堰塞坝的形成与稳定性研究

王振宇

（安徽省建筑工程质量监督检测站 合肥 230000）

1 引言

堰塞坝是沿河两岸的斜坡体在地震、暴雨等因素作用下失稳破坏，滑坡体在河道内堆积而成的天然坝体[1]。但是这种天然坝体稳定性并不高，寿命很短，其失稳破坏往往会进一步诱发地质灾害，不仅会对人民生命财产带来损失，还会危害附近的水利工程和公路铁路等基础设施[2]。近年来，有关堰塞坝的地质灾害数量明显增多，国内外学者不仅对其进行实地调查和统计分析，也从试验和数值方面进行了系统性的研究。

早在19世纪，法国学者就对堰塞坝进行了模型试验研究。此后众多学者利用模型试验探讨坝体的形状和材料、河谷的形状和河流等多种因素对坝体稳定性的影响，其研究成果对该类灾害的评价和工程防护具有一定的借鉴意义。同时随着计算机技术的发展，出现了越来越多的数值模拟软件和计算方法。数值模拟具有众多优势，它们往往能够探究更为复杂的工况，也能清晰地解释破坏机理，因此越来越多学者用数值方法模拟堰塞坝的形成和坝体溃决过程。例如：例如吴建川等[3]基于PFC3D 软件模拟了滑坡堵江的过程，Nian 等[4]利用DEM-CFD 方法分析了水力耦合作用下堰塞坝体的稳定性。

2 堰塞坝的类型

国内外学者通过实地调查和数据统计的方法，得出形成堰塞坝的主要成因是山体滑坡、崩塌和泥石流。其中滑坡形成的堰塞坝占比最大，约占41%。当山体在某一滑裂面上的剪应力大于抗剪强度时，上部的滑坡体会失去稳定，向河谷方向运动，最终会在河床沉积下来形成堰塞坝。滑坡形成的堰塞坝稳定性一般较大，这是因为坡体颗粒大，且运动速度较快。在沉积过程中坝体下部土、石颗粒会得到夯实。其次是泥石流，约占22%。这类坝体大部分都是降雨形成的，在水的作用下坝体颗粒松散且强度低，所以稳定性差、寿命周期短。此外还有崩塌导致的堰塞坝，一般发生周围是岩质边坡的河谷中，岩体的强度一般较高，故此类堰塞坝的稳定性较高。

边坡破坏往往有很多原因，例如降雨，地震和人工开挖等。而在这些触发机制中，地震和降雨是主要成因。虽然在水利工程和公路工程等基础设施的建设中开挖边坡会造成山体滑坡。但工程师在设计时，会对其进行稳定性分析和安排有效的加固措施，所以这种破坏往往很少发生。

也有不少学者利用土方量对堰塞坝进行划分，将堰塞坝从微型坝到巨型坝划分为6 个等级。随着土方量的增加，坝体稳定性越高，但是其进一步破坏可能会带来更大的灾害链效应。

3 稳定性分析

堰塞坝的失稳破坏模式多样，不仅有坝体的整体失稳破坏模式，还有管涌和漫顶破坏。另外由于受到地形、坝体材料和形态的因素，使得堰塞坝的稳定性分析非常困难。为此，国内外学者通过统计学方法，考虑影响坝体稳定性的主要因素，基于一定数量的样本，采用逻辑回归原理对其进行快速判定。

年廷凯等[5]、徐凡献[2]、shan 等[6]分别基于不同的样本，利用上述方法各自提出了堰塞坝的稳定性评价公式，分别如下：

式中：Vb表示堰塞坝的体积；Wb、Lb和Hb分别表示坝体宽度、长度和高度；Vw为库容；Aw为湖水面积；Mi表示颗粒级配对坝体稳定性的影响。

上述三个公式对坝体稳定性判定并不完全相同，其中I1，I2＞0 时，堰塞坝被判定为失稳破坏，当I3＜0 时，坝体不能维持稳定，会发生破坏。为了比较三种堰塞坝快速评估方法，本文选取Stefanelli 等[7]和shan 等[6]中的26 个真实案例进行分析，其中存在稳定型堰塞坝10 个，非稳定性堰塞坝16 个。坝体的具体参数见表1。

表1 堰塞坝参数表

表2为三种方法对表1中26 个算例的预测结果，方法I1对稳定型堰塞坝体预测较好，10 个稳定型堰塞坝能准确预测6 个。方法I2对不稳定的堰塞坝预测较好，16 个非稳定型堰塞坝能准确预测14 个。这两种方法在整体上的准确率都不如方法I3的高，方法I3的综合准确率达到76.9%。这说明坝体稳定性与坝体材料的颗粒级配有关系，当坝体材料为岩石时，堰塞坝的稳定性高。而当坝体材料为细小土颗粒时，抗冲刷能力弱，所以坝体稳定性不高。

表2 模型预测结果表

当然影响坝体稳定性的因素远不止上述这些，例如年廷凯等[5]和沈丹祎等[1]认为滑坡的诱因对坝体稳定性有影响，提出绝大多数降雨形成的堰塞坝体是不稳定的。石振明等[8]在建立堰塞坝快速评估模型时考虑了回水长度的影响。郑鸿超等根据碎屑体运移过程将坝体分为滑入型、爬高型和折返型三类，认为滑入型堰塞坝体的寿命较长。由于堰塞坝本身较为复杂，某些参数由于设备、技术和认为因素的影响很难获取，这对坝体的稳定性评估造成了影响。

4 堰塞坝的灾害链效应

作为由地震或降雨形成的天然坝体，对河流有一定的阻断作用。坝体在河流冲刷作用下，容易有溃坝的风险。发生溃坝时，河流的水流量会发生突变，造成洪水灾害。洪水中往往携带有组成坝体的颗粒材料，当颗粒含量较多时，可认为是泥石流。泥石流在运动过程中，土石颗粒具有很大的冲击力，对沿岸的山坡、公路造成破坏，如此会进一步引发下游山体的破坏，形成新的堰塞坝。国内外的学者通过试验和实地调查发现确实存在堰塞坝群的多米诺骨牌现象，为此对堰塞坝群的溃坝机制展开研究，探索多个堰塞坝之间的联系。例如P.Cui 等[9]就提出某些堰塞坝群会不断的增加泥石流的规模，引发大规模的地质灾害。

5 结论

本研究首先以堰塞坝的形成原因为切入点，按照诱因、滑坡类型和土方量将堰塞坝划分成不同类型。然后基于26 个真实案例，对已有的3 种快速评估模型进行对比，发现3 种方法的准确率都较其原文中的低，这是因为本文中的案例与其文中的数据库并不统一。另外Shan 等提出的方法综合准确率高，说明坝体材料对堰塞坝的稳定性有显著影响。