郭國(guó)和，吳國(guó)雄，程尊蘭

(1.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)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(guó)科學(xué)院地表過(guò)程與動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川成都610041)

堵江災(zāi)害主要是堰塞湖庫(kù)區(qū)對(duì)上游的淹沒(méi)和潰壩洪水對(duì)下游的淹沒(méi)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(shí)的流量特別大，流速非?？?，又含有大量巨礫，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(guò)[1-3]。

天然堵江壩潰決造成的洪水突發(fā)性強(qiáng)，持續(xù)時(shí)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?cè)噲D通過(guò)預(yù)測(cè)可能潰壩洪水的洪峰最大值來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。1984年美國(guó)天氣局的Fread提出了預(yù)測(cè)土壩潰口特征和洪水過(guò)程的數(shù)學(xué)模型[4]。1988年Costa等對(duì)各種類型的堵江天然壩成因與潰壩洪水峰值流量進(jìn)行了比較全面的歸納研究，并從能量觀點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合12個(gè)滑坡壩潰決實(shí)例建立了洪峰流量公式，但用此關(guān)系式來(lái)預(yù)測(cè)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(duì)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(jī)理和洪水進(jìn)行了系統(tǒng)研究[6-7]。Waythomas對(duì)阿拉斯加查卡查納河火山碎屑堵塞壩成因與潰決洪水進(jìn)行了研究[8]。Fenton等研究了美國(guó)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(guó)內(nèi)的柴賀軍對(duì)岷江上游扣山古滑坡堵江壩進(jìn)行了野外調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)，并進(jìn)行了壩體穩(wěn)定性分析和潰壩洪水預(yù)測(cè)[10]。晏鄂川等對(duì)岷江疊溪滑坡堵江壩潰決洪水流量、洪峰及其演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了理論分析，建立了一套預(yù)測(cè)潰壩洪水特征的計(jì)算公式，實(shí)例驗(yàn)證效果較好[11]。馮焱等對(duì)1967年雅礱江天然壩的潰壩洪水和潰壩過(guò)程進(jìn)行了調(diào)查和研究[12]。陳儲(chǔ)軍采用美國(guó)天氣局的BREACH模型和計(jì)算機(jī)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(duì)泥石流與主河水流交匯機(jī)理進(jìn)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(jī)理[1];黨超等以試驗(yàn)為基礎(chǔ)提出了泥石流壩的3種潰決形式[15]。朱勇輝等對(duì)國(guó)外40 a來(lái)出現(xiàn)的土壩潰決模型進(jìn)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(guó)內(nèi)還是國(guó)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(duì)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(yàn)來(lái)模擬堵塞壩的潰決過(guò)程，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析對(duì)潰壩洪水過(guò)程展開研究。

1 潰壩模型試驗(yàn)與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

(1)泥石流壩概化模型。試驗(yàn)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(jiàn)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(jí)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(yàn)的主要裝置由供流系統(tǒng)、試驗(yàn)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(guò)渡段組成，并通過(guò)三角堰河和調(diào)水閥門按設(shè)計(jì)要求供給相應(yīng)歷時(shí)的主河流量。

水槽長(zhǎng)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(yàn)的關(guān)鍵部分，設(shè)計(jì)要求能方便地調(diào)整槽底的縱比降，并利于觀測(cè)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(yàn)平面布置

(4)試驗(yàn)觀測(cè)記錄手段。在試驗(yàn)中，聯(lián)合標(biāo)尺法、錄像解析法、浮標(biāo)法等對(duì)潰壩過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)記錄。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)觀測(cè)與潰壩類型統(tǒng)計(jì)

通過(guò)在中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行13組泥石流壩潰決模型試驗(yàn)，詳細(xì)觀測(cè)試驗(yàn)過(guò)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(guò)程、潰口過(guò)流寬度、庫(kù)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(shí)變過(guò)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(yàn)數(shù)據(jù)及潰壩類型列于表2。試驗(yàn)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(dòng)和陡坎發(fā)育兩個(gè)階段;集中的過(guò)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(dòng)并形成含砂水流或稀性泥石流，但其啟動(dòng)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(kuò)展相對(duì)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(dòng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)。重力再啟動(dòng)是當(dāng)過(guò)流一段時(shí)間后，由于泥石流堆積物含水量的增加，同時(shí)在壩體中孔隙水壓力的作用下，使壩體的抗沖刷強(qiáng)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(dòng)(坍塌滑移)現(xiàn)象。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及潰壩類型統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)13組模型試驗(yàn)潰壩過(guò)程分析認(rèn)為，沖刷型潰決、水力再啟動(dòng)、重力再啟動(dòng)3種潰壩形式對(duì)應(yīng)各為4組，6組，3組。

2 潰壩流量過(guò)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(dòng)潰決和重力再啟動(dòng)潰決的洪水歷時(shí)相對(duì)比較接近，而沖刷型潰決的洪水歷時(shí)則要長(zhǎng)的多(圖3)。這是因?yàn)?，?duì)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(dòng)、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(jìn)的過(guò)程組成，庫(kù)區(qū)水是較為平穩(wěn)均勻的排泄出去，所以洪水過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，洪峰流量小;而重力再啟動(dòng)型潰決以潰口無(wú)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?gòu)?fù)活啟動(dòng)，潰決過(guò)程較為迅猛，堰塞湖庫(kù)區(qū)水在很短時(shí)間內(nèi)向下游涌出，潰壩洪水流量大。在試驗(yàn)條件相同時(shí)，水力再啟動(dòng)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(dòng)，相對(duì)于重力再啟動(dòng)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(dòng)的小。

圖3 不同潰決方式的洪水歷時(shí)對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)型潰決的洪峰流量之所以會(huì)在很大范圍內(nèi)變化，比如試驗(yàn)6中的最大流量達(dá)到了10 L/s，是因?yàn)樵囼?yàn)設(shè)計(jì)的主河流量也是最大流量1.4 L/s。同時(shí)，試驗(yàn)中還有很多因素影響著洪峰流量，相對(duì)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(jí)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(huì)加快，從而可能導(dǎo)致較大的潰壩洪水。從試驗(yàn)觀察與數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)比

2.2 洪峰流量與上游來(lái)水量的關(guān)系

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

圖5 洪峰流量、洪水歷時(shí)與上游來(lái)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(lái)水量有近似正比的線性關(guān)系，洪水歷時(shí)隨著其增大而縮短。這也不難理解，較大的上游來(lái)水量會(huì)提高堰塞湖庫(kù)區(qū)水位的上漲速度，并對(duì)堵塞壩體產(chǎn)生較大的涌波壓力，加速管涌、滲流的進(jìn)程。同時(shí)，壩體下游坡面松散顆粒在較大水頭的溢壩水流推移搬運(yùn)作用下，潰決初期潰口發(fā)育的速度快，潰決過(guò)程快，潰口底部物質(zhì)在較短的時(shí)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(shí)，而上游來(lái)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(kù)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(yàn)反映出來(lái)。

2.3 洪峰流量與庫(kù)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(kù)區(qū)水的勢(shì)能關(guān)系很大。但是通過(guò)試驗(yàn)可以看出，只有試驗(yàn)3和4的庫(kù)區(qū)水量不同，而其它11組試驗(yàn)的庫(kù)區(qū)水量是相同的，在這些幾乎相同庫(kù)區(qū)水勢(shì)能條件下產(chǎn)生的潰決洪水流量差異很大。這是因?yàn)闈Q形式是影響潰決過(guò)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(kù)區(qū)水的勢(shì)能是密切相關(guān)的。

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

在圖6中，去掉了試驗(yàn)8的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)潰決過(guò)程中的洪峰位置出現(xiàn)在庫(kù)區(qū)水下泄30%～50%的時(shí)候，平均值為38.58%。也就是說(shuō)，在庫(kù)區(qū)水量下泄大約1/3～1/2之間時(shí)，整個(gè)洪水過(guò)程最大流量出現(xiàn)。而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間一般不會(huì)太久，洪水持續(xù)時(shí)間前期峰值流量的出現(xiàn)對(duì)搶險(xiǎn)救災(zāi)具有直觀的指導(dǎo)作用。

圖6 不同潰決方式洪峰時(shí)刻前下泄庫(kù)區(qū)水量的比例

2.4 洪峰時(shí)刻在時(shí)間軸上的位置

從圖7可以看到，洪峰時(shí)刻在時(shí)間軸上的位置主要集中在整個(gè)洪水歷時(shí)的20%～50%之間，平均值為33%。也就是說(shuō)不論哪種類型的潰決，其洪峰時(shí)刻出現(xiàn)在整個(gè)洪水歷時(shí)大約1/3的時(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)。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(guò)程來(lái)看，泥石流壩潰決過(guò)程要比洪水過(guò)程短的多，一般是在很短的時(shí)間內(nèi)堵塞壩就沖刷到底(大約1～1.5 h)，而洪水過(guò)程要持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間(大約幾個(gè)小時(shí)甚至1 d)。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，對(duì)于潰壩洪水預(yù)測(cè)和下游應(yīng)急減災(zāi)尤為重要。

圖7 不同潰決方式洪峰時(shí)刻在時(shí)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(yàn)從潰決方式、洪水歷時(shí)、洪峰時(shí)刻、上游來(lái)水量、庫(kù)容方面對(duì)泥石流壩潰決流量過(guò)程規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，但它們之間因受影響壩體潰決過(guò)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(lái)水量大，庫(kù)容大，潰決流量大，則潰口發(fā)展快，洪水歷時(shí)短且流量大，洪峰時(shí)刻靠前;若上游來(lái)水量小，庫(kù)容小，潰決流量小，則潰口發(fā)展慢，洪水歷時(shí)長(zhǎng)且流量小，洪峰時(shí)刻滯后。也就是說(shuō)，不同的壩體條件和主河條件，通過(guò)影響壩體潰決的不同方式，從而影響庫(kù)水泄流時(shí)間和洪峰流量。

3 結(jié)論

泥石流壩的潰決過(guò)程及其洪水運(yùn)動(dòng)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(qiáng)烈的山區(qū)，而且泥石流壩存在時(shí)間一般不會(huì)很長(zhǎng)，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(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)潰壩流量過(guò)程特征進(jìn)行研究，得出洪峰流量與潰壩形式、洪水歷時(shí)以及洪峰時(shí)刻之間的規(guī)律，以期為泥石流壩潰決洪水預(yù)測(cè)及川藏公路沿線應(yīng)急避險(xiǎn)減災(zāi)提供依據(jù)。然而，由于泥石流壩潰決問(wèn)題的復(fù)雜性和影響因素的交互性，試驗(yàn)?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(guò)更多現(xiàn)場(chǎng)資料進(jìn)一步驗(yàn)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(jī)理[J].山地學(xué)報(bào)，2005，23(4):399-405.

[2] 朱平一，何子文，汪陽(yáng)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(jì)周.川藏公路南線(西藏境內(nèi))山地災(zāi)害及防治對(duì)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(hù)，2005，16(2):172-176.

[11] 晏鄂川，鄭萬(wàn)模，唐輝明，等.滑坡堵江壩潰決洪水及其演進(jìn)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(guò)程[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1994(4):61-69.

[13] 陳儲(chǔ)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(jī)理及其河床響應(yīng)特征[D].北京:中國(guó)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(shí)驗(yàn)[J].災(zāi)害學(xué)，2008，23(3):15-19.

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