金沙江白格堰塞湖溃坝洪水分析

周兴波，杜效鹄，姚 虞

(水电水利规划设计总院，北京100120)

0 引 言

堰塞湖是滑坡、火山、冰川等成因导致天然材料堵塞河道而形成的一种阻塞性的湖泊，阻塞河道的物质一般统称为堰塞体或堰塞坝[1]。由于堰塞体没有泄洪设施，在上游持续来流、库水浸泡、掏蚀和冲刷作用下，极易发生漫顶过流失控性溃坝，对下游梯级水库、电站及沿岸居民危害极大[2]。分析堰塞坝的溃决过程，是降低堰塞坝溃决洪水对下游区域灾害损失的有效手段，可为下游危险区域人员撤离和制定应急处置措施提供科学依据[3- 6]。

2018年10月10日22∶06，西藏自治区昌都市江达县波罗乡境内发生山体滑坡，堵塞金沙江干流河道，形成堰塞湖。滑坡体体积约3 500万m3，滑入金沙江形成堰塞体体积约2 400万m3。根据来水流量分析，本次“10·11”白格堰塞湖会很快自然漫顶过流。10月12日17∶20，堰塞湖水位涨至坝顶高程2 925 m，库水开始漫顶自流，至13日6∶00左右，溃决达到洪峰流量约10 000 m3/s，下游在建的叶巴滩、苏洼龙水电站导流洞过流，虽造成一定损失，但影响可控[7]。

2018年11月3日17∶40左右，白格堰塞湖原山体滑坡点发生二次滑坡，下滑山体约160万m3，并铲刮坡体约660万m3，共约820万m3，堵塞上次自然泄流通道，堰塞体总体积约3 020万m3。鉴于此次堰塞湖规模比“10·11”白格堰塞湖规模大3倍多，为保障下游沿岸居民和在建叶巴滩、苏洼龙水电站、已建梨园水电站的安全，通过分析预测与研判，最终本次“11·03”白格堰塞湖应急除险采取了“堰塞体人工干预开挖导流槽、苏洼龙水电站围堰破拆、梨园水电站应急腾库”等应急处置措施。11月8日，现场抢险挖掘机抵达堰塞坝顶，通过3天的连续拼搏，一条长220 m的倒梯形导流槽施工完成。堰塞坝垭口高程降低至2 952.5 m，减少堰塞湖库容约2.16亿m3。11月12日5∶00，堰塞湖水位涨至导流槽底高程2 952.5 m，至18∶00堰塞坝溃决达到洪峰流量33 900 m3/s[8]。15日8∶00，堰塞湖入库流量507 m3/s，出库流量529 m3/s，剩余库容0.79亿m3，出入库水量平衡，水位稳定，险情解除。

笔者在唐家山堰塞湖、红石岩堰塞湖溃坝洪水分析的基础上[2，6，9]，参与两次白格堰塞湖应急抢险工作，分析预测了溃决洪峰流量，为短时间内制定合理可行的应急处置方案提供了有力的技术支撑。

1 堰塞湖溃坝洪水计算模型

目前，堰塞湖溃坝洪水计算模型大致可归为两类，一类是基于水量平衡，采用宽顶堰流公式计算溃口流量过程；另一类则是基于圣维南方程组，通过附加边界条件，采用有限差分法求得近似解而获得溃口流量过程。这两类方法各有所长，但由于堰塞湖应急抢险时间紧、任务重，需要与时间赛跑，必须短时间获得较好的计算结果。因此，笔者采用前者方法建立溃坝洪水计算模型，采用后者计算溃坝洪水波演进，相关成果已发表，现就其基本原理进行简单回顾[2,10]。

1.1 溃口洪水计算

1.1.1水量平衡

堰塞湖溃坝过程中，总水量保持平衡，即

(1)

式中，V为堰塞湖蓄水库容；t为时间；I为入库流量；O为出库流量，包括通过溃口和泄流设施的流量。

1.1.2溃口流量

宽顶堰公式可近似计算溃口流量[11]，通常可采用下式

(2)

式中，B为溃口断面的宽度；H为堰塞湖水位高程；z为溃口进口底高程；mq、mb分别为流量系数和侧向收缩系数，据文献[12]本文计算分别取0.36和0.9。

1.1.3溃口扩展

模型认为初始溃口为倒梯形，采用圆弧稳定分析的总应力方法计算溃口扩展过程，其下切和横向扩展如图1a所示，为计算方便，计算过程采用图1b简化模式。

图1 溃口侧向崩塌过程

1.1.4溃口侵蚀

采用双曲线形式的溃口侵蚀模型，即

(3)

式中，dz/dt为侵蚀率；τc和τ分别为临界剪应力和剪应力，据文献[13，14]，可得

τ=γRJ=γn2V2/R1/3≈γn2V2/h1/3

(4)

式中，γ为水容重；J为引流槽坡降；R为水力半径，若溃口宽度B远大于流深h时，R可近似取h，n为糙率，取0.025，1/a表示τ=τc时，双曲线的斜率，1/b为dz/dt的极值，如图2所示。

图2 侵蚀率双曲线模型

1.2 洪水波演进计算

天然河道洪水波演进，其实质为求解一维浅水运动方程

(5)

本文计算采用中心格式的有限体积法，通过修正的HLL(Harten-Lax-van Leer)格式离散水流演进方程，从而采用近似求解的Riemann解代替其精确解[15]。

图3 “10·11”滑坡前后对比示意(来源：四川测绘地理信息局)

2 白格堰塞湖漫顶溃坝洪水分析

“10·11”和“11·03”白格堰塞湖安全泄流分别为自行漫顶溢流和人工开挖导流槽泄流，为堰塞湖应急处置最常见的两种方式。作为典型案例，白格堰塞湖两次溃坝洪水分析及安全处置措施可为类似的堰塞体或土石坝应急除险提供借鉴。

2.1 白格堰塞湖概况

白格堰塞坝位于西藏自治区江达县波罗乡白格村附近，距离上游规划的波罗水电站20 km，距离下游在建的叶巴滩水电站54 km，苏洼龙水电站223.5 km。“10·11”滑坡前后对比见图3，“11·03”滑坡后形成堰塞湖见图4。白格堰塞湖基本特征参数见表1，库容水位曲线见图5。

2.2 “10·11”白格堰塞湖溃坝洪水计算

根据“10·11”堰塞湖库容水位关系、上游来流量、溃口扩展参数并以唐家山堰塞坝、红石岩堰塞坝冲刷侵蚀参数为经验，取溃坝计算参数如表2。

由于“10·11”白格堰塞湖溃决过程未能测得水位，故采用1.2节洪水波演进方法将计算溃坝洪水流量过程演进至下游54 km处的叶巴滩水电站，并与其实测值进行对比分析。其中，考虑溃坝洪水河道滞洪作用显著，糙率取0.08，坡降取0.25 %，时间步长30 s，河道断面形状假定为底宽45 m，河岸边坡0.3的倒梯形。溃坝洪水流量过程和演进至叶巴滩电站的流量过程计算结果见图6。

“10·11”白格堰塞湖形成时，上游平均来流量约1 300 m3/s，堰塞湖水位上涨速度较快。10月12日17∶20，堰塞湖水位涨至坝顶高程2 925 m。由图6可以看出，直至13日0∶00左右，冲刷侵蚀作用加剧，溃口扩大，溃口流量急剧增大，至13日5∶40左右达到约10 600 m3/s的洪峰流量，并历经约2 h演进至下游54 km的叶巴滩电站，峰值流量坦化作用衰减至8 360 m3/s，与叶巴滩水电站实测13日8∶00达到峰值流量7 770 m3/s较为接近。

表1 白格堰塞湖基本参数

注：*表示二次滑坡形成新堰塞堆积体顺河向长度。

表2 “10·11”溃坝计算输入参数

表3 “11·03”溃坝计算输入参数

图4 “11·03”滑坡及堰塞坝体

图5 白格堰塞湖库容水位曲线

图6 计算溃坝洪水及演进至叶巴滩流量与实测值对比

2.3 “11·03”白格堰塞湖溃坝洪水计算

根据“11·03”堰塞湖库容水位关系、上游来流量、溃口扩展参数并取“11·03”白格堰塞坝相同的冲刷侵蚀参数，见表3。

鉴于“11·03”白格堰塞湖库容约为“10·11”白格堰塞湖的3.5倍，为最大程度的降低堰塞坝溃决洪峰流量，“11·03”堰塞坝采取了人工干预开挖底宽3 m，深13.5 m，顶宽42 m，顺河向长约220 m的导流槽(见图7)，将堰塞坝顶高程由2 966 m降低至2 952.5 m，减小堰塞湖库容约2.1亿m3。在应急处置决策过程中，分别计算了多组开挖人工导流槽和不开挖人工导流槽对溃坝洪峰流量的影响情况，最终结合现场施工条件确定了开挖人工导流槽的断面尺寸。开挖人工导流槽、不开挖人工导流槽堰塞坝溃决洪水流量过程及此次堰塞坝溃决实测过程见图8。

图7 人工开挖的导流槽

图8 计算溃坝洪水流量与实测值对比

由图8实测数据可以看出，11月13日14∶00堰塞坝溃决流量为245 m3/s，此前溃决流量小于200 m3/s，此后堰塞坝冲刷侵蚀加剧，至18∶20达到溃坝峰值流量33 900 m3/s，至20∶00溃坝峰值流量降至7 700 m3/s。由图8开挖和不开挖导流槽溃坝洪水计算结果可以看出，若不开挖人工导流槽，堰塞坝溃决洪峰将达到44 300 m3/s，达到洪峰时间将推后1～2 h。

3 结 论

流域中的堰塞湖对上下游梯级水电站及沿岸居民危害极大，且处置时间紧迫，准确分析预测堰塞湖溃坝洪峰流量对应急处置方案制定至关重要。本文在白格堰塞湖应急抢险预测分析的基础上，通过应急除险后的实测数据对比分析，主要结论如下：

(1)通过“10·11”和“11·03”白格堰塞湖溃坝洪水流量过程计算分析，数值计算结果与实测数据基本一致，验证了冲刷侵蚀模型在堰塞坝溃决过程中的可行性和稳定性。

(2)冲刷侵蚀模型准确分析溃坝洪峰流量的关键参数为侵蚀率b，即单位时间内水流冲刷侵蚀坝体的厚度。通过实测数据对比表明，白格堰塞湖溃坝过程分析中，侵蚀率b取0.000 5是合适的，也就是说白格堰塞坝冲刷侵蚀过程中每秒的冲刷侵蚀深度约为2 mm。

(3)通过“10·11”白格堰塞湖溃坝洪水过程反演分析，并将计算值演进至叶巴滩水电站与实测值对比，结果表明，尽管堰塞湖水位涨至堰塞坝顶高程，但初始阶段过流量很小，大致不超过100 m3/s，历时6 h后溃口流量才急剧增大，至13日5∶40达到约10 600 m3/s的洪峰流量，历经约2 h演进至下游54 km的叶巴滩水电站，溃坝洪峰演进平均流速约为6.5 m/s。

(4)通过“11·03”白格堰塞坝不开挖人工导流槽和开挖人工导流槽溃坝洪水分析，结果表明，开挖人工导流槽有效降低了堰塞湖库容，进而使得溃坝洪峰流量由44 300 m3/s降低至33 900 m3/s，溃坝峰值流量降低10 400m3/s，最大程度地降低了下游各梯级水电站应对堰塞坝溃决洪水的风险。

(5)本次白格堰塞湖应急处置工程措施、溃坝洪水分析模型及相关计算参数的选取可供今后类似土石坝、堰塞坝及尾矿坝风险分析与应急管理参考。