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(jié)構(gòu)較為松散，物質(zhì)組成復(fù)雜，其后續(xù)發(fā)展難以把握，需快速進(jìn)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(jī)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(zhì)組成和幾何形態(tài)為主要判斷指標(biāo)，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(yīng)用于大量的典型案例判定。結(jié)果表明，判定結(jié)果與實際情況吻合較好。研究成果可為堰塞湖應(yīng)急處置提供一定參考。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(jì)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(zhì)組成復(fù)雜多變，結(jié)構(gòu)較為松散，級配寬，存活期短。石振明等[1]通過對國內(nèi)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(fēng)險評估，以便對堰塞湖采取科學(xué)有效的處置措施。

1堰塞體危險性評價技術(shù)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(jìn)開展了分析，并基于分析結(jié)果，提出了考慮流域面積和堰塞體體積的堆積指標(biāo)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(jìn)了堆積指標(biāo)法，在原有基礎(chǔ)上增加了堰塞體高度參數(shù)，并提出了無量綱堆積體指標(biāo)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(chǔ)上，提出當(dāng)DBI<2.75時，認(rèn)為堰塞體是穩(wěn)定的;當(dāng)2.753.08時，表示堰塞體不穩(wěn)定。在84個案例中，36個案例位于阿爾卑斯山區(qū)、17個案例在日本、20個案例在北美，其他國家有11個案例。DBI判別法考慮因素也較簡單，適用性有一定的局限。新西蘭學(xué)者研究后，認(rèn)為DBI分級標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用于新西蘭的堰塞湖時準(zhǔn)確性不高[3]。

2009年，中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL450-2009《堰塞湖風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》[4]提出了考慮堰塞湖規(guī)模、堰塞體物質(zhì)組成、堰塞體高度的堰塞體危險性3個指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，以3個指標(biāo)中的最高危險等級作為堰塞體的危險性級別，當(dāng)分類指標(biāo)的等級相差2級或以上、且最高等級指標(biāo)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(fēng)險災(zāi)害影響因素，方法簡便，但堰塞體物質(zhì)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(fēng)險的影響。劉寧等提出了相似的3個指標(biāo)評價方法，只是堰塞體高度分級標(biāo)準(zhǔn)不同，而且要求3個指標(biāo)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(biāo)中增加了庫容，取消了匯水面積。從3個指標(biāo)的影響機(jī)制角度看，水利行標(biāo)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(zhì)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(guān)關(guān)系方程，但對堰塞體潰決風(fēng)險的機(jī)理機(jī)制方面考慮稍少。

2堰塞體危險性快速評價指標(biāo)與分級

堰塞體發(fā)生沖刷潰決的外在驅(qū)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(fēng)險的內(nèi)在因素是堰塞體的物質(zhì)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(zhì)組成、幾何形態(tài)作為堰塞體危險性等級劃分的主要指標(biāo)。

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(dá)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(guān)鍵性作用?；?7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(guān)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(jié)合目前中國SL 252-2017《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[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(jìn)程，另一方面又會起著補(bǔ)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(jìn)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(dān)灣、窯子溝、關(guān)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(zhì)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(nèi)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(guān)系，統(tǒng)計結(jié)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%。總體上，來水量小于10，10～50，50～150，大于150 m3/s時，對應(yīng)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(biāo)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(zhì)顆粒風(fēng)險分級

堰塞體物質(zhì)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(qiáng)，沖刷下切進(jìn)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(zhì)滑坡形成的堰塞體，其物質(zhì)顆粒主要為細(xì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)組成為礫質(zhì)土，堰塞體形成后受強(qiáng)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(fēng)化巖石為主的非順層巖質(zhì)滑坡或含塊石的卵礫石（中值粒徑達(dá)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(dá)10.75 h和31.10 h?；鶐r順層滑坡和巖質(zhì)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(dá)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(qiáng)，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(jìn)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(yuǎn)小于側(cè)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(dá)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(cè)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(cè)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(jìn)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(dá)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(jìn)，側(cè)蝕與底蝕交替發(fā)展，口門快速打開，快速達(dá)到潰決高峰。

中國科學(xué)院成都山地災(zāi)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(qiáng)，潰口發(fā)展速度越慢，潰決洪峰流量就越小，達(dá)到洪峰流量的時間也相對滯后。

考慮到堰塞湖應(yīng)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(yīng)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(yīng)物質(zhì)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(yīng)急搶險人員根據(jù)已有工作經(jīng)驗快速進(jìn)行堰塞體物質(zhì)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(jìn)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(qiáng)，潰口洪峰越大，下泄洪量增加，給下游帶來的洪水風(fēng)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(shè)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(yīng)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(nèi)外54例堰塞體長高比（L/H）與堰塞湖存活時間關(guān)系如圖3所示。

統(tǒng)計關(guān)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(biāo)的組合條件進(jìn)行分級，如表1所列。

3新的堰塞體快速評價方法與案例應(yīng)用

首先根據(jù)堰塞湖庫容、上游來水量、堰塞體物質(zhì)組成和堰塞體形態(tài)，對堰塞體的危險性單指標(biāo)進(jìn)行判別，如表2所列。

再采用加權(quán)平均法，對堰塞體危險性進(jìn)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(biāo)對應(yīng)的權(quán)重值，可根據(jù)4個指標(biāo)的重要性進(jìn)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(biāo)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(dāng)A≥3.00時判定為極高危險，當(dāng)2.25≤A<3.00時判定為高危險，當(dāng)1.50≤A<2.25時判定為中等危險，當(dāng)A<1.50時為判定為低危險。

在公式（1）計算判定的基礎(chǔ)上，增加附加判據(jù)：① 當(dāng)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(jìn)行調(diào)整，當(dāng)下游坡面滲流揭示有滲透破壞，即有細(xì)顆粒持續(xù)帶出，或上游滑坡涌浪到達(dá)堰塞體時的高度大于2 m，或預(yù)測存在較大強(qiáng)度余震且對堰塞體整體穩(wěn)定構(gòu)成嚴(yán)重影響時，可在表2基礎(chǔ)上調(diào)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(diào)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(fēng)險等級快速評價方法，對典型堰塞體進(jìn)行危險性劃分，如表3所列。

由表3可以看出：當(dāng)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(fēng)險，與實際吻合性很好;當(dāng)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(jié)果與實際情況較為吻合。

5結(jié) 論

（1） 堰塞體危險性包含堰塞體會不會潰決、潰決時的進(jìn)程、潰決的洪峰流量3個方面內(nèi)容，因此選定堰塞湖庫容、上游來水量、堰塞體物質(zhì)組成和幾何形態(tài)等4個指標(biāo)作為堰塞體危險性快速評價主要指標(biāo)，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(biāo)作為修正指標(biāo)。

（2） 四指標(biāo)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(dāng)庫容較小時，堰塞湖潰決的洪水小;當(dāng)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(quán)重進(jìn)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(jìn)行調(diào)整判定后，判定結(jié)果與實際情況吻合性好。

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（編輯：趙秋云）