泥石流堵坝及溃决分析研究

赵 鑫，向晓华

(四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231)

泥石流堵坝及溃决分析研究

赵 鑫，向晓华

(四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231)

在我国全面建设小康社会过程中，山区泥石流危害日益引起人们的重视，如何兴利除害，有效地防治泥石流的发生已成为普遍关注的问题。本文通过国内外专家学者对泥石流和溃坝研究的阐述，结合新疆克孜河泥石流具体实例，对泥石流的堵坝条件及泥石流坝体溃决过程进行探讨与分析，对灾害的发生可以更进一步地做好预测与预报工作。

泥石流 堵坝 溃决 模拟分析

1 研究目的和意义

泥石流是一种典型的固液两相流，是各种自然因素和人为因素综合作用的结果，也是一种常见的山地灾害。我国是一个多山地、地势高差大、地壳结构不稳定、季风降水变化率大并多冰雪融水的国家，泥石流有比较广泛的分布，暴发也比较频繁，尤其是西北和西南地区，每年造成的经济损失和人员伤亡均很大。泥石流一旦成灾，将加剧水土流失及荒漠化进程，将对山区及河谷地貌造成不同程度的破坏，而且泥石流冲积扇还将耕地演变成荒漠及沙石滩地，对区域生态环境造成极大的不良影响。由于泥石流含有大量的泥沙石块，具有发生突然、历时短暂、来势凶猛、破坏力极强的特点，使人们防不胜防，特别是在当前我国全面建设小康社会过程中，伴随着城市化进程和经济建设向山区的延伸发展，做到人与自然和谐相处，因而山区泥石流的危害日益引起人们的重视，如何兴利除害，有效防治泥石流灾害已成为普遍关注的问题〔1〕。泥石流汇入主河，不仅可能形成堆积堵塞河道，而且使江河含沙量增高，并使汇流区及其下游河道发生剧烈变化，产生不利影响。泥石流汇入主河道，还可能形成天然坝或堰塞湖，将会对堵塞处上游造成淹没灾害；泥石流堵坝所形成库盘蓄水后，还将对下游的建筑设施及生命财产构成“定时炸弹”般的威胁，一旦泥石流天然坝发生溃决，将会产生很大的溃坝型洪水灾害，对下游造成不可估量的损失。

2 国内外研究现状

泥石流活动几乎遍及全球所有山区，人类同泥石流灾害的斗争由来已久，但是真正对泥石流运动进行研究，则是近半个世纪的事。欧美国家泥石流系统研究始于19世纪中叶，亚洲国家泥石流研究起步于20世纪中叶，以日本泥石流研究进展最快，技术先进，成效显著。此外，在有泥石流发生的其他国家，如德国、英国、南斯拉夫、罗马尼亚、加拿大、挪威、澳大利亚和新西兰、印度尼西亚等地也先后开展了泥石流的系统研究〔2〕。以泥石流形成背景为主线的预测预报研究，是在区域和单沟两个层面上开展的研究。区域尺度上的研究主要体现在泥石流危险性区划研究中，根据泥石流形成背景条件(地质、地貌、植被等)和已知的泥石流沟分布和活动状况，进行泥石流危险度区划。前苏联早在1975年就出版了全国范围内的泥石流危险区划图，在危险区划分中，把全苏联泥石流分布划分为3个带、12个地区、28个省。日本政府早在20世纪70年代就进行了全国范围的泥石流危险性区划，确定出62272条泥石流沟，102万户居民居住在泥石流危险区范围内。降水是目前导致泥石流暴发的最直接的触发因素，以降雨条件为主线的泥石流预测预报研究，主要通过对雨量资料的统计分析，确定泥石流临界雨量和触发雨量。目前众多的研究均集中在此类研究中，如西班牙J.Corominas等通过分析东比利牛斯山Llobregat河附近的降雨资料和泥石流发生的关系，得出：(1)在无前期降雨条件下，短历时高强度降雨触发泥石流的条件是24h降雨190mm左右，或者48h降雨超过300mm；(2)在有前期降雨的条件下，中等强度的降雨24h达到40mm即可发生泥石流。P.Aleotti以意大利西北部P.Region为例，通过研究降水事件与泥石流发生之间的统计关系，确定了该区导致泥石流发生的降水阈值。T.Glade、M.Crozier和P.Smith等人，利用Crozier和Eyles提出的“前期日降雨经验模型”(AntecedentDailyRainfallMode1)，研究了新西兰北岛地区的典型灾害区，证实模型的结果能够代表区域特定降雨条件下泥石流灾害事件的发生概率〔3〕。概括起来，国外泥石流研究成果有以下几个方面：(1)进行了泥石流的调查和编目统计，日本、奥地利等许多国家公布了该国泥石流沟的数字；(2)应用电子计算机技术进行泥石流观测和实验工作，提出了观测精度和研究水平；(3)深入研究粘性泥石流的形成机理，运动过程，流体结构和力学性质。

在溃坝方面，根据文献资料统计〔4〕，目前世界上约1/3的大坝失事是由洪水漫顶造成的。洪水漫顶失事在土石坝中尤为突出，占土石坝溃坝总数的39%。随着科学技术的进步、社会经济的发展以及人民生活水平的提高，对溃坝的研究以及安全管理对策也在不断地发生变化。在坝体溃决方面，美国和奥地利在20世纪五六十年代进行了大量的室内试验；美国甚至还在现场做过1∶2的大模型试验。根据两国的试验结果进行分析，两国的溃决时间尺度关系基本一致；另外，对于同样的护坡块石，坡度减缓时，冲开坝坡的临界水头也显著增加。当下游坝面坡度由1∶1.5减小到1∶2时，试验表明临界水头增加15%。欧洲在最近几年投入巨资专门对溃坝洪水进行了全面的比较研究，1998年由欧盟支持启动的CADAM项目历时2年，和随后启动的IMPACT项目都对土石坝的溃坝机理进行了大量的模型试验研究，取得了丰硕的成果。20世纪国外许多专家学者也就溃坝问题提出许多自己的观点与结论，在解决问题方面也提出许多自己的独特见解。1892年，德国里特尔推出矩形河槽断面瞬时全溃坝址洪峰流量，首次提出溃坝流量计算公式〔5〕；1938年，赫里斯佳诺维奇将河槽概化为抛物线型，在下游有水情况下推出计算公式；1957年，斯托克借鉴了里特尔和赫里斯佳诺维奇的理论，将坝址流态分为急流、临界流和缓流三种情况，推导出矩形河槽、下游有一定水深的静止水体等情况下，瞬时全溃的溃坝水流流态的洪峰流量计算公式。

我国对泥石流的研究起步较晚，20世纪60年代，是我国泥石流研究工作发展阶段，铁道科学院成立西南研究所，一开始就将泥石流的研究和防治列为重要任务，并在峨眉山兴建我国最早的泥石流实验室。与此同时，中国科学院在西南、西北的有关研究所都将泥石流列为重要研究课题，后来又集中到成都山地灾害与环境研究所。该所在东川矿务局泥石流观测站的基础上，建成蒋家沟泥石流观测研究站〔6〕。泥石流预测预报作为一项重要减灾手段，受到了国内外学者的广泛关注，是减灾研究的热点和关键问题。新疆农业大学卢刚对新疆泥石流的危害作了相应的评价；西南交通大学陈春光博士作了关于“泥石流与主河水流交汇模型及耦合计算方法”的研究，陈晓清博士作了泥石流防治信息系统的研究；中国水利水电科学研究院陈德明对泥石流与主河水流交汇模型及耦合计算方法进行了研究；中科院水利部成都山地灾害与环境研究所张金山等，就岷江上游泥石流堵河影响因素进行了研究；吴积善，程尊兰，耿学勇对西藏泥石流堵坝溃决进行了研究；四川大学郭志学等就泥石流堵江及入汇主河等问题作了相应的研究。在溃坝方面，我国现有大、中、小型水库约8.6万座，总库容4100亿m3，灌溉面积约4700万hm2(7亿亩)，防洪保护面积3200万hm2(4.8亿亩)。据不完全统计，自1954年以来，溃坝总数约2900余座(失事率约3.4%)，50年代170余座，60年代710余座，70年代1900余座。就这方面问题，不少专家学者都做了相应的研究。1982年，谢任之教授从圣维南方程和不连续波方程出发，全面研究了溃坝瞬间的连续波、临界波和不连续波流态，提出了瞬间全溃的坝址最大流量的统一公式；重庆科研设计院柴贺军等就天然土石坝的溃坝方式作了相应的分析；朱勇辉、廖鸿志、吴中如等对土坝溃决模型及其发展进行了研究；成都理工学院工程地质研究所符文熹等也对堵江滑坡作坝进行分析；新疆农业大学雷晓云等对新疆溃坝洪水进行了数值模拟计算。几十年来在各方面的共同的努力下，对泥石流与溃坝洪水的研究及防治都取得了显著成效，并有不少专著问世。中科院山地所崔鹏研究员等，就风景区泥石流的防治作了大量研究工作；唐川等人就云南泥石流作了灾害风险分析评价，并建立滑坡泥石流灾害信息系统；汝乃华、牛运光编著《大坝事故与安全》；谢任之编著了《溃坝水力学》。

从文献检索的情况来看，国内外对泥石流的研究主要是集中在山地灾害的研究方面，对溃坝的研究主要集中在对土石坝等人工建造坝体溃决的理论分析方面，专门针对泥石流等堵坝或天然坝体溃决的机理、过程以及其危害性评价方面的研究则较少。

3 实例分析

通过以上国内外对泥石流和溃坝研究的阐述，结合新疆克孜河泥石流〔7〕具体实例，对泥石流的堵坝条件及泥石流坝体溃决过程进行探讨与分析，获得了一些有实际意义的成果。这些成果对泥石流等堵塞河道及泥石流形成的天然坝体溃决的研究，都具有一定的参考价值，并对灾害的发生可以更进一步地做好预测与预报工作。克孜河流域是一个泥石流多发地区，上游局部山区暴雨产生的泥石流常常涌入克孜河，不仅造成河水泥沙量剧增，而且在一定条件下堵塞河道形成天然坝。据该河1955年以来的水文记载〔8〕和有关调查资料，1966年、1998年、1999年均因位于克孜河上游右岸的恰尔阿依格尔沟暴发泥石流将克孜河河道堵塞，形成泥石流天然坝并溃决而发生溃坝型特大洪水，导致下游水利工程设施被冲毁或失效，造成巨大的经济损失。目前，克孜河上游泥石流堵坝的隐患尚未消除，而下游正拟建若干水利枢纽工程，一旦再次形成堵坝并溃决，仍将对下游水利工程和人民生命财产安全构成严重威胁。因此，对克孜河上游泥石流堵坝的机理和溃决过程进行研究和模拟，预测溃坝洪水过程、溃坝洪峰流量以及下游洪水演进情况，对克孜河下游的泥石流灾害事故早期预警、防灾减灾和保护人民生命财产安全具有重要现实意义。其研究获得的主要结论如下：

3.1 现场调研及基本资料

(1)现场调查表明完全具备了产生泥石流的地质、地貌条件，一旦该区域出现局部强降雨天气，将会诱发该沟爆发泥石流；

(2)对泥石流堵坝点上游库盘地形进行测绘所获得的库容曲线，为克孜河泥石流堵坝溃决洪水过程的数值模拟分析以及今后对该河可能出现的溃坝洪水预测提供了重要依据；

(3)通过对恰尔阿依格尔沟出口泥石流堆积范围的地形变化监测，得知该泥石流沟出口地形所形成的泥石流运动方向，是导致克孜河能否形成堵坝的一个重要条件；

(4)通过现场取样、试验与分析所得到的泥石流堆积体主要物理性质参数，为克孜河泥石流堵坝条件分析和坝体溃决分析提供了基本参数。

3.2 堵坝探讨

采用配方法估算泥石流规模大小，对不同雨强条件下的泥石流产流量规模进行分析。计算结果表明，恰尔阿依格尔沟产生的泥石流规模随雨强的增大而增加，若产生的泥石流完全涌入主河槽，则发生堵坝的可能性很大，一旦条件完全满足，就将会形成堵坝。

3.3 溃坝计算分析

通过对1966年与1999年两次泥石流坝体溃决模拟分析，可以得出以下结论：采用瞬时溃决模型模拟计算，结果与克孜河实测溃坝洪峰流量偏差较大，而采用逐步溃决模型模拟计算，结果则比较接近实测值。因此，采用冲刷率确定溃口扩展的逐步溃决模型，预测和分析克孜河溃坝洪水是合理可行的。

3.4 洪水预测与防治措施

在防治泥石流灾害措施，采取防与治相结合。对河道水流大小及泥石流产流区域降水情况进行监测，以防为主；而对于泥石流沟及泥石流与主河交汇处，以治为主，最直接有效的措施就是采用导流槽，在泥石流沟出口处改变泥石流的走向，减小泥石流与主河的交汇角来达到减小或避免灾害损失的目的。

〔1〕中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所著.中国泥石流[M].北京：商务印书馆，2000：111～221.

〔2〕崔 鹏，高克昌，韦方强.泥石流预测预报研究进展[J].中国科学院院刊，2005，(5).

〔3〕李德基.泥石流减灾理论与实践[M].北京：科学出版社，1997，(7)：16～57.

〔4〕王立辉，胡四一.溃坝问题研究综述[J].水利水电科技进展，2007，(1).

〔5〕LiYong，SuPengcheng，CuiPeng.AprobabilisticViewofDebrisFlow[J].JournalofMountainScience.2008，(5).

〔6〕韦方强，胡凯衡，崔 鹏等.蒋家沟泥石流堵江成因与特征[J].水土保持学报，2002，(12).

〔7〕赵 鑫.新疆克孜河泥石流堵坝及溃决分析[D].新疆：新疆农业大学出版社，2009.

〔8〕何 慧.从1999年叶尔羌河和克孜河洪水看新疆河流水情变化趋势[J].新疆水文水资源局，2005.

赵 鑫(1980-)，男，讲师，主研工程施工及管理。

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