陳華勇,陳曉清,趙萬玉,羅志剛

(1．中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都610041；2.中國科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京100101；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100000；4.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京100000)

中巴喀喇昆侖公路( Karakoram Highway，簡(jiǎn)稱KKH)，位于帕米爾高原腹地，是世界上海拔最高的山區(qū)公路[1]。它北起中國新疆喀什，翻越喀喇昆侖山紅其拉甫口岸( Khunjerab Pass)進(jìn)入巴基斯坦，南到巴基斯坦北部城市塔科特(Thakot)，全長(zhǎng)1 036.0 km。中巴公路穿越世界最高的三大山脈興都庫什、喀喇昆侖和喜馬拉雅山脈的交匯處，該區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍、地震活動(dòng)頻繁、地形地貌多變、氣候復(fù)雜、侵蝕劇烈，加之冰川作用強(qiáng)烈[2-4]，區(qū)域內(nèi)發(fā)育著流砂坡[5]、崩塌滑坡[6-8]、泥石流[9]等山地災(zāi)害及其次生災(zāi)害(滑坡堰塞湖、泥石流堰塞湖)?；露陆纬裳呷麎?，壩前壅水形成堰塞湖，造成回水淹沒，同時(shí)水流攜帶的大量泥沙淤積于上游河段，加速河道淤積[10-14]；當(dāng)堰塞壩潰決時(shí)，潰決洪水導(dǎo)致下游河水位迅速抬升，形成的潰決洪水將對(duì)下游地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[15-17]。巴基斯坦北部洪扎河(Hunza River)河谷喀喇昆侖公路對(duì)岸的阿塔巴德村(Attabad)邊發(fā)生滑坡后，堵河形成堰塞湖，摧毀、淹沒房屋54座，造成60座房屋部分破壞、1所學(xué)校完全被毀、20人遇難和失蹤，破壞和掩埋KKH公路近16 km以及連接Gulmit和Shaskat兩座城鎮(zhèn)的橋梁1座[1],[18]。

受地震、極端降雨、人工開挖等內(nèi)外因素激發(fā)作用下，國內(nèi)外滑坡堵江形成堰塞湖的事件很多。楊霞等結(jié)合三峽水庫蓄水后大部分支流河口段淤積現(xiàn)象，以香溪河河口段為例，在分析其河口泥沙淤積特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，闡述了三峽水庫蓄水、來水來沙條件及口門河勢(shì)等因素對(duì)于其河口泥沙淤積的影響，探討了泥沙淤積的發(fā)展趨勢(shì)[19]。李孟洋等采用Brune 模型計(jì)算梯級(jí)水庫攔沙率，綜合考慮出入庫輸沙量與上下游水庫的攔沙量，分析了小灣電站的庫區(qū)淤積量[20]，但是專門針對(duì)堰塞湖庫區(qū)回水淹沒、泥沙淤積規(guī)律以及河道演變規(guī)律的研究并不多見。本文將重點(diǎn)分析Attabad滑坡堰塞湖的泥沙淤積和潰決洪水對(duì)中巴公路安全運(yùn)營的影響，以期相關(guān)研究成果為類似研究提供技術(shù)支撐。

1 Attabad堰塞壩的基本特征

1.1 Attabad滑坡堰塞壩

2010年1月4日11:30，巴基斯坦北部洪扎河(Hunza River)河谷喀喇昆侖公路對(duì)岸的阿塔巴德村(Attabad)邊發(fā)生一次規(guī)模巨大的滑坡(N36°18′ 26.6″, E 74° 48′54.9″)?；露逊e體堵塞了洪扎河谷形成堰塞壩，Attabad堰塞壩平面形態(tài)為長(zhǎng)條形，順河長(zhǎng)約1100.0 m，壩頂寬約600.0 m，壩高118.0～200.0 m，體積約2 500萬m3。堰塞壩上游壩坡水上部分長(zhǎng)約200.0 m，坡較陡，坡度約25～30°。下游壩坡長(zhǎng)約500.0 m，坡度約12～18°，滑坡體剖面及滑坡全貌如圖1、圖2所示。

1.2 壩體顆粒級(jí)配

根據(jù)堰塞壩粒徑組成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量分析，壩體主要由以粉砂、粉質(zhì)粘土含塊碎石組成，塊碎石巖性主要為混合質(zhì)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖。塊石含量較高，約占35%～55%，塊石最大粒徑可超過10.0 m(圖3)。在滑坡的中前部表層普遍分布深灰至灰黑色粉質(zhì)粘土，大部分已與塊碎石混雜，僅中部分布集中且塊石含量少，可見厚度超過15.0 m(圖4)。

2 Attabad堰塞湖對(duì)中巴公路的影響

2.1 上流來流與庫容分析

根據(jù)洪扎河水文站觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析(水文站距堰塞湖下游88.6 km)，洪扎河上游年來水量分配很不均勻，主要集中在6～9月份的雨季，占全年的80%以上。3-4 月份進(jìn)入枯季，上游來水量?jī)H占全年來水量的20%左右，枯水期流量在20.0～30.0 m3/s，到6月份，上游來水量為140.0 m3/s，7月份的來水量最大，達(dá)到280.0 m3/s(典型年內(nèi)流量變化)，9月份以后，隨著氣溫降低和降雨減少，流量逐漸減小(圖5，紅色虛線所示)。2018年5月，筆者調(diào)查Attabad堰塞湖時(shí)，其水位高程仍在2379.3m左右(堰塞湖水深81.3m)。根據(jù)已有的水位-庫容關(guān)系曲線可知(圖6)，Attabad堰塞湖仍然存在約1.92億m3的庫容，如果發(fā)生潰決將對(duì)下游地區(qū)民眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

圖1 Attabad滑坡體剖面圖圖2 Attabad滑坡堰塞壩全貌圖3 堆積體中的大石塊圖4 表層粉質(zhì)粘土圖5 堰塞湖上游來流年內(nèi)分配圖6 堰塞湖水位庫容關(guān)系曲線圖7 水樣采集點(diǎn)分布圖8 Attabad堰塞湖泥沙淤積示意圖

表1 各采樣點(diǎn)水體含沙率測(cè)量結(jié)果

表2 各水樣顆粒級(jí)配分布

2.2 Attabad堰塞湖上游來沙特點(diǎn)

通過對(duì)洪扎河上游主河及三大冰川融水懸移質(zhì)采樣發(fā)現(xiàn)：Hunza主河含沙量平均為2.28g/L， Batura冰川下游入?yún)R平均流量40.1m3/s[26]，含沙量平均為1.00g/L；Passu 冰川和Ghulkin 冰川入?yún)R流量較小，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，平均流量分別約為15 m3/s、10m3/s，平均含沙量為0.41g/L和0.73g/L，如表1所示。由此可知：Attabad堰塞湖上游來流中泥沙平均含量約為1.63g/L。就各水樣顆粒級(jí)配變化規(guī)律而言，在三大冰川融水補(bǔ)給和主河水樣中，其0.01～0.05mm的粉砂含量均最大，幾乎占庫區(qū)淤積物質(zhì)總量的一半(平均為42.01%)，如表2所示。

2.3 庫區(qū)泥沙淤積對(duì)堰塞壩上游段公路的影響

山區(qū)河流一般坡降較大，水流流速大、攜沙能力強(qiáng)。當(dāng)堰塞壩上游水位抬高，庫區(qū)水力坡降變小，上游來流的過水?dāng)嗝婷娣e增加，流速降低，導(dǎo)致水流的攜沙能力減弱，使得水流中攜帶的泥沙發(fā)生沉降、淤積，并逐漸向壩前發(fā)展。隨著淤積高度的不斷增加，庫尾泥沙“翹尾巴”的情形不可避免，導(dǎo)致庫尾水位抬升，淹沒范圍增加(圖8)，進(jìn)而擴(kuò)大了堰塞湖對(duì)中巴公路的影響范圍。為定量評(píng)估堰塞湖庫區(qū)淤積對(duì)中巴公路的影響，本文借用人工大壩庫區(qū)淤積的分析計(jì)算方法，結(jié)合Attabad堰塞湖上游地形及來水來沙特征，估算庫尾泥沙“翹尾巴”現(xiàn)象對(duì)中巴公路的影響距離。

設(shè)最高水位平交于原河床的交點(diǎn)E，至壩址的長(zhǎng)度為L(zhǎng)w+Lb，由于迎水坡面為滑坡松散堆積體的自然休止角(約為42°)，堰塞壩上游最大水深H與Lb為同一量級(jí)，且遠(yuǎn)小于Lw，則：

(1)

式中：Lb+Lw為堰塞湖回水長(zhǎng)度。對(duì)于Attabad堰塞湖而言，庫區(qū)水位達(dá)到65.0 m時(shí)，上游回水達(dá)到11.0 km，可以得到河道的原始溝道比降約為0.006。

假定淤積末端點(diǎn)A到壩址的水平長(zhǎng)度Ls，根據(jù)三角形相似原理，可以得到：

(2)

針對(duì)庫區(qū)淤積達(dá)到終極狀態(tài)時(shí)因?yàn)槁N尾巴對(duì)淹沒范圍增加的影響，并認(rèn)為翹尾巴高度為：

(3)

式中：H為堰塞壩壩前水深(m)，γ′為渾水容重(kg/m3)，qs為多年平均單寬輸沙率(kg/(s·m))，q為多年平均單寬流量(m3/(s·m))。根據(jù)已有的人工大壩庫區(qū)泥沙淤積實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到a=0.93，b=0.064，公式適用于壩前水深H=12.0～89.0 m，含沙率S=0.16～286.0 kg/m3。本文中壩前水深81.3 m，含沙率1.63 kg/m3。

Attabad堰塞湖庫區(qū)水深及來流泥沙含量滿足式(3)的條件，由式(2)-式(3)可以得到

(4)

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與水樣分析發(fā)現(xiàn)，主河及各支流含有大量的懸移質(zhì)，而堰塞壩下游下泄水流基本則比較清澈，這個(gè)現(xiàn)象也說明堰塞壩的攔蓄作用對(duì)懸移質(zhì)的停淤起了很大的作用。通過2010-2012年的3年時(shí)間大量的泥沙在Attadbad堰塞湖庫尾沉積來看，泥沙淤積嚴(yán)重威脅中巴公路的運(yùn)營安全。而庫區(qū)淤積泥沙主要源于豐水期洪水作用，而從圖6可以看出，Hunza河的豐水期主要集中在6-9月。因此，可以根據(jù)6-9月的平均流量計(jì)算主河的單寬流量：6-9月的平均流量約為207.5 m3/s，平均河道寬度80.0m，單寬流量為2.59 m3/s，以堰塞壩庫區(qū)現(xiàn)有水深81.3m，平均單寬輸沙率4.22 kg/(s·m)為例，由式(4)可以得到Ls=18.03 km，即因?yàn)槟嗌秤俜e而導(dǎo)致回水上延4.48 km。

2.4 潰決洪水對(duì)堰塞壩下游段公路的影響

2010年Attabad堰塞壩形成后，通過人工處置湖區(qū)水位下降了約30.0 m，堰塞壩基本處置穩(wěn)定泄流狀態(tài)。但是在一些特殊的內(nèi)外因素作用下，Attabad堰塞壩仍然可能發(fā)生潰決：①突發(fā)震級(jí)較大的地震(如2005年克什米爾7.0級(jí)地震)導(dǎo)致壩體穩(wěn)定性的破壞；②極端降雨、冰湖潰決洪水、冰滑坡涌浪作用下導(dǎo)致溢流水頭突然增加，改變了溢流通道的臨界水力平衡條件，使得溢流水量大幅增加，溢流通道底部的粗化層再次起動(dòng)、搬運(yùn)，溢流口不斷擴(kuò)大，從而導(dǎo)致壩體失穩(wěn)潰決；③缺乏滑坡堆積體內(nèi)部鉆探資料，無法確定壩體內(nèi)部物質(zhì)基本組成，倘若滑坡堆積體底部仍然存在類似堆積體表面粉質(zhì)粘土的軟弱夾層，則滑坡堆積體的整體性將受影響，可能發(fā)生潰決?；谏鲜鲈?，仍然有必要對(duì)Attabad堰塞壩潰決危險(xiǎn)性進(jìn)行進(jìn)一步分析。

潰口壩址最大流量根據(jù)肖克列奇(Schoklitsch)經(jīng)驗(yàn)公式估算

(5)

式中：Qb-max為潰口壩址最大流量(m3/s)；B潰壩決口寬度(m)；b潰壩決口寬度(m)；H0潰壩前上游水深(m)。

潰壩址最大流量向下游演進(jìn)距壩址L(m)流程處斷面的最大流量可采用李斯特萬公式估算：

(6)

式中：QL-max為距壩址L(m)流程處斷面的最大流量(m3/s)；W為滑坡堰塞湖水體體積(m3)；L為計(jì)算斷面距水庫壩址的距離(m)；Vmax為河道洪水期斷面最大平均流速(m/s)，在有資料地區(qū)可采用實(shí)測(cè)最大值，無資料時(shí)，一般山區(qū)可取3.0～5.0 m/s，半山區(qū)可取2.0～3.0m/s，平原區(qū)可取1.0～2.0 m/s；K2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，山區(qū)取1.1～1.5，丘陵區(qū)取1.0，平原區(qū)取0.8～0.9，考慮Attabad堰塞湖下游為山區(qū)河道形態(tài)，本文中取Vmax=4.0m/s、K2=1.25。

表3 Attabad堰塞湖潰決洪峰流量的計(jì)算(壩高80 m)

表4 Attabad堰塞壩洪水演進(jìn)計(jì)算(壩高80 m)

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

滑坡堰塞湖是高區(qū)常見的次生山地災(zāi)害之一。本文以巴基斯坦境內(nèi)中巴公路交通干線上典型的Attabad滑坡堰塞湖為例，結(jié)合Attabad堰塞壩壩體物質(zhì)組成，堰塞湖上游河道比降，堰塞湖上游來水特點(diǎn)，以及堰塞湖下游河道地形特征，分析了上游來流輸沙率及泥沙顆粒級(jí)配，揭示了堰塞湖泥沙淤積規(guī)律，評(píng)估了堰塞湖潰決洪水對(duì)下游中巴公路的影響，得到以下結(jié)論。

(1)Attabad堰塞湖水源主要來自主河Hunza河及Batura冰川融水、Pasu冰川融水和Ghulkin冰川融水等三條支流，各干支流貢獻(xiàn)率分別為55.50%、27.41%、10.25%、6.84%；Attabad堰塞湖上游來流中泥沙平均含量約為1.63 g/L，干流Hunza河攜帶的固體顆粒物質(zhì)是Attabad堰塞湖淤積的主要物質(zhì)來源，占整個(gè)淤積量的77.64%；泥沙顆粒級(jí)配中0.01-0.05 mm的粉砂含量約占庫區(qū)淤積物質(zhì)總量的42.01%；

(2)Hunza河的豐水期主要集中在6-9月，6-9月的平均流量約為207.5 m3/s，利用人工大壩庫區(qū)泥沙淤積平衡法，分析得到Attabad堰塞湖的回水長(zhǎng)度約為18.03 km，因泥沙淤積而導(dǎo)致回水上延4.48 km，在泥沙淤積過程中可能威脅既有中巴公路(沿河段)；

(3)Attabad堰塞壩中大塊石，可以在一定程度上提高堰塞壩的抗沖蝕能力，增強(qiáng)堰塞壩的穩(wěn)定性，加之較長(zhǎng)的沿河堆積壩體，大大降低了堰塞壩發(fā)生全潰的機(jī)率，但是受Attabad堰塞壩底部特有的軟弱淤泥夾層，潛在地震、極端降雨、冰湖潰決洪水、冰滑坡涌浪等因素的影響，仍然可能導(dǎo)致堰塞壩潰決；

(4)本文借助于較為成熟潰決峰值流量計(jì)算公式及潰決洪水演進(jìn)公式，結(jié)合Attabad堰塞壩上下游實(shí)際地形地貌，分析了堰塞壩發(fā)生1/4潰決、1/3潰決、1/2潰決情景模式下，Attabad堰塞壩的潰決峰值流量和流量沿程變化規(guī)律，為下游地區(qū)潰決洪水的應(yīng)急避險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 討論

本文在已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，嘗試將人工水庫泥沙淤積預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式用于分析滑坡堰塞湖泥沙回淤長(zhǎng)度及上延距離，從計(jì)算結(jié)果看上延距離占回淤長(zhǎng)度的26.44%，說明泥沙淤積上延對(duì)公路的影響作用不可忽視。由于山區(qū)地形地貌、溝床比降、上游來流中的泥沙顆粒物質(zhì)組成和顆粒級(jí)配等，與平原區(qū)人工水庫都存在很大的差異性，目前對(duì)堰塞湖庫區(qū)泥沙淤積特征、庫區(qū)泥沙淤積演化規(guī)律、庫區(qū)泥沙淤積對(duì)沿河交通工程的影響等問的研究仍不深入，尚需要開展大量的研究工作，進(jìn)一步揭示堰塞湖庫區(qū)泥沙淤積-演化發(fā)展規(guī)律，為山區(qū)沿河交通工程的設(shè)計(jì)與選線提供參考。

針對(duì)滑坡堰塞湖潰決研究，本文利用目前較為成熟潰決峰值流量計(jì)算公式及潰決洪水演進(jìn)公式，分析了不同潰決情景模式下，Attabad堰塞壩的潰決峰值流量和流量沿程變化規(guī)律。潰決洪水演進(jìn)公式主要考慮一定堰塞湖庫容在潰決壩發(fā)生后潰決洪水流量沿程演進(jìn)規(guī)律，潰決洪水一般是清水，沒有考慮庫區(qū)泥沙隨著潰決洪水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由于Attabad堰塞湖已形成多年，庫區(qū)已淤積了大量泥沙，如果發(fā)生潰決，庫區(qū)泥沙在潰決洪水作用下如何運(yùn)動(dòng)？這種高固體顆粒含量的固-液兩相流(高含沙水流或者泥流)沿程演進(jìn)規(guī)律？潰決峰值流量如何計(jì)算？仍然需要進(jìn)一步開展深入的研究。