解家畢，丁留謙，張啟義

（中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

冰磧湖是冰舌表面湖擴展的結(jié)果，或是由終磧/側(cè)磧堰塞溝谷積水形成的湖泊。在全球氣候變暖、高海拔地區(qū)特別是熱帶高海拔地區(qū)變暖趨勢更為明顯的背景下，冰川普遍退縮，冰川災(zāi)害事件增多，冰磧湖變得不穩(wěn)定，潰決風(fēng)險增大。

一、冰磧湖潰決的誘因與災(zāi)害評估

冰磧湖潰決的誘因與潰決機制是兩個不同的概念，前者是指導(dǎo)致冰磧湖潰決因素，后者是指冰磧湖潰決洪水形成過程。潰決誘因主要有冰/雪崩、降水以及冰內(nèi)湖水釋放等引起的冰磧湖水位上升、冰磧壩內(nèi)死冰消融、堤壩管涌擴大、地震等。Yamada在研究尼泊爾境內(nèi)喜馬拉雅山冰湖時，把冰磧湖潰決誘因分為外部誘因(如冰/雪崩、降雨、地震等)和內(nèi)部誘因(如冰磧壩內(nèi)死冰消融、管涌等)。許多冰湖往往是某一種誘因激發(fā)其他因素改變，或者多種誘因共同作用導(dǎo)致潰決。通過Richardson和 Reynolds等學(xué)者的分析可知冰崩和冰滑坡是冰磧湖潰決的主要誘因。

冰磧湖潰決風(fēng)險評價指標(biāo)體系大致可分為定性、半定量和定量三類。王欣根據(jù)McKillop等在篩選冰磧湖潰決參數(shù)時把評價指標(biāo)分為冰磧湖參數(shù)、冰磧壩參數(shù)、母冰川、冰湖盆參數(shù)以及它們之間相互關(guān)系的思想，歸納得出冰磧湖潰決風(fēng)險評價指標(biāo)如表 1。

表1中各項指標(biāo)能定性、半定量地評估冰磧湖潰決風(fēng)險。近年，定量估算冰磧湖潰決風(fēng)險研究也取得較大進展。有學(xué)者將母冰川危險冰體的體積與湖水體積比值(R)的倒數(shù)定義為冰湖潰決危險性指數(shù)(Idi)，即Idi=1/R，R值越大其發(fā)生潰決的概率越小，并計算出西藏若干個冰湖的潰決危險性指數(shù)變化于0.054～0.73之間。

在冰磧湖潰決過程中常伴有泥石流發(fā)生。潰決洪水流經(jīng)的下游河床比降小且山谷開闊時，或者河段泥沙少，則僅發(fā)生洪水或“碎屑洪水”（debris flood）。如果河床比降足夠大，且攜帶大量泥沙，則潰決洪水將轉(zhuǎn)化為泥石流（debris flow），潰決泥石流顯示為黏塑性且為層狀。如果不能準(zhǔn)確估計潰決洪水的流動特性，即對潰決洪水仍保持為洪水還是將轉(zhuǎn)化為泥石流估計錯誤，則會導(dǎo)致減災(zāi)措施的不合理，造成不必要的設(shè)施損壞和生命損失。

潰決洪水（泥石流）的流動特性包括洪峰流量、潰決泥石流量、行進距離和淹沒面積等特性。其中，洪峰流量是最重要的一個量值；潰決泥石流體積將影響行進距離和淹沒面積，也較重要。冰磧湖潰決洪水（泥石流）的模擬主要從湖水量計算、潰決洪峰估算、泥石流體積估算、潰決洪水（泥石流）最遠距離估算、淹沒面積估算等方面進行。

表1 冰磧湖潰決風(fēng)險評價指標(biāo)

二、冰磧湖應(yīng)急泄流方法

為了防止湖水潰決發(fā)生洪水，需要提前對有險情的冰磧湖進行排險。從冰磧湖潰決的誘因分析可知，應(yīng)急泄流、提前釋放湖水是最可行的排險方式。冰磧湖應(yīng)急泄流應(yīng)根據(jù)地質(zhì)特點、穩(wěn)定條件和險情是否緊迫等因素，考慮以下兩種思路：①分析形成沖切條件，論證造成溯源沖刷的可能，放空庫容；②保證壩體穩(wěn)定，降低水位，降低風(fēng)險等級，實現(xiàn)減災(zāi)目的。

第一種思路要利用工程措施形成泄流渠，利用泄洪水力逐步?jīng)_蝕壩體，拓寬泄流渠，實現(xiàn)降低水位、放空大部分庫容的目的。這種方法可滿足快速除險要求，但形成的洪峰流量較難控制，對下游可能會產(chǎn)生較大的影響，適用于短期內(nèi)壩體存在潰決風(fēng)險的冰磧湖。第二種思路要求泄洪措施安全穩(wěn)定，泄洪流量可控，因此對下游影響較小，適用于壩體穩(wěn)定、短時間內(nèi)不會產(chǎn)生潰決的冰磧湖。一般在冰磧湖應(yīng)急處置過程中限于客觀條件，應(yīng)在初期階段首先實現(xiàn)，以達到第一時間降低冰磧湖風(fēng)險等級和減災(zāi)的目的。

其次，通過行業(yè)能力需求確定產(chǎn)出目標(biāo)。課程組走訪和調(diào)查部分專業(yè)相關(guān)的用人單位和畢業(yè)生，了解了他們對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的要求。發(fā)現(xiàn)在實踐工作中計算機專業(yè)的學(xué)生不但要具有較好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識和實踐能力，還需要有較強陳述發(fā)言、自主的持續(xù)學(xué)習(xí)、創(chuàng)新能力以及較好的團隊合作意識等。

1.形成沖切條件泄流方式

開挖泄流渠是緊急處置冰磧最簡單和最常用的方法。

開渠引流沖切泄流處理冰磧湖時，應(yīng)根據(jù)泥沙起動和推移質(zhì)運動規(guī)律，估算人工引流渠的沖刷發(fā)展過程。人工引流渠的沖刷發(fā)展與上游水位、冰磧湖庫容、引流渠尺寸、引流渠床面及兩岸物質(zhì)組成有直接關(guān)系。引流渠的沖刷發(fā)展過程計算步驟包括：①確定床面不同粒徑物質(zhì)的起動流速，②確定引流渠的流速發(fā)展過程，③計算引流渠的沖刷發(fā)展過程。

推移質(zhì)起動流速的計算方法很多，這些方法計算得到的起動流速不僅差別很大，而且由于多數(shù)方法是在一定的粒徑范圍、水深范圍、流速范圍內(nèi)推導(dǎo)而得的，在實際應(yīng)用中有很大局限性。在實際中，冰磧壩的物質(zhì)組成級配很寬，引流渠水力條件變化迅速且范圍大，因此選擇一個使用范圍較廣，且具有一定精度的推移質(zhì)起動流速計算方法是模擬人工引流渠沖刷發(fā)展的關(guān)鍵。

引流渠的沖刷發(fā)展過程與冰磧壩的潰決過程密切相關(guān)。研究人員通過大量觀測得出，滑坡堰塞壩、冰磧壩與人工填筑土石壩都屬于逐漸潰決型壩體，逐漸潰決壩體潰口剖面沖刷發(fā)展過程包括表層沖刷和溯源沖刷兩種，而表層沖刷從立面上看又包括潰口底部沖刷與橫向擴展沖刷兩種過程。因此，一個潰口沖刷發(fā)展過程包括了潰口底部表面沖刷、潰口兩側(cè)擴寬沖刷、壩體后坡面溯源沖刷等三種情況。其中，潰口底部表面沖刷主要為水流剪切的普通沖刷過程；潰口兩側(cè)擴寬沖刷則除了水流剪切的普通表面侵蝕外，還可能包含兩岸邊坡的坍塌擴展；壩體后坡面的溯源沖刷更加復(fù)雜，水流作用力已不再是簡單的床面剪切，而是局部淘刷與水流沖擊作用導(dǎo)致的壩體物質(zhì)搬移運動，也可能包含了壩體物質(zhì)的崩塌與垮塌等多種物理過程。從目前的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，天然壩的潰口發(fā)展過程的物理模型不成熟，很難模擬潰口沖刷的三種過程。目前，在對天然壩進行人工開挖泄流渠泄流設(shè)計時，一般的做法是根據(jù)天然壩的實際條件，根據(jù)專家經(jīng)驗判斷天然壩的幾種可能潰決形狀，計算潰口流量及其發(fā)展過程和相應(yīng)的下游演進過程。根據(jù)最危險的洪水制定預(yù)警和應(yīng)急轉(zhuǎn)移方案，通過各種措施控制潰決洪水滿足下游相應(yīng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

（1）泄流渠的設(shè)計

人工開挖泄流渠引起沖切泄流設(shè)計時，需考慮地質(zhì)條件、施工條件、水力條件等因素?？刂扑髟诳烧瓶胤秶?，既要避免水能過大導(dǎo)致快速潰決，又要充分利用水力搬運能力挾帶土石，從而沖深、拓寬過流斷面，加大過水能力。盡量做到渠道上下游段分段保護，上游段相對穩(wěn)定安全，下游段借助水力沖刷。

泄流渠的設(shè)計需要注意幾個關(guān)鍵問題：

②過流流速確定。泄流渠道設(shè)計過流流速的大小，主要按冰磧湖壩體的潰決方式和下游的防洪能力來確定。泄流渠不淤臨界流速一般較低，與水中含砂量及泥沙運行規(guī)律有關(guān)，通常情況大于0.5m/s，泄流時流速較大較易滿足不淤條件。為形成溯源沖刷，泄流渠過流流速可高于不沖臨界流速。不沖臨界流速可借鑒砂質(zhì)土、礫石土、砂卵石渠床的列維公式進行計算：

式中，VH為臨界不沖流速，m/s；dcp為渠床土粒平均粒徑，m；A為與渠床土壤密實程度有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)；R為水力半徑，m。

③泄流渠進出水口確定。泄流渠進出水口的布置應(yīng)有利于進水和出水的銜接，盡量消除回流、渦流的不利影響。泄流渠進口可建成逆坡，防止劇烈沖刷。進出水口方向與主渠道的交角不宜太大。進出水口的高程根據(jù)上游庫容、上游水位上升趨勢、壩體潰決方式、下游防洪標(biāo)準(zhǔn)、泄流渠長度和坡度以及現(xiàn)場施工能力等因素設(shè)計選擇。

④泄流渠渠線布置。渠線布置要充分考慮堰塞體的成因、地質(zhì)和水文條件，以滿足泄流流量、泄流渠安全穩(wěn)定為原則。開渠部位宜選粒徑較大、較穩(wěn)定的區(qū)域，避免引起壩體突然潰決，但同時要考慮上游來水情況、施工能力等因素，力爭在保證壩體穩(wěn)定的條件下選取工程量較小、施工難度較小的開渠部位。渠線可布置于天然壩與山體的接合處、天然壩中部、壩頂軟硬接合部等。

⑤泄流渠斷面形式及尺寸。冰磧湖泄流渠斷面可選用的形式有梯形、多邊形、矩形及復(fù)式斷面等。在應(yīng)急搶險過程中泄流渠通常選用梯形。渠道斷面可分為寬淺與窄深兩類。寬淺斷面水流穩(wěn)定，不易引起渠底沖刷，但所需斷面較大，位置選取較為困難。窄深斷面利于利用水流挾帶能力，逐步擴寬切深斷面。泄流渠過水?dāng)嗝娉叽缛Q于泄流流量、允許抗沖流速和施工能力的要求。泄流渠一般設(shè)計為窄深狀，以便充分利用水流的挾帶能力，逐步擴寬切深斷面。渠底坡度的選取應(yīng)以不引起淤積、沖刷為宜，經(jīng)驗取值1/400～1/10 000?？煞侄芜M行設(shè)計，入口段宜為低坡或逆坡，中間段宜為平坡，下游段取較大坡度。

⑥泄流渠防護形式確定。泄流渠進口盡量布置防護措施，邊坡可采用鋼筋石籠（鉛絲籠）或就地采用大塊石進行防護。為形成沖刷條件，渠道出口邊坡和渠底可不進行防護。如唐家山泄流渠設(shè)計局部采用鉛絲籠進行防護。

（2）施工方法

泄流渠開挖時，要選擇最不利于蓄水瞬間集中下泄的方法，以避免蓄水短時間集中下泄，減小下泄流量。泄流渠開挖施工主要手段包括開挖、爆破、挖爆結(jié)合、水力沖切等。參見表2。

2.壩體穩(wěn)定泄流方式設(shè)計

對于壩體穩(wěn)定、短期內(nèi)不會潰決或者入庫流量較小的冰磧湖，可采用泵站抽水、虹吸排水、泄流渠泄水等方法。

（1）設(shè)置泵站抽水

適用于河道較狹窄、水面面積不大、水位較深的冰磧湖；對于湖面面積較大、水位較淺的冰磧湖則不適宜。該方法受電力條件的制約，且泄洪能力有限，適宜于小型冰磧湖緊急泄水。泵站泄洪計算需根據(jù)洪水演算、壩體穩(wěn)定要求確定泵站排水流量。要求所選泵型應(yīng)滿足運行安全可靠、揚程流量合理、結(jié)構(gòu)重量條件便于運輸施工等要求。

（2）虹吸排水

具有工程量小、施工方便、節(jié)約勞動力的特點，在電力條件不能滿足的情況下，該方法具有明顯優(yōu)勢。但該方法抽水高程有限，排水能力有限，可配合其他方法使用。虹吸排水包括注水式和抽真空式。

（3）開挖泄流渠

壩體穩(wěn)定泄流與形成沖切條件泄流兩者之間最大的區(qū)別是泄流渠的穩(wěn)定問題，后者要對渠道形成溯源沖刷，而前者則要形成穩(wěn)定的渠道，具體區(qū)別參見表3。

3.冰磧湖排險實例

2005年8月—2006年7月，位于西藏日喀則地區(qū)定結(jié)縣東南部的皮達湖和龍巴薩巴湖的排險，成功探索了高海拔、交通和通信不暢環(huán)境下冰磧湖人工排險的新經(jīng)驗，為永久性凍土層開挖設(shè)備的選擇、配套組合、施工組織積累了一定的施工經(jīng)驗。也為在高海拔地區(qū)極度缺氧情況下人員、機械作業(yè)提供了實踐依據(jù)。皮達湖、龍巴薩巴湖是首尾相連的兩個冰磧湖，皮達湖在上游，海拔約5 573 m，高出龍巴薩巴湖76 m。排險方案采取機械開挖方式，先在上游皮達湖壩體上開挖一條泄水明渠，降低湖內(nèi)水位，減少湖內(nèi)水量，同時減少了龍巴薩巴湖的補水量，而后再開挖下面的龍巴薩巴湖泄水明渠，降低湖水位，使兩湖壩體保持基本穩(wěn)定狀態(tài)，減少潰壩對下游的洪水危害。在明渠兩側(cè)用鉛絲石籠護坡，防止泄水過程中因壩坡失穩(wěn)而潰決，放水時準(zhǔn)備部分鉛絲石籠隨時搶護。同時進行水情自動監(jiān)測，在下游實施洪水預(yù)警、預(yù)報，由當(dāng)?shù)卣赝咀龊冒踩枭?、?yīng)急準(zhǔn)備等措施。

三、結(jié) 語

①冰崩和冰滑坡是引起冰湖潰決的主要誘因。應(yīng)從遙感、GIS和野外調(diào)查三個層面及其組合對冰磧湖進行系統(tǒng)監(jiān)測。冰磧湖潰決參數(shù)包括冰磧湖參數(shù)、冰磧壩參數(shù)、母冰川參數(shù)、冰湖盆參數(shù)以及它們之間的相互關(guān)系。當(dāng)前有一些經(jīng)驗方法可以對潰決風(fēng)險進行定量評估。

表2 泄流渠施工方法分析表

表3 不同思路開挖泄流渠設(shè)計與施工主要區(qū)別

②冰磧壩湖潰決中，常伴有泥石流發(fā)生。潰決洪水（泥石流）的流動特性對災(zāi)害評價非常有意義，包括洪峰流量、潰決泥石流量、行進距離和淹沒面積等特性。

③應(yīng)急泄流是冰磧湖最可行的排險方法，開渠形成沖切泄流應(yīng)結(jié)合冰磧湖的特征處理好一些關(guān)鍵問題，包括過流標(biāo)準(zhǔn)、過流流速的確定和泄流渠的布置以及施工方法的選取。

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