郭國和，吳國雄，程尊蘭

(1.同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，上海201804;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074;3.中國科學(xué)院地表過程與動力學(xué)重點試驗室，四川成都610041)

堵江災(zāi)害主要是堰塞湖庫區(qū)對上游的淹沒和潰壩洪水對下游的淹沒和沖刷，以及由此引發(fā)的次生災(zāi)害。川藏公路南線(西藏境內(nèi))地質(zhì)地貌和氣候環(huán)境條件特殊，冰雪崩或其形成的堆積壩潰決、冰湖潰決、滑坡(含崩塌)或其堵塞壩潰決等所激發(fā)的泥石流多次發(fā)生，由于這類泥石流開始時的流量特別大，流速非?？欤趾写罅烤薜[，極易形成堵塞壩，而且規(guī)模較大[1]。例如，林芝縣的培龍溝1984年和1985年的兩次特大冰崩型泥石流均形成堵塞壩，回水淹埋了上游6 km的川藏公路;潰壩后，涌波又沖毀了下游2 km川藏公路和沿程的5座橋梁，至今這上下游共8 km的路段成為川藏公路著名的“盲腸”，經(jīng)常發(fā)生斷道和翻車事故[1-2]。類似的例子在川藏公路沿線的米堆溝、古鄉(xiāng)溝、東茹弄巴等都曾發(fā)生過[1-3]。

天然堵江壩潰決造成的洪水突發(fā)性強，持續(xù)時間短，洪峰巨大，容易給下游河道造成災(zāi)難性破壞，因此人們試圖通過預(yù)測可能潰壩洪水的洪峰最大值來解決這個問題。1984年美國天氣局的Fread提出了預(yù)測土壩潰口特征和洪水過程的數(shù)學(xué)模型[4]。1988年Costa等對各種類型的堵江天然壩成因與潰壩洪水峰值流量進行了比較全面的歸納研究，并從能量觀點出發(fā)，結(jié)合12個滑坡壩潰決實例建立了洪峰流量公式，但用此關(guān)系式來預(yù)測南美危地馬拉的La Josefina滑坡壩潰決洪峰流量，結(jié)果并不令人滿意[5]。Clague，Cenderelli等分別對不列顛哥倫比亞省和尼泊爾在珠穆朗瑪峰地區(qū)的冰磧湖的潰壩機理和洪水進行了系統(tǒng)研究[6-7]。Waythomas對阿拉斯加查卡查納河火山碎屑堵塞壩成因與潰決洪水進行了研究[8]。Fenton等研究了美國亞利桑那州大峽谷更新世熔巖壩的潰決洪水洪峰流量[9]。

國內(nèi)的柴賀軍對岷江上游扣山古滑坡堵江壩進行了野外調(diào)查和室內(nèi)試驗，并進行了壩體穩(wěn)定性分析和潰壩洪水預(yù)測[10]。晏鄂川等對岷江疊溪滑坡堵江壩潰決洪水流量、洪峰及其演進過程進行了理論分析，建立了一套預(yù)測潰壩洪水特征的計算公式，實例驗證效果較好[11]。馮焱等對1967年雅礱江天然壩的潰壩洪水和潰壩過程進行了調(diào)查和研究[12]。陳儲軍采用美國天氣局的BREACH模型和計算機程序，估算了西藏年楚河上游冰川終磧湖白湖的潰決洪水[13]。陳德明等對泥石流與主河水流交匯機理進行研究，并提出了泥石流堵河的臨界條件[14];吳積善、程尊蘭等分析了西藏東南部泥石流壩的形成機理[1];黨超等以試驗為基礎(chǔ)提出了泥石流壩的3種潰決形式[15]。朱勇輝等對國外40 a來出現(xiàn)的土壩潰決模型進行了分類和總結(jié)[16]。

從已有的文獻(xiàn)看，關(guān)于泥石流壩的研究，不論是國內(nèi)還是國外都比較少，研究起步較晚，而且主要是圍繞著堵塞壩的形成條件開展的，對于泥石流壩形成后的穩(wěn)定性及潰壩洪水特征則涉及較少。本文采用室內(nèi)試驗來模擬堵塞壩的潰決過程，并通過試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析對潰壩洪水過程展開研究。

1 潰壩模型試驗與數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

(1)泥石流壩概化模型。試驗因素的選擇和參數(shù)取值由川藏公路南線典型泥石流堵塞壩概化確定(見表1)。

表1 泥石流壩概化模型參數(shù)

(2)模型砂的配置。模型砂的配置需滿足在粒徑范圍和連續(xù)性方面的相似性。模型砂的粒徑范圍按相似比尺1∶100縮放為0～2 cm。在連續(xù)性方面，以培龍溝1985年堵塞壩物質(zhì)級配為參考，最終確定模型砂樣品的顆粒組成(圖1)。

圖1 擬配模型砂樣品的顆粒組成

(3)模型平面布置。試驗的主要裝置由供流系統(tǒng)、試驗槽和集水池3部分組成(圖2)。其中供流系統(tǒng)由蓄水池、抽水裝置、調(diào)流池、三角堰、分流設(shè)施、前部引流過渡段組成，并通過三角堰河和調(diào)水閥門按設(shè)計要求供給相應(yīng)歷時的主河流量。

水槽長5 m，寬0.55 m，高0.3 m，外側(cè)為玻璃壁，水槽縱比降為3%，它是泥石流壩潰決試驗的關(guān)鍵部分，設(shè)計要求能方便地調(diào)整槽底的縱比降，并利于觀測數(shù)據(jù)和泥石流堵塞壩的堆放。集水池用于收集壩體潰決洪水尾流。

圖2 模型試驗平面布置

(4)試驗觀測記錄手段。在試驗中，聯(lián)合標(biāo)尺法、錄像解析法、浮標(biāo)法等對潰壩過程進行觀測記錄。

1.2 試驗數(shù)據(jù)觀測與潰壩類型統(tǒng)計

通過在中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室進行13組泥石流壩潰決模型試驗，詳細(xì)觀測試驗過程，并記錄在不同壩體形態(tài)、結(jié)構(gòu)和不同的河道特征條件下，泥石流壩的潰決過程、潰口過流寬度、庫區(qū)水位、壩下游水位和壩址處洪水流量變化情況，得到泥石流壩潰決洪水時變過程參數(shù)，為理論研究提供基本數(shù)據(jù)。

這里參照文獻(xiàn)[15]提出的泥石流壩3種潰決形式，將模型試驗數(shù)據(jù)及潰壩類型列于表2。試驗中也可以發(fā)現(xiàn)，沖刷型潰決具有坡面松散顆粒以推移質(zhì)形式啟動和陡坎發(fā)育兩個階段;集中的過壩水流從壩頂開始沖刷壩體，泥砂在坡面集中水流的作用下開始啟動并形成含砂水流或稀性泥石流，但其啟動的范圍一般情況下只限于沖刷的壩頂和坡面的沖溝及其兩側(cè)，且擴展相對較慢，溝槽縱坡大致在穩(wěn)定沖刷平衡比降。水力型泥石流再啟動時，泥石流物質(zhì)在溢壩表面流的滲透作用和拖拽力作用下，逐漸以一定厚度的堆積物重新開始向下游運動。重力再啟動是當(dāng)過流一段時間后，由于泥石流堆積物含水量的增加，同時在壩體中孔隙水壓力的作用下，使壩體的抗沖刷強度降低而造成坡面穩(wěn)定性破壞，壩體下游坡面上出現(xiàn)大面積的泥石流堆積物再啟動(坍塌滑移)現(xiàn)象。

表2 試驗數(shù)據(jù)及潰壩類型統(tǒng)計

通過對13組模型試驗潰壩過程分析認(rèn)為，沖刷型潰決、水力再啟動、重力再啟動3種潰壩形式對應(yīng)各為4組，6組，3組。

2 潰壩流量過程分析

2.1 洪峰流量與潰壩類型的關(guān)系

就泥石流壩潰口發(fā)育的3種方式而言，水力再啟動潰決和重力再啟動潰決的洪水歷時相對比較接近，而沖刷型潰決的洪水歷時則要長的多(圖3)。這是因為，對于沖刷型逐漸潰決，堵塞壩潰口是比較緩慢地發(fā)展的，由溢流、坡面松散顆粒啟動、陡坎發(fā)育、壩頂拉通形成潰口、潰口拓寬刷深等一系列循序漸進的過程組成，庫區(qū)水是較為平穩(wěn)均勻的排泄出去，所以洪水過程持續(xù)時間長，洪峰流量小;而重力再啟動型潰決以潰口無發(fā)育或很小為特征，以坡面整體失穩(wěn)的形式引發(fā)大面積泥石流體再復(fù)活啟動，潰決過程較為迅猛，堰塞湖庫區(qū)水在很短時間內(nèi)向下游涌出，潰壩洪水流量大。在試驗條件相同時，水力再啟動這種潰決方式是由表面流的表層泥石流堆積體復(fù)活啟動，相對于重力再啟動而言，在管涌、滲流以及較大的溢壩坡面流的作用下，達(dá)到最大洪峰流量之前已有更多的堰塞湖水下泄，因而洪峰流量較重力再啟動的小。

圖3 不同潰決方式的洪水歷時對比

圖4中，沖刷逐漸潰決型潰決洪水的洪峰流量都低于4 L/s，大致集中在2～4 L/s的范圍;水力再啟動型潰決洪水的洪峰流量均集中在4～8 L/s的范圍內(nèi);而泥石流重力再啟動型潰決洪水的洪峰流量都大于4 L/s，大致處于4～10 L/s的范圍。重力再啟動型潰決的洪峰流量之所以會在很大范圍內(nèi)變化，比如試驗6中的最大流量達(dá)到了10 L/s，是因為試驗設(shè)計的主河流量也是最大流量1.4 L/s。同時，試驗中還有很多因素影響著洪峰流量，相對較高的壩體，較窄的頂寬，壩體下游坡度大，堆積嵌鎖差，巨礫含量少，級配偏細(xì)，含水量大，空隙率大以及主河流量較大，河床縱比降較大的工況下，管涌或滲流速度會加快，從而可能導(dǎo)致較大的潰壩洪水。從試驗觀察與數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，與泥石流壩潰決洪水流量關(guān)系最大的就是堵塞壩的潰決形式。

圖4 不同潰決方式的洪峰流量對比

2.2 洪峰流量與上游來水量的關(guān)系

模型試驗在上游來水量方面只做了4組不同工況，即對 20 cm 壩高條件下 ，0.25 ，0.5，1，1.4 L/s上游來水量進行了試驗，分別為試驗2，1，3和 6。根據(jù)試驗結(jié)果，洪峰流量、洪水歷時與上游來水量的關(guān)系如圖5所示。

圖5 洪峰流量、洪水歷時與上游來水量關(guān)系

從圖5中可以看出，堵塞壩潰決的洪峰流量與上游來水量有近似正比的線性關(guān)系，洪水歷時隨著其增大而縮短。這也不難理解，較大的上游來水量會提高堰塞湖庫區(qū)水位的上漲速度，并對堵塞壩體產(chǎn)生較大的涌波壓力，加速管涌、滲流的進程。同時，壩體下游坡面松散顆粒在較大水頭的溢壩水流推移搬運作用下，潰決初期潰口發(fā)育的速度快，潰決過程快，潰口底部物質(zhì)在較短的時間內(nèi)達(dá)到?jīng)_刷平衡比降，洪峰流量自然就大。但是一旦潰口發(fā)育到最大時，而上游來水量只占洪峰流量的很少比重，洪峰流量主要由潰決下泄的庫區(qū)水所貢獻(xiàn)。培龍溝1985年泥石流堵塞壩潰決最大流量為主河平均流量的10多倍[2]，這可能是與災(zāi)害的規(guī)模效應(yīng)有關(guān)，并不能完全由室內(nèi)模型試驗反映出來。

2.3 洪峰流量與庫區(qū)水量的關(guān)系

關(guān)于天然土石壩的研究認(rèn)為[5]，洪峰流量與庫區(qū)水的勢能關(guān)系很大。但是通過試驗可以看出，只有試驗3和4的庫區(qū)水量不同，而其它11組試驗的庫區(qū)水量是相同的，在這些幾乎相同庫區(qū)水勢能條件下產(chǎn)生的潰決洪水流量差異很大。這是因為潰決形式是影響潰決過程和洪峰流量的主導(dǎo)因素，在同種潰決形式下的潰決洪水洪峰流量與庫區(qū)水的勢能是密切相關(guān)的。

雖然每次試驗中潰決洪水流量的大小不同，但是潰決洪水的時變水過程曲線都是相似的。下面研究一下洪峰流量出現(xiàn)時刻與庫區(qū)水的的勢能釋放比例的關(guān)系以及洪峰時刻在時間軸上的位置。

在圖6中，去掉了試驗8的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)潰決過程中的洪峰位置出現(xiàn)在庫區(qū)水下泄30%～50%的時候，平均值為38.58%。也就是說，在庫區(qū)水量下泄大約1/3～1/2之間時，整個洪水過程最大流量出現(xiàn)。而根據(jù)現(xiàn)場考察，由于泥石流壩體結(jié)構(gòu)和形成條件的特殊性，堰塞湖形成距潰決時間一般不會太久，洪水持續(xù)時間前期峰值流量的出現(xiàn)對搶險救災(zāi)具有直觀的指導(dǎo)作用。

圖6 不同潰決方式洪峰時刻前下泄庫區(qū)水量的比例

2.4 洪峰時刻在時間軸上的位置

從圖7可以看到，洪峰時刻在時間軸上的位置主要集中在整個洪水歷時的20%～50%之間，平均值為33%。也就是說不論哪種類型的潰決，其洪峰時刻出現(xiàn)在整個洪水歷時大約1/3的時刻。這樣一旦泥石流壩形成，能根據(jù)已有潰壩資料并在第一時間內(nèi)采集到堵塞壩參數(shù)與地形、地貌、氣象數(shù)據(jù)等資料，預(yù)估洪水可能的持續(xù)時間。

由于泥石流壩形成條件的特殊性，它潰決產(chǎn)生的洪水有周期短，洪峰巨大等特點。例如，培龍溝1985年特大型冰川泥石流堵塞主河后的潰決洪水達(dá)30 646.61 m3/s[2]。從川藏公路典型泥石流壩潰決過程來看，泥石流壩潰決過程要比洪水過程短的多，一般是在很短的時間內(nèi)堵塞壩就沖刷到底(大約1～1.5 h)，而洪水過程要持續(xù)很長一段時間(大約幾個小時甚至1 d)。認(rèn)識到這一點，對于潰壩洪水預(yù)測和下游應(yīng)急減災(zāi)尤為重要。

圖7 不同潰決方式洪峰時刻在時間軸上的位置

2.5 多因素交叉作用分析

以上基于室內(nèi)試驗從潰決方式、洪水歷時、洪峰時刻、上游來水量、庫容方面對泥石流壩潰決流量過程規(guī)律進行了統(tǒng)計分析，但它們之間因受影響壩體潰決過程的多種因素交織作用而相互關(guān)聯(lián)。3種潰壩方式具有不同的潰口發(fā)育速度，若上游來水量大，庫容大，潰決流量大，則潰口發(fā)展快，洪水歷時短且流量大，洪峰時刻靠前;若上游來水量小，庫容小，潰決流量小，則潰口發(fā)展慢，洪水歷時長且流量小，洪峰時刻滯后。也就是說，不同的壩體條件和主河條件，通過影響壩體潰決的不同方式，從而影響庫水泄流時間和洪峰流量。

3 結(jié)論

泥石流壩的潰決過程及其洪水運動是一種非常復(fù)雜的自然現(xiàn)象，由于此類現(xiàn)象多發(fā)生在人煙稀少，構(gòu)造強烈的山區(qū)，而且泥石流壩存在時間一般不會很長，潰決后形成規(guī)模巨大的洪水，因此泥石流壩形成及潰決的具體資料很少。本文在模型試驗的基礎(chǔ)上，對潰壩流量過程特征進行研究，得出洪峰流量與潰壩形式、洪水歷時以及洪峰時刻之間的規(guī)律，以期為泥石流壩潰決洪水預(yù)測及川藏公路沿線應(yīng)急避險減災(zāi)提供依據(jù)。然而，由于泥石流壩潰決問題的復(fù)雜性和影響因素的交互性，試驗?zāi)Ｐ团c野外原型必然存在某種程度上的差異，研究成果仍需通過更多現(xiàn)場資料進一步驗證和完善。

[1] 吳積善，程尊蘭，耿學(xué)勇.西藏東南部泥石流堵塞壩的形成機理[J].山地學(xué)報，2005，23(4):399-405.

[2] 朱平一，何子文，汪陽春，等.川藏公路典型山地災(zāi)害研究[M].成都:成都科技大學(xué)出版社，1999.

[3] 羅德富，毛濟周.川藏公路南線(西藏境內(nèi))山地災(zāi)害及防治對策[M].北京:科學(xué)出版社，1995.

[4] Fread D L.Breach:a erosion model for earthen dam failures[R].National Weather Service(NWS)Report，NOAA，Silver Spring，M A，1984.

[5] Costa J E，Schuster R L.The formation and failure of natural dams[J].Geological Society of America Bulletin，1988(100):1054-1068.

[6] Clague J J，Evans S G.A review of catastrophic drainage of moraine-dammed lakes in British Columbia[J].Quaternary Science Reviews，2000(19):1763-1783.

[7] Cenderelli D A，Wohl E E.Peak discharge estimates of glacial-lake outburst floods and“normal” climatic floods in the Mount Everest region，Nepal[J].Geomorphology，2001(40):57-90.

[8] Waythomas C F.Formation and failure of volcanic debris dam in the Chakachatna River valley associated with eruptions of the spur volcanic complex，Alaska[J].Geomorphology，2001(39):111-129.

[9] Fenton C R，Robert H W，Thure E C.Peak discharge of a Pleistocene lava-dam outburst flood in Grand Canyon，Arizona，USA[J].Quaternary Research ，2006(7):324-335.

[10] 柴賀軍，董云，李紹軒，等.大型天然土石壩的潰壩方式及其環(huán)境效應(yīng)分析[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2005，16(2):172-176.

[11] 晏鄂川，鄭萬模，唐輝明，等.滑坡堵江壩潰決洪水及其演進的理論分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2001(6):14-22.

[12] 馮焱，夏毓常，陳愈炯.雅礱江天然壩的潰壩洪水和潰壩過程[J].水力發(fā)電學(xué)報，1994(4):61-69.

[13] 陳儲軍，劉明，張幟.西藏年楚河冰川終磧湖潰決條件及洪水估算[J].冰川凍土，1996，18(4):347-352.

[14] 陳德明.泥石流與主河水流交匯機理及其河床響應(yīng)特征[D].北京:中國水利水電科學(xué)研究院，2000.

[15] 黨超，程尊蘭，劉晶晶.泥石流堵塞壩潰決模式實驗[J].災(zāi)害學(xué)，2008，23(3):15-19.

[16] 朱勇輝，廖鴻志，吳中如.國外土壩潰壩模擬綜述[J].長江科學(xué)院院報，2003，20(2):26-29.