何 興 祥， 胡 卸 文,2， 劉 波， 王 蛟， 盛 豪

(1. 西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031;2.西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

1 概 述

西藏地區(qū)是我國(guó)冰湖潰決及其次生災(zāi)害的重點(diǎn)分布區(qū)[1]。冰湖潰決洪水具有突發(fā)性強(qiáng)、頻率低、洪峰高、流量過(guò)程暴漲暴落、破壞力強(qiáng)、災(zāi)害波及范圍廣等特點(diǎn)[2-3]，通常對(duì)下游人民的生命財(cái)產(chǎn)及基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)極大威脅和嚴(yán)重破壞[4-5]。Schuster和Costa[6-7]以及柴賀軍等[8-9]統(tǒng)計(jì)分析后指出，近九成的堰塞湖均在一年內(nèi)發(fā)生潰決，潰決形式主要包括漫頂潰壩、管涌潛蝕、壩坡失穩(wěn)和人為破壞等。因此，開(kāi)展冰湖堰塞壩穩(wěn)定性與冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)西藏地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展具有重要的意義[10]。

冰湖潰決危險(xiǎn)性和堰塞壩穩(wěn)定性都是目前研究的熱點(diǎn)。在冰湖潰決危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面，呂儒仁等[11]通過(guò)野外考察和報(bào)道資料，提出了西藏冰湖潰決可能性的7個(gè)判別標(biāo)志，并分析了冰湖潰決與氣候背景的關(guān)系；莊樹(shù)裕[12]通過(guò)分析西藏喜馬拉雅山地區(qū)已潰決冰湖的基礎(chǔ)資料，提出了基于支持向量機(jī)法和基于粗糙集可拓學(xué)方法的冰湖潰決預(yù)測(cè)模型。在堰塞壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面，胡卸文等[13]在準(zhǔn)確獲取唐家山堰塞壩地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了唐家山堰塞湖的滲流穩(wěn)定性與潰壩模式；石振明[14]通過(guò)高滲透區(qū)域?qū)t石河堰塞壩滲流特性的影響規(guī)律，提出了考慮高滲透區(qū)域的堰塞壩滲流穩(wěn)定性分析方法；羅剛[15]利用Geo-studio軟件對(duì)唐家山堰塞壩上游水位高程達(dá)到740 m時(shí)，壩體不同工況下的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

凍錯(cuò)曲溝位于西藏自治區(qū)洛隆縣臘久鄉(xiāng)，凍錯(cuò)曲上游。地形東高西低，溝道呈寬淺“V”型，谷寬20～100 m。溝域中部發(fā)育一個(gè)大型冰湖—凍錯(cuò)曲冰湖，歷史衛(wèi)星影像和野外勘察結(jié)果共同表明：凍錯(cuò)曲冰湖近百年來(lái)無(wú)潰決記錄。冰湖下游為居民區(qū)和擬建線(xiàn)性工程干線(xiàn)、站場(chǎng)，一旦汛期集中降雨且冰雪快速融化，冰湖有可能發(fā)生局部潰決引發(fā)泥石流，屆時(shí)，將對(duì)下游人民的財(cái)產(chǎn)安全和擬建線(xiàn)性工程造成不可估量的損失。因此，筆者從冰湖發(fā)育特征、堰塞壩發(fā)育特征及穩(wěn)定性等方面入手，對(duì)凍錯(cuò)曲冰湖的潰決風(fēng)險(xiǎn)和壩體穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

2 凍錯(cuò)曲冰湖發(fā)育特征

2.1 凍錯(cuò)曲冰湖概況

凍錯(cuò)曲冰湖所在的凍錯(cuò)曲溝流域面積226.27 km2，主溝長(zhǎng)31.44 km，流域內(nèi)最高海拔5 180 m，最低海拔3 815 m，相對(duì)高差1 365 m，主溝縱坡降為27.27‰。主溝順直，發(fā)育大型支溝21條，均基本與主溝正交。擬建線(xiàn)性工程從溝口堆積區(qū)凍錯(cuò)曲主河下游3 km以站場(chǎng)和橋梁形式通過(guò)(圖1)。凍錯(cuò)曲冰湖湖口地理坐標(biāo)：N30°18′18.2592″，E96°4′0.4116″，出水口位于冰湖東端，非汛期湖面高程為4 055 m，汛期湖面高程為4 060 m。冰湖周?chē)植加袛?shù)十個(gè)小冰湖，降雨、冰雪融化和小冰湖潰決都是冰湖水量的補(bǔ)給源。湖水面呈狹長(zhǎng)條狀，東西長(zhǎng)7 100 m，南北寬290 m，冰湖面積約2.049 km2。

2.2 冰湖湖水量

圖1 凍錯(cuò)曲溝與擬建線(xiàn)性工程相對(duì)位置關(guān)系

凍錯(cuò)曲冰湖所在海拔高度達(dá)4 000余米，缺乏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)野外測(cè)量，無(wú)法準(zhǔn)確獲取湖水量。K??b A等[16]通過(guò)遙感手段獲取冰湖面積參數(shù)(A)，由經(jīng)驗(yàn)公式估算出冰湖深度和湖水量，公式如下：

D=0.104A0.42

(1)

V=0.104A1.42

(2)

經(jīng)過(guò)對(duì)凍錯(cuò)曲冰湖美國(guó)Landsat-1～Landsat-8衛(wèi)星2003年至2019年影像資料的分析解譯，凍錯(cuò)曲冰湖面積呈動(dòng)態(tài)變化(表1)。該冰湖汛期面積最大年份是2013年，面積為2.049 km2。2013年以來(lái)，冰湖汛期面積穩(wěn)定，尤其是最近四、五年，冰湖面積在1.8 km2左右波動(dòng)，變化范圍不大。

一般來(lái)說(shuō)，冰湖面積越大，潰決風(fēng)險(xiǎn)越高，考慮冰湖最危險(xiǎn)狀況，取2013年汛期面積作為凍錯(cuò)曲冰湖的研究面積。采用上述公式計(jì)算得到的湖深和湖水量分別為：湖深D=46.55 m，湖水量VH=9.54×107m3，與野外勘察結(jié)果較為吻合。

2.3 凍錯(cuò)曲冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)

表1 近20年凍錯(cuò)曲冰湖面積變化

樂(lè)茂華等運(yùn)用邏輯回歸分析方法，建立了西藏地區(qū)冰湖潰決的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型，見(jiàn)式(3)，該模型對(duì)未潰決冰湖樣本預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率為95%。按冰湖潰決的概率范圍，將概率值<0.3的劃分為低等級(jí)，0.3～0.5為中等級(jí)，0.5～0.8為高等級(jí)，>0.8為極高等級(jí)。

p=[1+exp(1.895+17.556X1+36.641X2+20.658X3-43,884X4+0.017X5-0.199X6)]-1

(3)

式中X1為壩頂寬度(km)；X2為湖水位距壩頂高度與湖壩高度之比；X3為冰舌前端距冰湖距離(km)；X4為冰舌段坡度(‰)；X5為冰湖面積(km2)；X6為補(bǔ)給冰川面積(km2)。

凍錯(cuò)曲冰湖位于西藏，存在數(shù)百年，無(wú)潰決記錄，適合用該模型對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)野外勘察和室內(nèi)遙感解譯的參數(shù)，采用該模型計(jì)算冰湖潰決危險(xiǎn)性結(jié)果(表2)。凍錯(cuò)曲冰湖潰決概率P為0.42，位于0.3～0.5區(qū)間，屬于中等危險(xiǎn)。

表2 凍錯(cuò)曲冰湖危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果

3 凍錯(cuò)曲冰湖前緣堰塞壩特征

3.1 堰塞壩規(guī)模

2018年11月和2019年8月對(duì)凍錯(cuò)曲冰湖進(jìn)行了兩次詳細(xì)勘察，研究發(fā)現(xiàn)，冰湖前緣堰塞壩為冰湖兩岸高位崩塌物源形成的堆積體，主要以孤、塊石為主。堰塞壩平面形狀呈“心”字形，左右兩岸均為歷史時(shí)期的崩塌物源堆積體，堰塞壩左岸最高點(diǎn)高程為4 092.5 m，右岸最高點(diǎn)高程為4 102 m。根據(jù)勘察，堰塞壩厚度45 m，順湖長(zhǎng)458 m，橫湖寬320 m，估算堰塞壩總體積約6.59×106m3(圖2)。

圖2 凍錯(cuò)曲冰湖堰塞壩衛(wèi)星圖

3.2 堰塞壩結(jié)構(gòu)

堰塞壩形成已久，物質(zhì)成分比較復(fù)雜，但其結(jié)構(gòu)自上而下大致可以分為三層(圖3)。新進(jìn)堆積體(碎塊石)：主要為兩岸“流沙坡”近期崩滑堆積，巖性主要為褐色—黃褐色花崗巖，最大粒徑可達(dá)5 m，最小粒徑為2～5 cm，滲透性良好；老堆積體(碎塊石土)：兩岸崩滑物源堆積形成，巖性為花崗巖，經(jīng)過(guò)流水長(zhǎng)時(shí)間沖刷，稍有磨圓，空隙被充填壓密，逐漸膠結(jié)，滲透性差；花崗巖(基巖)：巖性為二長(zhǎng)花崗巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，風(fēng)化程度低，透水性差。

4 凍錯(cuò)曲冰湖堰塞壩穩(wěn)定性分析

4.1 堰塞壩整體穩(wěn)定性分析

堰塞壩地勢(shì)西高東低，規(guī)模巨大，方量達(dá)6.59×106m3。壩體下游坡降較緩，背坡坡率為1∶3，背坡面有植被發(fā)育。壩體物質(zhì)組成主要為花崗巖，壩基為侏羅系二長(zhǎng)花崗巖，巖性堅(jiān)硬，不易風(fēng)化和溶蝕，兩岸巖體在地質(zhì)營(yíng)力作用下不斷崩解、堆積于堰塞壩之上。從堰塞壩規(guī)模、巖性組成、植被發(fā)育狀況和物源補(bǔ)給等方面綜合來(lái)看，堰塞壩能夠很好地保持整體穩(wěn)定性。根據(jù)近20年對(duì)冰湖及其堰塞壩影像分析后發(fā)現(xiàn)，堰塞壩無(wú)變形跡象，穩(wěn)定性良好。

凍錯(cuò)曲冰湖于非汛期會(huì)在距壩頂約5 m處的位置下滲，在壩體內(nèi)部形成穩(wěn)定滲流通道(圖4)。堰塞壩壩頂寬度大，有人工堆砌形成的泄流槽可供汛期和極端條件下溢流(圖5)。組成壩體的花崗巖大多粒徑集中在0.1 m以上，塊石之間空隙大，滲透性好，湖水能夠順利流通，有利于壩體的整體穩(wěn)定性。

圖3 凍錯(cuò)曲冰湖堰塞壩工程地質(zhì)剖面圖

圖4 湖水非汛期下滲

圖5 湖水汛期溢流

4.2 滲透變形及抗沖刷穩(wěn)定性分析

堰塞壩的抗沖刷能力一般由組成物質(zhì)顆粒的大小所決定。組成顆粒越粗大，抗沖刷能力越強(qiáng)，危險(xiǎn)性越低，反之亦然。堰塞壩存在時(shí)間長(zhǎng)，形成過(guò)程中湖水對(duì)顆粒進(jìn)行去“精”取“粗”，堆積的少量細(xì)顆粒物質(zhì)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)被湖水沖刷、溶蝕帶走，留下的都是粗顆粒，具有很強(qiáng)的抗沖刷能力。

凍錯(cuò)曲冰湖堰塞壩上部為碎塊石，塊石之間架空現(xiàn)象明顯，過(guò)水能力強(qiáng)，滲透性好。根據(jù)野外對(duì)上部堆積體進(jìn)行粒徑統(tǒng)計(jì)，分析整理繪制顆粒級(jí)配曲線(xiàn)(圖6)。如圖所示，顆粒粒徑主要集中在0.1～2 m之間，顆粒粗大，發(fā)生滲透變形的可能性小。

4.3 抗滑穩(wěn)定性分析

Geo-studio軟件中的seep/w模塊能模擬壩體內(nèi)部滲流狀況及孔隙水壓力分布狀況，slope/w模塊能很好地模擬壩坡穩(wěn)定性[17-18]。為研究不同工況條件下堰塞壩的抗滑穩(wěn)定性，本文運(yùn)用Geo-studio軟件中的seep/w模塊模擬壩體孔隙水壓力分布情況，將其結(jié)果導(dǎo)入slope/w模塊，然后分析壩坡的穩(wěn)定性。根據(jù)3.2節(jié)介紹的堰塞壩的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，建立模型。模型長(zhǎng)458 m，高105 m，壩高45 m，壩頂寬30 m。模型從上到下分為3個(gè)區(qū)域，材料分別為碎塊石、碎塊石土和基巖。巖土體均按均質(zhì)各向同性考慮，巖土體參數(shù)通過(guò)參數(shù)反演和工程地質(zhì)類(lèi)比相互修正獲取，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

繪制模型，輸入材料參數(shù)和邊界條件，模擬三種工況下的壩坡穩(wěn)定性系數(shù)。工況一：冰湖非汛期水位，湖面高程為4 055 m；工況二：冰湖汛期水位，湖面高程4 060 m，為壩頂高程，湖水從壩頂泄流槽溢流；工況三：汛期集中暴雨疊加四周冰雪快速融化，湖面高程為4 060.5 m，湖水上漲0.5 m，作為極端危險(xiǎn)工況。三種工況下的計(jì)算結(jié)果(圖7)。

由圖7可知，壩坡穩(wěn)定性系數(shù)隨冰湖湖面高程的增長(zhǎng)而下降，非汛期和汛期時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.311和1.197，壩體穩(wěn)定；當(dāng)四周冰雪快速融化入湖疊加汛期集中暴雨，湖水位快速上漲，穩(wěn)定性系數(shù)急劇降低為1.057，壩體基本穩(wěn)定。極端條件可能導(dǎo)致堰塞壩表部被沖刷，局部潰決形成潰決洪水和泥石流。為保障下游人民生命財(cái)產(chǎn)及線(xiàn)性工程的安全，應(yīng)做好凍錯(cuò)曲冰湖水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，于適當(dāng)位置設(shè)置排導(dǎo)槽等工程措施對(duì)其進(jìn)行防治。

圖6 堰塞壩上部碎塊石顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

表3 堰塞壩巖土體參數(shù)建議值

圖7 堰塞壩在不同工況條件下的穩(wěn)定性系數(shù)

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者從野外勘察、室內(nèi)遙感解譯、分析計(jì)算和數(shù)值模擬等方面入手，對(duì)凍錯(cuò)曲冰湖的潰決風(fēng)險(xiǎn)和壩體穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)和計(jì)算，結(jié)果如下：

(1)根據(jù)野外勘察和遙感解譯結(jié)果，凍錯(cuò)曲冰湖面積近20年變化不大，壩體無(wú)變形跡象，整體穩(wěn)定性良好?；谶壿嫽貧w方法計(jì)算的凍錯(cuò)曲冰湖潰決概率為42%，屬于中等危險(xiǎn)等級(jí)。

(2)根據(jù)堰塞壩組成物質(zhì)顆粒級(jí)配曲線(xiàn)可知，堰塞壩抗沖刷能力強(qiáng)，發(fā)生滲透變形可能性小。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果顯示：堰塞壩在非汛期和汛期穩(wěn)定性系數(shù)為1.311和1.197，處于穩(wěn)定狀態(tài)；在汛期集中暴雨疊加周?chē)┛焖偃诨瘲l件下穩(wěn)定性系數(shù)為1.057，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，不利于壩坡穩(wěn)定，有可能發(fā)生局部潰決，形成潰決洪水和泥石流。

(4)凍錯(cuò)曲冰湖一旦潰決形成泥石流，影響范圍包括下游農(nóng)田、民房和擬建線(xiàn)性工程。為保障下游人民的生命財(cái)產(chǎn)及線(xiàn)性工程的安全，建議實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冰湖水位，采用排導(dǎo)槽等工程措施進(jìn)行防治。