堰塞体危险性快速评价指标与分级研究
2022-04-02 13:11蔡耀军栾约生易杜靓子罗杰向航
人民长江 2022年2期
蔡耀军 栾约生 易杜靓子 罗杰 向航
摘要：堰塞体为快速形成的自然堆积体，结构较为松散，物质组成复杂，其后续发展难以把握，需快速进行堰塞体危险性分级判断，方可为堰塞湖处置决策提供依据。通过梳理已有堰塞体溃决影响因素机制分析、堰塞湖溃决现场观察、物理模型试验和典型案例统计分析成果，并以堰塞湖库容、來水量、堰塞体物质组成和几何形态为主要判断指标，以渗透破坏、涌浪及地震作为修正因素，提出了一种堰塞体危险性量化快速评价方法，并将该方法应用于大量的典型案例判定。结果表明，判定结果与实际情况吻合较好。研究成果可为堰塞湖应急处置提供一定参考。
关键词：堰塞体; 危险性快速评价; 堰塞湖处理
中图法分类号： P642
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.006
0引 言
堰塞体是由滑坡、崩塌、泥石流等自然作用造成的对河道或沟谷形成堰塞的堆积体。21世纪以来，中国堰塞湖呈高发频发态势，如2000年易贡堰塞湖、2008年汶川地震系列堰塞湖、2010年舟曲泥石流堰塞湖、2014年红石岩崩塌堰塞湖、2018年金沙江白格堰塞湖和2018年雅鲁藏布江加拉堰塞湖等。堰塞体物质组成复杂多变，结构较为松散，级配宽，存活期短。石振明等[1]通过对国内外276例堰塞湖的寿命统计得出：9%的堰塞湖寿命小于1 h，34%的堰塞湖寿命小于1 d，67%的堰塞湖寿命小于1个月，86%的堰塞湖寿命小于1 a。因此，堰塞湖处置时间紧迫，需要在堰塞体形成后快速开展风险评估，以便对堰塞湖采取科学有效的处置措施。
1堰塞体危险性评价技术现状
1999年，Casagli和Ermini[2]对意大利亚平宁北部山区的70座堰塞体案例进开展了分析，并基于分析结果，提出了考虑流域面积和堰塞体体积的堆积指标法（BI）来判断堰塞体稳定性的方法。该方法计算简便，但考虑因素较简单，适用的广泛性有所不足。
2003年，Ermini和Casagli[2]改进了堆积指标法，在原有基础上增加了堰塞体高度参数，并提出了无量纲堆积体指标法（DBI），DBI=lg[A×H/V]，其中，A为堰塞湖汇水面积，H为堰塞体高度，V为堰塞体体积。在对84座堰塞湖资料统计分析的基础上，提出当DBI<2.75时，认为堰塞体是稳定的;当2.75
2009年，中华人民共和国水利行业标准SL450-2009《堰塞湖风险等级划分标准》[4]提出了考虑堰塞湖规模、堰塞体物质组成、堰塞体高度的堰塞体危险性3个指标分级标准，以3个指标中的最高危险等级作为堰塞体的危险性级别，当分类指标的等级相差2级或以上、且最高等级指标只有一个时，堰塞体危险性级别降低一个等级。该方法考虑了堰塞体稳定的影响因素和溃决风险灾害影响因素，方法简便，但堰塞体物质组成只是定性描述，未考虑来水量和坝体长度对堰塞体溃决风险的影响。刘宁等提出了相似的3个指标评价方法，只是堰塞体高度分级标准不同，而且要求3个指标至少满足2个才能确定堰塞体危险性级别[5]，与DBI方法相比，其评价指标中增加了库容，取消了汇水面积。从3个指标的影响机制角度看，水利行标方法在一定程度上反映了堰塞湖溃决可能造成的洪水大小，但对堰塞湖溃决可能性判断方面有一定的弱化。
此后，2011年Dong等[5]以日本43座堰塞体、2016年Stefanelli等[6]利用意大利300个堰塞体案例、2020年单熠博等[6]以具有堰塞体物质组成定性描述的世界115个堰塞体为依据，采用逻辑回归方法，建立了堰塞体稳定性判别方法。这些方法主要是从逻辑回归角度建立堰塞体稳定性的相关关系方程，但对堰塞体溃决风险的机理机制方面考虑稍少。
2堰塞体危险性快速评价指标与分级
堰塞体发生冲刷溃决的外在驱动因素主要是堰塞湖的来水量和库容，这直接影响着堰塞湖漫坝时水流的冲刷力大小、冲刷发展过程、洪水过程和溃堰洪峰流量;影响堰塞体溃决风险的内在因素是堰塞体的物质组成及其几何形态。为此，选择堰塞湖上游来水量、库容、堰塞体物质组成、几何形态作为堰塞体危险性等级划分的主要指标。
2.1库容危险性分级
堰塞湖库容决定着堰塞湖的蓄水能力，直接影响着溃决洪峰的大小。2018年“10·10”白格堰塞湖，上游来水量约为1 700 m3/s，库容为2.90亿m3，溃口峰值流量为11 000 m3/s;而2018年“11·3”白格堰塞湖，上游来水量约为700 m3/s，库容约为5.24亿m3，溃口峰值流量达31 000 m3/s[7]。这表明堰塞湖库容在堰塞体危险性方面具有关键性作用。基于97组有库容和溃决流量的堰塞湖资料统计的库容-溃口峰值流量关系如图1所示。
由图1可以看出：堰塞湖库容小于100万m3时，堰塞湖的溃口峰值流量一般小于1 000 m3/s，造成的危险低;库容介于100万～1 000万m3时，溃口流量一般在1 000～3 000 m3/s，库容对堰塞湖溃决峰值流量的作用显现;库容介于0.1亿～1.0亿m3时，堰塞湖对溃口流量的提升作用已经十分明显，溃口流量一般在3 000～10 000 m3/s;库容大于1.0亿m3后，溃口流量显著增大，一般大于10 000 m3/s。结合目前中国SL 252-2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》[8]，将堰塞湖库容按<100万m3、100万～1 000万m3、0.1亿～1.0亿m3、>1.0亿m3，分为危险性小、中等、高、极高4个等级。
2.2来水量危险性分级
堰塞湖来水量一方面会影响堰塞湖蓄水的进程，另一方面又会起着补给堰塞湖蓄水量而阻止湖水位快速消减以维持溃口持续性高势能、大流量冲刷的作用。上游来水量越大，流道冲刷发展进程越快，溃决时间越短，溃口洪峰流量越大。因此，大江大河的堰塞湖存活时间短、溃决速度快，而其支流和小型沟谷的堰塞湖存活时间较长、溃决速度较慢甚至能长期保存。很多堰塞湖在来水量小时发生堰顶溢流但不溃决，而在洪水期来水量大时因水流冲刷增大而发生溃决，比如湖北省的二荒坪堰塞湖在2011年未溃决，而在2012年雨季溃决;白沙河流域的枷担湾、窑子沟、关门山沟堰塞湖在2008年未溃决，在2012年洪水期间溃决。在中国西北地区，存在多个由地震触发的黄土滑坡堰塞湖，比如新疆的则克台、甘肃的洒勒山、陕西游麟的丈八乡、宁夏党家岔等，堰塞体虽由黄土组成，抗冲性能差，却能保存至今，就是因为上游来水量小，很少出现湖水溢流，或即使溢流，流量也很小或溢流时间很短，对堰塞体冲刷微弱或冲刷时间短。2018年金沙江白格“10·10”堰塞体和“11·3”堰塞体的物质组成基本相同，前者堰高为62 m、后者堰高为96 m，前者漫顶时上游来水量为1 600～1 700 m3/s，后者来水量为500～700 m3/s，自漫顶过流到溃决，前者用时10 h 45 min，后者用时31 h 10 min，上游来水量对溃时起到了重要作用。
收集了国内外69例[9-11]堰塞湖来水量与堰塞体存活时间或堰塞体危险性的关系，统计结果如图2所示。来水量小于10 m3/s的堰塞湖有17例，其中12个为危险性低，占比约为70.5%;来水量为10～50 m3/s的堰塞湖有16例，其中10个为危险性中等，占比约为62.5%;来水量为50～150 m3/s的堰塞湖有14例，其中9个为危险性高，占比约为64.3%;来水量大于150 m3/s的堰塞湖有23例，其中15个为危险性极高，占比约65.2%。总体上，来水量小于10，10～50，50～150，大于150 m3/s时，对应的堰塞体危险性多为危险性小、中等、高、极高。所以，将来水量指标小于10m3/s，为10～50 m3/s和50～150 m3/s，以及大于150 m3/s分为危险性小、中等、高、极高4个等级。
2.3堰塞体物质颗粒风险分级
堰塞体物质组成是决定堰塞体抵抗水流冲刷侵蚀能力的主要控制因素。颗粒越大，抗冲刷能力越强，冲刷下切进程越慢，湖水下泄过程延长，洪峰趋于坦化，堰塞体危险性就越小。
较纯的土质滑坡形成的堰塞体，其物质颗粒主要为细粒土或砂，抗冲刷性特别差，堰塞体易于溃决，而且溃决速度快，比如新疆叶城县柯克亚乡玉赛斯堰塞体为土质滑坡形成，在堰塞体形成后0.5 h就发生了溃决形成的泥石流。岩土混合的土质滑坡或以砂砾为主的泥石流形成的堰塞体，抗冲性较差，堰塞体也易于溃决，堰塞湖存活时间短，比如汶川地震形成的茶园沟堰塞体，物质组成为砾质土，堰塞体形成后受强降雨洪水作用，很快发生泥石流型的堰塞体溃决;2018年10月西藏米林縣加拉堰塞体，由色东浦沟源冰崩触发的泥石流堆积而成，堆积物颗粒以砂、砾为主，夹少量块石和冰块，含水率高，呈软塑状态，抗冲性能较差，“10.17”堰塞湖从开始过流到溃决仅用时5.00 h，“10.29”堰塞湖从开始过流到溃决仅用时5.50 h。岩土混合的以风化岩石为主的非顺层岩质滑坡或含块石的卵砾石（中值粒径达到粗砾类别）泥石流成因的堰塞体，抗冲刷性能一般，溃决后一般保留有残留体，比如2018年金沙江白格堰塞湖，其“10.10”堰塞湖和“11.3”堰塞湖自漫顶到溃决用时分别达10.75 h和31.10 h。基岩顺层滑坡和岩质崩塌形成的堰塞体往往颗粒大，包含大量扰动不大的似层状岩体或块度达数米的大块石，比如2008年汶川地震形成的唐家山堰塞体、徐家坝堰塞体、老鹰岩堰塞体，堰塞体抗冲性强，漫顶后冲刷缓慢，或残留体积大，或溃口深度小，存活时间长，典型的有1856年黔江地震形成的小南海堰塞湖、2008年汶川地震形成的徐家坝堰塞湖。
根据多个堰塞湖冲刷溃决过程的现场观察和大型物理模拟试验，溃流过程中不同冲刷阶段的冲刷对象存在着差异。在堰塞体糙率条件下，过流小于10 m3/s时，流速一般小于1～2 m/s，冲刷对象基本限于黏粒和砂粒，总体呈均匀冲刷，冲刷进程缓慢，且冲刷主要出现在流道下游段，伴随冲刷后的粗颗粒残余在底床不断增加，底蚀速率远小于侧蚀速率。过流介于10～50 m3/s时，流速大致位于1～2 m/s，冲刷对象达到砾石级颗粒，总体仍为均匀冲刷，冲刷缓慢，底床受碎石、块石约束，冲刷较困难，因此侧蚀速度大于底蚀速度，边坡出现小规模坍塌。过流介于50～150 m3/s时，流速大致位于2～3 m/s，此时水流可以冲刷碎石，下游段底蚀开始变快，侧蚀速率明显加快，流道冲刷速度明显加快，边坡坍塌规模逐渐增大。过流介于150～1 000 m3/s时，流速大致位于3～6 m/s，溯源侵蚀开始扮演重要作用，底蚀速度明显加快，砾石及块径不大的块石均可以被冲刷，流道沿程出现多个冲刷陡坎，且陡坎不断向上游推进或更替消亡，最终形成一个规模最大的陡坎。过流大于1 000 m3/s后，流速可达6～10 m/s，水流已经能够冲刷所有块石，冲刷速度显著加大，溯源侵蚀形成的陡坎快速向口门推进，侧蚀与底蚀交替发展，口门快速打开，快速达到溃决高峰。
中国科学院成都山地灾害与环境研究所的王道正等[12]研究也表明：堰塞体的平均粒径对坝体的溃决特征具有显著影响，平均粒径越大，堰塞体整体抗冲刷能力越强，溃口发展速度越慢，溃决洪峰流量就越小，达到洪峰流量的时间也相对滞后。
考虑到堰塞湖应急抢险期间勘察试验环境及可利用时间因素，将堰塞体颗粒分布曲线的中值对应的颗粒作为衡量堰塞体抗冲刷性能的特征值，即依据中值粒径d50小于2，2～20，20～200 mm和大于200 mm划分为危险性极高、高、中等、低，对应物质颗粒为土或砂、砾、碎石、块石四类，这与GB50021-2001《岩土工程勘察规范》[13]土的分类一致，也便于现场应急抢险人员根据已有工作经验快速进行堰塞体物质组成的危险性分级。
2.4堰塞体几何形态
堰塞体几何形态对堰塞体危险性的影响主要为堰塞体高度和顺河向长度。堰塞体高度不仅影响堰塞湖库容和堰塞湖溃决时的水流势能、冲刷进程和溃决洪峰流量，还会影响溃口的冲刷深度。堰塞体越高，溃流时的势能越大，冲刷下切能力越强，溃口洪峰越大，下泄洪量增加，给下游带来的洪水风险也会越大。2018年金沙江白格滑坡2次失稳堵江。其中，“10·10”滑坡堵江垭口高程约为2 932 m，垭口堆积高度约为62 m，溃决后口门河床高程约为2 900 m，溃深32 m，接近1/2溃决。“11·3”滑坡堵江垭口高程约为2 966 m，开挖引流槽后高程为2 954 m，从天然河床起算的堆积高度为84 m，从上次溃决后河床起算的堆积高度为59 m，溃决后口门河床高程为2 904 m，溃深50 m，接近3/5溃决。这表明在同样的堰塞体材料条件下，溃深随堰塞体高度增大而增大。参考SL274-2020《碾压式土石坝设计规范》[14]，可将坝高分为小于15，15～30，30～70，大于70 m 4個级别，对应的危险性逐级升高。
堰塞体顺河向长度越长，流道溯源冲刷需要的时间越长，下泄洪水坦化越明显。堰塞体顺河向的长度与其高度的比值越大，堰塞湖溃口流道的水力梯度越小，冲刷力也越小，堰塞体长高比与堰塞体危险性呈反比。统计国内外54例堰塞体长高比（L/H）与堰塞湖存活时间关系如图3所示。
统计关系显示：L/H≤5时，堰塞湖漫顶数天后溃决;20>L/H>5时，自然冲刷数10 d至数月后溃决;L/H≥20时，存活1 a以上。
鉴于堰塞体高度同时影响水流势能和库容，是堰塞体几何形态影响堰塞体危险性的主要因素，而堰塞体长度起着延缓水流冲刷的作用，对堰塞体危险性影响稍弱，故以高度作为分级的主要因素，以堰塞体的长高比作为修正因素，根据2个指标的组合条件进行分级，如表1所列。
3新的堰塞体快速评价方法与案例应用
首先根据堰塞湖库容、上游来水量、堰塞体物质组成和堰塞体形态，对堰塞体的危险性单指标进行判别，如表2所列。
再采用加权平均法，对堰塞体危险性进行综合判别：
A=（a1A1+a2A2+a3A3+a4A4）/4（1）
式中：A 为综合判别的分值;a1，a2，a3，a4为4个指标对应的权重值，可根据4个指标的重要性进行选择，其和为4，不分主次时都取为1;A1， A2，A3， A4为4个指标的危险性级别赋分值，极高危险、高危险、中危险、低危险分别赋值为4，3，2，1。当A≥3.00时判定为极高危险，当2.25≤A<3.00时判定为高危险，当1.50≤A<2.25时判定为中等危险，当A<1.50时为判定为低危险。
在公式（1）计算判定的基础上，增加附加判据：① 当上游来水量<10 m3/s或堰塞湖库容<0.01亿m3时，堰塞体危险性等级宜直接判别为低危险等级;② 考虑渗透破坏或滑坡涌浪及地震余震进行调整，当下游坡面渗流揭示有渗透破坏，即有细颗粒持续带出，或上游滑坡涌浪到达堰塞体时的高度大于2 m，或预测存在较大强度余震且对堰塞体整体稳定构成严重影响时，可在表2基础上调高堰塞体危险性一个等级，同时具有2个及以上不利因素时，可调高1～2个危险性等级，直至极高危险等级。
根据本文确定的堰塞体风险等级快速评价方法，对典型堰塞体进行危险性划分，如表3所列。
由表3可以看出：当库容和来水量都大、为危险性极高等级时，堰塞体高度一般都较大，这种情况下，堰塞体几何形态的危险性级别一般也为高或极高，按本文判定方法确定的堰塞体危险性都为极高风险，与实际吻合性很好;当库容或来水量小时，仅按公式计算判定易于将堰塞体危险等级划分过高，而增加本文提出的附加判据后，判定结果与实际情况较为吻合。
5结 论
（1） 堰塞体危险性包含堰塞体会不会溃决、溃决时的进程、溃决的洪峰流量3个方面内容，因此选定堰塞湖库容、上游来水量、堰塞体物质组成和几何形态等4个指标作为堰塞体危险性快速评价主要指标，选定渗透破坏、堰塞湖区崩塌滑坡涌浪及地震余震等3个指标作为修正指标。
（2） 四指标评价方法既能考虑堰塞湖溃决的可能性、流域堰塞湖群连溃洪水叠加，也能考虑溃决洪水的大小。当库容较小时，堰塞湖溃决的洪水小;当上游来水量小时，堰塞体溃决可能性小，堰塞体危险性小。按等权重进行判定时，易将堰塞体危险等级划分偏高，而按增加的附加判据进行调整判定后，判定结果与实际情况吻合性好。
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（编辑：赵秋云）
