滑坡堰塞坝坝体溃决机理与溃决实验研究综述

牛志攀，陈昆廷，张新华，孟楚轲，叶雨健

(1.四川大学灾后重建与管理学院，四川成都 610207；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065；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；4.中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川成都 610041)

山体坡面在地震、暴雨等因素作用下，容易引起山体的滑坡，这些滑坡土体一旦进入河道，有机会造成河道的阻塞，形成滑坡堰塞坝，河道上游水流将在坝体上游聚集并且往四周漫溢，贮水到一定程度形成的湖泊称为堰塞湖.滑坡堰塞坝与一般大坝都存在着溃坝的风险，由于滑坡堰塞坝的形成位置、材料特性、坝体形状等差异甚大，因此比一般大坝而言，溃坝风险更高.滑坡堰塞坝一旦发生溃坝事故，大量的溃决洪水涌向下游，对下游的人民生命财产安全将造成重大威胁.滑坡堰塞坝的破坏能力与库容体积大小、上游库区坝前水头高度、溃坝所形成溃口面积大小、下游河道两岸地形、地貌特征等有关，库容体积越大、坝前水头越高，溃坝洪水所具有的破坏能力就越强[1].由于滑坡堰塞坝所容纳的水体可以在短短的几小时内泄空，导致溃坝洪水的洪峰流量变化剧烈，洪峰流量常高出寻常雨洪的数倍甚至数十倍，溃坝洪水的立波向前推进的速度较快，波高可达到数米甚至数十米，溃坝洪水立波所经之处，河槽内水位瞬息剧增，表现出惊骇的破坏力[2].

目前，国内外针对滑坡堰塞坝相关问题的研究主要有:原型案例资料的统计分析、原型案例的堰塞坝特征研究、堰塞湖的原型调查、堰塞坝溃决过程的现场观测、堰塞坝溃决过程物理模型模拟以及数值计算模拟等相关研究，涉及内容甚多，因此，本文主要以滑坡堰塞坝的溃决资料统计分析、溃决的原型观测及物理模型试验研究进行阐述.

1 滑坡堰塞坝的溃决资料统计分析研究

通过对以往滑坡堰塞坝相关资料和数据的整理分析，总结滑坡堰塞坝溃决的经验教训，是认识滑坡堰塞坝问题的重要手段.虽然滑坡堰塞坝溃坝事件发生的突然性强、资料收集不易，但是国内外仍有不少学者在有限的滑坡堰塞坝溃坝数据资料基础上，对滑坡堰塞坝溃决问题进行了研究.这些宝贵的资料既可为滑坡堰塞坝溃坝问题的理论和试验研究提供可靠的原型数据验证，又为数值模拟的参数选择提供了一定的参考依据.

1.1 滑坡堰塞坝与人工土石坝的溃决特性

国内外不论是从古洪水或是现代洪水的研究角度，滑坡堰塞坝溃坝洪水都是受到极为关注的研究之一.滑坡堰塞坝不同于人工土石坝，坝体结构更不稳定，由结构不稳定的土石组成的天然坝体，没有防渗心墙、反滤层、溢洪道等工程措施来稳定堰塞湖水位[3]，其质地构成多为松散堆积土石体，由级配范围广、不均质的松散体快速堆积形成. 虽然滑坡堰塞坝与人工土石坝在坝体结构上差异甚大，但是人工土石坝溃决特性的长期研究成果，仍有值得滑坡堰塞坝相关研究借鉴之处，具有一定的指导意义.

对于人工土石坝的溃决特性，2007 年，张利民等[4]采用关系数据库模型，设计开发了一个国外溃坝数据库，数据库收集了56 个国家超过1 600 个溃坝案例，涵盖了土石坝、堆石坝、混凝土坝、浆砌石坝等多种典型坝型.从数据库中溃坝案例统计分析结果知，土石坝的溃坝数量最多，占66%. 超过一半的溃坝高度小于15 m，约70%的坝体高度小于30 m.2008 年，方仲将[5]通过查阅大量资料，对国内外土石坝溃坝的类型和原因做了较全面的统计，其中由于设计原因造成的泄流能力不足以及遇到超标准洪水而产生的漫顶溃坝，占到了溃坝总数的50%以上；另外对土石坝溃坝的机理进行了理论分析研究.何晓燕等人[6]通过收集我国已溃水库的数据资料，进行了深入分析和凝练，得到了我国水库溃坝空间分布的特征和影响因素.2009 年，解家毕等[7]收集了国内1954 ～2006 年发生的3 498 座溃坝案例，对我国溃坝率高的原因及其主要溃决模式进行了分析，得到各种坝型溃坝比例，土坝所占的比例超过90%，而均质土坝溃坝占总数的85%以上.

对于滑坡堰塞坝的溃决特性，大多数滑坡堰塞坝体体中夹杂着巨石，直径从几十厘米到数米，增加了其不均质性[8]；同时，坝体内部或外部会受水流作用而产生冲刷、侵蚀、溶解、崩塌等等的坝体破坏. 部份学者选取坝体高度、坝体长度、坝体体积、坝体材料特性、上游汇水面积、崩塌速度、上游流量、溪床坡度、被阻塞之河道宽、堰塞湖蓄水体积等参数进行溃决特性的研究[9－12].Ermini[13]等则提出滑坡堰塞坝的溃决与坝体高度、坝体体积、上游汇水面积最具直接关联性.

由上述可知，不论是滑坡堰塞坝或是人工土石坝的溃决，坝体高度、材料特性、蓄水体积是直接影响溃决特性的主要原因，一旦坝体产生破坏，坝体后方湖水将在很短的时间内迅速排泄出来，倾泻而下，形成洪灾，对下游居民的生命财产具有极大的危害. 由于滑坡堰塞坝与人工土石坝的材料特性、坝体形状、坝体规模差异甚大，导致滑坡堰塞坝的溃坝几率比人工土石坝更高，危险性更大，排险处理更紧迫，是亟需岩土、水利、地质等领域的专家学者们进行更深入的系统研究.

1.2 滑坡堰塞坝的溃决模式及寿命特征

滑坡堰塞坝是天然的土石堆积坝，由于没有溢洪道或者其他规范化的泄流设施，在上游入流条件远大于坝体渗流条件时，随着堰塞湖内水位的上升，容易产生漫顶冲刷，最终导致溃坝.此外，坝体由滑坡土体材料组成，没有经过系统化的压实，导致坝体材料特性具有孔隙发达、胶结不良、结构松散等性质，在坝体渗流条件远大于入流条件时，容易引发坝体内部冲刷或者管涌，导致溃坝. 多位学者曾统计国内外的滑坡堰塞坝的溃决模式，Costa 等[14]统计了55 个堰塞坝溃坝方式，发现漫顶溃坝占到50%以上.柴贺军等[3]结合Costa[14]统计的55 个堰塞湖，共收集67 个堰塞坝的溃坝事例，发现漫顶溃坝48 例，占到71.6%，Peng等[15]则统计144 例，漫顶溃坝占到91%.由统计结果可知，堰塞坝主要以漫顶溃坝占的比例最大，其次则是渗流所导致的溃坝.

为了更细部的探讨滑坡堰塞坝溃决模式，除了漫顶冲刷以外，多位学者通过统计的方式，将渗漏的溃决模式细分为坝坡失稳溃决、渗漏管涌溃决[6，15]，柴贺军[3]则对天然土石坝溃决模式进行了总结，将天然土石坝破坏的方式分为漫顶溢流、坝坡失稳、渗漏管涌、人工诱发破坏四种形式，指出破坏的位置可能为坝体、前坝坡后坝坡、坝体坝基，同时对天然土石坝破坏的诱因和破坏形态进行了分类阐述，给出了天然土石坝破坏示意图，如图1[3]所示.

图1 天然土石坝破坏方式示意图Fig.1 Failure modes of natural dam

在应对汶川地震过程中，水利部组织相关学者对国内滑坡堰塞坝溃坝案例进行了总结[16]，发现漫顶溃坝占到统计对象的50%以上，坝体渗漏或者管涌接近30%，坝体失稳接近10%.因此，总的来说，自然情况下堰塞湖发生的破坏通常有三种模式:漫顶溢流、渗漏或管涌、坝体失稳.人为诱发溃决也是一种常见的方式，如汶川地震后，在堰塞湖初步形成之后，尚未积蓄巨大水量的时候，可通过人工开挖或爆破等人为措施使堰塞湖溃坝，排除险情.

随着滑坡堰塞坝溃决模式的不同，也同时影响着堰塞坝的存留时间. 有些堰塞湖在形成之后，上游水位迅速上升，短期之内就发生了溃坝；有些堰塞湖则在形成数十年、上百年乃至更久时间之后发生了溃坝；此外还有一些历史上产生的堰塞湖达到了安全稳定的状态，具有其长期存在的条件，甚至成为了风景点，但仍然存在一定的危险. 有学者[3]通过堰塞湖溃决案例的统计分析，得出约20%的堰塞坝会在1 天内溃坝，约50%在10 天内溃坝，约80%会在6 个月内溃坝，约90%会在1 年内溃坝.

国内外滑坡堰塞坝发生的溃坝案例有很多，如:Mason[17]和Shroder[18]记录了1841 年巴基斯坦境内印度河上地震引发的Raikhot 堰塞湖溃坝，Raikhot 堰塞坝高200 ～300 m，库区沿河谷距离达到65 km，随后的溃坝下泄出巨大洪水，造成下游巨大的人员伤亡和财产损失.1933 年发生的四川叠溪地震，造成岷江上游形成多个堰塞湖，其中，叠溪滑坡坝在45 天后因强余震触发坝体溃决，积蓄的积水猛烈溃决，长驱直下，造成数量巨大的人员死亡、房屋破坏、农田毁坏以及粮食和牲畜损失[19]. 也有一些堰塞湖在形成多年之后发生溃决，1835 年，在吉尔吉斯斯坦境内的Te-germach 河上，由于岩石崩塌和泥石流形成了一个名为Yashingul 的堰塞湖，堰塞湖形成之后安然无恙的存在了131 年，直到1966 年，发生了溃坝事件[20]. 还有一些堰塞湖在形成之后自然稳定或者经过人为排险后遗留下来.

2 滑坡堰塞坝溃决的原型观测及物理模型试验研究

滑坡堰塞坝溃决过程涉及到土力学、水力学、泥沙运动力学、水文学等多门学科，具体研究内容主要涉及坝体冲刷、溃口演进、溃决机理、洪水演进、河床演化等内容.物理模型试验是研究溃坝问题的重要技术手段之一.由于溃坝原型资料获取难度大并且案例数量少，往往通过模型试验的方式获得原型溃坝资料的补充成果.同时，模型试验成果还可验证溃坝问题的理论解和数值模拟结果，在溃坝机理研究方面具有独特的优越性.

2.1 滑坡堰塞坝溃决特性的物理模型试验研究

溃坝问题试验模型研究最早追溯到19 世纪的法国，此后，美国、德国、奥地利等进行了大量的水槽试验研究，当时主要是依靠直接观察来获得直观认识，没有精确有效的仪器捕捉各种水力参数.20 世纪中期，美国和奥地利针对土石坝溃决过程进行了较大比尺的模型试验和大量的室内试验研究，获得了关于坝体材料、坝体结构、坝上水头对溃坝过程影响的成果[21－22].1998 ～2000 年，在欧盟的支持之下，CAD-AM[23]项目得以完成，随后，2001 ～2004 年，同样是欧盟支持启动的IMPACT[24]项目得以开展.这两个项目通过实验室条件下及野外原形溃坝实验条件下针对土石坝的坝型、形状、筑坝材料、溃决型式等影响因素进行了详细的研究，在土石坝的溃坝机理研究方面取得了丰硕的成果.

国内对土石坝、堰塞坝的溃坝试验研究也取得了一系列的成果. 张大伟等[25]采用粒径对比明显的两组砂样进行了土石坝漫顶溃决试验，结合试验将整个溃决过程总结分为坝顶下缘处陡坎形成过程、陡坎坍塌、出现逆行沙垄的冲刷终止阶段. 杨阳、曹叔尤[26]通过水槽模型试验研究了考虑渗流情况下非黏性堰塞坝体的漫顶溃决侵蚀机理，将堰塞坝溃决过程划分为渗流侵蚀、初始溃决点形成、溯源蚀退、溃口展宽下切以及粗化再平衡5 个阶段，指出溃决发展主要集中于第三、四阶段.蒋先刚、崔鹏[27]，通过堰塞坝漫顶冲刷试验，分析了堰塞湖溃决下切过程及其影响因素，把堰塞坝溃口下切过程分为溃口缓慢发展阶段、溃口迅速发展阶段阶段和稳定河床形成阶段.

孙德根[28]针对溃口上游库区为狭窄库区的情形进行了土石坝溃坝物理模型试验研究，提出的沿水深分段加或减糙的方法，使狭窄库区模型在水深幅度变动较大的情况下，为满足水流对模型糙率的要求而同时实现阻力相似和重力相似提供了有效的解决途径.胡去劣等[29]通过溃口局部模型及溃决过程半整体模型，针对沟后面板砂砾石坝溃坝事故详细研究了面板溃决特性、溃口水流参数、面板受力状况等内容.魏红艳等[30]试验研究了堤防溃决对河道以及溃口附近水位变化的影响，研究了河道洪水流量、洪水位和筑堤材料对溃口处水位的影响，归纳总结了溃决流量与溃口口门宽度及溃口处水头变化之间的关系. 张婧、曹叔尤[31]针对堰塞坝不同内坡坡度和不同坝体级配对溃坝过程的影响，进行了模型实验研究.赵万玉、陈晓清[32]针对堰塞坝不同横断面泄流槽进行了溃决实验研究，针对溃决过程中堰塞坝内部土体体积含水量变化特征、泄流槽侵蚀特征和溃决流量过程进行了分析，提出在梯形槽基础上通过改变泄流槽的开挖形状可以提升溃决初期的泄洪效率.

2.2 原型观测及大比尺现场试验研究

在大比尺现场试验和溃坝现场观测方面，IM-PACT[24]项目共进行了多次现场实验和实验室实验，现场实验的规模约为室内实验是10 倍，获得了详细的试验过程参数，包括溃口演进速度、流量、水位等.在现场试验过程中，通过坝顶开槽的方式，坝前水位逐渐上升通过预设的泄流槽来模拟漫顶试验；通过坝体中预先埋设填满砂土的割缝管子，打开割缝管阀门后使水流通过管子来激发管涌，来模拟管涌造成的坝体破坏试验.如图2 所示[24].

在堰塞坝溃决过程原型观测方面，各项参数的观测和获得更为不易. 刘宁[33]等针对汶川地震诱发的唐家山堰塞坝引流除险工程及溃坝洪水演进过程开展了研究，获得了唐家山下泄流量和库水位随时间变化过程、记载了溃坝过程中在坝址和下游实测的洪水位和流量过程线以及堰塞湖下游洪水演进过程，为溃坝洪水控制及排险工作提供数据支撑，除险工程的成功实施为今后处理同类自然灾害积累了宝贵的经验和科学资料.崔鹏、陈晓清[34－35]针对汶川地震堰塞湖群的分布规律开展了现场调查，将坝体组成、坝体结构、坝高和坝前最大库容等因素作为堰塞湖危险性评估指标，制定出极高危险、高危险、中危险和低危险四个危险等级，并对查明的部分堰塞湖进行了溃决危险性评价，评价结果全部被国家抗震救灾指挥部水利组采纳，在堰塞湖应急排险工程布设、应急排险中发挥了作用.蔡耀军[36]针对金沙江白格堰塞体溃决过程，开展了原型观测，获得了溃决过程中溃口流速、流量、水面宽、水深、冲刷物质特性、携砂水流推测比重等参数，进而将溃决过程分为了过流孕育阶段、引流槽均匀冲刷阶段、溯源侵蚀阶段、溃决发展阶段、溃后消退阶段5 个阶段，提出各阶段时长受来水量、堰塞体物质组成、引流槽形态等因素影响，最终分析了堰塞体结构及形态特征、溃决发展阶段、溃决特征值，并将这些特征参数与以往一些堰塞湖作了比较，获得了白格堰塞坝较为详细的现场溃口演进及泄流槽变化参数.

图2 IMPACT 项目现场实验图Fig.2 Field experiments images of IMPACT

2.3 梯级滑坡堰塞坝溃决特性试验研究

前人针对堰塞坝溃决问题的研究，多数集中在单一坝体的溃决洪水和溃决机理方面，以往堰塞湖单次形成的数量较少，国际上对堰塞湖的个例研究较多，对成群形成、梯级分布的堰塞湖研究较少.而实际中，强震引发山体滑坡或崩塌，进而阻塞河道成堰塞湖是最为重要的一个成因，并且常常形成堰塞湖群，在流经地震区域的水系及其支流上呈现出梯级分布. 如1920 年12 月宁夏海原8.5 级地震诱发了多起滑坡堵江事件，形成许多的串珠状堰塞湖，响河和长源河等河流均发生滑坡堵江，使得宁夏固原和甘肃静宁、会宁等地出现多处堰塞湖，造成巨大的生命和财产损失[37].1933 年8 月四川叠溪地震在岷江上游形成多处堰塞湖，使岷江断流43 天，江水逆流20 多km[19].2008 年“5·12” 汶川大地震形成堰塞湖中，据不完全统计，存留时间在14 天以上的有256 处[34]，在流经断裂带的沱江、涪江、岷江和嘉陵江水系及其支流上则呈现出梯级分布.根据中华人民共和国水利部提出的堰塞湖溃决危险性分级标准[34－35，38]，定级的有34处堰塞湖，其中超过半数处于中度危险以上，其中唐家山堰塞湖属于是极高危级状态[39].

“5·12”汶川大地震以来，随着堰塞坝溃决问题研究的深入，人们在梯级堰塞坝连锁溃决方面的试验研究不断深入. 曹志先等[40－41]进行了单个滑坡堰塞坝溃决水沙动力学实验研究，同时对两个梯级滑坡堰塞坝溃决也进行了水沙动力学实验和全场二维耦合数学模拟研究，揭示了梯级坝溃决相对于单个坝溃决洪水的渐进增强机制.许唯临、牛志攀等[42－45]通过物理模型试验的方法，研究了滑坡堰塞坝单级溃坝与梯级溃坝的溃决特性和溃坝洪水的演进规律，在漫顶溃坝和开槽泄洪的溃决形式之下，对比分析了不同组成材料的堰塞坝坝体在不同来流流量条件下，单个堰塞坝或梯级堰塞坝的溃决过程，观测了溃坝过程中水流流态、坝体体型、泄流槽变化和溃口变化等水力参数的演变过程，获得了上、下游梯级堰塞坝在不同流量、不同间距等参数差异之下的溃决特性. 朱兴华、崔鹏[46]通过野外考察和野外水槽试验，研究在不同溃决模式和溃决程度之下，从峰值流量影响的角度研究了堰塞湖梯级连续溃决的放大效应.周公旦、崔鹏[47]通过室外模型试验的手段，针对堰塞湖溃决洪水对其所引发的泥石流的影响规律，研究了舟曲堰塞体连续溃决模式，提出漫顶溃决是堰塞坝最主要的破坏机制，不同组成构造的堰塞体在管涌或者冲刷情况之下也可能导致堰塞体溃决. 袁岳[48]通过开展模型试验的手段研究了梯级溃决中上下游水深、河道坡度和坝间距对溃坝洪水的影响规律.

梯级堰塞坝溃决试验研究的开展，使得堰塞湖溃决问题及风险特性更能契合强震诱发堰塞湖群的实际情况，也为研究梯级堰塞坝溃决洪水连锁递增效应及风险叠加机理提供了支撑.

3 滑坡堰塞坝溃决问题研究的相关动向

(1)关于滑坡堰塞坝的模型试验虽然取得了很多进展，但是由于滑坡堰塞坝坝体的复杂性、坝体结构的不稳定性、坝体物质组成的不确定性，关于溃决机理方面系统的研究仍是非常不足的.亟需系统研究滑坡堰塞坝溃决内在诱发因素——包括坝体形状、组成结构、物质特性等因素，以及外部诱发因素——包括地震、降雨等因素对坝体稳定性及溃坝特性的影响.

(2)滑坡堰塞坝的三种溃决模式:漫顶溃决、渗漏或管涌、坝体失稳，虽然以漫顶溃决占比最多，管涌及渗漏破坏占比较少，但是滑坡堰塞坝作为一种土石混合体，发生渗漏和管涌破坏的可能性依然很大，此外，漫顶溃决的同时也可能伴随着渗漏和管涌破坏，受坝体内部侵蚀与漫顶冲刷耦合作用的结果，导致堰塞坝的溃决机理极为复杂[49].因此，针对堰塞坝溃决模式机理方面的研究，应充分重视坝体内部破坏机制，在模型试验条件下，加以定量研究渗漏和管涌破坏，进一步完善堰塞坝溃决模式的相关机理.

(3)滑坡堰塞坝溃决相关实验研究常在特定的模拟技术和边界条件下进行，往往是将模型中的堰塞坝体型与实际的堰塞坝情况结合起来，设计出与原型堰塞坝成比例的坝体体型以及河道条件.由于原型堰塞坝内部组成结构难以获得，即便是进行了现场堰塞坝取样，室内试验材料与实际情况也常常存在很大不同，原型堰塞坝组成往往是宽级配，在小比尺物理模型开展模拟工作时，需要考虑比尺效应及相似性，包括坝体材料抗蚀性、渗透性与力学参数等多参数的相似性，才能更加明确研究某些因素的相似，逐步扩展多个参数的相似，以获得更为客观真实的科学规律.

(4)原型滑坡堰塞坝溃决过程各项参数的观测和获得非常不易，近年来，随着监测设备、技术水平及基础设施的进步，为原型堰塞湖溃决的动态监测提供了可能，通过采用卫星传输、空中监测、现场自动化监测系统、移动通讯传输以及人工监测等多种手段，可以对降雨、坝前水位、坝体溃决体型变化、冲刷特性、溃决洪水等参数动态监测，通过获得的各项原型参数为堰塞湖提供险情预警，也为堰塞湖应急排险提供技术支撑.但是目前关于原型堰塞湖溃决过程系统的观测数据和分析研究仍相对较少，准确性也有待提升，随着监测手段的不断提高，堰塞湖溃决过程原型综合监测预警意义重大.

(5)堰塞湖应急处置需要在深入研究其溃决机理的基础上，迅速制定一套快速有效但又操作简单的减灾措施，尽最大可能减少堰塞湖的蓄水量，减缓对下游的破坏，确保下游人员生命财产安全. 目前常见的人为处置方式有爆破除险、泄槽引流、围坝蓄水等[50]，但是对于不同坝体溃决模式条件下，人工处置方式的机理、量化、评价、效益等研究甚少，亟需开展相关研究来为堰塞湖的应急抢险提供技术支持.

4 结论

本文通过相关文献资料归纳对于滑坡堰塞坝溃决相关的研究进展，介绍了滑坡堰塞坝的溃决资料统计、溃决模式、存留寿命等规律，并介绍了堰塞坝溃决原型观测及物理模型试验目前的研究进展.最后，对于溃决机理方面，指出了目前研究方向的一些不足，并提出了一些建议的研究方向，涉及到:堰塞湖溃决机理、溃决模式、原型及模型试验比尺效应、溃决过程原型监测预警以及堰塞湖人工处置方式的机理等方面.