(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029; 2.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029； 3.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)

1 研究背景

堰塞壩是一種天然形成的土石壩，主要是由降雨、火山噴發(fā)、地震等原因引起的山體滑坡、崩塌所致。但并非所有的滑坡、崩塌都會(huì)導(dǎo)致壩體的形成，堰塞壩的形成與河道流量、河床條件、滑坡體體積等因素有關(guān)[1]。一般情況下，滑坡體體積越大、河流流量越小，越容易形成堵塞。較人工土石壩相比，堰塞壩的結(jié)構(gòu)松垮，組成物質(zhì)松散，土體常處于非固結(jié)或者欠固結(jié)狀態(tài)，顆粒之間膠結(jié)作用較弱，壩體容易在漫溢水流或滲透水流的作用下發(fā)生漫頂或滲透破壞而導(dǎo)致潰決[2-3]。堰塞壩一旦潰決，將對(duì)下游人民生命財(cái)產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

堰塞壩在世界范圍內(nèi)分布廣泛，我國(guó)的堰塞壩主要分布在西南山區(qū)和喜馬拉雅山區(qū)，這些地區(qū)處于強(qiáng)地震活動(dòng)帶，兩岸巖體裂隙發(fā)育，易發(fā)生大型滑坡事件[4-5]。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)也發(fā)生了多起堰塞壩堵江事件。2000年4月9日，西藏自治區(qū)林芝地區(qū)波密縣發(fā)生特大規(guī)模山體滑坡堵塞雅魯藏布江，如圖1(a)所示，形成了易貢堰塞湖，堰塞壩體積約3億m3，堰塞湖庫(kù)容約28億m3。由于上游地區(qū)來(lái)水量較大，滑坡后的持續(xù)降雨，導(dǎo)致水位不斷上漲，并于2000年6月10日發(fā)生了漫頂潰壩，潰壩峰值流量達(dá)到124 000 m3/s，造成了下游水位猛漲，沿線(xiàn)公路、光纜等設(shè)施嚴(yán)重破壞[6]。2008年5月12日，四川汶川地區(qū)發(fā)生8.0級(jí)大地震，形成了256個(gè)堰塞湖，其中四川北川羌族自治縣唐家山堰塞湖，如圖1(b)所示，導(dǎo)致上游集水面積達(dá)3 550 km2，堰塞壩體積為2 037萬(wàn)m3，堰塞湖最大蓄水量為3.16億m3，2008年6月10日通過(guò)人工開(kāi)挖的導(dǎo)流槽成功泄洪，潰壩峰值流量為6 500 m3/s。2018年10月10日，位于川藏高原的西藏自治區(qū)昌都市江達(dá)縣與四川省甘孜州白玉縣交界處發(fā)生山體滑坡，堵塞金沙江干流河道，造成金沙江斷流并形成白格堰塞壩，如圖1(c)所示，堰塞壩體積約為750萬(wàn)m3，庫(kù)容約2.9億m3，2018年10月13日堰塞壩發(fā)生漫頂潰決，潰壩峰值流量約為10 000 m3/s。2018年11月3日，殘留堰塞壩處山體發(fā)生了兩次滑坡堵江，形成的堰塞壩體積約為1 000萬(wàn)m3，庫(kù)容約為6.03億m3。2018年11月13日通過(guò)人工開(kāi)挖的導(dǎo)流槽成功泄洪，潰壩峰值流量為33 900 m3/s。2018年10月17日，西藏自治區(qū)林芝市米林縣發(fā)生山體滑坡堵塞雅魯藏布江形成加拉堰塞湖，堰塞壩體積超過(guò)2 000萬(wàn)m3，堰塞湖庫(kù)容約6億m3，由于水位不斷上漲，2018年10月19日，堰塞壩發(fā)生漫頂潰決，潰壩峰值流量23 400 m3/s。

圖1 我國(guó)典型的堰塞壩案例Fig.1 Typical cases of landside dams in China

值得一提的是，1988年，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局Costa和Schuster對(duì)73座堰塞壩的壽命統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，85%的堰塞壩在1 a內(nèi)發(fā)生潰決[7]；隨后，Peng和Zhang對(duì)204座堰塞壩的潰決時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[8]，獲得了類(lèi)似的結(jié)論，87%的堰塞壩壽命不超過(guò)1 a。2014年，石振明等對(duì)國(guó)內(nèi)外276例堰塞壩的壽命進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[9]，得出如下結(jié)論：9%的堰塞壩壽命小于1 h，34%的堰塞壩壽命小于1 d，67%的堰塞壩壽命小于1個(gè)月，86%的堰塞壩壽命小于1 a。因此亟需對(duì)堰塞壩穩(wěn)定性做出合理的快速評(píng)估，為堰塞壩應(yīng)急處置提供技術(shù)支撐。

2 國(guó)內(nèi)外常用的穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法

堰塞壩的穩(wěn)定性與多種因素有關(guān)，常包括有壩體的幾何形態(tài)、壩體物質(zhì)材料組成、堰塞湖集水區(qū)的來(lái)流量、壩體滲流速度、壩料密實(shí)度、氣候條件等多方面因素[10]。但要快速對(duì)一個(gè)初形成的堰塞壩進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，短時(shí)間內(nèi)獲得全部的影響參數(shù)較為困難。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于收集的堰塞壩案例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提出了一系列基于壩體幾何形態(tài)、流域面積、湖面積等參數(shù)的堰塞壩穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法。

1999年，Casagli和Ermini利用收集到的意大利亞平寧北部山區(qū)的70座堰塞壩案例[11]，提出了采用堆積指標(biāo)法(BI)來(lái)判定堰塞壩穩(wěn)定性的方法。2003年，Ermini和Casagli改進(jìn)了堆積指標(biāo)法[12]，在原有的基礎(chǔ)上增加了壩體高度參數(shù)，提出了無(wú)量綱堆積體指標(biāo)法(DBI)。2004年，Korup基于232座新西蘭堰塞壩案例[13]，提出了基于Is(backstow指數(shù))、Ia(basin指數(shù))、Ir(relief指數(shù))等3個(gè)指標(biāo)的堰塞壩穩(wěn)定性判別方法。2011年，Dong等以日本43座堰塞壩為依據(jù)[14]，利用邏輯回歸方法，基于峰值流量、壩高、壩寬、壩長(zhǎng)及壩體體積多種因素，提出了基于Ls(PHWL)、Ls(AHWL)、Ls(AHV)等3個(gè)指標(biāo)的堰塞壩穩(wěn)定性判別方法。2016年，Stefanelli等利用意大利300個(gè)堰塞壩案例提出了以壩體體積[15]、流域面積及河道比降為參數(shù)的水力形態(tài)學(xué)(HSDI)指標(biāo)來(lái)判斷堰塞壩的穩(wěn)定性。表1為目前國(guó)內(nèi)外較為典型的堰塞體穩(wěn)定性快速判別方法的介紹。

3 堰塞壩案例數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

為了對(duì)各類(lèi)堰塞壩穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法的可靠性和適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，收集了世界范圍內(nèi)421個(gè)具有實(shí)測(cè)資料的堰塞壩案例，其中意大利205例[16]、日本79例[12]、中國(guó)35例[17]、美國(guó)32例[12]、其他國(guó)家70例[12,18]。這些案例包括堰塞壩的幾何形態(tài)參數(shù)、流域面積、堰塞湖體積等參數(shù)，可用于以上模型的計(jì)算。表2給出了堰塞壩案例數(shù)據(jù)庫(kù)各參數(shù)的取值及分布情況。

4 各種堰塞壩穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法對(duì)比

選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)堰塞壩案例，分別采用不同的堰塞壩穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法，對(duì)堰塞壩的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析。由于數(shù)據(jù)庫(kù)中某些案例部分參數(shù)缺失，因此用于各評(píng)價(jià)方法的計(jì)算案例數(shù)并不完全相同。另外，由于Korup提出的判別指標(biāo)Ir中的參數(shù)Hr和Dong等提出的判別指標(biāo)Ls(PHWL)中的參數(shù)P較難獲取，因此本文不采用這2個(gè)判別指標(biāo)。

表1 國(guó)內(nèi)外典型堰塞壩穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法

注：BI為堆積體指標(biāo)；DBI為無(wú)量綱堆積體指標(biāo)；Is為backstow指標(biāo)；Ia為basin指標(biāo)；Ir為relief指標(biāo)；Ls(PHWL)、Ls(AHWL)、Ls(AHV)均為邏輯回歸模型指標(biāo)；HDSI為水力形態(tài)學(xué)指標(biāo)；Ab為流域面積,km2；Ab′為流域面積,m2；Vd為堰塞壩體積,m3；Vd′為堰塞壩體積,106m3；Hd為堰塞壩高度,m；Hd′為壩體高度,102m；Vl為堰塞湖體積,106m3；P為入庫(kù)峰值流量,m3/s；W為壩體寬度,m；L為壩體長(zhǎng)度,m；S為河道坡度,°。

表2 堰塞壩案例數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

分別采用錯(cuò)判率F、保守準(zhǔn)確率Rc及絕對(duì)準(zhǔn)確率R對(duì)各評(píng)價(jià)方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。其中，錯(cuò)判率F指的是實(shí)際上不穩(wěn)定的堰塞壩，而計(jì)算結(jié)果是穩(wěn)定的概率，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量選取錯(cuò)判率較低的評(píng)價(jià)方法；絕對(duì)準(zhǔn)確率R指的是堰塞壩的實(shí)際狀態(tài)與計(jì)算狀態(tài)完全一致的概率；保守準(zhǔn)確率Rc指的是實(shí)際狀態(tài)為穩(wěn)定堰塞壩而計(jì)算結(jié)果為不穩(wěn)定的概率，并加上絕對(duì)準(zhǔn)確率R后的結(jié)果。另外，為了避免上述對(duì)比方法的片面性，進(jìn)一步利用綜合準(zhǔn)確率Rr對(duì)各評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確率進(jìn)行對(duì)比分析，綜合準(zhǔn)確率Rr可采用下式計(jì)算：

(1)

各種堰塞壩穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法的計(jì)算結(jié)果如圖2～8所示。

圖2 BI方法計(jì)算結(jié)果 Fig.2 Results of BI method

圖3 DBI方法模型結(jié)果 Fig.3 Results of DBI method

表3給出了各堰塞壩穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法的計(jì)算結(jié)果，可以看出：絕對(duì)準(zhǔn)確率體現(xiàn)了計(jì)算模型對(duì)單個(gè)案例判斷的準(zhǔn)確性，而保守準(zhǔn)確率是在絕對(duì)準(zhǔn)確率基礎(chǔ)上，其判定結(jié)果會(huì)帶有一定的保守性。綜合準(zhǔn)確率可能與絕對(duì)準(zhǔn)確率計(jì)算結(jié)果相同。另外，由于BI，DBI，Is和HDSI在判定中會(huì)有不確定區(qū)域，若其絕對(duì)準(zhǔn)確率與綜合準(zhǔn)確率差值越大，則說(shuō)明其判定的案例落在不確定區(qū)域內(nèi)的占總數(shù)的比重越多。

表3 各堰塞壩穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法計(jì)算結(jié)果匯總

圖4 Is方法計(jì)算結(jié)果 Fig.4 Results of Is method

圖5 Ia方法計(jì)算結(jié)果 Fig.5 Results of Ia method

由表3各模型計(jì)算結(jié)果可以看出，Is的錯(cuò)判率最低(其值為0)，Ls(AHV)的錯(cuò)判率最高，為12.61%，但錯(cuò)判率F為零并不代表用該模型沒(méi)有錯(cuò)判，可能會(huì)由于數(shù)據(jù)不具有代表性，案例數(shù)過(guò)少或模型指標(biāo)計(jì)算過(guò)大導(dǎo)致誤判率較低。對(duì)比Is，Ia和HDSI模型，都有較低的錯(cuò)判率，但I(xiàn)s模型和HDSI模型的絕對(duì)準(zhǔn)確率較低，分別為12.63%和23.03%， 與其各自的綜合準(zhǔn)確率差值較大，說(shuō)明大部分堰塞壩案例不能確定其穩(wěn)定狀態(tài)，因此，Is、Ia和HDSI只能對(duì)本數(shù)據(jù)庫(kù)中少量的堰塞壩穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。DBI，Ia，Ls(AHWL)和Ls(AHV)的保守準(zhǔn)確率較高，都超過(guò)了70%以上，Ia模型保守準(zhǔn)確率高達(dá)99.59%，但其綜合準(zhǔn)確率卻只有48.96%，因此采用綜合準(zhǔn)確率可更加合理地評(píng)價(jià)計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。對(duì)比其絕對(duì)準(zhǔn)確率，DBI和Ls(AHV)對(duì)單個(gè)案例的判定準(zhǔn)確性較高，分別為61.98%和71.85%，但Ls(AHV)的錯(cuò)判率卻高于DBI模型，因?yàn)镈BI模型對(duì)一部分堰塞壩不能判定其穩(wěn)定性。對(duì)比各個(gè)模型的錯(cuò)判率、保守準(zhǔn)確率、絕對(duì)準(zhǔn)確率和綜合準(zhǔn)確率，DBI和Ls(AHV)模型對(duì)堰塞壩的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)表現(xiàn)較好，能分別對(duì)60%和70%以上的堰塞壩狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

圖6 Ls(AHWL)方法計(jì)算結(jié)果 Fig.6 Results of Ls(AHWL) method

圖7 Ls(AHV)方法計(jì)算結(jié)果 Fig.7 Results of Ls(AHV) method

圖8 HDSI方法計(jì)算結(jié)果 Fig.8 Results of HDSI method

5 結(jié)論與建議

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的堰塞壩穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法，并構(gòu)建了包含國(guó)內(nèi)外具有實(shí)測(cè)資料的421個(gè)堰塞壩案例的數(shù)據(jù)庫(kù)。基于該數(shù)據(jù)庫(kù)采用錯(cuò)判率F、保守準(zhǔn)確率Rc、絕對(duì)準(zhǔn)確率R及綜合準(zhǔn)確率Rr對(duì)各評(píng)估方法的準(zhǔn)確性和適用性進(jìn)行了比較分析，得出了如下結(jié)論：Is、Ia和HDSI評(píng)估方法有著較低的錯(cuò)判率，分別為0%，0.41%和0.61%，但I(xiàn)s和HDSI的絕對(duì)準(zhǔn)確率R較低，分別為12.63%和23.03%，與各自的綜合準(zhǔn)確率Rr差值較大，對(duì)大部分堰塞壩案例不能確定其穩(wěn)定狀態(tài)，因此用Is、Ia和HDSI模型只能對(duì)少部分的堰塞壩進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。Ia的保守準(zhǔn)確率高達(dá)99.59%，但其綜合準(zhǔn)確率卻只有48.96%，因此采用綜合準(zhǔn)確率可更合理地對(duì)一個(gè)模型評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)，基本可以消除模型計(jì)算過(guò)于保守的影響。通過(guò)對(duì)比各評(píng)價(jià)方法的綜合準(zhǔn)確率可以發(fā)現(xiàn)，DBI和Ls(AHV)對(duì)堰塞壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的表現(xiàn)較好，能分別對(duì)60%和70%以上的堰塞壩狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

總結(jié)以上的堰塞壩危險(xiǎn)性快速評(píng)價(jià)方法可以看出，堰塞壩的穩(wěn)定性不僅受所在區(qū)域地理及地質(zhì)條件的影響，還與堰塞壩的壩料特性及堵塞的河道的水動(dòng)力條件有關(guān)，因此為了進(jìn)一步提升堰塞壩穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法的可靠性與實(shí)用性，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)堰塞壩壩料的顆粒級(jí)配、壩體結(jié)構(gòu)和土質(zhì)等特性的研究，并充分考慮堰塞湖來(lái)流量和堰塞壩的滲流特性。