趙 鑫，向曉華

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231)

泥石流堵壩及潰決分析研究

趙 鑫，向曉華

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231)

在我國(guó)全面建設(shè)小康社會(huì)過(guò)程中，山區(qū)泥石流危害日益引起人們的重視，如何興利除害，有效地防治泥石流的發(fā)生已成為普遍關(guān)注的問(wèn)題。本文通過(guò)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)泥石流和潰壩研究的闡述，結(jié)合新疆克孜河泥石流具體實(shí)例，對(duì)泥石流的堵壩條件及泥石流壩體潰決過(guò)程進(jìn)行探討與分析，對(duì)災(zāi)害的發(fā)生可以更進(jìn)一步地做好預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)工作。

泥石流 堵壩 潰決 模擬分析

1 研究目的和意義

泥石流是一種典型的固液兩相流，是各種自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果，也是一種常見(jiàn)的山地災(zāi)害。我國(guó)是一個(gè)多山地、地勢(shì)高差大、地殼結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、季風(fēng)降水變化率大并多冰雪融水的國(guó)家，泥石流有比較廣泛的分布，暴發(fā)也比較頻繁，尤其是西北和西南地區(qū)，每年造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡均很大。泥石流一旦成災(zāi)，將加劇水土流失及荒漠化進(jìn)程，將對(duì)山區(qū)及河谷地貌造成不同程度的破壞，而且泥石流沖積扇還將耕地演變成荒漠及沙石灘地，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成極大的不良影響。由于泥石流含有大量的泥沙石塊，具有發(fā)生突然、歷時(shí)短暫、來(lái)勢(shì)兇猛、破壞力極強(qiáng)的特點(diǎn)，使人們防不勝防，特別是在當(dāng)前我國(guó)全面建設(shè)小康社會(huì)過(guò)程中，伴隨著城市化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)建設(shè)向山區(qū)的延伸發(fā)展，做到人與自然和諧相處，因而山區(qū)泥石流的危害日益引起人們的重視，如何興利除害，有效防治泥石流災(zāi)害已成為普遍關(guān)注的問(wèn)題〔1〕。泥石流匯入主河，不僅可能形成堆積堵塞河道，而且使江河含沙量增高，并使匯流區(qū)及其下游河道發(fā)生劇烈變化，產(chǎn)生不利影響。泥石流匯入主河道，還可能形成天然壩或堰塞湖，將會(huì)對(duì)堵塞處上游造成淹沒(méi)災(zāi)害；泥石流堵壩所形成庫(kù)盤(pán)蓄水后，還將對(duì)下游的建筑設(shè)施及生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成“定時(shí)炸彈”般的威脅，一旦泥石流天然壩發(fā)生潰決，將會(huì)產(chǎn)生很大的潰壩型洪水災(zāi)害，對(duì)下游造成不可估量的損失。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

泥石流活動(dòng)幾乎遍及全球所有山區(qū)，人類(lèi)同泥石流災(zāi)害的斗爭(zhēng)由來(lái)已久，但是真正對(duì)泥石流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，則是近半個(gè)世紀(jì)的事。歐美國(guó)家泥石流系統(tǒng)研究始于19世紀(jì)中葉，亞洲國(guó)家泥石流研究起步于20世紀(jì)中葉，以日本泥石流研究進(jìn)展最快，技術(shù)先進(jìn)，成效顯著。此外，在有泥石流發(fā)生的其他國(guó)家，如德國(guó)、英國(guó)、南斯拉夫、羅馬尼亞、加拿大、挪威、澳大利亞和新西蘭、印度尼西亞等地也先后開(kāi)展了泥石流的系統(tǒng)研究〔2〕。以泥石流形成背景為主線的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究，是在區(qū)域和單溝兩個(gè)層面上開(kāi)展的研究。區(qū)域尺度上的研究主要體現(xiàn)在泥石流危險(xiǎn)性區(qū)劃研究中，根據(jù)泥石流形成背景條件(地質(zhì)、地貌、植被等)和已知的泥石流溝分布和活動(dòng)狀況，進(jìn)行泥石流危險(xiǎn)度區(qū)劃。前蘇聯(lián)早在1975年就出版了全國(guó)范圍內(nèi)的泥石流危險(xiǎn)區(qū)劃圖，在危險(xiǎn)區(qū)劃分中，把全蘇聯(lián)泥石流分布劃分為3個(gè)帶、12個(gè)地區(qū)、28個(gè)省。日本政府早在20世紀(jì)70年代就進(jìn)行了全國(guó)范圍的泥石流危險(xiǎn)性區(qū)劃，確定出62272條泥石流溝，102萬(wàn)戶(hù)居民居住在泥石流危險(xiǎn)區(qū)范圍內(nèi)。降水是目前導(dǎo)致泥石流暴發(fā)的最直接的觸發(fā)因素，以降雨條件為主線的泥石流預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究，主要通過(guò)對(duì)雨量資料的統(tǒng)計(jì)分析，確定泥石流臨界雨量和觸發(fā)雨量。目前眾多的研究均集中在此類(lèi)研究中，如西班牙J.Corominas等通過(guò)分析東比利牛斯山Llobregat河附近的降雨資料和泥石流發(fā)生的關(guān)系，得出：(1)在無(wú)前期降雨條件下，短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨觸發(fā)泥石流的條件是24h降雨190mm左右，或者48h降雨超過(guò)300mm；(2)在有前期降雨的條件下，中等強(qiáng)度的降雨24h達(dá)到40mm即可發(fā)生泥石流。P.Aleotti以意大利西北部P.Region為例，通過(guò)研究降水事件與泥石流發(fā)生之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，確定了該區(qū)導(dǎo)致泥石流發(fā)生的降水閾值。T.Glade、M.Crozier和P.Smith等人，利用Crozier和Eyles提出的“前期日降雨經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?AntecedentDailyRainfallMode1)，研究了新西蘭北島地區(qū)的典型災(zāi)害區(qū)，證實(shí)模型的結(jié)果能夠代表區(qū)域特定降雨條件下泥石流災(zāi)害事件的發(fā)生概率〔3〕。概括起來(lái)，國(guó)外泥石流研究成果有以下幾個(gè)方面：(1)進(jìn)行了泥石流的調(diào)查和編目統(tǒng)計(jì)，日本、奧地利等許多國(guó)家公布了該國(guó)泥石流溝的數(shù)字；(2)應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行泥石流觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)工作，提出了觀測(cè)精度和研究水平；(3)深入研究粘性泥石流的形成機(jī)理，運(yùn)動(dòng)過(guò)程，流體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)。

在潰壩方面，根據(jù)文獻(xiàn)資料統(tǒng)計(jì)〔4〕，目前世界上約1/3的大壩失事是由洪水漫頂造成的。洪水漫頂失事在土石壩中尤為突出，占土石壩潰壩總數(shù)的39%。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民生活水平的提高，對(duì)潰壩的研究以及安全管理對(duì)策也在不斷地發(fā)生變化。在壩體潰決方面，美國(guó)和奧地利在20世紀(jì)五六十年代進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)；美國(guó)甚至還在現(xiàn)場(chǎng)做過(guò)1∶2的大模型試驗(yàn)。根據(jù)兩國(guó)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，兩國(guó)的潰決時(shí)間尺度關(guān)系基本一致；另外，對(duì)于同樣的護(hù)坡塊石，坡度減緩時(shí)，沖開(kāi)壩坡的臨界水頭也顯著增加。當(dāng)下游壩面坡度由1∶1.5減小到1∶2時(shí)，試驗(yàn)表明臨界水頭增加15%。歐洲在最近幾年投入巨資專(zhuān)門(mén)對(duì)潰壩洪水進(jìn)行了全面的比較研究，1998年由歐盟支持啟動(dòng)的CADAM項(xiàng)目歷時(shí)2年，和隨后啟動(dòng)的IMPACT項(xiàng)目都對(duì)土石壩的潰壩機(jī)理進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)研究，取得了豐碩的成果。20世紀(jì)國(guó)外許多專(zhuān)家學(xué)者也就潰壩問(wèn)題提出許多自己的觀點(diǎn)與結(jié)論，在解決問(wèn)題方面也提出許多自己的獨(dú)特見(jiàn)解。1892年，德國(guó)里特爾推出矩形河槽斷面瞬時(shí)全潰壩址洪峰流量，首次提出潰壩流量計(jì)算公式〔5〕；1938年，赫里斯佳諾維奇將河槽概化為拋物線型，在下游有水情況下推出計(jì)算公式；1957年，斯托克借鑒了里特爾和赫里斯佳諾維奇的理論，將壩址流態(tài)分為急流、臨界流和緩流三種情況，推導(dǎo)出矩形河槽、下游有一定水深的靜止水體等情況下，瞬時(shí)全潰的潰壩水流流態(tài)的洪峰流量計(jì)算公式。

我國(guó)對(duì)泥石流的研究起步較晚，20世紀(jì)60年代，是我國(guó)泥石流研究工作發(fā)展階段，鐵道科學(xué)院成立西南研究所，一開(kāi)始就將泥石流的研究和防治列為重要任務(wù)，并在峨眉山興建我國(guó)最早的泥石流實(shí)驗(yàn)室。與此同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院在西南、西北的有關(guān)研究所都將泥石流列為重要研究課題，后來(lái)又集中到成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所。該所在東川礦務(wù)局泥石流觀測(cè)站的基礎(chǔ)上，建成蔣家溝泥石流觀測(cè)研究站〔6〕。泥石流預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)作為一項(xiàng)重要減災(zāi)手段，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，是減災(zāi)研究的熱點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)盧剛對(duì)新疆泥石流的危害作了相應(yīng)的評(píng)價(jià)；西南交通大學(xué)陳春光博士作了關(guān)于“泥石流與主河水流交匯模型及耦合計(jì)算方法”的研究，陳曉清博士作了泥石流防治信息系統(tǒng)的研究；中國(guó)水利水電科學(xué)研究院陳德明對(duì)泥石流與主河水流交匯模型及耦合計(jì)算方法進(jìn)行了研究；中科院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所張金山等，就岷江上游泥石流堵河影響因素進(jìn)行了研究；吳積善，程尊蘭，耿學(xué)勇對(duì)西藏泥石流堵壩潰決進(jìn)行了研究；四川大學(xué)郭志學(xué)等就泥石流堵江及入?yún)R主河等問(wèn)題作了相應(yīng)的研究。在潰壩方面，我國(guó)現(xiàn)有大、中、小型水庫(kù)約8.6萬(wàn)座，總庫(kù)容4100億m3，灌溉面積約4700萬(wàn)hm2(7億畝)，防洪保護(hù)面積3200萬(wàn)hm2(4.8億畝)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自1954年以來(lái)，潰壩總數(shù)約2900余座(失事率約3.4%)，50年代170余座，60年代710余座，70年代1900余座。就這方面問(wèn)題，不少專(zhuān)家學(xué)者都做了相應(yīng)的研究。1982年，謝任之教授從圣維南方程和不連續(xù)波方程出發(fā)，全面研究了潰壩瞬間的連續(xù)波、臨界波和不連續(xù)波流態(tài)，提出了瞬間全潰的壩址最大流量的統(tǒng)一公式；重慶科研設(shè)計(jì)院柴賀軍等就天然土石壩的潰壩方式作了相應(yīng)的分析；朱勇輝、廖鴻志、吳中如等對(duì)土壩潰決模型及其發(fā)展進(jìn)行了研究；成都理工學(xué)院工程地質(zhì)研究所符文熹等也對(duì)堵江滑坡作壩進(jìn)行分析；新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)雷曉云等對(duì)新疆潰壩洪水進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。幾十年來(lái)在各方面的共同的努力下，對(duì)泥石流與潰壩洪水的研究及防治都取得了顯著成效，并有不少專(zhuān)著問(wèn)世。中科院山地所崔鵬研究員等，就風(fēng)景區(qū)泥石流的防治作了大量研究工作；唐川等人就云南泥石流作了災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)，并建立滑坡泥石流災(zāi)害信息系統(tǒng)；汝乃華、牛運(yùn)光編著《大壩事故與安全》；謝任之編著了《潰壩水力學(xué)》。

從文獻(xiàn)檢索的情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)泥石流的研究主要是集中在山地災(zāi)害的研究方面，對(duì)潰壩的研究主要集中在對(duì)土石壩等人工建造壩體潰決的理論分析方面，專(zhuān)門(mén)針對(duì)泥石流等堵壩或天然壩體潰決的機(jī)理、過(guò)程以及其危害性評(píng)價(jià)方面的研究則較少。

3 實(shí)例分析

通過(guò)以上國(guó)內(nèi)外對(duì)泥石流和潰壩研究的闡述，結(jié)合新疆克孜河泥石流〔7〕具體實(shí)例，對(duì)泥石流的堵壩條件及泥石流壩體潰決過(guò)程進(jìn)行探討與分析，獲得了一些有實(shí)際意義的成果。這些成果對(duì)泥石流等堵塞河道及泥石流形成的天然壩體潰決的研究，都具有一定的參考價(jià)值，并對(duì)災(zāi)害的發(fā)生可以更進(jìn)一步地做好預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)工作。克孜河流域是一個(gè)泥石流多發(fā)地區(qū)，上游局部山區(qū)暴雨產(chǎn)生的泥石流常常涌入克孜河，不僅造成河水泥沙量劇增，而且在一定條件下堵塞河道形成天然壩。據(jù)該河1955年以來(lái)的水文記載〔8〕和有關(guān)調(diào)查資料，1966年、1998年、1999年均因位于克孜河上游右岸的恰爾阿依格爾溝暴發(fā)泥石流將克孜河河道堵塞，形成泥石流天然壩并潰決而發(fā)生潰壩型特大洪水，導(dǎo)致下游水利工程設(shè)施被沖毀或失效，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前，克孜河上游泥石流堵壩的隱患尚未消除，而下游正擬建若干水利樞紐工程，一旦再次形成堵壩并潰決，仍將對(duì)下游水利工程和人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)克孜河上游泥石流堵壩的機(jī)理和潰決過(guò)程進(jìn)行研究和模擬，預(yù)測(cè)潰壩洪水過(guò)程、潰壩洪峰流量以及下游洪水演進(jìn)情況，對(duì)克孜河下游的泥石流災(zāi)害事故早期預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)和保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義。其研究獲得的主要結(jié)論如下：

3.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及基本資料

(1)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明完全具備了產(chǎn)生泥石流的地質(zhì)、地貌條件，一旦該區(qū)域出現(xiàn)局部強(qiáng)降雨天氣，將會(huì)誘發(fā)該溝爆發(fā)泥石流；

(2)對(duì)泥石流堵壩點(diǎn)上游庫(kù)盤(pán)地形進(jìn)行測(cè)繪所獲得的庫(kù)容曲線，為克孜河泥石流堵壩潰決洪水過(guò)程的數(shù)值模擬分析以及今后對(duì)該河可能出現(xiàn)的潰壩洪水預(yù)測(cè)提供了重要依據(jù)；

(3)通過(guò)對(duì)恰爾阿依格爾溝出口泥石流堆積范圍的地形變化監(jiān)測(cè)，得知該泥石流溝出口地形所形成的泥石流運(yùn)動(dòng)方向，是導(dǎo)致克孜河能否形成堵壩的一個(gè)重要條件；

(4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣、試驗(yàn)與分析所得到的泥石流堆積體主要物理性質(zhì)參數(shù)，為克孜河泥石流堵壩條件分析和壩體潰決分析提供了基本參數(shù)。

3.2 堵壩探討

采用配方法估算泥石流規(guī)模大小，對(duì)不同雨強(qiáng)條件下的泥石流產(chǎn)流量規(guī)模進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果表明，恰爾阿依格爾溝產(chǎn)生的泥石流規(guī)模隨雨強(qiáng)的增大而增加，若產(chǎn)生的泥石流完全涌入主河槽，則發(fā)生堵壩的可能性很大，一旦條件完全滿(mǎn)足，就將會(huì)形成堵壩。

3.3 潰壩計(jì)算分析

通過(guò)對(duì)1966年與1999年兩次泥石流壩體潰決模擬分析，可以得出以下結(jié)論：采用瞬時(shí)潰決模型模擬計(jì)算，結(jié)果與克孜河實(shí)測(cè)潰壩洪峰流量偏差較大，而采用逐步潰決模型模擬計(jì)算，結(jié)果則比較接近實(shí)測(cè)值。因此，采用沖刷率確定潰口擴(kuò)展的逐步潰決模型，預(yù)測(cè)和分析克孜河潰壩洪水是合理可行的。

3.4 洪水預(yù)測(cè)與防治措施

在防治泥石流災(zāi)害措施，采取防與治相結(jié)合。對(duì)河道水流大小及泥石流產(chǎn)流區(qū)域降水情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以防為主；而對(duì)于泥石流溝及泥石流與主河交匯處，以治為主，最直接有效的措施就是采用導(dǎo)流槽，在泥石流溝出口處改變泥石流的走向，減小泥石流與主河的交匯角來(lái)達(dá)到減小或避免災(zāi)害損失的目的。

〔1〕中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所著.中國(guó)泥石流[M].北京：商務(wù)印書(shū)館，2000：111～221.

〔2〕崔 鵬，高克昌，韋方強(qiáng).泥石流預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究進(jìn)展[J].中國(guó)科學(xué)院院刊，2005，(5).

〔3〕李德基.泥石流減災(zāi)理論與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，1997，(7)：16～57.

〔4〕王立輝，胡四一.潰壩問(wèn)題研究綜述[J].水利水電科技進(jìn)展，2007，(1).

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〔6〕韋方強(qiáng)，胡凱衡，崔 鵬等.蔣家溝泥石流堵江成因與特征[J].水土保持學(xué)報(bào)，2002，(12).

〔7〕趙 鑫.新疆克孜河泥石流堵壩及潰決分析[D].新疆：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2009.

〔8〕何 慧.從1999年葉爾羌河和克孜河洪水看新疆河流水情變化趨勢(shì)[J].新疆水文水資源局，2005.

趙 鑫(1980-)，男，講師，主研工程施工及管理。

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