推覆構(gòu)造帶，地殼抬升強(qiáng)烈，地震頻發(fā)，研究區(qū)周邊發(fā)生Ms4.7級(jí)以上地震達(dá)60余次[11]，其中1933年疊溪7.5級(jí)地震、1976年松潘7.2級(jí)地震和2008年汶川8.0級(jí)地震影響較大(圖1)。

圖1 區(qū)域位置和歷史地震Fig.1 Regional location and historical earthquakes

圖2 梯子槽傾倒全貌Fig.2 Overall view of Tizicao landslide

傾倒區(qū)屬于高山峽谷地貌(圖2)，兩岸谷坡陡峻，分水嶺高程3 700～3 900 m，谷底高程約1 730 m，相對(duì)高程約2 000 m。梯子槽傾倒位于岷江右岸谷坡下部，傾倒前緣底部為基巖陡崖，坡度約70°，臨空條件極好，傾倒區(qū)整體平均坡度約30°，傾倒頂部為緩坡平臺(tái)，坡度20°～25°。坡表沖溝發(fā)育，據(jù)鉆孔揭露，地下水活動(dòng)微弱。

梯子槽傾倒平面形態(tài)呈不規(guī)則的四邊形，后緣至滑動(dòng)形成的深大拉張裂縫后側(cè)陡壁；前緣剪出口位于海拔2 000 m左右，坡度由陡變緩的地形轉(zhuǎn)折部位；北側(cè)至大槽溝附近，南側(cè)至老熊洞溝。

根據(jù)調(diào)查確定的傾倒周界，傾倒區(qū)平均縱向長(zhǎng)度540 m，平均寬度約560 m，傾倒區(qū)平面面積30.78×104m2，據(jù)鉆孔和探井揭露情況統(tǒng)計(jì)，傾倒平均厚度(含滑帶)45.1 m，據(jù)此計(jì)算該傾倒總方量為1 388.2×104m3，其規(guī)模分級(jí)為特大型。

2 研究方法

為查清梯子槽傾倒的地質(zhì)環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)特征、變形歷史、成因機(jī)制及災(zāi)害鏈，采用了多種研究方法(圖3)。

圖3 研究方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of research methods

2.1 地質(zhì)調(diào)查

收集了研究區(qū)相關(guān)的歷史地震研究報(bào)告，基于ArcGIS軟件利用1∶10 000地形圖生成傾倒滑動(dòng)前的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，充分收集利用了研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料，獲取了研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等基本地質(zhì)資料。共完成鉆探23個(gè)孔1 256.7 m(圖4)，井探4口132.3 m，槽探4條85.6 m3，同時(shí)結(jié)合電鏡掃描等手段，充分查明了傾倒地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。

2.2 變形調(diào)查

利用無(wú)人機(jī)航拍1.4 km2并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得了高分辨率的傾倒滑后DEM模型，結(jié)合地面調(diào)查，查明了傾倒變形跡象分布位置；利用2013年9月—2016年7月四期期差分干涉探測(cè)變形(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)，得到了傾倒歷史變形過(guò)程。

圖4 傾倒區(qū)各鉆孔傾倒結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.4 Statistical histogram of landslide structure of each borehole in the landslide area

2.3 災(zāi)害鏈分析

基于數(shù)值模擬分析，分析了傾倒穩(wěn)定性狀態(tài)并結(jié)合數(shù)值計(jì)算，獲取了傾倒堵江的體積。利用成熟的數(shù)學(xué)模型謝任之公式研究計(jì)算了潰口流量，基于一維圣維南方程預(yù)測(cè)了潰決洪水下游演進(jìn)過(guò)程和風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)果

3.1 傾倒地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

3.1.1 變形體特征

梯子槽傾倒由表層松散土體和下部碎裂巖塊組成。松散土體主要為粉質(zhì)黏土夾碎塊石，厚度3～10 m，碎塊石以千枚巖為主，碎塊石(質(zhì)量分?jǐn)?shù))占40%～50%，塊度大小不均勻，一般2～15 cm，局部見(jiàn)直徑30～50 cm的轉(zhuǎn)石，以棱角狀或次棱角狀為主，無(wú)明顯分選性和磨圓度特征。碎裂巖塊分布于整個(gè)傾倒區(qū)，厚度10～50 m不等(圖5)。

據(jù)勘查，梯子槽傾倒平均厚度為45.1 m，厚度的空間變化較大(圖6)。總體上傾倒中部厚度較大，后緣和前緣相對(duì)較薄，南側(cè)C區(qū)中前部較厚，后緣較薄的特點(diǎn)，B區(qū)中后部較厚，前緣較薄，可見(jiàn)傾倒厚度的變化較大。

圖5 ZK12變形體碎裂特征Fig.5 Fragmentation characteristics of ZK12 deformed body

圖6 傾倒厚度等值線圖Fig.6 Contour map of landslide thickness

圖7 ZK05滑動(dòng)帶特征Fig.7 Characteristics of ZK05 sliding zone

3.1.2 滑動(dòng)帶特征

根據(jù)鉆孔和探井，滑帶土主要為灰色或黃褐色粉質(zhì)黏土夾角礫、碎塊石(圖7)。粉質(zhì)黏土多呈硬塑狀，稍濕-濕，密實(shí)；角礫、碎塊石成分以千枚巖為主，直徑多為2～20 mm，以棱角狀和次棱角狀為主。滑帶土厚度2～5 m，局部厚度較大，ZK05滑帶達(dá)到10.3 m?；瑤林谐Ｒ?jiàn)鏡面與擦痕等現(xiàn)象(圖8)，電鏡掃描(SEM)同樣顯示滑帶土具有明顯的擦痕(圖9)。

圖8 傾倒后緣探槽揭露滑帶鏡面與擦痕Fig.8 The sliding belt mirror surface and scratches are exposed by dumping the trailing edge

圖9 電鏡掃描揭示滑帶擦痕Fig.9 Scanning electron microscope reveals slip band scratches detection groove

由滑面等高線圖(圖10)可知，滑動(dòng)面傾向與坡向總體一致，但滑面略呈寬闊的槽狀負(fù)地形，因此各區(qū)滑動(dòng)方向有所不同，雖總體都是向東滑動(dòng)，但A、B區(qū)滑動(dòng)方向略向南偏，C區(qū)則略向北偏，這也是B區(qū)在前緣存在擠壓，造成B1分區(qū)鼓脹解體變形區(qū)的重要原因。

3.1.3 基床特征

圖10 滑動(dòng)帶等高線圖Fig.10 Contour map of sliding zone

梯子槽傾倒滑床為泥盆系危關(guān)群上組(Dwg2)炭質(zhì)千枚巖(圖11)，滑床基巖風(fēng)化程度總體上較傾倒碎裂巖體低，為中風(fēng)化-弱風(fēng)化巖體，巖芯以長(zhǎng)柱狀為主，探井揭露滑床基巖總體完整(圖12)。

圖11 鉆孔揭露滑床千枚巖Fig.11 Drilling exposed phyllite of sliding bed

3.2 傾倒變形破壞特征

3.2.1 地表變形破壞

總體上傾倒區(qū)北側(cè)變形量大于南側(cè)，主要受傾倒區(qū)地形和滑面形態(tài)的控制。根據(jù)傾倒變形破壞強(qiáng)度、變形現(xiàn)狀及趨勢(shì)、成因的初步判斷和分區(qū)邊界特征，將傾倒區(qū)劃分為北側(cè)滑動(dòng)變形區(qū)(A區(qū))、中部變形區(qū)(B區(qū))和南側(cè)影響區(qū)(C區(qū))等三個(gè)分區(qū)(圖13)，各區(qū)特征如表1。

圖13 梯子槽傾倒變形跡象及變形分區(qū)圖Fig.13 Deformation signs and deformation zoning map of Ti Zicao landslide

(1)北側(cè)滑動(dòng)變形區(qū)(A區(qū))。傾倒區(qū)北側(cè)地形陡峻，前緣呈陡巖地貌，臨空條件好，滑面形態(tài)總體平直，僅前緣稍緩，非常有利于傾倒的復(fù)活剪出，因而變形強(qiáng)烈。當(dāng)滑動(dòng)巖土體在重力推動(dòng)下滑動(dòng)，在前緣剪出后，直接以塌落方式掉落至陡巖下方，并牽引后緣出現(xiàn)LF01、LF02等弧形拉張裂縫，呈現(xiàn)目前A1分區(qū)的變形破壞特征；由于傾倒本身的滑移破壞，加之A1分區(qū)的塌落變形后，傾倒前緣失去支撐，牽引后緣強(qiáng)烈的拉裂沉陷變形加劇，從而發(fā)育了LF07和LF04等裂縫，構(gòu)成A2變形分區(qū)；同時(shí)，由于A區(qū)的強(qiáng)烈滑動(dòng)，與北側(cè)壁巖體的摩擦，因而在北側(cè)傾倒邊界附近發(fā)育LF11的一系列羽狀剪切裂縫，構(gòu)成A3變形分區(qū)(圖14)。

圖12 探井揭露滑床千枚巖Fig.12 Phyllite of sliding bed exposed by exploration well

(2)中部變形區(qū)(B區(qū))。傾倒區(qū)中部地形總體上也較陡峻，但前緣發(fā)育相對(duì)較長(zhǎng)的緩坡臺(tái)地或?qū)捑徤郊?，滑?dòng)面呈弧形，前緣抗滑體分布相對(duì)較長(zhǎng)，傾倒穩(wěn)定性好于北側(cè)，變形相對(duì)較弱，形成了傾倒B區(qū)。由于傾倒的整體滑移，其中部和后緣出現(xiàn)LF03、LF05、LF06、LF07等一系列拉張裂縫及沿裂縫的下坐變形，形成B2分區(qū)；隨著坡體中部和后緣的拉裂沉陷，前緣抗力體段受阻發(fā)生隆起，加之各區(qū)的差異滑動(dòng)及滑動(dòng)方向的不同造成B區(qū)前緣擠壓和應(yīng)力集中，縱向和橫向兩個(gè)方向的擠壓隆起，導(dǎo)致該區(qū)出現(xiàn)表面的張裂解體現(xiàn)象，形成B1分區(qū)(圖15)。

圖14 A區(qū)配套變形特征Fig.14 Matching deformation characteristics of zone A

(3)南側(cè)影響區(qū)(C區(qū))。傾倒區(qū)南側(cè)前緣抗滑體分布最長(zhǎng)，傾倒穩(wěn)定性最好，僅在A、B區(qū)滑動(dòng)影響下出現(xiàn)一些變形跡象。由于傾倒的整體滑移，其中部和后緣出現(xiàn)LF07、LF08拉張裂縫及沿裂縫的下坐變形，形成C2分區(qū)；隨坡體中部和后緣的拉裂沉陷，前緣抗力段受阻發(fā)生隆起，加之差異滑動(dòng)和九道拐溝局部地形臨空面控制，發(fā)育LF09和LF10兩條縱張裂縫，形成C1分區(qū)(圖16)。

3.2.2 內(nèi)部變形破壞

1)地層傾倒跡象

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)巖體的傾倒變形跡象有兩處，分別位于傾倒后緣及滑塌槽頂部出露巖體中。從圖17、圖18中可以看到，傾倒巖體發(fā)生了較為明顯的傾倒彎曲跡象，表現(xiàn)為下部巖層陡立，上部巖層傾角有所變緩。

巖體傾倒變形主要受巖體結(jié)構(gòu)控制，由于變形體整體為反傾上游斜向坡，巖性為千枚巖，性質(zhì)軟弱，且為薄層狀結(jié)構(gòu)，剛度小，故易導(dǎo)致巖體在重力作用下向上游方向發(fā)生傾倒彎曲。

圖15 B區(qū)配套變形特征Fig.15 Matching deformation characteristics of zone B

圖16 C區(qū)配套變形特征Fig.16 Matching deformation characteristics of Zone C

圖17 前緣巖體傾倒變形跡象Fig.17 Evidence of toppling deformation of front rock mass

表1 梯子槽傾倒區(qū)分區(qū)特征統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of zoning characteristics of Tizicao landslide area

2)巖層方位與角度變化

在對(duì)傾倒周邊20個(gè)巖性出露點(diǎn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)(表2、圖19)，梯子槽傾倒范圍內(nèi)基巖為泥盆系危關(guān)群上組(Dwg2)灰色千枚巖與灰色薄層石英巖互層，坡型為反傾上游斜向坡，巖層產(chǎn)狀由低高程向高高程逐漸變緩，由前緣沿河側(cè)的195°∠71°轉(zhuǎn)變?yōu)楹缶壍?13°∠37°(圖20)。

圖19 梯子槽傾倒周邊巖層產(chǎn)狀分布圖Fig.19 Occurrence distribution of rock strata around Ti Zicao

根據(jù)對(duì)梯子槽傾倒各處產(chǎn)狀調(diào)查結(jié)果可知，由低高程至高高程，傾向逐漸由190°轉(zhuǎn)變?yōu)?15°，傾角逐漸由75°轉(zhuǎn)變?yōu)?0°，甚至在坡體后緣傾角轉(zhuǎn)變?yōu)?5°，斜坡上游側(cè)大槽溝地形較陡，坡向約40°，說(shuō)明斜坡巖體存在傾倒變形。

圖18 后緣巖體傾倒變形跡象Fig.18 Evidence of toppling deformation of trailing edge rock mass

在對(duì)梯子槽傾倒進(jìn)行勘探時(shí)共布設(shè)了23個(gè)鉆孔，鉆孔深度35～68 m不等，均揭露了傾倒(上部粉質(zhì)黏土夾碎塊石，下部碎裂巖塊)、滑帶和滑床，完整顯示了梯子槽坡體結(jié)構(gòu)中的巖層傾角變化規(guī)律：以ZK01為例，隨著鉆孔深度增加，巖層傾角從23°逐漸整大到71°(圖21)。

3.3 傾倒形成演化機(jī)制

3.3.1 地表變形演化歷史

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查訪問(wèn)，傾倒變形始于2013年，主要表現(xiàn)為中前部坡體和房屋的開(kāi)裂下錯(cuò)；2014年9月傾倒前緣中部始出現(xiàn)垮塌，逐漸形成寬約60 m，高約200 m的塌落槽，堆積體進(jìn)入岷江成為雍塞體，與此同時(shí)，傾倒后緣開(kāi)始出現(xiàn)裂縫；2015年8—9月，傾倒變形明顯加劇，裂縫數(shù)量隨之增多、裂縫加寬、增長(zhǎng)；2016年和2017年雨季，傾倒變形繼續(xù)發(fā)展，至2017年7月，傾倒后緣、前緣局部下錯(cuò)已達(dá)10余米，前緣剪出口附近塌落體部位不斷發(fā)生垮塌和落石。

表2 巖層產(chǎn)狀調(diào)查點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of survey points of rock stratum occurrence

根據(jù)2013年9月—2016年7月差分干涉探測(cè)變形(InSAR)成果圖(圖22)，傾倒后緣和前緣干涉條紋呈現(xiàn)黃-紫色調(diào)，與周邊區(qū)域的淺藍(lán)色調(diào)區(qū)別明顯，表明傾倒后緣及前緣在該時(shí)間內(nèi)存在較為明顯的變形，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查訪問(wèn)的結(jié)果一致。

圖20 各調(diào)查點(diǎn)巖層產(chǎn)狀特征Fig.20 Occurrence characteristics of rock strata at each survey point

圖21 鉆孔巖心巖層傾角變化Fig.21 Variation of rock dip angle of borehole core

3.3.2 傾倒演化過(guò)程機(jī)制

梯子槽傾倒歷經(jīng)了從岷江的河谷下切、邊坡巖體發(fā)生卸荷現(xiàn)象到巖體傾倒彎折變形折斷的漫長(zhǎng)的地質(zhì)動(dòng)力發(fā)展過(guò)程，這種河谷的地質(zhì)改造作用與發(fā)育的薄層狀軟質(zhì)千枚巖、重力作用和良好的臨空條件有關(guān)，其變形發(fā)展階段可概況為五個(gè)階段(圖23)。

(1)河谷下切、卸荷回彈，巖體初始變形階段：岷江河谷下切，反傾坡外的層狀千枚巖受到卸荷回彈及重力雙重作用下產(chǎn)生彎矩，開(kāi)始向臨空面發(fā)生由表及里得初始傾倒變形跡象。

圖22 2013年9月—2016年7月差分干涉結(jié)果Fig.22 Results of differential interference from September 2013 to July 2016

圖23 梯子槽傾倒演化過(guò)程Fig.23 Evolution process of Tizicao landslide

(2)河谷繼續(xù)下切，巖體傾倒-層內(nèi)拉張發(fā)展階段：當(dāng)河谷繼續(xù)下切，變形累積，傾倒變形的變形位移進(jìn)一步加大，巖體底部的軟弱部開(kāi)始產(chǎn)生向坡外的剪切位移并最終起主導(dǎo)作用，巖體將會(huì)發(fā)生拉張破壞。

(3)巖體傾倒變形出現(xiàn)折斷面階段：巖體內(nèi)部出現(xiàn)宏觀傾倒彎曲變形，當(dāng)彎曲段彎矩大于巖體的極限抗彎強(qiáng)度時(shí)，巖體將會(huì)被折斷，逐步形成斷續(xù)的折斷面。同時(shí)，受軟弱帶剪切力的影響，巖體向坡外剪切位移增大，導(dǎo)致折斷面逐漸連續(xù)貫通。

(4)傾倒變形繼續(xù)發(fā)展出現(xiàn)折斷帶階段：巖體傾倒和剪切變形進(jìn)一步發(fā)展，沿著最大的彎折面逐步形成的折斷帶，折斷帶受剪切力作用下，巖體異常破碎。

(5)折斷帶風(fēng)化成“土”-底部滑移階段：折斷帶上部巖體在傾倒變形過(guò)程中出現(xiàn)眾多裂隙，降水及地下水沿裂隙和巖層面可直達(dá)折斷帶，造成折斷帶風(fēng)化加劇形成目前粉質(zhì)黏土夾角礫的梯子槽傾倒的滑帶。且傾倒地處強(qiáng)震山區(qū)，多次受諸如疊溪地震、汶川地震、九寨溝地震的損傷疊加，以“滑移-拉裂”的形式在變形破壞，即目前狀態(tài)下的梯子槽傾倒。

3.4 傾倒體失穩(wěn)-堵江災(zāi)害鏈分析

3.4.1 堵江體積

疊溪—茂縣一帶多為高山峽谷地貌，岷江在該段河谷狹窄，一般僅150～300 m，兩岸的傾倒易堵塞河道，形成堰塞湖，歷史上岷江多次發(fā)生傾倒、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害堵塞河道情況，造成重大損失[12]。

河谷寬度、河水流量，對(duì)傾倒堵江的成生有控制作用，它取決于河床條件、河水流量、傾倒入江體積[13]。采用堵江最小土石方方法評(píng)價(jià)梯子槽傾倒堵江可能性，估算梯子槽變形體堵江的最小方量的公式為

(1)

式(1)中：Vmin為完全堵江所需最小土石方量，m3；Hr為河水深度,m，取25 m；Br為河床寬度,m，取235 m；φs為堵江巖土體飽水狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角(取30°)。

據(jù)此可估算梯子槽變形體所處河道完全堵江需要的最小土石方Vmin=90.1×104m3，前緣LF02下方A1區(qū)變形最大，安全系數(shù)(factor of safety，F(xiàn)OS)小于0.9(圖24)，其估算體積約130×104m3，即前緣A1區(qū)下滑就可能造成岷江堰塞。由于該傾倒物質(zhì)以碎石土為主，力學(xué)強(qiáng)度低，滲透性較強(qiáng)，形成的堰塞壩自身穩(wěn)定和抗?jié)B能力較差，易潰壩引起次生災(zāi)害。

圖24 自重狀態(tài)下傾倒安全系數(shù)分區(qū)圖Fig.24 Zoning diagram of dumping safety factor under self weight

若梯子槽傾倒堵塞河道形成天然壩體，在岷江水流的沖刷及侵蝕下潰壩，將對(duì)下游的安全造成極大的威脅。分析堰塞湖的潰決過(guò)程，是降低潰壩洪水對(duì)下游區(qū)域?yàn)?zāi)害損失的有效途徑，可為下游危險(xiǎn)區(qū)域人員撤離以及制定應(yīng)急處理措施提供較為科學(xué)合理的依據(jù)?；诖耍∽畈焕麪顟B(tài)，即傾倒A區(qū)和B區(qū)傾倒全部進(jìn)入岷江形成堰塞壩瞬時(shí)全潰進(jìn)行災(zāi)害鏈演進(jìn)及風(fēng)險(xiǎn)分析。根據(jù)計(jì)算分析，下滑方量為478.7×104m3，形成堰塞壩高度22.1 m，回水長(zhǎng)度1 227 m，堰塞體庫(kù)容271.3×104m3。

堰塞湖潰決洪水災(zāi)害鏈演進(jìn)及風(fēng)險(xiǎn)分析主要包括：①潰口流量計(jì)算；②潰決洪水下游演進(jìn)過(guò)程預(yù)測(cè)；③下游洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)分析[14-16]。

3.4.2 潰決洪水災(zāi)害鏈演進(jìn)

1)潰口流量計(jì)算

潰口流量的大小與潰壩前上下游水深和壩址斷面形狀及尺寸有關(guān)。采用謝任之公式計(jì)算潰口流量，即

(2)

式(2)中：qm為潰口最大流量，m3/s；λ為流量參數(shù)；B0為潰口頂寬度，m；H0為發(fā)生潰壩時(shí)壩前水深，m；g為重力加速度,m/s2。

采用四次拋物線法對(duì)潰口壩址流量過(guò)程線計(jì)算。瞬時(shí)全潰時(shí)，堰塞壩潰口頂寬度162.3 m，起潰水位1 752.7 m，得到潰口流量為8 824.1 m3/s，其過(guò)程曲線如圖25所示。

圖25 瞬時(shí)全潰潰口流量過(guò)程Fig.25 Instantaneous total burst flow process

2)潰決洪水下游演進(jìn)過(guò)程預(yù)測(cè)

潰決洪水下游演進(jìn)過(guò)程一般采取對(duì)一維圣維南方程進(jìn)行差分求解來(lái)進(jìn)行模擬，即

(3)

式(3)中：A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q為斷面流量，m3/s；q為旁側(cè)流量，m2/s；h為斷面水深，m；t、x為距離和時(shí)間；R為水力半徑，m；C為謝才系數(shù)。

選取堰塞壩下游重要鄉(xiāng)鎮(zhèn)及人類(lèi)聚居區(qū)9個(gè)特征斷面分析洪水演進(jìn)及沿途淹沒(méi)情況如下(圖26、圖27)：潰壩發(fā)生后河道下游出現(xiàn)明顯的洪水波且隨時(shí)間向下游演進(jìn)，受干流和黑水河支流影響，洪水波波峰被削弱但不會(huì)隨時(shí)間將至零點(diǎn)。潰壩后5.4 min洪水傳至兩河口，最大水位為1 662.88 m，洪峰流量3 567.57 m3/s，水位抬升9.17 m；潰壩后41 min洪水傳至寧江堡，最大水位為1 612.39 m，洪峰流量2 086.78 m3/s，水位抬升6.59 m；潰壩后101 min洪水傳至茂縣縣城，最大水位為1 565.09 m，洪峰流量1 791.88 m3/s，水位僅抬升2.09 m(表3)。

3.4.3 下游洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

下游洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)分析是傾倒災(zāi)害鏈效應(yīng)研究的重要步驟，對(duì)評(píng)估可能造成的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)損失，制定人員避險(xiǎn)方案，指導(dǎo)下游群眾安全撤離等具有指導(dǎo)作用。

圖26 各特征斷面水位歷時(shí)過(guò)程Fig.26 Water level duration process of each characteristic section

圖27 各特征斷面流量歷時(shí)過(guò)程Fig.27 Flow duration process of each characteristic section

表3 潰決洪水下游演進(jìn)過(guò)程特征參數(shù)預(yù)測(cè)Table 3 Prediction of characteristic parameters of downstream routing process of outburst flood

基于此，根據(jù)潰決洪水下游演進(jìn)過(guò)程預(yù)測(cè)成果，提取河道各典型斷面的最高水位，利用GIS(geographic information science)及遙感技術(shù)疊加數(shù)字高程模型，分析獲取了洪水淹沒(méi)范圍(圖28)。為指導(dǎo)地方政府有序撤離群眾，按洪水位與國(guó)道和居民區(qū)的距離h，將下游區(qū)域劃分為三個(gè)區(qū)域：危險(xiǎn)區(qū)(h≤0 m)、警戒區(qū)(0

通過(guò)洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)分析(圖29)，潰壩洪水將對(duì)下游鄉(xiāng)鎮(zhèn)及G213線產(chǎn)生較大影響。洪水將會(huì)淹沒(méi)金龍?zhí)端娬?、兩河口、飛虹鄉(xiāng)以及溝口鎮(zhèn)，淹沒(méi)及影響G213國(guó)道20.2 km，總危害資產(chǎn)4.5億元。隨著洪水向下游演進(jìn)，影響逐步減弱，在茂縣城區(qū)段，雖然存在較大流速帶，但潰壩洪水水位淹沒(méi)范圍較小，不會(huì)對(duì)茂縣城區(qū)造成影響?；诖藙澐质箨P(guān)—溝口鎮(zhèn)為危險(xiǎn)區(qū)、溝口鎮(zhèn)—渭門(mén)鎮(zhèn)為警戒區(qū)、渭門(mén)鎮(zhèn)—茂縣縣城警示區(qū)。

圖28 下游洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)圖Fig.28 Downstream flood inundation risk prediction diagram

圖29 下游洪水淹沒(méi)剖面分析圖Fig.29 Analysis of downstream flood inundation profile

4 結(jié)論

在對(duì)梯子槽高位特大型傾倒采取地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)等手段的基礎(chǔ)上，查清了傾倒基本特征，分析了傾倒的成因機(jī)制，預(yù)測(cè)了傾倒災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)，得到如下主要結(jié)構(gòu)。

(1)梯子槽傾倒為高位特大型傾倒，傾倒坡體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變形跡象明顯，坡體上裂縫隨處可見(jiàn)，后緣貫通裂縫可見(jiàn)擦痕。

(2)傾倒經(jīng)歷了五個(gè)變形階段，主要是反傾層狀巖體傾倒折斷，折斷帶風(fēng)化成“土”，在后期降雨及地震作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(3)傾倒一旦失穩(wěn)將堵塞岷江造成災(zāi)害鏈，據(jù)潰壩洪水災(zāi)害鏈演進(jìn)預(yù)測(cè)分析，將石大關(guān)—溝口鎮(zhèn)劃為危險(xiǎn)區(qū)、溝口鎮(zhèn)—渭門(mén)鎮(zhèn)劃為警戒區(qū)、渭門(mén)鎮(zhèn)—茂縣縣城劃為警示區(qū)。