崩塌型堰塞坝形成条件与过程研究

(1.中国人民武装警察部队 水电第一总队，广西 南宁 530028；2.中交隧道工程局有限公司，北京 10010)

1 研究背景

堰塞坝是在自然作用下、由岩土体快速堆积所致，未经人力作用而自然形成的起拦蓄水作用的天然挡水构筑物，属于土石坝的一种[1]。依据成因的不同，将堰塞坝划分为滑坡型堰塞坝、崩塌型堰塞坝和泥石流型堰塞坝[1]，根据范天印等人的研究成果[2]，滑坡型堰塞坝发育最多，崩塌型堰塞坝次之，泥石流型堰塞坝形成最少，其中崩塌型堰塞坝约占堰塞坝总量的17.1%。

随着近年来地壳运动加剧，作为主要的地震次生灾害，堰塞坝发育越来越频繁，造成的影响也越来越大，若不及时采取有效措施进行处置，极有可能引起巨大灾害，国内外都有堰塞坝破坏而造成大量人员伤亡与财产损失的事例[3-4]。堰塞坝作为一种特殊的地形地貌形式，具有巨大的危害性，因此引发国内外学者围绕其形成与破坏开展了大量研究，其中，J.E.Costa等人根据堰塞坝的成因研究了堰塞坝的形成与破坏[5]，L.Ermini等人采用地形无量纲参数预测方法研究了堰塞坝的发展变化[6]，符文熹等人研究了堰塞坝的主要工程地质问题[7]等。以上研究，更多的是从滑坡堵江成坝的角度研究堰塞坝的形成与可能造成的危害，而对于崩塌冲击形成的堰塞坝，缺乏对其形成条件与过程的深入分析，研究成果很少[8]。为此，本文结合前人的研究成果，从崩塌体的形成、运动和泥流冲刷等方面研究了崩塌型堰塞坝的形成条件，从不稳定因素积累、重力崩坠、撞击-弹落-重夯成坝3个阶段研究了堰塞坝的形成过程，并进行了案例分析。

2 形成条件

崩塌型堰塞坝是在一定的地形条件下，陡坡上部岩土体被直立裂缝切割、拉裂后，因根部空虚，在自重和地震等外力作用下失去稳定，折断压碎或局部滑移，突然脱离母岩土体急剧向下倾倒、翻滚、跳跃，造成江河堵塞的堆积体。这一过程的形成必须具备如下几个条件：形成坡面崩塌；崩塌土体能到达河床及对岸；到达河床的土体不因水流作用而流动形成泥石流被带走；河流水流的挟沙能力、冲刷能力较小，难以造成崩塌土体的瞬间流失。

2.1 地形条件

关于崩塌形成的地形条件，已有很多研究成果[8-10]，虽然还不能准确预测崩塌的形成，但是通过分析以上研究成果，并结合相关泥沙调查结果，可以将坡面崩塌形成的地形条件概括为：坡面倾角30°以上且有表土层的坡面最易形成坡面崩塌。根据这一地形条件，即可通过现场勘查或者在大比例尺地形图上搜寻，预测坡面崩塌可能形成的地域。特别是在地震发生以后，通过在大比例尺地形图上分析震区河流的岸坡条件，搜寻满足这一基本条件的流域，便于及时派出专家技术人员进行现场勘查，将可能形成的崩塌型堰塞坝险情控制在萌芽状态。

2.2 岩土体运动条件

崩塌一旦形成，岩土体沿着坡面运动，能否到达河床和对岸，是形成崩塌型堰塞坝的关键条件。对于这一条件，可以通过分析岩土体在坡面上停止运动的临界角度θck来进行判断。岩土体在坡面上运动，满足质量及动量守恒定律，分析质量及动量守恒定律并进行推导，得出岩土体在坡面上停止运动的临界角度：

(1)

崩塌一旦形成，其背面的水流对于崩塌岩土体的运动影响极小，一般可以忽略不计。为此，式(1)可简化成：

θck=tan-1{μk(1-λ)(ρs-ρ)/ρf}

(2)

利用式(2)计算所得的临界角度θck，即可判断岩土体能否到达河床及对岸。例如，对于常见土体，假设其坡面参数为：λ=0.25，ρs=2.65 g/cm3，ρ=1.0 g/cm3，μk=0.726，将参数带入式(2)，得临界角度θck=22.8°。依此可知，只要岸坡倾角大于22.8°，土体就不会停积于岸坡之上；反之，无论土体运动速度多大，也会因减速停止而无法到达河床。对于上部坡面长度(倾角大于θck)为坡面土体厚度hf的20～30倍的坡面，坡面倾角及岩土体性质对崩塌体的运动速度影响微乎其微，崩塌体的速度将达到一个常数。对于这类坡面，当崩塌体运动到下部坡面(倾角小于θck)时开始减速，从减速开始到停止运动，这段距离Xfs可以按下式进行计算：

(3)

式中，下标u、d表示上部斜面和下部斜面的变量；hf为土体的最大厚度；fb为流动层和斜面间的流体阻力系数；h为土体的平均厚度；d为平均粒径。

根据以上分析，对于图1的崩塌岩土体，可按照以下步骤进行岩土体能否到达河床及对岸的判断。

(1)计算θck，，将θ=θck的点定为C点；直线连接点A(崩塌点，当崩塌点未定时，选最陡30°以上的地点为点A)、点B(河流对岸)和点C，模似成图A′B′C′；

(2)A′C′的倾角为θu，B′C的倾角为θd，按式(3)计算Xfs。如果Xfs大于BC间长度，则崩塌体能够到达河床及对岸，极有可能形成堰塞坝。

图1 崩塌岩土块的运动

2.3 水流冲刷条件

崩塌体运动至河床以后，能否短时间之内堵塞河道形成堰塞坝，还与河水流的冲刷条件有关。该条件包括水流的和冲刷能力，如果冲刷能力较强，到达河床的岩土体就会因水流的作用而流动化为泥石流被带走。为了形成崩塌型堰塞坝，必须保证河水流能力和冲刷能力较弱。因此，水流的冲刷存在一个临界条件。对于如何通过河水流的挟沙能力来判断堰塞坝能否形成，必须建立一个临界条件，可以寿命时间10 s为基准来判断堰塞坝的形成，寿命大于10 s则判断堰塞坝形成，反之则没有形成。

为此，采用相同的表示方法，将堰塞坝的高度(V/BLB)等同于“颗粒”的平均粒径d(V为崩塌体的体积，B为河流平均宽度，LB为堰塞坝的坝底长)，以q/[g1/2(V/BLB)3/2]为横轴、I为纵轴绘制一平面(见图2)，以平面上的一条曲线来判别堰塞坝的形成。根据匡尚富[8]的水槽实验结果，得出泥沙崩塌体能否形成堰塞坝的临界曲线为

(4)

图2 崩塌形成堰塞坝的临界条件

崩塌土体到达河床以后，能否形成堰塞坝，除了与水流条件有关以外，还与崩塌体的组成有关。当崩塌体以粗颗粒(岩块)为主，水流与崩塌体容易分离，不易形成堰塞坝；当崩塌体为细颗粒时，抗冲刷能力较弱，也不易停积于河床形成堰塞坝；而当崩塌体同时具有粗细颗粒且呈双峰型分布时，则具有较强的抗冲刷和防渗能力，易于形成堰塞坝。

3 形成过程

崩塌型堰塞坝的形成过程可以分为不稳定因素积累、重力崩坠以及撞击-弹落-重夯成坝3个阶段。

(1)不稳定因素积累。岩土体在长期地质营力作用下，产生节理、裂隙或断裂，完整性受到破坏，甚至破裂分割成支离破碎的块体，为崩塌堵江奠定了基础。此阶段历时长短随岩石性质与结构、构造活动程度、边坡形状、外营力强度等而不同，如图3所示。

图3 不稳定因素的积累

(2)重力崩坠。崩塌体脱离母岩，在自重作用下沿平行岸坡的构造裂隙拉裂变形，沿最大重力梯度方向急剧而猛烈地崩落，然后堆积于坡麓或飞入河道，形成初步堆积，如图4所示。

图4 重力崩坠

(3)撞击-弹落-重夯成坝。崩塌体撞击对岸陡壁向后反弹，同时整体快速向下坠落，直到崩塌土体填满河道，在重夯机制下形成堰塞坝，堵断河道，形成完全堵江，上游形成堰塞湖，如图5所示。

图5 撞击-弹落-重夯成坝

根据以上分析，崩塌形成堰塞坝，由于其特有的形成过程，形成的堰塞坝一般是以大块石、块石和碎石堆积为主，坝体结构较为松散，抗渗能力差，易发生坝体渗流。堰塞坝通常规模中等，留存时间长，若大块石较多，则不易开挖泄流渠。

4 典型案例

近年来，我国并不乏崩塌型堰塞坝形成的案例。

2008年，“5·12”汶川大地震所形成的堰塞坝有近1/3为崩塌型堰塞坝，其中最具代表性的为岷江映秀段老虎嘴堰塞坝[11]。老虎嘴堰塞坝所处岷江河段是典型的深切“V”型河谷，两岸陡峻。在地震的作用下，左岸的花岗岩山体风化层发生大规模崩塌，堵塞河道，形成高约25 m，体积100万m3的堰塞坝，见图6。

图6 老虎嘴崩塌型堰塞坝

四川汉源县省道S306新线猴子岩段，地处大渡河峡谷区，山体坡度超过60°，受两边支沟的切割作用，山体三面临空。2009年8月6日，受S306新线施工扰动影响，不稳定裸露岩体发生崩塌，引起公路上部高260 m、顺河方向长300 m的山体整体发生失稳破坏，崩塌的山体下落进入大渡河[12]。上部崩塌体同时触发了下部松散堆积物发生浅层滑坡，与上部崩塌的山体一起迅速进入了大渡河，阻断了河流，见图7。崩塌持续大约5 min，崩塌体在大渡河河道迅速形成高约40 m、顺河方向300余m、顶部宽约373 m的堰塞坝。

图7 汉源猴子岩崩塌型堰塞坝

5 结 论

本文通过研究崩塌型堰塞坝的形成条件与形成过程，得出崩塌型堰塞坝的形成条件包括地形、坡面运动和水流冲刷。

(2)坡面运动条件。岸坡倾角大于临界倾角θck，其中，临界倾角θck可以通过式(2)、式(3)计算。

(3)水流冲刷条件。河水流的挟沙能力和冲刷能力较弱，可通过q/[g1/2(V/BLB)3/2]为横轴、I为纵轴的平面曲线来判别。

崩塌型堰塞坝的形成过程包括不稳定因素积累、重力崩坠以及撞击-弹落-重夯成坝3个阶段。在近年来的地震、降雨与人工活动中，作为典型堰塞坝之一，崩塌型堰塞坝的发育越来越多，在2008年“5.12”汶川大地震中，近1/3的堰塞坝是崩塌型堰塞坝。不同类型的堰塞坝，具有不同的坝体结构、材料组成、防渗性能等，必须分别研究对应的应急处置措施，用于指导此类次生动力灾害的处置。