(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理與防控技術(shù)重點實驗室,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，將對下游人民生命財產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅。

堰塞壩在世界范圍內(nèi)分布廣泛，我國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)處于強地震活動帶，兩岸巖體裂隙發(fā)育，易發(fā)生大型滑坡事件[4-5]。進入21世紀，我國也發(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，堰塞湖庫容約28億m3。由于上游地區(qū)來水量較大，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，潰壩峰值流量達到124 000 m3/s，造成了下游水位猛漲，沿線公路、光纜等設(shè)施嚴重破壞[6]。2008年5月12日，四川汶川地區(qū)發(fā)生8.0級大地震，形成了256個堰塞湖，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3 550 km2，堰塞壩體積為2 037萬m3，堰塞湖最大蓄水量為3.16億m3，2008年6月10日通過人工開挖的導(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m3，庫容約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m3，庫容約為6.03億m3。2018年11月13日通過人工開挖的導(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2 000萬m3，堰塞湖庫容約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，美國地質(zhì)調(diào)查局Costa和Schuster對73座堰塞壩的壽命統(tǒng)計發(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204座堰塞壩的潰決時間進行了統(tǒng)計[8]，獲得了類似的結(jié)論，87%的堰塞壩壽命不超過1 a。2014年，石振明等對國內(nèi)外276例堰塞壩的壽命進行了統(tǒng)計[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個月，86%的堰塞壩壽命小于1 a。因此亟需對堰塞壩穩(wěn)定性做出合理的快速評估，為堰塞壩應(yīng)急處置提供技術(shù)支撐。

2 國內(nèi)外常用的穩(wěn)定性快速評價方法

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)的來流量、壩體滲流速度、壩料密實度、氣候條件等多方面因素[10]。但要快速對一個初形成的堰塞壩進行危險性評價，短時間內(nèi)獲得全部的影響參數(shù)較為困難。近年來，國內(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)定性快速評價方法。

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法(BI)來判定堰塞壩穩(wěn)定性的方法。2003年，Ermini和Casagli改進了堆積指標法[12]，在原有的基礎(chǔ)上增加了壩體高度參數(shù)，提出了無量綱堆積體指標法(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個指標的堰塞壩穩(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、壩長及壩體體積多種因素，提出了基于Ls(PHWL)、Ls(AHWL)、Ls(AHV)等3個指標的堰塞壩穩(wěn)定性判別方法。2016年，Stefanelli等利用意大利300個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)指標來判斷堰塞壩的穩(wěn)定性。表1為目前國內(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)庫構(gòu)建

為了對各類堰塞壩穩(wěn)定性快速評價方法的可靠性和適用性進行評價，收集了世界范圍內(nèi)421個具有實測資料的堰塞壩案例，其中意大利205例[16]、日本79例[12]、中國35例[17]、美國32例[12]、其他國家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算。表2給出了堰塞壩案例數(shù)據(jù)庫各參數(shù)的取值及分布情況。

4 各種堰塞壩穩(wěn)定性快速評價方法對比

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

表1 國內(nèi)外典型堰塞壩穩(wěn)定性快速評價方法

注：BI為堆積體指標；DBI為無量綱堆積體指標；Is為backstow指標；Ia為basin指標；Ir為relief指標；Ls(PHWL)、Ls(AHWL)、Ls(AHV)均為邏輯回歸模型指標；HDSI為水力形態(tài)學(xué)指標；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為入庫峰值流量,m3/s；W為壩體寬度,m；L為壩體長度,m；S為河道坡度,°。

表2 堰塞壩案例數(shù)據(jù)庫參數(shù)統(tǒng)計

分別采用錯判率F、保守準確率Rc及絕對準確率R對各評價方法的計算結(jié)果進行對比分析。其中，錯判率F指的是實際上不穩(wěn)定的堰塞壩，而計算結(jié)果是穩(wěn)定的概率，因此在實際應(yīng)用中應(yīng)盡量選取錯判率較低的評價方法；絕對準確率R指的是堰塞壩的實際狀態(tài)與計算狀態(tài)完全一致的概率；保守準確率Rc指的是實際狀態(tài)為穩(wěn)定堰塞壩而計算結(jié)果為不穩(wěn)定的概率，并加上絕對準確率R后的結(jié)果。另外，為了避免上述對比方法的片面性，進一步利用綜合準確率Rr對各評價方法的準確率進行對比分析，綜合準確率Rr可采用下式計算：

(1)

各種堰塞壩穩(wěn)定性快速評價方法的計算結(jié)果如圖2～8所示。

圖2 BI方法計算結(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)定性快速評價方法的計算結(jié)果，可以看出：絕對準確率體現(xiàn)了計算模型對單個案例判斷的準確性，而保守準確率是在絕對準確率基礎(chǔ)上，其判定結(jié)果會帶有一定的保守性。綜合準確率可能與絕對準確率計算結(jié)果相同。另外，由于BI，DBI，Is和HDSI在判定中會有不確定區(qū)域，若其絕對準確率與綜合準確率差值越大，則說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)定性快速評價方法計算結(jié)果匯總

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

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

由表3各模型計算結(jié)果可以看出，Is的錯判率最低(其值為0)，Ls(AHV)的錯判率最高，為12.61%，但錯判率F為零并不代表用該模型沒有錯判，可能會由于數(shù)據(jù)不具有代表性，案例數(shù)過少或模型指標計算過大導(dǎo)致誤判率較低。對比Is，Ia和HDSI模型，都有較低的錯判率，但Is模型和HDSI模型的絕對準確率較低，分別為12.63%和23.03%， 與其各自的綜合準確率差值較大，說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只能對本數(shù)據(jù)庫中少量的堰塞壩穩(wěn)定性進行準確評價。DBI，Ia，Ls(AHWL)和Ls(AHV)的保守準確率較高，都超過了70%以上，Ia模型保守準確率高達99.59%，但其綜合準確率卻只有48.96%，因此采用綜合準確率可更加合理地評價計算方法的準確性。對比其絕對準確率，DBI和Ls(AHV)對單個案例的判定準確性較高，分別為61.98%和71.85%，但Ls(AHV)的錯判率卻高于DBI模型，因為DBI模型對一部分堰塞壩不能判定其穩(wěn)定性。對比各個模型的錯判率、保守準確率、絕對準確率和綜合準確率，DBI和Ls(AHV)模型對堰塞壩的穩(wěn)定性評價表現(xiàn)較好，能分別對60%和70%以上的堰塞壩狀態(tài)進行準確評價。

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

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

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

5 結(jié)論與建議

本文總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者提出的堰塞壩穩(wěn)定性快速評價方法，并構(gòu)建了包含國內(nèi)外具有實測資料的421個堰塞壩案例的數(shù)據(jù)庫。基于該數(shù)據(jù)庫采用錯判率F、保守準確率Rc、絕對準確率R及綜合準確率Rr對各評估方法的準確性和適用性進行了比較分析，得出了如下結(jié)論：Is、Ia和HDSI評估方法有著較低的錯判率，分別為0%，0.41%和0.61%，但Is和HDSI的絕對準確率R較低，分別為12.63%和23.03%，與各自的綜合準確率Rr差值較大，對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模型只能對少部分的堰塞壩進行穩(wěn)定性評價。Ia的保守準確率高達99.59%，但其綜合準確率卻只有48.96%，因此采用綜合準確率可更合理地對一個模型評價的準確性進行評價，基本可以消除模型計算過于保守的影響。通過對比各評價方法的綜合準確率可以發(fā)現(xiàn)，DBI和Ls(AHV)對堰塞壩穩(wěn)定性評價的表現(xiàn)較好，能分別對60%和70%以上的堰塞壩狀態(tài)進行準確評價。

總結(jié)以上的堰塞壩危險性快速評價方法可以看出，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力條件有關(guān)，因此為了進一步提升堰塞壩穩(wěn)定性快速評價方法的可靠性與實用性，應(yīng)進一步加強堰塞壩壩料的顆粒級配、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流量和堰塞壩的滲流特性。