地震堰塞湖人工排泄断面优化初探＊

赵万玉,陈晓清,高 全

(1.中国科学院·水利部成都山地灾害与环境研究所,四川成都 610041;2.中国科学院研究生院,北京 100049;3.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室,四川成都 610041)

0 引言

堰塞湖作为山区一种常见的自然灾害,对人民生命财产安全造成严重危害。如1917年云南大关地震,因石块堵江,河水暴溢,倒流数千米,后因垮坝造成高浪洪峰,山谷震摇,顺河流下房屋器具无数,洪涛骇浪中难民尸身漂没者不知凡几。1933年四川叠溪地震,形成的堰塞湖在震后溃决,洪峰一直冲到下游260 km远的地方,将四川灌县以上村镇淹没大半,总死亡达2 500多人,当时记载:“倾湖溃击,奔腾而下,吼声震天地,距水头十数里外,皆可闻见,水速如箭矢,凡沿江崖陡峭之地或江面窄之地及震后倒坍过甚山脚不安之地,受此洪水猛压,也即时倒坍,乱石飞崩,尘雾障天,如大地震再次来临景象”[1]。

2008年5月12 日14:28,汶川8.0级地震诱发了大量的滑坡、崩塌、泥石流等次生山地灾害[6]。崩塌滑坡堵塞主河形成了大量的堰塞湖[7],特别是大型堰塞湖严重威胁着下游人民的生命财产安全,具有明显危害的达34处[8]。其中,危害最严重的是北川县上游的唐家山堰塞湖。经过各方面不懈的努力,唐家山堰塞湖于2008年6月10日成功解除风险。在回顾和总结唐家山堰塞湖应急处置的经验时,认为有值得改进的地方。本文

堰塞湖是一种自然界经常发生的地貌现象,主要是在一定的地质与地貌条件下,由冰碛物、滑坡体、泥石流堆积体、火山喷发物及溢流物等形成横向堤坝堵塞河道,造成河流上游壅水形成湖泊。根据成因的不同,可分为冰川堰塞湖、滑坡(崩塌)堰塞湖、泥石流堰塞湖、火山堰塞湖等。由于地震灾害的特殊性,这里把地震引发河道两侧山体崩塌、滑坡、泥石流,进入河道形成堤坝阻塞河道成湖的现象称为地震堰塞湖[1]。

地震堰塞湖是地震诱发的常见的次生灾害类型之一[2],在世界各国时有发生,目前世界上存在规模最大的堰塞湖是位于塔吉克斯坦东部的帕米尔高原穆尔加布河上的萨雷兹堰塞湖。1911年2月18日,地震引起穆尔加布河河谷右岸山体发生滑坡形成萨雷兹堰塞湖,蓄水量约为155亿～165亿m3,水位以0.2 m/a的速度上升[3-4]。自然灾害专家比尔·麦圭尔于2007年9月在英国《焦点》月刊发表文章,把萨雷兹堰塞湖列为全球十大潜伏自然灾害之一[5]。进行了初步的思考和探讨,期望今后能够为堰塞湖的应急排险提供一定的借鉴作用。

1 汶川地震唐家山堰塞湖泄流的启示

唐家山堰塞坝位于北川县城上游6 km的通口河上,下距苦竹坝约1 km,集水面积3 550 km2,堰塞湖总容积约3.16亿m3(相当于大Ⅱ型水库)。坝址区通口河为不对称的V型河谷,右岸较陡,坡度60°左右;左岸坡较缓,坡度约为30°。

唐家山堰塞坝的坝体顺河流方向长803.4 m,垂直河流方向宽611.8 m,水平投影面积30.7万m2,坝体堆积体方量2 037万m3。堰塞坝最高点高程793.9 m,堰塞坝底高程669.5 m,基岩弱风化顶板高程638.0 m;最大坝高124.4 m,垭口处坝高82.6 m。坡体右侧、中部和左侧分布3条沟槽,右侧沟槽最高点高程752.2 m,宽20～40 m,贯通上下游。中部和左侧沟槽分布于下游坝坡,长约400 m,宽10～20 m。上游坝坡较缓,坡度约为20°。下游坝坡上部和下部为陡坡,中部为缓坡,上部陡坡坡高约50 m,坡比约1∶0.7;中部缓坡坡比约1∶2.5;下部陡坡高约20 m,坡比1∶0.5。

为了尽快地降低和解决堰塞湖的危险性,对唐家山堰塞湖进行开挖泄流槽导流的措施进行排险。经过应急抢险,开挖出一条横断面呈梯形形状的泄流槽,图1所示为施工中的唐家山堰塞湖泄流槽。泄流槽全长475 m,进口引渠段槽底高程738.5 m,槽底宽度35 m,综合边坡1∶2;中间泄槽段槽底高程为739.0～740.0 m,槽底宽度7～12 m,综合边坡1∶1.5;出口泄槽段槽底高程为739.0 m,槽底宽10 m,边坡为1∶1.35。按照“安全、科学、快速”的原则,施工人员从2008年5月26日开始施工,至6月10日泄流槽成功泄流,历时半个月,成功地排除了险情,成为成功解决堰塞湖的典型实例。经过水流的冲刷,泄流槽形成长约800 m,开口宽度145～235 m,底宽80～100 m,进口底板高程710.0 m以下、出口底板高程700.0 m以下的新河道,图2所示为唐家山堰塞湖泄流之后的新河道,具备下泄湔江200年一遇的洪水能力[9]。

图1 施工中的唐家山堰塞湖泄流槽

图2 唐家山堰塞湖泄流之后的新河道

在回顾唐家山堰塞湖应急处置的过程和总结应急处置的经验时,认为还有值得思考之处。若利用堰塞体右侧的天然垭口位置来开挖断面形状和纵比降不同的泄流槽,则泄流过程以及冲刷过程可能不同。从水力学的角度分析,综合考虑施工时间和施工机械设备等因素,选定最佳的水力断面是至关重要的,在过水面积一定时通过的流量最大,符合这种条件的断面,其工程量最小。水力最佳断面在渠道的设计中应用较为广泛,游勇等将水力最佳断面引入泥石流排导槽的设计中,根据所导出三角形和复式三角形排导槽的最佳水力断面,对梯形、矩形、三角形排导槽优化断面进行了比较,研究结果具有很好的适用性[10-11]。因此,在开挖堰塞湖泄流槽时,尝试将水力最佳断面引入解决地震堰塞湖泄流槽的设计中,改善过流条件,加快泄流初期的排泄速度,以最快的速度降低水位、降低风险。

2 堰塞湖人工排泄断面优化讨论

堰塞湖作为地震诱发的次生山地灾害,危害是非常严重的。为防止或减轻堰塞湖导致的灾害,首要任务是抑制堰塞湖水位上涨或降低水位,减小其危险性,使产生的灾害减至最低。在较短的时间内,要最大可能地降低和排除堰塞湖内拦蓄的大量河水,保证堰塞湖的稳定与安全。除了利用遥感测量、勘探、观测等多种手段加强堰塞湖监测预报、建立预测系统、监视系统及警报系统等手段外,更多的是对堰塞湖采取工程措施进行排险。其中,最常用的方法就是开挖临时泄流明渠泄水。

开挖不同体型的泄流槽对应急排险能否起到显著的效果?这是一个值得探讨的问题。目前有关地震堰塞湖应急排险泄流槽的优化设计,国内外的相关研究还比较少。本文仅从泄流槽的纵、横断面的优化来进行简单探讨。

2.1 纵断面优化探讨

由水力学明渠均匀流的公式可知,明渠的输水能力也取决于过水断面的纵坡[12]。因此,认为对堰塞湖泄流槽纵断面的优化也可以达到显著的效果。在唐家山堰塞湖的应急排险中,泄流槽的开挖分为缓槽和陡槽两部分,如图3a所示;图3b所示为先陡槽后缓槽,但开挖工程量较大,不利于应急排险,而且泄流后期很难控制下泄流量。在前两者的基础上,尝试开挖泄流槽的形式为复式折线型,如图3c所示。为便于施工,坡度不宜过大。并利用水流冲刷特性,加快下切侵蚀过程,加大泄流流量。所以说,泄流槽的开挖应结合堰塞体组成物质、稳定性情况、施工设备、开挖工程量大小等因素,尽可能迅速地采取措施、降低风险。

图3 泄流槽纵断面示意图

2.2 横断面优化探讨

堰塞湖泄流槽的水力最佳断面是指在纵坡i,粗糙系数n及断面面积A一定时,所通过断面的流量Q最大,或者说在纵坡i,粗糙系数n及流量Q一定时,所需的断面面积A最小。因此,考虑在开挖堰塞湖泄流明渠时,采取横断面为梯形(图4)、三角形(图5),以及梯形-三角形复式断面(图6)3种形式(假定为概化的断面),m、b、h都是过流形态断面的重要特征参数,其中m为边坡系数,b为槽底宽,h为水深。

在诸多堰塞湖的应急处置中,都采取了横断面呈梯形的泄流槽进行泄流。由传统水力学[12-13]可知,根据水力最佳断面的条件,得出梯形断面的水力最佳断面的b/h值仅与边坡系数m有关。所以说,边坡系数m也是影响堰塞湖泄流流量的重要参数之一,一般情况下,两侧边坡为1∶1.5。周宏伟等根据堰塞体宽度、组成物质及其抗冲稳定性等因素,分别探讨了梯形断面宽坦型和窄陡型两种情况的适用性,进而优化泄流槽体型设计[14]。

图4 梯形断面

图5 三角形断面

图6 复式断面

根据同样的计算方法可知,三角形断面的水力最佳断面的b/h值为一个固定常数,即b/h=2。在不具备陆路交通条件,并且堰塞湖阻塞河道,切断河流,堰塞体上游形成的湖泊淤积物和孤石较多,水下状况不清楚,不具备水路运输的条件下,通过空中条件运输机械设备,只能选用自重较小的推土机、挖掘机、装载机等小型设备。仅从施工机械设备上来说,开挖断面形状为三角形的泄流槽施工方便、快速,可以为堰塞湖的排险赢得宝贵的时间。

在堰塞湖的应急排险中,最主要的控制因素是施工时间和施工设备。施工时间越短,对下游的威胁就越小;大型施工设备的投入,可以极大地缩短施工时间,降低施工难度。综合考虑施工时间和施工设备等因素,将梯形断面开挖成复式断面(图6),即在梯形断面的下方开挖体积方量不大的三角形断面或者梯形断面。

复式断面的水力最佳断面b/h值的确定较为复杂,其中确定参数较多。显然,这种计算方法在堰塞湖应急排险中是不实用的,但并不说明复式断面在应急排险中不可用。复式断面较梯形断面增大了过流断面面积,根据明渠均匀流的基本公式可知,断面面积增大,流量也随之增大,并且开挖量不会明显增加。

总的来说,在开挖堰塞湖泄流槽时,应重点结合堰塞体组成物质、抗冲稳定性、对内交通条件、施工设备运营、工程量大小等情况,选取合适的泄流槽体型。

上述仅从泄流槽纵、横断面的优化改进来探讨,同时,也还应充分利用泄流过程中水流的水力溯源冲刷特性[15-16]。在泄流过程中,水流进入泄流渠之后,随着流速的增加,水流的冲刷作用力越强烈,水流不仅会发生下切侵蚀,使泄流槽深度加深,而且还会发生溯源侵蚀,在冲刷过程中槽底形成陡坎,不断向上游退却[17]。侧蚀主要发生在泄流槽两侧,水流不断冲刷沟脚使沟岸悬空,坡体由于重力作用而垮塌,不断地扩宽泄流槽,加大泄流槽过流断面面积[18]。泄流槽过流断面面积增大之后,流速增加,水流冲刷就愈加强烈。在泄流过程中,下切侵蚀与侧蚀是同时进行,在达到一定的侵蚀基准之后趋于稳定。利用这一特性,可以减小开挖量,缩短施工工期,加大泄流流量,降低堰塞湖的危险性。

在充分考虑了泄流槽体型以及水力冲刷特性之外,还应注意:

(1)在开挖堰塞湖泄流槽时,要合理选取纵、横断面来加大初期的泄流流量排除险情的同时也要控制流量,避免因泄流对下游城镇、村庄、道路和水利水电基础设施等产生洪水灾害。因此,要将洪水标准控制不超过一般城镇防洪校核标准(即50年一遇标准)。

(2)关于选取合理的纵、横断面组合,应该根据堰塞体组成物质、交通条件、施工设备等实际现场情况而定,同时可以根据实验进行确定,作者正在进行这方面的研究。

3 结语

我国是一个多山地的国家,山地灾害较为频繁,尤其在汶川地震之后,山地灾害表现得更加突出。汶川地震诱发了以唐家山堰塞湖为典型的大量堰塞湖,通过采取人工开挖泄流槽的方式进行应急排险,在回顾和总结的基础上,得出启示:综合考虑施工时间和施工机械作为主控因素,对泄流槽纵、横断面的优化将有助于应急排险。在对堰塞湖进行人工开挖泄流槽时,将水力最佳断面引入泄流槽的设计中,分别探讨了梯形、三角形,以及梯形-三角形复式断面时的适用性,利用水流下切侵蚀和侧蚀等特性,加快泄流过程,降低风险。

地震使山体表层土体松动、岩体破碎,并产生大量的不稳定斜坡,为泥石流、滑坡的产生提供了条件。在降雨的激发下,会暴发更多的泥石流、滑坡灾害。因此,汶川地震灾区在未来5～10年内仍会有大规模滑坡、泥石流堵江的可能。所以,应注意防范堰塞湖的发生,提高处理堰塞湖的应急能力,最大限度地保护人民生命财产安全。

[1] 聂高众,高建国,邓砚.地震诱发的堰塞湖初步研究[J].第四纪研究,2004,24(3):293-301.

[2] 陈晓清,崔鹏,程尊兰,等.5.12汶川地震堰塞湖危险性应急评估[J].地学前缘,2008,15(4):244-249.

[3] 杨立信.萨雷兹堰塞湖治理利用研究方案[J].水利水电快报,2008,29(7):1-5.

[4] 杨立信.塔吉克斯坦萨雷兹堰塞湖治理研究[J].水利水电快报,2008,29(6):1-4.

[5] 英国《焦点》月刊:全球十大自然灾害[EB/OL].[2007-09-03].http://news.xinhuanet.com/world/2007-09/03/content_6653881.htm.

[6] Cui Peng,Chen Xiaoqing,Zhu Yingyan,et al.The Wenchuan Earthquake(May 12,2008),Sichuan Province,China,and resulting geohazards[J].Nat Hazards,2009,DO I 10.1007/s11069-009-9392-1.

[7] Cui Peng,Zhu Yingyan,Han Yongshun,et al.The 12MayWenchuan earthquake-induced landslide lakes:distribution and preliminary risk evaluation[J].Landslides,2009,6:209-223.

[8] 程尊兰,崔鹏,李泳,等.滑坡、泥石流堰塞湖灾害主要的成灾特点与减灾对策[J].山地学报,2008,26(6):733-738.

[9] 范杰,胡维忠.唐家山堰塞湖泄流后新河道行洪能力计算分析[J].人民长江,2008,39(22):83-85.

[10] 游勇.泥石流排导槽水力最佳断面[J].山地学报,1999,17(3):255-258.

[11] 游勇,柳金峰,欧国强.泥石流常用排导槽水力条件的比较[J].岩石力学与工程学报,2006,25(1):2820-2825.

[12] 吴持恭.水力学[M].3版.北京:高等教育出版社,2003:200-225.

[13] 李炜.水力计算手册[M].2版.北京:中国水利水电出版社,2006:41-70.

[14] 周宏伟,杨兴国,李洪涛,等.地震堰塞湖排险技术与治理保护[J].四川大学学报:工程科学版,2009,41(3):96-101.

[15] 陈五一,郑家祥,谭建,等.唐家山堰塞湖应急排险设计及综合整治的设想[J].水力发电,2008,34(11):10-14.

[16] 刘宁,杨启贵.唐家山堰塞湖应急除险技术实践[J].中国工程科学,2009,11(6):74-81.

[17] 罗小杰,马贵生,杨乾伟,等.唐家山堰塞坝泄流过程中的地质作用[J].人民长江,2008,39(22):52-53.

[18] 曹波,蒋乃明,熊进.唐家山堰塞湖应急处置施工技术和施工组织[J].人民长江.2008,39(22):4-6.