堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)處置研究現(xiàn)狀與展望

周招 楊啟貴 蔡耀軍 盧建華 陳朝旭 張文傳

摘要：科學(xué)認(rèn)知堰塞湖基本特征、高效評(píng)估堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)以及提升堰塞湖應(yīng)急處置技術(shù)是緩和堰塞湖威脅和降低堰塞湖災(zāi)損的關(guān)鍵。從堰塞湖分布、成因、蓄水庫(kù)容、生命周期以及堰塞湖災(zāi)害特點(diǎn)等方面系統(tǒng)分析了堰塞湖基本特征，從定性、定量以及災(zāi)害鏈角度系統(tǒng)總結(jié)了堰塞湖危險(xiǎn)性評(píng)估方法，并結(jié)合堰塞湖潰決機(jī)理系統(tǒng)分析當(dāng)前堰塞湖潰決應(yīng)急監(jiān)測(cè)困境、引流槽除險(xiǎn)技術(shù)水平和疏通開(kāi)挖機(jī)械設(shè)備現(xiàn)狀?；诋?dāng)前研究的局限性，凝煉堰塞湖應(yīng)急處置研究未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的5個(gè)問(wèn)題：① 堰塞體堆積形態(tài)分區(qū)機(jī)制;② 強(qiáng)非恒定流輸沙理論;③ 大尺度堰塞湖潰決模型試驗(yàn);④ 堰塞湖應(yīng)急處置專(zhuān)用機(jī)械設(shè)備研制;⑤ 堰塞湖潰決洪峰動(dòng)態(tài)追蹤。研究成果可為高風(fēng)險(xiǎn)堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、應(yīng)急處置及區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃提供有益參考。

關(guān)鍵詞：堰塞湖； 潰決洪峰； 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估； 應(yīng)急處置； 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV143

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.002

0引 言

堰塞湖是高山峽谷地區(qū)因降雨、地震以及火山噴發(fā)等動(dòng)力地質(zhì)作用造成山體滑坡、坍塌或泥石流堵塞天然河道形成的天然湖泊，堵塞天然河道的固體堆積體則稱(chēng)為堰塞體。早些年間堰塞湖科學(xué)研究較少，部分學(xué)者根據(jù)堵江成因?qū)⒀呷麨榈卣鸷?、淤地壩以及滑坡堵江等。魯成公五年“梁山崩，雍河三日不流”便是《春秋》記載的中國(guó)早期堰塞湖事件［1-3］。近些年隨著認(rèn)知水平提升，學(xué)者將堵塞河道形成的天然湖泊統(tǒng)一命名為堰塞湖［4-5］。

堰塞體堵塞天然河道，致使堰塞湖出入庫(kù)流量極不平衡，引起庫(kù)水位持續(xù)壅高。尤其是高山峽谷地區(qū)大流量河道，極易在短時(shí)間內(nèi)造成堰塞體漫頂潰決，形成破壞威力強(qiáng)悍、災(zāi)害鏈長(zhǎng)遠(yuǎn)的非常態(tài)潰決洪峰，嚴(yán)重威脅下游沿岸地區(qū)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和基礎(chǔ)設(shè)施安全，局部地區(qū)甚至對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)損毀［6-8］。1786年四川磨西7.7級(jí)地震引發(fā)形成摩崗嶺滑坡堰塞湖，漫頂潰決洪水造成沿江大量居民溺斃，死亡人數(shù)近10萬(wàn)［9］。2000年西藏易貢堰塞湖潰決洪峰流量達(dá)到12.4萬(wàn)m3/s，為雅魯藏布江年平均流量的28倍，嚴(yán)重?fù)p毀沿線(xiàn)公路、光纜以及橋梁等重要基礎(chǔ)設(shè)施［10-11］。

近些年受極端氣候影響，堰塞湖總體呈多發(fā)、頻發(fā)態(tài)勢(shì)，局部地區(qū)甚至反復(fù)發(fā)生，尤其是長(zhǎng)江上游西藏、云南、四川等地區(qū)，堰塞湖潰決事件尤為頻繁［12-14］。2008年汶川地震引發(fā)多處崩塌、滑坡，形成257處堰塞湖，其中唐家山堰塞湖險(xiǎn)情最為嚴(yán)重，直接威脅下游江油、綿陽(yáng)等地130萬(wàn)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全［15］。2018年長(zhǎng)江上游發(fā)生加拉、白格等4次大規(guī)模堰塞湖潰決事件，其中“11·3”白格堰塞湖潰決洪峰在下游380 km范圍內(nèi)均達(dá)到超萬(wàn)年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，造成沿岸迪慶、麗江及大理等地直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)74億元［16-17］。堰塞湖蓄水能力強(qiáng)、破壞威力大、波及范圍廣，且堰塞湖地處高山峽谷深處，惡劣的水域地理環(huán)境及交通通信條件和短暫的應(yīng)急處置窗口期給堰塞湖防災(zāi)減災(zāi)造成極大困難，堰塞湖險(xiǎn)情一直是極難控制和防御的自然災(zāi)害［18-19］。

鑒于高風(fēng)險(xiǎn)堰塞湖潛在的巨大威脅，堰塞湖應(yīng)急處置及風(fēng)險(xiǎn)防控是當(dāng)前中國(guó)乃至全世界范圍內(nèi)堰塞湖防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的重要研究課題。堰塞湖應(yīng)急處置技術(shù)研究能為揭示堰塞湖漫頂潰決機(jī)理、人工調(diào)控堰塞湖潰決發(fā)展過(guò)程提供重要理論技術(shù)方法，對(duì)更大程度避免庫(kù)區(qū)淹沒(méi)損失和潰決洪水損毀具有重要的科學(xué)價(jià)值和社會(huì)意義［20］。因此，本文將結(jié)合當(dāng)前堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)處置研究現(xiàn)狀，對(duì)堰塞湖基本特征、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和應(yīng)急處置技術(shù)等研究現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)述。

1堰塞湖基本特征

1.1堰塞湖分布

堰塞湖在世界范圍內(nèi)廣泛分布在高山峽谷地區(qū)，尤其是板塊地殼運(yùn)動(dòng)劇烈、深切地貌、河流陡降等區(qū)域［21-23］。中國(guó)的堰塞湖主要集中在青藏高原及周邊秦巴山區(qū)地帶，這種特殊的堰塞湖分布主要與中國(guó)典型的三大階梯地勢(shì)緊密相關(guān)，局部地區(qū)小規(guī)?；禄蚰嗍鞅隳茉陔A梯結(jié)合地帶引起大范圍山體崩塌、滑坡，堵塞天然河道形成高風(fēng)險(xiǎn)堰塞湖。

1.2堰塞湖成因

堰塞湖成因主要是由坍塌誘發(fā)形成堰塞體的動(dòng)力地質(zhì)作用而定。Schuster等［21］對(duì)135座堰塞湖動(dòng)力地質(zhì)成因進(jìn)行調(diào)查分析，指出降雨、融雪、地震及火山噴發(fā)等是誘發(fā)形成堰塞湖的主要因素，其中地震是堰塞湖形成的第二大誘發(fā)因素，約占總數(shù)的37%。石振明等［22］搜集國(guó)內(nèi)外1 298座堰塞湖案例，如圖1所示，指出國(guó)外因地震、降雨誘發(fā)形成堰塞湖占比分別為23%和35%，相應(yīng)國(guó)內(nèi)因地震、降雨誘發(fā)形成堰塞

湖的比例分別高達(dá)53%及38%。國(guó)內(nèi)外堰塞湖成因占比差異主要原因?yàn)橹袊?guó)是地震頻發(fā)且階梯地勢(shì)明顯的國(guó)家，單次地震或強(qiáng)降雨便能在階梯地勢(shì)結(jié)合帶誘發(fā)形成多處堰塞湖［23］。總體而言，降雨及地震是堰塞湖形成的主要誘發(fā)因素。

1.3堰塞湖蓄水庫(kù)容

堰塞湖蓄水庫(kù)容隨機(jī)性較強(qiáng)，從幾百m3到上百億m3廣泛分布，其主要與堰塞體垂直高度、崩塌滑坡等地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模、河溝河谷形態(tài)以及河道天然流量緊密相關(guān)，其中堰塞體作為堵塞天然河道的固體堆積物，其垂直高度直接影響堰塞湖蓄水庫(kù)容［24-25］。國(guó)內(nèi)外堰塞湖蓄水庫(kù)容分布如圖2所示，堰塞湖蓄水庫(kù)容普遍集中在1×105～1×108 m3，部分高風(fēng)險(xiǎn)堰塞湖因堰塞體垂直高度較大及天然河道流量較高，蓄水庫(kù)容普遍達(dá)到大型水庫(kù)規(guī)模，甚至達(dá)到上百億m3。世界范圍內(nèi)當(dāng)前蓄水庫(kù)容規(guī)模最大的堰塞湖是位于塔吉克斯坦東部帕米爾高原上的薩雷茲堰塞湖，其堰塞體高度達(dá)567 m，最大水深505 m，蓄水庫(kù)容達(dá)170億m3。

1.4堰塞湖生命周期

堰塞湖生命周期是指坍塌滑源體沿滑槽滾落至河道、堵塞河道蓄水成湖直至漫頂潰決的全部過(guò)程。受堰塞體物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、幾何形態(tài)以及天然河道下泄流量等諸多因素影響，堰塞湖生命周期長(zhǎng)短不一，跨度懸

殊。部分堰塞湖即生即消，即滑源體滾落至河道尚來(lái)不及形成堰塞湖便直接垮塌沖走；部分堰塞湖的堰塞體垂直高度大、堆積方量高，局部夾雜大孤石形成穩(wěn)定支撐框架結(jié)構(gòu)，造成堰塞湖滲漏流量長(zhǎng)期出入庫(kù)平衡，致使堰塞湖屹立數(shù)百年甚至千年依舊穩(wěn)定［25］。

堰塞湖生命周期直接影響堰塞湖應(yīng)急處置窗口期，短生命周期堰塞湖將嚴(yán)重壓縮應(yīng)急處置窗口期［26］。柴賀軍等［27］指出堰塞湖在1 d、10 d、6個(gè)月及1 a之內(nèi)自然漫頂潰決的比例依次為20%，50%，80%及90%；石振明等［28］指出堰塞湖在1 h、1 d、1周、1個(gè)月、1 a之內(nèi)自然潰決比例依次為9%，34%，50%，67%，86%。由此可見(jiàn)堰塞湖生命周期普遍較短，超過(guò)50%以上的堰塞湖將在1個(gè)月之內(nèi)漫頂潰決，因此堰塞湖應(yīng)急處置窗口期極為短暫，由于堰塞湖所處惡劣的水域環(huán)境及交通通訊障礙等自然環(huán)境因素，人工處置堰塞湖險(xiǎn)情難度極大［29-31］。

1.5堰塞湖災(zāi)害特點(diǎn)

堰塞湖庫(kù)水位持續(xù)壅高回水，在上游庫(kù)區(qū)造成大量淹沒(méi)損失，而一旦漫頂潰決，非常態(tài)潰決洪峰勢(shì)必肆虐下游沿岸基礎(chǔ)設(shè)施。堰塞湖危害主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面［3］：

（1） 上游庫(kù)區(qū)淹沒(méi)損失。堰塞體堵塞天然河道致使庫(kù)水位持續(xù)壅高、回溯，回水長(zhǎng)度和淹沒(méi)面積持續(xù)增大，庫(kù)區(qū)沿岸農(nóng)田、道路、工農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及城鎮(zhèn)等被嚴(yán)重淹沒(méi)損毀（“11·3”白格堰塞湖上游庫(kù)區(qū)淹沒(méi)如圖3所示）。

（2） 潰決洪水損毀。堰塞湖非常態(tài)潰決洪峰以“刮地三尺、摧枯拉朽”態(tài)勢(shì)在數(shù)百千米范圍內(nèi)嚴(yán)重肆虐沿岸堤防、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)田、生態(tài)環(huán)境及基礎(chǔ)設(shè)施。

（3） 潰決洪水對(duì)下游河道的影響。潰決水流流速大、攜沙濃度高、破壞威力強(qiáng)，極易沖毀沿岸河道堤防、造成決口，甚至改道，此外潰決水流裹挾大量泥沙，擁堵河道抬高河床，影響行洪能力。

（4） 殘存堰塞體威脅。殘存堰塞體兩側(cè)邊坡陡峭、松散，在強(qiáng)降雨或水流持續(xù)沖刷擾動(dòng)下，極易坍塌、堵塞河道，再次形成堰塞湖。

2堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

早期堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估無(wú)明確參考因子，堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)難以劃分，堰塞湖應(yīng)急決策難免失準(zhǔn)，致使過(guò)高或過(guò)低評(píng)估堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)。自2008年唐家山堰塞湖形成以來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者結(jié)合堰塞體危險(xiǎn)性和潰決洪水損毀，在堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論和實(shí)踐方面均進(jìn)行了積極探索。隨著不斷深入認(rèn)識(shí)堰塞湖形成-潰決機(jī)理，堰塞湖災(zāi)害系統(tǒng)和災(zāi)害鏈認(rèn)知不斷完善，堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估開(kāi)始向復(fù)雜環(huán)境下多致災(zāi)因子的動(dòng)態(tài)評(píng)估方向發(fā)展，并逐漸從定性、定量以及災(zāi)害鏈等方面動(dòng)態(tài)評(píng)估堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)［32-35］。

2.1定性評(píng)估

堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)定性評(píng)價(jià)主要結(jié)合堰塞體形成機(jī)制、物質(zhì)組成及幾何形態(tài)，判斷堰塞體物質(zhì)結(jié)構(gòu)抗沖蝕性能，綜合評(píng)估堰塞體危險(xiǎn)性。定性評(píng)估主要特點(diǎn)是依托衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)航拍以及物探等檢測(cè)技術(shù)手段，結(jié)合同類(lèi)堰塞湖歷史潰決案例，評(píng)估堰塞體危險(xiǎn)性［35］。

胡卸文［36］、李勇［37］等利用堰塞體結(jié)構(gòu)特征及堰塞湖蓄水庫(kù)容針對(duì)汶川地震所引發(fā)的堰塞湖進(jìn)行初步風(fēng)險(xiǎn)分析。何秉順等［38］結(jié)合無(wú)人機(jī)航拍快速生成三維地形技術(shù)，短時(shí)間內(nèi)對(duì)“5·12”汶川地震所引發(fā)的堰塞湖做了初步穩(wěn)定分析。部分學(xué)者［39-40］根據(jù)宏觀監(jiān)控現(xiàn)象及地表位移監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)堰塞湖進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。Graham［41］根據(jù)潰決洪水破壞威力、預(yù)警信息以及生命損失等因素評(píng)估堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)。早期堰塞湖定性評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)因子普遍考慮不周，隨著對(duì)堰塞湖認(rèn)知不斷完善，2021年SL/T 450-2021《堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分與應(yīng)急處置技術(shù)規(guī)范》補(bǔ)充考慮堰塞體結(jié)構(gòu)形態(tài)、抗沖蝕特性以及湖區(qū)次生災(zāi)害影響，尤其是生態(tài)環(huán)境影響，根據(jù)堰塞湖庫(kù)容、上游來(lái)水量、堰塞體物質(zhì)組成及幾何形態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)人口、影響城鎮(zhèn)、公共或基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)環(huán)境等，將堰塞體危險(xiǎn)性劃分為極高危險(xiǎn)、高危險(xiǎn)、中危險(xiǎn)和低危險(xiǎn)4個(gè)等級(jí)，有效提升了堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知水平。

盡管堰塞湖定性評(píng)估結(jié)果并非完全精確，但在堰塞湖應(yīng)急處置現(xiàn)場(chǎng)可初步分析堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)階段單純的堰塞湖定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相對(duì)甚少，定性評(píng)估普遍是定量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，是迅速獲取堰塞湖地形信息及水文地理數(shù)據(jù)評(píng)估堰塞湖潰決風(fēng)險(xiǎn)和災(zāi)損的基礎(chǔ)。

2.2定量評(píng)估

定量評(píng)估方法是運(yùn)用大量堰塞湖歷史案例，分析漫頂潰決規(guī)律、擬合數(shù)學(xué)表達(dá)式或判別準(zhǔn)則，評(píng)判堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)。定量評(píng)估作為堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主流方法，根據(jù)計(jì)算方法特點(diǎn)可分為數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、物理模型試驗(yàn)法和數(shù)值分析法。

（1） 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法。

數(shù)理統(tǒng)計(jì)法即是根據(jù)堰塞湖基礎(chǔ)資料，考慮堰塞湖水動(dòng)力學(xué)指標(biāo)、地貌學(xué)指標(biāo)以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成等要素，采用邏輯回歸方法，提出數(shù)學(xué)表達(dá)式或判別準(zhǔn)則。1999年Casagli等［42］選用堰塞體體積和堰塞湖流域面積等2個(gè)參數(shù)提出堆積指標(biāo)法（DBI）評(píng)估堰塞體穩(wěn)定性；Ermini［43］、Dong［44］等根據(jù)堰塞體體積、流域面積、堰塞體高度、河道坡度、堰塞體物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成以及回水長(zhǎng)度等因子，提出堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模塊化方法。但數(shù)理統(tǒng)計(jì)法依賴(lài)堰塞湖歷史案例樣本以及風(fēng)險(xiǎn)因子合理性，不同樣本及不同風(fēng)險(xiǎn)因子堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估稍有差異。

（2） 物理模型試驗(yàn)法。

部分國(guó)內(nèi)學(xué)者基于不同致災(zāi)因子利用水槽物理模型試驗(yàn)還原堰塞體潰決失穩(wěn)過(guò)程，評(píng)價(jià)堰塞體穩(wěn)定性［45-48］。盡管水槽物理模型能直觀地反映堰塞湖潰決發(fā)展過(guò)程、評(píng)估堰塞體穩(wěn)定性，但當(dāng)前堰塞湖水槽物理模型普遍是參照人工土石壩，堰塞體寬緩、矮胖等幾何特征以及寬級(jí)配物質(zhì)組成等特性普遍被忽略［49］。蔡耀軍［20］、楊啟貴［50］等結(jié)合唐家山、白格等高風(fēng)險(xiǎn)堰塞湖指出堰塞湖堰塞體物質(zhì)組成相差顯著，顆粒粒徑從毫米級(jí)砂石料跨越至數(shù)米乃至數(shù)十米孤石，同等高度堰塞體順?biāo)蜷L(zhǎng)度遠(yuǎn)大于垂直高度，呈寬緩斷面結(jié)構(gòu)形態(tài)。而常規(guī)堰塞湖物理模型幾何垂直高度有限，漫頂水流極易引起堰塞體坍塌瞬潰，致使難以出現(xiàn)溯源陡坎現(xiàn)象，或因蓄水庫(kù)容不足造成難以持續(xù)沖刷堰塞體，致使殘留堰塞體過(guò)高，引發(fā)水力失真現(xiàn)象。蔡耀軍等［20］指出為盡可能避免縮尺效應(yīng)影響，堰塞體頂部縱向長(zhǎng)度需達(dá)到2～3倍垂直高度，垂直高度至少需要達(dá)到1 m以上規(guī)模。

（3） 數(shù)值分析法。

數(shù)值分析法是通過(guò)堰塞體物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、幾何形態(tài)及力學(xué)特性判斷分析堰塞體穩(wěn)定性，分析堰塞體坍塌變形過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。堰塞體穩(wěn)定性數(shù)值分析法主要有極限分析法、有限差分法、有限單元法、離散單元法和非連續(xù)變形分析法等確定性分析方法［24］，其中離散單元法和非連續(xù)變形分析法在堰塞體穩(wěn)定性評(píng)估中應(yīng)用較少。Mizuyama等［51］利用簡(jiǎn)化畢肖普法考慮堰塞體形狀、物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成及滲漏量等因素分析堰塞體穩(wěn)定性；Hu等［52］利用瑞典條分法考慮不同水位及地震荷載等因素分析堰塞體穩(wěn)定性。近些年學(xué)者嘗試?yán)媚：龑哟畏治龇?、熵值法、模糊綜合分析法等不確定分析法開(kāi)展堰塞體危險(xiǎn)性評(píng)估研究，但數(shù)學(xué)模型理論與工程實(shí)際結(jié)合還存在較大差距［53-56］?？傮w而言，堰塞體數(shù)值分析方法普遍選用人工土石壩模擬方法評(píng)估自身穩(wěn)定性，但較少考慮堰塞體寬級(jí)配及寬緩幾何形態(tài)特點(diǎn)。

2.3災(zāi)害鏈評(píng)價(jià)方法

持續(xù)壅高庫(kù)水位致使河道兩岸山體孔隙水壓力上升，極易誘發(fā)二次滑坡、形成大落差涌浪；漫頂潰決洪水嚴(yán)重肆虐沿岸堤防、生態(tài)環(huán)境及基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是下游地區(qū)存在梯級(jí)堰塞湖，漫頂水流極易如“多米諾效骨牌”呈放大效應(yīng)形成非常態(tài)潰決洪水，更進(jìn)一步增大潰決洪水損毀。

當(dāng)前堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)因子有限，普遍局限于堰塞體自身穩(wěn)定性及潰決洪水損毀，對(duì)堰塞湖災(zāi)害系統(tǒng)及災(zāi)害鏈普遍缺乏有效認(rèn)知［57］。Niu等［58］首次研究梯級(jí)堰塞湖潰決機(jī)制，提出上游堰塞湖漫頂潰決時(shí)漫頂潰決洪峰直接影響下游堰塞湖潰決模式：低潰決洪峰逐漸沖蝕堰塞體，引起漸進(jìn)式漫頂潰決，高潰決洪峰則快速?zèng)_刷掏蝕堰塞體，引發(fā)堰塞體坍塌瞬潰。Zhou等［59］研究了梯級(jí)堰塞湖動(dòng)態(tài)潰決演化過(guò)程，指出梯形堰塞湖潰決洪峰呈疊加放大效應(yīng)，潰決洪峰遠(yuǎn)超單座堰塞湖最大潰決洪峰。Shi等［60］指出梯級(jí)堰塞湖潰決顯著改變河道匯水速率。當(dāng)前梯級(jí)堰塞湖潰決研究尚處于初步階段，小尺度物理模型中潰決洪水放大效應(yīng)難以體現(xiàn)，未來(lái)可考慮利用大中型水庫(kù)建模，更易于揭示潰決洪峰擴(kuò)大效應(yīng)。

3堰塞湖應(yīng)急處置技術(shù)

針對(duì)堰塞湖險(xiǎn)情，科研學(xué)者采用堰塞湖水文及地理信息應(yīng)急監(jiān)測(cè)和堰塞體快速疏通開(kāi)挖等人工應(yīng)急處置技術(shù)，快速識(shí)別堰塞湖水文、水情、庫(kù)區(qū)地形等相關(guān)信息，監(jiān)測(cè)堰塞湖庫(kù)水位及潰決洪峰變化，評(píng)估堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)，劃定堰塞湖上下游影響區(qū)域，轉(zhuǎn)移人民群眾。其中引流槽除險(xiǎn)技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛、效果最為明顯的堰塞體快速疏通開(kāi)挖應(yīng)急處置技術(shù)。但堰塞湖應(yīng)急處置技術(shù)普遍需根據(jù)堰塞湖基本特征及結(jié)合堰塞湖潰決發(fā)展過(guò)程特點(diǎn)，采取相應(yīng)人工措施干預(yù)堰塞湖潰決發(fā)展過(guò)程，緩和堰塞湖險(xiǎn)情［61-64］。

3.1堰塞湖潰決機(jī)理研究

非恒定攜沙水流動(dòng)態(tài)沖刷掏蝕堰塞體，致使?jié)⒖诔书g歇性非線(xiàn)性坍塌變形，潰決機(jī)理極為復(fù)雜，洞悉查明堰塞湖潰決機(jī)理是堰塞湖應(yīng)急處置的基礎(chǔ)和先決條件。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在堰塞湖參數(shù)模型、物理模型及數(shù)值模擬等方面開(kāi)展了大量堰塞湖潰決試驗(yàn)研究，但因堰塞湖潰決過(guò)程涉及學(xué)科理論過(guò)多、影響因子復(fù)雜，當(dāng)前潰決機(jī)理仍然不明，給堰塞湖應(yīng)急處置造成巨大困境［65］。

部分學(xué)者［66-67］利用堰塞湖歷史案例推導(dǎo)潰口深度、潰口寬度及峰值流量等參數(shù)模型，但參數(shù)模型需要大量堰塞湖實(shí)測(cè)資料率定，有限的原型觀測(cè)案例降低了參數(shù)模型的可靠性。Zhong［48］、Begam［67］等采用數(shù)值模擬分析潰決過(guò)程參數(shù)敏感性以及潰決洪峰關(guān)鍵影響因子，但數(shù)值模型普遍假定潰口最終形態(tài)并利用寬頂堰公式計(jì)算潰口流量，而潰口形態(tài)呈非線(xiàn)性變化特征，與寬頂堰相距甚遠(yuǎn)，且最終形態(tài)普遍難以假定。此外數(shù)值模擬潰口侵蝕率、擴(kuò)展系數(shù)等參數(shù)受物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成影響顯著，與實(shí)際潰決過(guò)程亦存在偏差。

周招等［68-69］開(kāi)展室內(nèi)物理模型試驗(yàn)（圖4），將堰塞湖潰決發(fā)展過(guò)程依次劃分為尾部下切階段、陡坎溯源階段、全斷面下切階段以及沖淤平衡-恢復(fù)穩(wěn)定階段。蔡耀軍等［20］認(rèn)為堰塞體坍塌潰決主要集中在陡坎溯源階段及全斷面下切階段。楊興國(guó)［70］、張倩［71］、楊陽(yáng)［72］等指出堰塞體漫頂潰決主要由潰決水流橫向展寬及縱向下切沖刷堰塞體引起坍塌失穩(wěn)所致，但二者主導(dǎo)作用目前仍存在爭(zhēng)議：部分科研學(xué)者認(rèn)為堰塞體坍塌主要是高速潰決水流剪切沖刷所致，部分學(xué)者則認(rèn)為堰塞體坍塌是高速潰決水流掏蝕潰口底坡，致使?jié)⒖谶吰率Х€(wěn)所致，更有學(xué)者認(rèn)為堰塞體坍塌是二者聯(lián)合相互作用所致［20］。

盡管物理模型試驗(yàn)?zāi)苡行M堰塞湖潰決發(fā)展過(guò)程，但當(dāng)前幾乎所有物理模型普遍并未完全遵循重力相似準(zhǔn)則選取寬級(jí)配顆粒材料堆筑堰塞體，部分細(xì)顆粒砂石料被統(tǒng)一概化，造成模型材料抗沖蝕性能與原型材料相差明顯。此外局部物理模型幾何尺度有限，垂直高度及蓄水庫(kù)容規(guī)模不足，致使漫頂水流積蓄勢(shì)能及持續(xù)沖刷能力不足，引起潰決發(fā)展過(guò)程失真等現(xiàn)象［73-75］。

3.2堰塞湖應(yīng)急監(jiān)測(cè)

堰塞湖通常地處交通險(xiǎn)阻、人跡罕至之處，惡劣水域環(huán)境及水文、地質(zhì)和物質(zhì)組成等基礎(chǔ)資料的匱乏給人工監(jiān)測(cè)堰塞湖險(xiǎn)情提出了巨大挑戰(zhàn)，尤其是在有限應(yīng)急處置窗口期內(nèi)。

自2008年唐家山堰塞湖形成之后，學(xué)者廣泛開(kāi)展堰塞湖技術(shù)研究。全球定位系統(tǒng)和非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，堰塞湖信息獲取逐步向快速感知、三維可視化以及潰口動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方向發(fā)展［76-78］。

唐家山堰塞湖應(yīng)急處置采用航空攝影測(cè)量和衛(wèi)星遙感測(cè)量獲得堰塞湖周邊地理和地形地質(zhì)資料；白格堰塞湖搶險(xiǎn)中采取星載InSAR監(jiān)測(cè)、無(wú)人機(jī)航拍等技術(shù)手段對(duì)堰塞體周邊不穩(wěn)定體進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。盡管星載InSAR技術(shù)具有全天候、全天時(shí)、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但其觀測(cè)結(jié)果為地表真實(shí)形變?cè)诶走_(dá)視線(xiàn)上的投影，難以反映地物的真實(shí)變形特征及其演化規(guī)律［78-80］。

堰塞體三維可視化普遍利用高密度電法物理探測(cè)設(shè)備感知獲取堰塞體物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，并利用搭載集雙目相機(jī)、可見(jiàn)光相機(jī)、激光測(cè)距機(jī)、紅外熱像儀于一體的五目協(xié)同無(wú)人機(jī)快速查看堰塞體幾何形態(tài)，劃分堰塞體表觀顆粒粒徑并監(jiān)測(cè)堰塞體邊坡變形［81-82］。陸二男等［83］在唐家山堰塞湖應(yīng)急處置過(guò)程中采用高密度電法對(duì)引流槽進(jìn)行了物探測(cè)試解譯；吳學(xué)明等［84］在紅石巖堰塞湖應(yīng)急處置中采用被動(dòng)源面波法、瞬變電磁法對(duì)堰塞體和古滑坡區(qū)開(kāi)展探測(cè)。但堰塞湖三維可視化技術(shù)難以準(zhǔn)確獲取堰塞體散粒料堆積分區(qū)，其對(duì)堰塞體內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)深度及精度有限，且堰塞體變形及物質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)解譯速度有待提高。

針對(duì)堰塞湖潰口快速動(dòng)態(tài)演變及現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境，至今全球范圍內(nèi)均無(wú)人工或自動(dòng)化野外監(jiān)測(cè)堰塞湖潰口形態(tài)變化的實(shí)例。現(xiàn)階段僅有的免棱鏡全站儀和手持激光測(cè)距儀等非接觸式監(jiān)測(cè)設(shè)備僅適用于常規(guī)堤防潰口；常規(guī)聲吶探測(cè)技術(shù)因潰決水流攜沙濃度較高及沖刷掏蝕能力較強(qiáng)，難以固定于堰塞湖引流槽內(nèi)監(jiān)測(cè)潰口變形［85］?，F(xiàn)階段主要是利用無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)潰口展寬，但潰口縱向下切監(jiān)測(cè)目前尚處于空白領(lǐng)域。近些年蔡耀軍等［20］提出堰塞湖引流槽沖刷變形自動(dòng)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備，如圖5所示，一定程度上可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)引流槽橫向展寬及縱向下切變形，但動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備依然面臨被潰決水流沖走而漂浮或懸浮于潰決水流中的技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.3堰塞湖引流槽除險(xiǎn)技術(shù)

堰塞湖引流槽除險(xiǎn)技術(shù)基本原理是在堰塞體頂部縱向開(kāi)挖引流槽，引導(dǎo)漫頂水流漸進(jìn)式?jīng)_刷掏蝕堰塞體，平穩(wěn)下泄堰塞湖囤蓄洪水。為提升引流槽泄流效率，周招等［86］在傳統(tǒng)梯形斷面引流槽基礎(chǔ)上優(yōu)化引流槽橫、縱斷面結(jié)構(gòu)型式，提出復(fù)式及陡坎式引流槽，并利用野外模型試驗(yàn)證實(shí)復(fù)式及陡坎式引流槽能有效提升引流槽泄流效率，降低堰塞湖最大壅高水位及潰決洪峰流量。

盡管引流槽除險(xiǎn)技術(shù)能一定程度降低堰塞體過(guò)水高程、削減潰決洪峰，但部分高風(fēng)險(xiǎn)堰塞湖蓄水庫(kù)容規(guī)模龐大，堰塞體物質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，持續(xù)壅高漫頂水流極易引起引流槽迅速變形，致使堰塞體坍塌失控，甚至瞬潰，形成難以控制的潰決洪峰［88］。

針對(duì)當(dāng)前堰塞湖潰決發(fā)展過(guò)程難以控制的工程難題，現(xiàn)階段的鋼筋防護(hù)網(wǎng)、巨石鎖口和人工結(jié)構(gòu)體等引流槽防護(hù)措施［87］能在尾部下切階段減緩潰決水流沖刷掏蝕引流槽，但在全斷面下切階段普遍因自身柔韌性不足而難以隨引流槽坍塌變形，調(diào)整自身結(jié)構(gòu)型式，護(hù)坡固壁持續(xù)能力不足，調(diào)控堰塞湖潰決發(fā)展過(guò)程作用有限，甚至攔阻引流槽正常泄流，壅高庫(kù)水位，激起反噬作用。周招［86］、蔡耀軍［20］等提出引流槽控潰削峰設(shè)想，即提升尾部下切階段引流槽泄流效率，減緩全斷面下切階段堰塞體坍塌，并利用室外模型試驗(yàn)證實(shí)掛壁式引流槽柔性防護(hù)措施能隨引流槽邊坡坍塌持續(xù)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)型式，減緩潰決水流橫向展寬及縱向下切掏蝕引流槽，延緩堰塞體坍塌，實(shí)現(xiàn)降低堰塞湖最大壅高水位及削減潰決洪峰（圖6）。但引流槽柔性防護(hù)措施布置形式極易影響削峰效果，鋪設(shè)不當(dāng)甚至?xí)r阻引流槽泄流，激起反噬作用。

引流槽除險(xiǎn)技術(shù)能有效降低堰塞湖最大壅高水位，削減潰決洪峰，但受堰塞湖潰決機(jī)理不明等諸多因素限制，當(dāng)前堰塞湖引流槽除險(xiǎn)技術(shù)更多依靠科研學(xué)者工程經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展。

3.4堰塞體快速疏通用開(kāi)挖機(jī)械設(shè)備

近些年眾多堰塞湖險(xiǎn)情得到成功處置，但當(dāng)前并無(wú)堰塞體快速疏通開(kāi)挖專(zhuān)用機(jī)械設(shè)備及應(yīng)急處置專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍。現(xiàn)階段堰塞湖應(yīng)急處置主要是依靠中國(guó)安能建設(shè)集團(tuán)有限公司（前身武警水電部隊(duì)）及常規(guī)基建施工隊(duì)伍駕駛挖掘機(jī)和自卸式重型卡車(chē)等機(jī)械設(shè)備快速進(jìn)場(chǎng)，開(kāi)挖輸運(yùn)堰塞體。但堰塞湖水陸交通環(huán)境惡劣，常規(guī)大型機(jī)械設(shè)備因尺寸及重量等原因難以快速進(jìn)場(chǎng)，如2008年唐家山堰塞湖應(yīng)急部門(mén)不得已臨時(shí)開(kāi)辟空中通道、租用米26直升機(jī)（最大載重20 t、主旋翼直徑32 m）吊運(yùn)重型挖掘機(jī)進(jìn)場(chǎng)施工作業(yè)。

武警消防部門(mén)常用橡皮艇（載重1 t，最多可乘載7人）臨時(shí)搭載科研設(shè)備及人員登頂堰塞體，實(shí)地調(diào)查堰塞湖第一手資料［88］。中國(guó)安能建設(shè)集團(tuán)有限公司研制動(dòng)力浮橋（容許通行荷載80 t）、HZQL26應(yīng)急機(jī)械化橋（容許通行荷載60 t、跨度26.6 m）和臨時(shí)硬質(zhì)路面機(jī)動(dòng)鋪設(shè)系統(tǒng)（容許通行荷載60 t），開(kāi)辟堰塞湖水上通道，有效解決軟質(zhì)地面常規(guī)重型機(jī)械設(shè)備難以快速進(jìn)場(chǎng)難題［89-91］。北京中瀚環(huán)球真空流體科技有限責(zé)任公司利用真空虹吸原理研發(fā)大管徑、大流量虹吸泄流裝備（最大流量5 m3/s），可有效解決大流量虹吸裝備脫流問(wèn)題。但其跨越寬度有限，僅有8 m，僅適用于中小型堰塞湖應(yīng)急排水，面對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)堰塞湖（庫(kù)容普遍達(dá)到億m3量級(jí)）作用甚微，只能緩和壅水速度［92］。中國(guó)葛洲壩集團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司研制了裝配式模塊化土方連續(xù)開(kāi)挖輸運(yùn)機(jī)械設(shè)備（模塊單元最大重12 t），如圖7所示，滿(mǎn)足常規(guī)直升飛機(jī)吊運(yùn)要求，取得堰塞體開(kāi)挖轉(zhuǎn)運(yùn)一體化突破，顯著提升了堰塞體疏通開(kāi)挖施工效率［2］。

上述堰塞湖應(yīng)急處置機(jī)械設(shè)備在部分堰塞湖應(yīng)急處置現(xiàn)場(chǎng)取得了良好應(yīng)用效果，但總體而言當(dāng)前堰塞湖應(yīng)急處置針對(duì)性機(jī)械裝備仍然偏少，機(jī)械設(shè)備投送能力仍然偏弱，以至于在窗口期短暫的應(yīng)急處置現(xiàn)場(chǎng)顯得力不從心，裝配式、輕量化工程機(jī)械設(shè)備（吊車(chē)、推土機(jī)、挖掘機(jī)、鑿碎機(jī)等）仍有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究。

4結(jié)論與展望

堰塞湖作為高山峽谷地區(qū)一種常見(jiàn)自然災(zāi)害，極易在短時(shí)間內(nèi)漫頂潰決，形成非常態(tài)潰決洪水，嚴(yán)重威脅沿岸人民群眾生命財(cái)產(chǎn)及重要設(shè)施安全。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外堰塞湖案例及唐家山和白格等大型高風(fēng)險(xiǎn)堰塞湖實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)總結(jié)堰塞湖成因、蓄水庫(kù)容、生命周期等基本特征，分析了堰塞湖危險(xiǎn)性定性、定量評(píng)估方法，闡釋了堰塞湖潰決機(jī)理、引流槽除險(xiǎn)和疏通開(kāi)挖機(jī)械設(shè)備現(xiàn)狀，可為后續(xù)堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)處置提供技術(shù)指導(dǎo)。受堰塞湖潰決復(fù)雜水沙耦合過(guò)程影響，盡管現(xiàn)階段學(xué)者取得了一系列的成果，潰決機(jī)理認(rèn)知水平有所提升，但堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)處置技術(shù)研究仍存在如下科學(xué)難題：

（1） 堰塞體堆積形態(tài)分區(qū)機(jī)制。堰塞體堆積形態(tài)及物質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)是堰塞湖潰決過(guò)程模擬和預(yù)報(bào)的先決基本參數(shù)，但堰塞湖應(yīng)急處置窗口期短暫、水域環(huán)境惡劣、堰塞體幾何規(guī)模龐大，常規(guī)物探設(shè)備難以快速獲取堰塞體物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成及分區(qū)。堰塞體砂石料堆積形態(tài)分區(qū)機(jī)制是滑源體失穩(wěn)-啟動(dòng)-運(yùn)動(dòng)-停歇-堆積過(guò)程的能量耗散和轉(zhuǎn)換機(jī)制，是堰塞體物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成和滑源體堆積過(guò)程的內(nèi)在聯(lián)系，現(xiàn)階段亟需建立快速判別堰塞體物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成的方法。

（2） 強(qiáng)非恒定流輸沙理論?，F(xiàn)有泥沙輸移理論普遍是在恒定均勻流條件下建立的砂石料沖刷搬運(yùn)規(guī)律。堰塞湖潰決水流及潰口形態(tài)均隨潰決發(fā)展過(guò)程呈強(qiáng)非恒定流、非均勻流特征，泥沙輸移理論普遍未考慮與潰決形態(tài)變形相關(guān)的砂石料起動(dòng)流速、推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)和懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。堰塞體松散堆積體無(wú)輸移搬運(yùn)歷史觀測(cè)資料，現(xiàn)階段的泥沙輸移理論外延應(yīng)用難免存在誤差。

（3） 大尺度堰塞湖潰決模型試驗(yàn)。當(dāng)前堰塞湖潰決數(shù)值模擬人為假定因素過(guò)多，難以真實(shí)反映潰口展寬及下切非線(xiàn)性變形過(guò)程，而堰塞湖潰決物理模型尺度有限，蓄水庫(kù)容及潰決水流流速不足，堰塞體幾何形態(tài)與砂石料顆粒級(jí)配相似性（幾何相似、重力相似等）難以兼容。因此極有必要開(kāi)展符合模型相似律的大尺度物理模型試驗(yàn)，分析研究潰決水流沖刷搬運(yùn)機(jī)制及潰口展寬下切變化過(guò)程。

（4） 堰塞湖應(yīng)急處置專(zhuān)用機(jī)械設(shè)備研制。堰塞湖事發(fā)突然、水域環(huán)境惡劣、交通險(xiǎn)阻，應(yīng)急處置窗口期短暫，常規(guī)堰塞體疏通開(kāi)挖等重型機(jī)械設(shè)備因尺寸或重量等原因難以快速進(jìn)場(chǎng)。因此極有必要開(kāi)展堰塞湖應(yīng)急處置保通進(jìn)場(chǎng)及疏通開(kāi)挖等裝配式、輕量化機(jī)械設(shè)備研制，便于以水陸空等方式快速進(jìn)場(chǎng)，及時(shí)疏通開(kāi)挖堰塞體，有效提升作業(yè)效率。

（5） 堰塞湖潰決洪峰動(dòng)態(tài)追蹤。堰塞湖潰決洪水瞬息萬(wàn)變，破壞能力強(qiáng)，常規(guī)水文站極易因水位變化跨度大、頻率快而難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潰決洪峰，甚至出現(xiàn)水文站淹沒(méi)損毀的情況。因此極有必要研發(fā)適應(yīng)能力強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間短的非接觸式潰決洪峰動(dòng)態(tài)追蹤技術(shù)，以便快速評(píng)估堰塞湖傳播影響范圍。

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（編輯：郭甜甜）