石振明，沈丹祎，彭 銘*，鐘啟明，蔣明子

(1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；4.融信集團(tuán) 浙江區(qū)域集團(tuán)，浙江 杭州 310000)

崩滑型堰塞壩（下文簡稱堰塞壩）是由地震、降雨、火山噴發(fā)等自然因素誘發(fā)崩塌、滑坡堵塞河道所形成的天然土石壩（圖1）[1-2]。近年來，由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，極端氣候?yàn)?zāi)害頻發(fā)，全球范圍堰塞壩災(zāi)害發(fā)生頻率和數(shù)量呈集中爆發(fā)趨勢(shì)[3-4]。如：2004年，日本中越6.8級(jí)地震誘發(fā)50余個(gè)堰塞壩；2008年，汶川8.0級(jí)地震誘發(fā)257個(gè)堰塞壩；2009年，臺(tái)灣“莫拉克”臺(tái)風(fēng)暴雨誘發(fā)18個(gè)堰塞壩；2014年，云南魯?shù)?.5級(jí)地震誘發(fā)紅石巖堰塞壩；2018年，金沙江上游和雅魯藏布江下游分別兩次堵江形成了白格和加拉堰塞壩。

圖1 堰塞壩幾何形態(tài)示意圖Fig. 1 Sketch of geometric properties of landslide dams

與人工土石壩相比，崩滑型堰塞壩在幾何形態(tài)、壩體物質(zhì)組成和壩體結(jié)構(gòu)方面存在較大差異，主要表現(xiàn)為幾何形態(tài)不規(guī)則、組成物質(zhì)不均勻、壩體結(jié)構(gòu)松散，這使得堰塞壩具有穩(wěn)定性差、壽命短、潰決速度快等特點(diǎn)[5-6]。堰塞壩的破壞極易造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。例如：2008年，唐家山堰塞壩形成后29 d發(fā)生潰決，峰值流量達(dá)6 500 m3/s，迫使下游近20萬人撤離[7]；2009年，小林村堰塞壩形成后數(shù)小時(shí)內(nèi)發(fā)生潰決，峰值流量達(dá)70 649 m3/s，導(dǎo)致398人死亡[8]；2018年，金沙江白格堰塞壩形成后3天內(nèi)即發(fā)生潰決，峰值流量為31 000 m3/s，潰決洪水影響下游500余公里，導(dǎo)致25 000人被迫撤離[9]；2018年，雅魯藏布江加拉堰塞壩形成后2.5 d發(fā)生潰決，峰值流量達(dá)32 000 m3/s，受影響群眾達(dá)26 000人[10]（圖2）。因此，了解堰塞壩形成及發(fā)展規(guī)律，開展臨災(zāi)危險(xiǎn)性快速評(píng)估，是指導(dǎo)應(yīng)急救災(zāi)和降低災(zāi)害損失的重要保障。

圖2 典型堰塞壩照片[7-10]Fig. 2 Photos of typical landslide dams[7-10]

國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)堰塞壩堵江成壩、穩(wěn)定性和潰壩等方面的研究成果進(jìn)行了綜述。如：Costa和Schuster[1]基于形態(tài)特征將堰塞壩分為6類，并系統(tǒng)總結(jié)了堰塞壩形成條件及壽命、潰決的影響因素。柴賀軍等[11]基于中國堵江堰塞壩案例和前人研究成果，詳細(xì)介紹了堰塞壩堵江判別、堰塞壩誘因及災(zāi)害影響，并提出當(dāng)前需進(jìn)一步開展堵江危險(xiǎn)度的分析與評(píng)價(jià)研究。Korup[12]從地貌水文方面探討了堰塞壩的形成、潰決和對(duì)地貌影響等方面的研究成果和不足，認(rèn)為堰塞壩壽命短暫且多形成于山區(qū)河谷地帶是導(dǎo)致現(xiàn)有研究無法全面了解堰塞壩形成、穩(wěn)定性及潰決機(jī)理的主要原因。Fan等[13]基于前人研究，系統(tǒng)分析了堰塞壩穩(wěn)定性與成壩滑坡類型的關(guān)系，評(píng)價(jià)了文獻(xiàn)所提出的各類地貌穩(wěn)定性指標(biāo)的適用性和局限性，并基于具體案例總結(jié)了堰塞壩在短期、中期和長期對(duì)地貌的影響。Zheng等[14]總結(jié)了堰塞壩穩(wěn)定性與誘因、壩體材料和地貌特征的關(guān)系，分析了余震、涌浪等外界因素對(duì)穩(wěn)定性的影響。年廷凱等[5]詳細(xì)闡述了堰塞壩形成條件、穩(wěn)定性分析、潰壩機(jī)制及災(zāi)害鏈效應(yīng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出考慮壩長、壩寬及堰塞湖庫容的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。朱興華[6]、彭銘[15]、段文剛[16]等分別從堰塞壩的潰壩模式、潰壩過程、潰壩機(jī)理、潰決試驗(yàn)及數(shù)值模擬等方面對(duì)已有研究成果開展了詳細(xì)歸納總結(jié)。石振明等[17]基于已有的室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬成果，系統(tǒng)總結(jié)了堰塞壩潰壩階段劃分依據(jù)、潰口演變規(guī)律和潰決洪水演進(jìn)特點(diǎn)。崩滑型堰塞壩具有突發(fā)性強(qiáng)、壽命短和潰決致災(zāi)嚴(yán)重的特點(diǎn)。若能在潛在崩滑區(qū)域快速判定成壩可能性，并在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)堰塞壩形成后的穩(wěn)定性、壽命、潰決參數(shù)等進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)和評(píng)估，可以極大地降低堰塞壩導(dǎo)致的損失?，F(xiàn)有研究中尚缺少關(guān)于堰塞壩成壩、穩(wěn)定性、壽命及潰決洪水快速評(píng)估的系統(tǒng)綜述。

本文基于已有研究，系統(tǒng)梳理堰塞壩成壩、穩(wěn)定性、壽命和潰決洪水等方面快速評(píng)估的相關(guān)研究成果，并對(duì)堰塞壩災(zāi)害的后續(xù)研究內(nèi)容進(jìn)行展望，以期為崩滑型堰塞壩災(zāi)害的快速評(píng)估研究及應(yīng)急處置提供一定參考依據(jù)。

1 崩滑型堰塞壩形成的快速評(píng)估

1.1 崩滑型堰塞壩形成的定義與分類

堰塞壩大多形成于高山峽谷，崩塌、滑坡易發(fā)，且有穩(wěn)定河流的區(qū)域[1]。嚴(yán)祖文等[18]認(rèn)為滑坡堰塞壩一般指一側(cè)岸坡發(fā)生高速滑動(dòng)，撞擊滑坡對(duì)岸后，滑體向后反彈并發(fā)生整體快速向下墜落，填滿河道，堵塞河流。Tacconi等[19]認(rèn)為當(dāng)山體滑坡完全堵塞河道形成天然堤壩和上游蓄水湖泊即形成了堰塞壩；而滑坡雖然到達(dá)河床，水流發(fā)生了改變，但河床斷面只發(fā)生部分減少，河道部分堵塞即未形成堰塞壩。Fan等[13]認(rèn)為堰塞壩是滑坡與地形相互作用的結(jié)果，當(dāng)堆積體在河道形成一道“屏障”，將水阻擋在“正常”水位以上即形成了堰塞壩。

堰塞壩分類方面，Swanson等[20]提出考慮堰塞壩與河谷地貌關(guān)系進(jìn)行堰塞壩分類的概念；Costa和Shuster[1]在其基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)堆積體與河谷的地貌關(guān)系，根據(jù)單一河谷與堆積體分布、尺寸、類型的關(guān)系，將堰塞壩分為6類（表1）。柴賀軍等[21]基于中國滑坡堵江案例，依據(jù)滑坡體與河谷關(guān)系，提出4類堰塞壩完全堵江類型（表1）。Hermanns等[22]在Costa和Shuster提出的分類基礎(chǔ)上，考慮了更為復(fù)雜的壩體形態(tài)、河谷關(guān)系及多條河流的情況，將堰塞壩類型進(jìn)行了更細(xì)致的劃分。Fan等[13]總結(jié)了Costa和Shuster及Hermanns等的分類方法，認(rèn)為Hermanns等的部分分類可以有助于確定史前堰塞壩事件。

表1 堰塞壩的分類Tab. 1 Classification of landslide dams

1.2 崩滑型堰塞壩形成的影響因素分析

堰塞壩的形成受到諸多因素影響，且作用條件復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)滑坡、崩塌堵江成壩的影響因素開展了大量研究。

滑坡成壩影響因素方面：20世紀(jì)70年代，美國地質(zhì)調(diào)查局就開始對(duì)美國境內(nèi)的滑坡堵江事件開展調(diào)查工作。Swanson等[20]認(rèn)為滑坡體運(yùn)動(dòng)平均速度和河道寬度是影響是否堵江的主要因素。Zhao等[23]采用數(shù)值模擬進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)堰塞壩形成及形成后的形態(tài)受滑坡速度、河谷形狀與河谷傾角的綜合影響。Costa和Schuster[1]收集分析了全世界184例滑坡堵江案例，發(fā)現(xiàn)堰塞壩的形成受到3個(gè)條件影響：峽谷陡峭的山區(qū)地帶、有河流經(jīng)過和充足的物源條件。Schuster等[24]列出了4類影響堰塞壩形成的因素，即地震烈度（峰值加速度與強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間）、高陡邊坡地形、巖性和風(fēng)化性質(zhì)、土壤含水量和地下水含量。柴賀軍等[21]分析了滑坡完全堵江的地形地貌和河床水動(dòng)力條件，認(rèn)為深切河谷、陡峻斜坡，以及單位時(shí)間入江土石方量大于河流流量是滑坡堵江不可缺少的條件。龐林祥等[25]總結(jié)分析了滑坡型堰塞壩的形成條件，發(fā)現(xiàn)滑坡型堰塞壩主要形成于坡度為30°～45°、水深較淺、河床較窄的斜坡地帶。Fan等[26]基于501個(gè)堰塞壩和汶川地震60 000余個(gè)滑坡研究，認(rèn)為滑坡速度和堆積體參數(shù)（體積、厚度、形狀），地形（河谷寬度、形狀），水文條件（河流流量、輸運(yùn)能力）是影響是否成壩的關(guān)鍵因素。此外，Dunning[27]、Wu[28]、樊曉一[29]、陳理[30]等基于具體滑坡堵江成壩案例的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析了滑坡型堰塞壩形成區(qū)域的地形地貌條件、物質(zhì)來源和水文條件。

崩塌成壩影響因素方面：龐林祥等[31]研究認(rèn)為崩塌成壩影響因素包括地形條件、巖土體運(yùn)動(dòng)條件和水流沖刷條件3類；在坡面傾角30°以上、有表土層、岸坡傾角大于臨界傾角，且水流挾沙能力和沖刷能力較弱的條件下，更易形成堰塞壩。匡尚富[32]基于試驗(yàn)研究及理論分析認(rèn)為崩塌堵江成壩需具備4個(gè)條件：發(fā)生坡面崩塌；崩塌體能到達(dá)河床及對(duì)岸；到達(dá)河床的巖土體不因河流來水形成泥石流被帶走；水流的挾沙及沖刷能力較小，不能瞬時(shí)沖蝕崩塌巖土體。

已有研究從方量、運(yùn)移距離和水力條件等方面分析了堵江成壩的具體影響因素。各類因素既具有獨(dú)立的作用，又相互關(guān)聯(lián)，這使得堰塞壩的成因機(jī)理復(fù)雜[33]，很難基于已有的機(jī)理分析成果提出簡明的參數(shù)指標(biāo)快速判別堰塞壩成壩可能性。

1.3 崩滑型堰塞壩形成的快速判別分析

目前，對(duì)于堰塞壩成壩預(yù)測(cè)主要基于不同地區(qū)歷史堰塞壩案例的統(tǒng)計(jì)分析，提出考慮滑坡運(yùn)移參數(shù)和水文參數(shù)等不同影響因素的多參數(shù)成壩判別指標(biāo)，指標(biāo)及指標(biāo)因子含義如表2所示。

表2 堰塞壩成壩判別指標(biāo)公式Tab. 2 Efficient discriminant formulas of landslide dams formation

Swanson等[34]基于日本堰塞壩案例數(shù)據(jù)庫，提出考慮滑坡體滑動(dòng)速度v（m/a）與河谷寬度Wv的堰塞壩成壩評(píng)價(jià)指標(biāo)ACR（annual constriction ratio），ACR=v/Wv，當(dāng)ACR>100時(shí)，即形成了堰塞壩。

Tacconi等[19]在Swanson等[34]的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合意大利堰塞壩案例，重新定義指標(biāo)ACR的計(jì)算方法為ACR=lg(Wv/v)。指標(biāo)中將滑坡體滑動(dòng)速度單位由m/a改為m/s，并基于意大利堰塞壩案例分析，提出當(dāng)ACR<4.26時(shí)，滑坡進(jìn)入河道將會(huì)形成堰塞壩，而ACR>6.88時(shí)，則不會(huì)形成堰塞壩。

Tacconi等[19]研究了堰塞壩成壩條件與滑坡體積和河谷寬度的關(guān)系，提出堵塞指數(shù)MOI（morphological obstruction index），MOI=lg(VL/Wv)；并基于意大利案例分析，得到：當(dāng)MOI>4.6時(shí)，形成堰塞壩；當(dāng)MOI<3時(shí)，未形成堰塞壩。2018年，Tacconi等[35]進(jìn)一步基于秘魯堰塞壩案例成壩分析發(fā)現(xiàn)，針對(duì)該地區(qū)堰塞壩案例，當(dāng)MOI<3.08時(shí)，表示未形成堰塞壩。

dal Sasso等[36]綜合考慮了滑坡形態(tài)參數(shù)、滑坡材料參數(shù)和水文參數(shù)對(duì)成壩的影響，基于意大利堰塞壩案例，提出堵江的動(dòng)量公式DMI（dimensionless morpho-invasion index），DMI=(2·ρL·v2·VL)/(ρw·g·h2·WV·WL)，當(dāng)DMI>1時(shí)，即代表形成了堰塞壩。

Ermini[37]進(jìn)一步考慮了滑坡體材料的抗沖刷特性，提出通過無量綱指標(biāo)DCI（dimensionless constriction index）判斷成壩與否，DCI=(v·WL·HL·D30)/(QP·Wv)，當(dāng)DCI>0.002，即代表形成了堰塞壩。

Nian等[38]基于29組成壩室內(nèi)模型試驗(yàn)分析了滑坡體積、單位時(shí)間滑動(dòng)體積、水流流速對(duì)成壩的影響，提出考慮單位時(shí)間滑動(dòng)體積和水流流速的無量綱指標(biāo)RBC（river blockage criterion），RBC=Ql/Qw，當(dāng)RBC≥1.5，即代表形成了堰塞壩。

王珊珊和童立強(qiáng)[39]獲取了中國喜馬拉雅山地區(qū)堵江滑坡和非堵江滑坡，分析了坡高、寬深比、剖面面積、凹度、不對(duì)稱系數(shù)和河寬指數(shù)與滑坡體堵江關(guān)系，基于邏輯回歸建立了研究區(qū)域內(nèi)的滑坡體堵江概率預(yù)測(cè)模型，當(dāng)概率P>0.5時(shí)，可認(rèn)為滑坡體堵江易發(fā)。

已有研究提出的考慮不同影響因素的半經(jīng)驗(yàn)半理論的多參數(shù)判別指標(biāo)，為堰塞壩成壩快速判別提供了大量的指導(dǎo)。但是，由于所提出的判別指標(biāo)往往在某一地區(qū)案例或試驗(yàn)條件下所建立，且模型涉及參數(shù)的數(shù)量和獲取難易程度不同，模型的適用性具有較大的差別。其中：ACR模型雖然涉及參數(shù)簡單，但滑坡體滑動(dòng)速度一般較難快速獲取，更適用于具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或可估算滑動(dòng)速度的滑坡體；MOI模型涉及參數(shù)少，滑坡體積和河谷寬度通常可以快速估算獲取，具有廣泛的可應(yīng)用性；DMI和DCI模型涉及參數(shù)較多，且涉及滑坡體材料密度、D30、滑動(dòng)速度等參數(shù)，目前一般仍需要通過試驗(yàn)或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取，更適用于具有較為詳細(xì)資料的滑坡體堵江判別；RBC模型中單位滑動(dòng)體積獲取方式還有待進(jìn)一步研究。因此，對(duì)于突發(fā)性滑坡（如地震、降雨誘發(fā)的滑坡），滑坡體參數(shù)無法快速獲取，可優(yōu)先選取MOI模型進(jìn)行預(yù)測(cè)；當(dāng)滑坡體處于緩慢變形或已經(jīng)處于長期變形監(jiān)測(cè)范圍，巖土體參數(shù)及水文參數(shù)較為詳盡，可同時(shí)選用多個(gè)模型進(jìn)行分析計(jì)算，再結(jié)合分析結(jié)果對(duì)是否會(huì)堵江成壩進(jìn)行綜合判別。

基于上述分析，目前研究主要存在以下4個(gè)方面的問題：1）世界范圍內(nèi)堰塞壩成壩案例數(shù)據(jù)庫有待完善和共享；2）材料、水文參數(shù)快速獲取方法有待改進(jìn)；3）滑坡發(fā)生可能性及規(guī)模方量的預(yù)測(cè)方法有待研究；4）滑坡運(yùn)移及堵江機(jī)理有待進(jìn)一步揭示。

2 崩滑型堰塞壩穩(wěn)定性的快速分析

堰塞壩的形成預(yù)測(cè)解決了是否堵江成壩的問題。堰塞壩一旦形成，由于壩體材料分布不均，結(jié)構(gòu)松散，在上游來水條件下可能會(huì)發(fā)生潰決破壞。因此，需要對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行快速評(píng)估，為堰塞壩是否需要處置、如何處置以及是否可以進(jìn)行資源再開發(fā)利用提供指導(dǎo)。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)堰塞壩穩(wěn)定性的快速評(píng)估主要從穩(wěn)定性的定義、影響因素和評(píng)估模型3方面開展。

2.1 穩(wěn)定性的定義

堰塞壩的穩(wěn)定性是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，Ermini和Casagli[40]研究認(rèn)為當(dāng)堰塞壩沒有發(fā)生潰決且存在堰塞湖，即認(rèn)為堰塞壩是穩(wěn)定的；而當(dāng)堰塞壩遭受侵蝕或崩塌，發(fā)生潰決釋放了蓄積的庫容，即認(rèn)為堰塞壩是不穩(wěn)定的。Korup[41]提出當(dāng)形成的堰塞湖存在時(shí)間超過10年即認(rèn)為是穩(wěn)定的。Tacconi等[19]認(rèn)為堰塞壩形成后堰塞湖逐漸被泥沙淤滿，或堰塞壩發(fā)生過流但沒有發(fā)生災(zāi)難性潰壩洪水都可以認(rèn)為是穩(wěn)定的。Fan等[13]認(rèn)為堰塞壩的穩(wěn)定性是一個(gè)瞬時(shí)定義，如果堰塞湖在分析的時(shí)候仍然存在或者因泥沙淤積被填滿，都可以認(rèn)為堰塞壩是穩(wěn)定的。

基于已有研究成果，通過案例分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等方法，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的堰塞壩一般包括以下3種情形：

1）穩(wěn)定模式Ⅰ：入流量和滲流量達(dá)到平衡，堰塞壩未發(fā)生漫頂潰決。當(dāng)壩體材料滲透性較好且堰塞湖入流量較小時(shí)，堰塞壩的滲流量和堰塞湖入流量達(dá)到平衡，從而使堰塞湖水位長期保持穩(wěn)定，避免了漫頂溢流。例如，1911年形成的巴基斯坦Usio堰塞壩，壩體滲流量達(dá)45.8～47.0 m3/s，最高達(dá)85.0 m3/s，如此大的滲流量使堰塞湖水保持相對(duì)穩(wěn)定[42]。

2）穩(wěn)定模式Ⅱ：壩體過流斷面抗沖刷性能高，過流后壩體未發(fā)生明顯沖刷破壞。當(dāng)堰塞壩的過流斷面位于壩體堅(jiān)硬巖石或壩肩基巖處，由于過流斷面存在巨石，抗沖刷能力非常高，使壩體即使發(fā)生漫頂溢流后也不會(huì)形成明顯潰口，堰塞壩相對(duì)穩(wěn)定。例如，2007年，新西蘭Young River堰塞壩在形成后不久便發(fā)生漫頂溢流，但過流壩體斷面壩體表面顆粒的中值粒徑D50約為1 000 mm，堰塞壩抗沖刷能力較強(qiáng)，堰塞壩在形成的4年后，壩體天然泄流渠僅降低了幾十厘米[43]。

3）穩(wěn)定模式Ⅲ：由于上游入流水流攜帶大量泥沙，在堰塞湖內(nèi)沉積，致使堰塞湖淤滿而消失。例如：在天山昆侖河谷形成的Kulun-Mouth堰塞湖形成后不久，便完全被泥沙淤積而消失[42]。

堰塞壩的不穩(wěn)定主要包括2種情形：

1）不穩(wěn)定模式Ⅰ：堰塞壩在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生顯著沖刷，造成全部或較大程度潰決，產(chǎn)生明顯的潰決洪峰。例如：2000年，西藏易貢堰塞壩發(fā)生全部潰決，峰值流量達(dá)124 000 m3/s[44]；2008年，唐家山堰塞壩發(fā)生較大程度潰決，峰值流量約6 500 m3/s，留下部分殘余壩體[7]。

2）不穩(wěn)定模式Ⅱ：堰塞壩漫頂后發(fā)生長期緩慢沖刷，潰口慢慢拓深、擴(kuò)大，堰塞壩庫容和水位大幅度降低，潰口出流量逐漸增加，進(jìn)而避免了快速潰壩和較大洪峰，使得殘余壩體的風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。汶川地震中形成的一些堰塞壩就具有這樣的特征，如：2008年四川枷擔(dān)灣堰塞壩爆破后逐漸沖刷泄流，庫容逐漸下降，殘余壩體危險(xiǎn)性降低，未形成快速的大規(guī)模潰決[45]。

2.2 穩(wěn)定性的影響因素

由于堰塞壩的成因復(fù)雜，形成區(qū)域地形地貌和水土相互作用各不相同，導(dǎo)致堰塞壩的穩(wěn)定性影響因素作用機(jī)理復(fù)雜[46]。已有的影響因素研究主要基于真實(shí)堰塞壩案例調(diào)研和歷史堰塞壩案例統(tǒng)計(jì)分析開展。

堰塞壩案例穩(wěn)定性調(diào)研方面：Cruden等[47]基于Saddle河堰塞壩的野外調(diào)查，研究了堰塞壩材料性質(zhì)、壩體含水量、降雨等對(duì)堰塞壩穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著壩體材料抗侵蝕能力增加，含水量降低，壩體穩(wěn)定性增加，而突發(fā)降雨事件會(huì)導(dǎo)致堰塞壩穩(wěn)定性顯著降低。Canuti[48]、Casagli和Ermini[49]等基于亞平寧山脈北部堰塞壩的野外調(diào)查，揭示了堰塞壩穩(wěn)定性受地貌因素控制，認(rèn)為堰塞壩壩體體積控制著壩體自重，是主要的穩(wěn)定因素；流域特征控制著河流流量和水流功率，間接影響了壩體形狀，是主要的不穩(wěn)定因素。Wang等[50]基于堰塞壩現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，并采用地震物理勘測(cè)方法分析壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)壩體越密實(shí)且壩體表面存在大塊石的堰塞壩穩(wěn)定性更好。石振明等[51]基于紅石河堰塞壩的調(diào)研和數(shù)值分析，認(rèn)為堰塞壩壩體內(nèi)高滲透區(qū)域的存在會(huì)導(dǎo)致壩體的滲透量增加，誘發(fā)壩體的局部滲透破壞；且高滲透區(qū)域越長，滲透性越高，位置越靠近壩體下游坡腳，堰塞壩的滲流穩(wěn)定性越差。

堰塞壩案例統(tǒng)計(jì)分析方面：Costa和Schuster[1]基于收集的堰塞壩案例分析，認(rèn)為堰塞壩穩(wěn)定性主要受堆積物的體積、尺寸、形狀、種類、滲流速度、集水區(qū)物質(zhì)沉積速度及入流量等因素的影響。柴賀軍等[52]運(yùn)用河流推移理論分析了堰塞壩的穩(wěn)定性，指出壩體物質(zhì)組成越粗，越不均勻，顆粒起動(dòng)被沖刷帶走所需的水流速度越高；水流一定時(shí)，壩體粒度組成控制著漫壩洪水對(duì)土體的搬運(yùn)和侵蝕，進(jìn)而影響壩體穩(wěn)定性。晏鄂川等[53]通過研究中國堵江事件，認(rèn)為天然堰塞壩的穩(wěn)定性與堰塞湖的入流量、堰塞壩幾何特征、壩體物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征等因素密切相關(guān)。Shi等[54]在統(tǒng)計(jì)分析汶川地震堰塞壩的基礎(chǔ)上，開展振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)余震會(huì)導(dǎo)致壩體開裂，降低壩高，加速堰塞壩失穩(wěn)。年廷凱等[5]基于全球1 328例堰塞壩案例，分析發(fā)現(xiàn)：地震觸發(fā)堰塞壩的穩(wěn)定性高于降雨誘發(fā)堰塞壩穩(wěn)定性；由于堰塞壩的壩長、壩寬遠(yuǎn)大于壩高，使得堰塞壩更易發(fā)生漫頂沖刷破壞；壩體材料的非均勻性和物質(zhì)組成直接影響堰塞壩的抗沖刷穩(wěn)定性。Zheng等[14]基于所收集的1 578個(gè)堰塞壩案例研究發(fā)現(xiàn)：降雨誘發(fā)型堰塞壩的穩(wěn)定性相對(duì)較差；隨著壩高和庫容的增加，穩(wěn)定性先下降后上升；隨著壩體體積和壩體材料D50的增加，穩(wěn)定性逐漸增大；隨著匯水面積的增加，穩(wěn)定性逐漸下降。此外，單熠博等[55]也基于堰塞壩案例數(shù)據(jù)庫研究，提出堰塞壩穩(wěn)定性受內(nèi)因（壩體形態(tài)特征、物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征）和外因（地震、降雨、上游江河匯水速率等）的影響。

綜上所述，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，還與堰塞壩的材料、結(jié)構(gòu)特性及堵塞河道的水動(dòng)力條件有關(guān)（表3）。但是，堰塞壩大多形成于山區(qū)地帶，且往往突發(fā)突潰，在實(shí)際工程中很難在第一時(shí)間到現(xiàn)場(chǎng)快速準(zhǔn)確獲取詳細(xì)的壩體材料結(jié)構(gòu)等參數(shù)。因此，基于少量可快速獲取的參數(shù)進(jìn)行堰塞壩的穩(wěn)定性分析是非常重要的。

表3 不同類型滑坡堰塞壩穩(wěn)定性影響因素Tab. 3 Key factors influencing the stability of different types of landslide dams

2.3 穩(wěn)定性的快速評(píng)估模型

堰塞壩穩(wěn)定性快速評(píng)估主要基于統(tǒng)計(jì)分析方法，建立堰塞壩穩(wěn)定性與其幾何形態(tài)特征（圖1）、壩體材料特征、壩體結(jié)構(gòu)特征、水文特征等因素的多參數(shù)評(píng)估模型（表4）。

表4 堰塞壩穩(wěn)定性快速評(píng)估模型Tab. 4 Rapid assessment models of the stability of landslide dams

殷躍平[56]、崔鵬[57]等綜合分析了汶川地震誘發(fā)堰塞壩的庫容、壩高、壩體物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)，將堰塞壩劃分為極高、高、中和低危險(xiǎn)4種等級(jí)。該方法有助于從定性角度快速判別堰塞壩成壩后的穩(wěn)定性。

Canuti等[48]基于亞平寧山脈北部收集的堰塞壩案例，提出考慮堰塞壩體積和匯水面積的堆積指標(biāo)BI（blockage index），BI=lg(Vd/Ac)。當(dāng)35時(shí)，為穩(wěn)定堰塞壩。

Casagli和Ermini[49]基于意大利地區(qū)堰塞壩案例，將堰塞湖庫容引入穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出蓄水指標(biāo)II（impoundment index），II=lg(Vd/Vl)。當(dāng)II>0時(shí)，為穩(wěn)定堰塞壩；當(dāng)II<0時(shí)，為不穩(wěn)定堰塞壩。

Ermini和Casagli[40]根據(jù)全球84個(gè)堰塞壩案例，考慮壩高的影響，提出無量綱堆積指標(biāo)DBI（dimensionless blockage index），DBI=lg(Ac·Hd/Vd)。當(dāng)DBI<2.75時(shí)，堰塞壩處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)DBI>3.08時(shí)，堰塞壩處于不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)2.75

Zheng等[14]在DBI指標(biāo)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮了壩體材料中值粒徑D50的作用，提出：當(dāng)DBI>3.6時(shí)，堰塞壩都處于不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)1.52.1時(shí)，壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

Korup[41]分別采用BI、II和DBI指標(biāo)分析了新西蘭堰塞壩案例，發(fā)現(xiàn)這3個(gè)指標(biāo)并不能有效評(píng)估該地區(qū)堰塞壩的穩(wěn)定性，并基于該地區(qū)232例堰塞壩案例重新提出3個(gè)無量綱指數(shù)Is（backstow index）、Ia（basin index）、Ir（relief index）。其中：Is=lg(Hd3/Vl)，Ia=lg(Hd2/Ac)，Ir=lg(Hd/Hr)。當(dāng)Is>0或Ia>3或Ir>-1時(shí)，堰塞壩穩(wěn)定。

Tacconi等[19]基于意大利300個(gè)堰塞壩案例數(shù)據(jù)庫，提出考慮壩體形態(tài)特征和河道水文參數(shù)的水力形態(tài)學(xué)指標(biāo)HSDI（hydromorphic dam stability index），HSDI=lg(Vd/(Ac·S))。當(dāng)HDSI>7.44時(shí)，堰塞壩處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)5.748.07時(shí)，堰塞壩處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)5.26

Dong等[58]基于日本43例堰塞壩案例，采用邏輯回歸的方法建立了考慮壩體形態(tài)特征、水文參數(shù)等多個(gè)指標(biāo)的穩(wěn)定性判別方法，3個(gè)指標(biāo)均當(dāng)Ls>0時(shí)，堰塞壩處于穩(wěn)定狀態(tài)。

Shan等[59]考慮壩體材料特性，基于27例堰塞壩案例建立了考慮壩體材料、壩高、壩寬、壩體體積、匯水面積的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型，當(dāng)>0時(shí)，堰塞壩處于穩(wěn)定狀態(tài)。

徐凡獻(xiàn)[60]基于110個(gè)滑坡堰塞壩的幾何形態(tài)參數(shù)，建立了考慮壩高、壩體積、庫容和匯水面積的Fisher判別模型和邏輯回歸模型，當(dāng)Fisher判別模型YA<0，邏輯回歸模型ZB<0.5，表示堰塞壩處于穩(wěn)定狀態(tài)。年廷凱[5]、葉華林[61]、沈丹祎[2]等也分別考慮了壩體形態(tài)參數(shù)與穩(wěn)定性的關(guān)系，采用邏輯回歸模型建立了堰塞壩穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型。

鐘啟明和單熠博[62]通過收集世界各地具有實(shí)測(cè)參數(shù)的421例堰塞壩案例，對(duì)比分析了國內(nèi)外常用的堰塞壩穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)指標(biāo)的預(yù)測(cè)效果，發(fā)現(xiàn)DBI和Ls（AHV）絕對(duì)準(zhǔn)確率分別約為61.92%和71.85%，Is和HDSI的絕對(duì)準(zhǔn)確率僅分別為12.63%和23.03%。

現(xiàn)有的基于壩體形態(tài)參數(shù)、特征粒徑、水文參數(shù)等提出的快速評(píng)估模型為穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)及應(yīng)急搶險(xiǎn)工作提供了有力指導(dǎo)。其中，BI、II、DBI、Ia、Ir、Is、HDSI、Ls及徐凡獻(xiàn)[60]模型均只涉及壩體幾何形態(tài)參數(shù)、河道水文參數(shù)中的2～4個(gè)參數(shù)，參數(shù)數(shù)量少，且參數(shù)可以通過估算快速獲取，模型應(yīng)用便捷，但是針對(duì)部分堰塞壩無法判斷其是否穩(wěn)定。Zheng等[14]改進(jìn)的DBI模型和模型進(jìn)一步考慮了壩體材料的影響，判斷結(jié)果準(zhǔn)確性有所提高；而綜合穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)K涉及參數(shù)較多，且壩體結(jié)構(gòu)參數(shù)、不均勻系數(shù)、潛在二次滑坡概率等參數(shù)在現(xiàn)有技術(shù)手段下較難快速獲取，其應(yīng)用存在一定的限制。因此，結(jié)合鐘啟明和單熠博[62]的研究結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用中如果能夠獲取或預(yù)估壩體材料參數(shù)，可以優(yōu)先選取L′s及Zheng等[14]改進(jìn)的DBI模型進(jìn)行穩(wěn)定性判斷；如果無法獲取壩體材料參數(shù)，則優(yōu)先選取Ls和DBI模型進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估，并輔助結(jié)合其余模型和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判別。

綜上所述，堰塞壩基礎(chǔ)信息（壩體材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)）快速獲取技術(shù)，氣候、地震等外因?qū)Ψ€(wěn)定性的影響分析等方面仍有待深入開展。

3 崩滑型堰塞壩壽命的快速預(yù)測(cè)

當(dāng)堰塞壩存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，往往需要采取應(yīng)急處置措施降低災(zāi)害影響。堰塞壩形成后多久會(huì)失穩(wěn)（即堰塞壩的壽命）在很大程度上決定了實(shí)際工程中可以采取的應(yīng)急處置措施[63]。因此，從堰塞壩壽命的定義、影響因素和快速評(píng)估方法3個(gè)方面闡述現(xiàn)有的關(guān)于堰塞壩壽命快速分析方面的研究成果。

3.1 壽命的定義

Costa和Schuster[1]率先提出了堰塞壩壽命的概念，認(rèn)為堰塞壩的壽命是指堰塞壩從形成到潰決的整個(gè)過程的歷時(shí)，具有極大的離散型，可以持續(xù)從幾分鐘到幾千年不等（圖3）。該定義得到了堰塞壩研究領(lǐng)域的廣泛認(rèn)可和應(yīng)用（Korup[12]、Weidinger[64]、Miller[65]、Fan[13]等）。

圖3 堰塞壩的壽命Fig. 3 Longevity of landslide dams

Shen等[67]在已有堰塞壩壽命定義的基礎(chǔ)上，根據(jù)庫水與壩體相互作用的過程，將堰塞壩壽命劃分為匯水階段、過流階段及潰決階段（圖4）。

圖4 堰塞壩的3個(gè)階段（匯水、過流、潰決）[67]Fig. 4 Three stages of landslide dams(infilling，overflowing，and breaching)[67]

1）匯水階段指堰塞壩從形成到壩體發(fā)生漫頂溢流的時(shí)間段，通常歷時(shí)幾天到幾年。掌握該階段時(shí)長有助于開展預(yù)警準(zhǔn)備工作，并進(jìn)行工程處置措施決策。

2）過流階段指壩體發(fā)生漫頂溢流后，水流對(duì)壩體緩慢侵蝕，但沒有造成明顯潰決現(xiàn)象的過程。該階段時(shí)間較短，通常持續(xù)幾小時(shí)到幾天，可用于指導(dǎo)影響范圍內(nèi)的預(yù)警疏散工作。

3）潰決階段為壩體從發(fā)生明顯的侵蝕（通常沖蝕面到達(dá)上游壩坡）到潰壩結(jié)束的時(shí)間段，通常只持續(xù)幾分鐘到幾天。了解該階段時(shí)長的價(jià)值在于開展影響范圍內(nèi)人員緊急撤離工作。

國內(nèi)外研究中對(duì)于堰塞壩的定義基本達(dá)成共識(shí)，掌握壽命的定義將有助于開展堰塞壩壽命特征的分析研究，從而進(jìn)一步掌握堰塞壩特性。

3.2 壽命的影響因素

掌握堰塞壩壽命的影響因素，建立影響因素與壽命的關(guān)系是進(jìn)一步評(píng)估堰塞壩壽命的關(guān)鍵內(nèi)容[68]。國內(nèi)外學(xué)者主要從具體堰塞壩案例研究和世界范圍內(nèi)堰塞壩案例數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)分析2個(gè)方面開展堰塞壩壽命影響因素研究。

堰塞壩案例壽命調(diào)查方面：Nash等[69]研究發(fā)現(xiàn)降雨事件和壩體材料尺寸是影響Ram Creek堰塞壩壽命的主要因素。Penna等[70]研究發(fā)現(xiàn)，氣候條件控制著Los Erizos堰塞壩和Barrancas堰塞壩的入流率，進(jìn)而影響這兩個(gè)堰塞壩的壽命。Kumar等[71]認(rèn)為Urni堰塞壩的壽命取決于堰塞壩的幾何尺寸、材料組成和匯水面積。Gorum等[72]通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，汶川地震誘發(fā)的堰塞壩的壽命受壩體組成材料和沉積構(gòu)造的影響。Miller等[65]指出，考慮區(qū)域條件是評(píng)價(jià)加拿大境內(nèi)7座堰塞壩壽命的必要條件。Shroder[73]研究認(rèn)為，影響南亞高海拔地區(qū)堰塞壩壽命主要因素包括巨型石塊的存在（直徑>15～30 m）、出入流平衡、不透水黏土填充物和氣候因素。Weidinger[64]基于喜馬拉雅山和秦嶺區(qū)域堰塞壩案例分析，指出堰塞壩的壽命可能受到崩滑體運(yùn)動(dòng)類型、崩解等級(jí)、顆粒材料分布、次生膠結(jié)作用、匯水面積、氣候條件和堰塞湖的沉積速率等因素的影響。

堰塞壩案例壽命統(tǒng)計(jì)分析方面：Costa和Schuster[1]基于184例堰塞壩案例分析研究，認(rèn)為堰塞壩的壽命主要受到堰塞湖入流量、壩體幾何形態(tài)與尺寸、壩體材料巖土體特性3個(gè)方面的影響。年廷凱等[5]基于280例堰塞壩案例分析，發(fā)現(xiàn)堰塞壩的壽命與誘發(fā)因素和堰塞壩成因密切相關(guān)，泥石流型堰塞壩的壽命通常比崩塌和滑坡造成的堰塞壩壽命短。賴柏蓉基于前人研究成果，結(jié)合其所建立的日本地區(qū)65例堰塞壩案例數(shù)據(jù)庫，詳細(xì)分析了誘因、壩體材料、壩體幾何形態(tài)、水文參數(shù)等與堰塞壩壽命的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)堰塞壩壽命并不僅受單一因素影響，而是多個(gè)因素相互作用的結(jié)果[74]。Shen等[67]基于全世界352例具有壽命信息的堰塞壩案例，研究認(rèn)為堰塞壩壽命在不同階段的關(guān)鍵影響因素各有不同，匯水階段主要受庫容和入流量的控制，過流階段主要受到壩體幾何尺寸、壩體材料、庫容和入流量的影響，潰決階段主要受壩體結(jié)構(gòu)、壩體材料和庫容控制。

與堰塞壩穩(wěn)定性影響因素相似，堰塞壩壽命也是多因素相互作用的結(jié)果。目前研究尚未完全厘清影響堰塞壩壽命的水土相互作用機(jī)理，較難從理論分析角度快速預(yù)測(cè)堰塞壩的壽命。

3.3 壽命的快速評(píng)估模型

已有研究中，堰塞壩壽命快速評(píng)估模型主要基于現(xiàn)有堰塞壩案例的統(tǒng)計(jì)分析建立（表5）。臺(tái)灣交通大學(xué)防災(zāi)中心基于收集到的世界范圍內(nèi)的堰塞壩案例，提出3種評(píng)估堰塞湖壽命的方式：基于壩體體積的預(yù)測(cè)壽命模型、基于漫頂溢流時(shí)間估算壽命、基于堰塞壩長高比的壽命預(yù)測(cè)模型。

表5 堰塞壩壽命快速評(píng)估模型Tab. 5 Rapid assessment models of the longevity of landslide dams

童煜翔基于日本34例堰塞壩案例，采用邏輯回歸方法分別提出考慮匯水面積、峰值流量、壩長、壩高和壩寬等因素的兩個(gè)壽命預(yù)測(cè)模型，該模型的確定系數(shù)R2分別為0.603和0.529[74]。

賴柏蓉在童煜翔研究的基礎(chǔ)上，基于日本65例堰塞壩，采用邏輯回歸方法建立了不同因素組合下的堰塞壩壽命預(yù)測(cè)模型，并對(duì)比了模型的確定性系數(shù)，發(fā)現(xiàn)考慮匯水面積、堰塞壩誘因的壽命預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性更高，R2達(dá)到0.706[74]。

Shen等[67]基于全世界67例堰塞壩案例，采用邏輯回歸方法建立了壽命快速評(píng)估模型，并根據(jù)堰塞壩壽命3個(gè)階段影響因素不同，提出分別考慮3個(gè)階段（匯水階段、過流階段和潰決階段）的壽命快速評(píng)估模型。模型考慮了壩體材料、幾何形態(tài)參數(shù)和水文參數(shù)，確定性系數(shù)R2可達(dá)0.781。

上述堰塞壩壽命評(píng)估模型為壽命的快速評(píng)估提供了研究思路，但由于具有壽命記錄的堰塞壩案例數(shù)量有限，模型的預(yù)測(cè)精度有待進(jìn)一步提高。其中：臺(tái)灣交通大學(xué)防災(zāi)中心所提出的評(píng)估模型由于只考慮了壩體體積的影響，其預(yù)測(cè)精度受到很大的限制。賴柏蓉所提出的模型相較于童煜翔提出的模型，進(jìn)一步考慮了誘因的影響，模型涉及的參數(shù)增加，但預(yù)測(cè)精度有所提高[74]。Shen等[67]提出的模型主要涉及壩體形態(tài)參數(shù)、誘因和壩體材料類型，進(jìn)一步考慮了3個(gè)階段的影響，模型可分別預(yù)測(cè)3個(gè)階段的壽命，如果能夠獲取匯水階段入流量，模型在匯水階段時(shí)間的預(yù)測(cè)將更加準(zhǔn)確。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)具備模型計(jì)算所需要的參數(shù)時(shí)，可以優(yōu)先選擇Shen等[67]提出的模型評(píng)估3個(gè)階段的壽命，為堰塞壩處置方式選取提供依據(jù)。如果計(jì)算參數(shù)無法完全滿足時(shí)，則應(yīng)當(dāng)選取滿足計(jì)算要求的模型，并可以將多個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，進(jìn)行綜合評(píng)估。

目前研究主要存在以下2個(gè)方面的問題：1）匯水階段時(shí)長計(jì)算方法有待進(jìn)一步研究；2）過流和潰決階段壽命計(jì)算方法未考慮水土物質(zhì)相互作用機(jī)理。

4 崩滑型堰塞壩潰決特性的快速分析

堰塞壩的壽命預(yù)測(cè)解決了何時(shí)會(huì)發(fā)生潰壩的問題，而堰塞壩一旦發(fā)生潰決，堰塞湖中的蓄水將快速下泄，洪水沖擊下游，引起巨大洪災(zāi)。因此，堰塞壩的潰決特性是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)。

4.1 潰決影響因素

堰塞壩潰決主要包括漫頂溢流、管涌和壩坡失穩(wěn)3種類型（圖5）[1,12,14]。其中：漫頂溢流破壞指堰塞湖庫水位超過壩高而發(fā)生溢流沖刷壩頂和壩坡，引起壩體高度逐漸下降，最終發(fā)生破壞[52,75]；管涌破壞指壩體中細(xì)小顆粒被滲透水流從粗顆粒形成的空隙中帶走，進(jìn)而導(dǎo)致壩體內(nèi)形成滲流通道，壩體結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度下降，并最終發(fā)生變形破壞[52,76]；壩坡失穩(wěn)破壞主要是由于壩體陡傾的上、下游坡面失穩(wěn)而導(dǎo)致的破壞[33]。

圖5 堰塞壩破壞類型劃分Fig. 5 Failure modes of landslide dams

Costa和Schuter[1]研究表明，50%以上的堰塞壩發(fā)生漫頂溢流破壞。Peng和Zhang[66]基于144例已知破壞模式堰塞壩案例統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)漫頂溢流破壞堰塞壩占比91%，滲漏管涌破壞占比8%，壩坡失穩(wěn)占比僅1%。石振明等[77]分別基于國內(nèi)59例和國外124例堰塞壩案例潰決模式統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：國內(nèi)堰塞壩漫頂溢流占98%，壩坡失穩(wěn)占2%；國外堰塞壩漫頂溢流占89%，管涌占10%，壩坡失穩(wěn)占1%。再次證實(shí)歷史案例中絕大部分堰塞壩都是漫頂潰決破壞，較少發(fā)生管涌和壩坡失穩(wěn)破壞。3種潰壩類型的影響因素如下。

4.1.1 漫頂溢流潰決影響因素

漫頂溢流潰決影響因素方面，研究者主要從壩體幾何特征、壩體材料特征、水文條件對(duì)潰決潰口形態(tài)和潰決流量等方面展開。

壩體幾何特征影響方面：徐富剛等[78]對(duì)比不同壩高與壩坡條件下堰塞壩漫頂潰壩破壞過程，發(fā)現(xiàn)壩體越高，潰壩時(shí)潰口呈窄深型，水流下泄速度越大，潰壩危害性越大；壩坡越緩，穩(wěn)定性越好，侵蝕速率的峰值越小，潰口呈淺寬型。劉磊等[79]對(duì)壩體坡度、壩頂寬、壩頂高對(duì)漫頂潰壩過程的影響，發(fā)現(xiàn)壩頂高度與峰值流量成正比，減小壩坡度和增加壩頂寬度可有效降低洪峰流量并延長峰現(xiàn)時(shí)間。

壩體材料特征影響方面：Pathak[80]、張大偉[81]、張婧[82]、付建康[83]、Jiang[84]、Zhu[85]等基于不同壩體材料潰壩模型試驗(yàn)，研究了壩體材料（顆粒級(jí)配、D50、細(xì)粒含量等）對(duì)漫頂潰壩過程及潰決峰值流量的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑會(huì)影響潰壩開始時(shí)間和潰壩整體時(shí)長；D50在很大程度上影響了峰值流量，而顆粒級(jí)配的變化將會(huì)影響堰塞壩的潰決破壞模式，細(xì)粒含量的增加會(huì)增大潰決流量并降低潰壩時(shí)長。趙天龍等[86]通過堰塞壩漫頂潰壩的離心模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壩體內(nèi)大粒徑顆粒的存在一定程度上阻止了沖刷潰決，并導(dǎo)致殘留壩高的存在。鄧明楓[87]、趙高文[88]等基于模型試驗(yàn)研究了壩體密實(shí)度對(duì)于潰口形態(tài)及潰決峰值流量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著密實(shí)度增加，最終潰口的寬度逐漸變窄，且峰值流量減小但持續(xù)時(shí)間增長。蔣先剛[89]、劉杰[90]等基于模型試驗(yàn)研究了初始含水率對(duì)潰壩的影響，發(fā)現(xiàn)隨著含水量的增加，潰決峰值流量增加，潰決時(shí)間更短，殘余壩高下降。

河道特征影響方面：Xu[91]、張健楠[92]、楊陽[93]等分別開展了不同入流量條件下堰塞壩漫頂溢流潰決模型試驗(yàn)，得到入流量與峰值流量、潰決流量過程曲線及潰決時(shí)間存在相關(guān)關(guān)系。Zhou等[94]基于漫頂潰壩模型試驗(yàn)研究了堰塞壩潰決過程，發(fā)現(xiàn)入流量的變化不僅會(huì)影響峰值流量的大小，還會(huì)影響峰值流量和潰決拐點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間。Yan和Cao[95]基于侵蝕河床和剛性河床的堰塞湖潰決試驗(yàn)，同樣發(fā)現(xiàn)了相比于河道底面鋪設(shè)一層較厚的土石混合材料作為河床沉積物的侵蝕河床，河道底面無土石材料的剛性河床上的堰塞壩更易發(fā)生漫頂溢流破壞。劉邦曉[96]、蔣先剛[97]等分別開展了不同河床坡度的潰壩試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)河床坡度在一定程度上直接影響了潰決歷時(shí)、潰決峰值流量和潰口發(fā)展過程。

此外，還有學(xué)者綜合考慮了多個(gè)因素對(duì)潰壩的影響，如：柴賀軍等[52]依據(jù)野外實(shí)測(cè)資料，探討了壩體物質(zhì)組成、上下游邊坡坡度、湖水滲流等對(duì)堰塞壩潰決的影響。Chen等[98]利用水槽試驗(yàn)?zāi)M地震和降雨引起的堰塞壩潰壩，系統(tǒng)研究了壩體幾何形狀（三角形和梯形）、材料特性（含水率）和河床條件對(duì)潰壩的影響，發(fā)現(xiàn)三角形壩縮短了潰壩時(shí)洪峰產(chǎn)生的時(shí)間，壩體材料具備低滲透特性的堰塞壩和剛性河床上的堰塞壩更易發(fā)生漫頂溢流破壞。

4.1.2 滲透管涌潰決影響因素

堰塞壩的管涌現(xiàn)象主要發(fā)生在壩體內(nèi)部，目前研究大多基于模型試驗(yàn)或數(shù)值獲取管涌的形成和發(fā)展影響因素。Sherard[99]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一般天然分選性差的壩體，當(dāng)D15/D85>5時(shí)，堰塞湖水會(huì)通過壩體滲漏而發(fā)生管涌破壞現(xiàn)象。Gregoretti等[100]的試驗(yàn)研究表明，管涌破壞的產(chǎn)生及管涌通道的發(fā)展與河道入水流量、堰塞壩的材料顆粒級(jí)配、壩形及河床坡度有密切聯(lián)系。Awal等[101]通過預(yù)埋粗顆粒組成的管涌通道，模擬了不同初始管涌通道位置、不同上游水位、不同上游水量及不同壩體下游坡度情況下的管涌通道演化全過程。Chang和Zhang[102]通過試驗(yàn)研究了級(jí)配良好和級(jí)配間斷土中不同細(xì)粒含量（<0.063 mm）對(duì)于管涌的影響及判別標(biāo)準(zhǔn)。Okeke[103-104]、Wang[105]等開展了壩體材料對(duì)堰塞壩管涌破壞影響的試驗(yàn)研究，認(rèn)為堰塞壩的壩體材料密度越大，壩體越均勻，堰塞壩形成管涌的可能性越低。Shi等[106]采用CFD-DEM模型定量研究了不同壩體材料的滲流特性，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒材料更易發(fā)生流土破壞，而粗顆粒材料更易發(fā)生管涌破壞。

4.1.3 壩坡失穩(wěn)潰決影響因素

已有潰壩案例顯示，極少數(shù)的堰塞壩是僅由壩坡失穩(wěn)導(dǎo)致潰決的[66,77]。朱興華等[6]研究表明，由于壩坡失穩(wěn)導(dǎo)致堰塞壩潰決的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料幾近為0，且物理模型試驗(yàn)很難重現(xiàn)壩坡失穩(wěn)的破壞過程是導(dǎo)致堰塞壩壩坡失穩(wěn)潰決影響研究較少的主要原因?，F(xiàn)有的壩坡失穩(wěn)研究主要基于土石壩開展，如：徐鎮(zhèn)凱等[107]研究了庫水位驟降對(duì)土石壩壩坡失穩(wěn)的影響。盡管文獻(xiàn)記載僅有極少的堰塞壩完全由壩坡失穩(wěn)引起潰決，但在實(shí)際堰塞壩潰決過程中，重力作用下斜坡的存在會(huì)使其更容易被沖刷。

已有研究對(duì)不同模式潰壩影響因素開展了較為深入的研究。盡管大部分堰塞壩最終以漫頂溢流方式潰決，但是管涌和壩坡失穩(wěn)無處不在，壩體內(nèi)部管涌會(huì)逐步改變壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料含水率，同時(shí)滲流力的存在還會(huì)在一定程度上增加側(cè)坡失穩(wěn)的可能性。由此可見，堰塞壩的潰壩通常是內(nèi)部侵蝕、漫頂沖刷和壩坡失穩(wěn)耦合作用的結(jié)果，潰決機(jī)理極其復(fù)雜，很難精確獲取潰口發(fā)展過程和潰壩流量過程線。

4.2 潰口洪水快速評(píng)估模型

由于具有潰決參數(shù)記錄的歷史堰塞壩案例有限，目前很多計(jì)算潰口流量及潰口尺寸的快速評(píng)估模型是基于土石壩建立的。故從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ?個(gè)方面介紹現(xiàn)有的快速評(píng)估研究成果。

4.2.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ǔ：雎詽⒖诎l(fā)展過程，根據(jù)潰壩案例統(tǒng)計(jì)分析估算峰值流量、潰決時(shí)間和潰口尺寸等參數(shù)。

基于人工土石壩案例研究方面：很多學(xué)者基于人工壩潰壩案例，建立潰決峰值流量、潰決時(shí)間與壩高、壩長、壩寬、庫容等壩體幾何形態(tài)參數(shù)和水文參數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系[108-110]。Macdonald和Langridge-Macdonald[111]、USBR[112]研究認(rèn)為根據(jù)人工土石壩潰壩案例所建立的潰決時(shí)間和峰值流量估算公式在一定情況下可以應(yīng)用于堰塞壩峰值流量估算。然而，Peng和Zhang[66]通過堰塞壩和人工壩的對(duì)比分析，認(rèn)為基于人工土石壩獲得的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁?huì)高估堰塞壩潰決峰值流量和潰口尺寸，低估潰決時(shí)間。

基于堰塞壩案例研究方面：Costa和Schuster[1]基于12例堰塞壩案例，建立了潰決峰值流量與勢(shì)能的關(guān)系。Walder和O’Connor[113]基于18個(gè)堰塞壩案例，提出考慮水位下降和釋放庫容的峰值流量估算公式。Peng和Zhang[66]基于世界52例具有詳細(xì)潰決參數(shù)的堰塞壩案例，建立了堰塞壩潰決峰值流量、潰口尺寸和潰決時(shí)長的邏輯回歸模型。石振明等[77]基于41例具有詳細(xì)潰決信息的堰塞壩案例建立了壩體潰決參數(shù)（峰值流量、潰口尺寸、潰決時(shí)長）的快速評(píng)估模型，如表6所示。

表6 堰塞壩潰決參數(shù)快速評(píng)估模型Tab. 6 Rapid assessment models of breaching parameters of landslide dams

分析上述模型可以發(fā)現(xiàn)，Costa和Schuster[1]及Walder和O’Connor[113]所提模型參數(shù)簡單，計(jì)算便捷，但僅能計(jì)算潰決峰值流量，且Costa和Schuster[1]模型中勢(shì)能參數(shù)很難界定和計(jì)算，Walder和O’Connor[113]模型的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確率偏低。Peng和Zhang[66]及石振明等[77]提出的模型涉及壩體幾何形態(tài)參數(shù)和材料抗侵蝕參數(shù)，雖然模型涉及參數(shù)數(shù)量增加，但輸入?yún)?shù)可通過遙感、航拍方式快速獲取，模型不僅能計(jì)算潰壩洪水，還能計(jì)算潰口尺寸和潰決時(shí)間，計(jì)算準(zhǔn)確率更高。值得注意的是，該模型中抗侵蝕參數(shù)選取存在主觀性，可能帶來一定誤差。在實(shí)際工程分析中，應(yīng)根據(jù)可獲取參數(shù)選用合適的模型進(jìn)行分析。在參數(shù)允許條件下，可優(yōu)先選擇Peng和Zhang[66]及石振明等[77]提出的模型，并結(jié)合其他模型進(jìn)行綜合判斷。

綜上所述，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆椒梢詾檠呷麎蔚臐Q參數(shù)快速評(píng)估提供指導(dǎo)，但人工土石壩與堰塞壩在壩體幾何形態(tài)、材料、結(jié)構(gòu)、潰口發(fā)展過程等方面存在顯著差異，采用人工土石壩經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算堰塞壩潰決參數(shù)的可行性還有待商榷。此外，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H能獲取最終的潰決峰值流量、潰口尺寸等，無法得到潰決流量的變化過程。

4.2.2 物理模型

物理模型方法是指考慮潰口物理發(fā)展過程，依據(jù)水量平衡方程、堰流方程及泥沙輸移過程所建立的潰決參數(shù)計(jì)算模型。

基于人工土石壩所建立的物理模型相對(duì)較多，如：Cristofano土石壩模型[114]、BREACH模型[115]、DAMBRK模型[116]、BRDAM模型[117]、BEED模型[118]、DLBreach模型[119]等。這些模型大多基于流體質(zhì)量守恒與泥沙運(yùn)移理論，簡化潰壩過程，假定潰口形狀為三角形、梯形、矩形或拋物線形的條件下建立。

由于堰塞壩與人工土石壩在壩體形態(tài)、材料、結(jié)構(gòu)等方面顯著不同，兩者的潰口發(fā)展和潰決過程存在差異。Chang等[120]基于寬頂堰公式和土壤侵蝕方程，提出DABA物理計(jì)算模型，該模型假定了潰口發(fā)展的3個(gè)階段，且考慮了壩體土層侵蝕特性隨深度的變化。Chen等[121]基于野外實(shí)測(cè)資料提出DB-IWHR模型，該模型采用寬頂堰公式計(jì)算流量，采用雙曲線模型計(jì)算沖刷過程，采用圓弧滑動(dòng)面分析法計(jì)算潰口的橫向擴(kuò)展。Zhong等[122]基于潰壩模型試驗(yàn)和唐家山堰塞壩現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，以及土壤侵蝕方程和寬頂堰公式提出堰塞壩潰壩計(jì)算模型，考慮了壩頂、下游邊坡和側(cè)坡的潰決破壞過程。

物理模型可有效獲取壩體潰決演變過程和潰決流量水文過程曲線，在潰壩快速評(píng)估中具有重要的價(jià)值。在參數(shù)允許的條件下，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用物理模型進(jìn)行潰決分析。但是由于模型計(jì)算所需參數(shù)（如壩體材料、侵蝕參數(shù)、庫容曲線等）的限制及模型假定的潰口發(fā)展與真實(shí)潰口發(fā)展差異等原因，導(dǎo)致物理模型的計(jì)算結(jié)果仍存在一定的不確定性。

目前研究主要存在以下3個(gè)方面的問題：1）典型級(jí)配材料的沖刷特性不明確；2）潰壩過程與壩體材料、壩體結(jié)構(gòu)的關(guān)系不清楚；3）真實(shí)堰塞壩案例野外調(diào)研及野外大型潰壩模型試驗(yàn)缺乏。

4.3 潰決洪水演進(jìn)快速評(píng)估模型

洪水演進(jìn)分析的主要目的在于確定下游重要區(qū)域的流量、流速和水深等相關(guān)參數(shù)，為安全預(yù)警的制定提供必要的依據(jù)。目前，關(guān)于洪水演進(jìn)的計(jì)算方法主要為水文學(xué)方法和水力學(xué)方法。

水文學(xué)方法通過實(shí)測(cè)資料反算出數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)，用于洪水演進(jìn)預(yù)報(bào)，如馬斯京根法、蓄量演算法、特征河長法、滯后演算法等。其中：馬斯京根法[33]假定河段槽蓄量與出入流量之間為線性關(guān)系，從而進(jìn)行河道洪水演算。該方法是目前應(yīng)用較為廣泛的河道洪水預(yù)報(bào)模型，但在流域下游，受下游水位的頂托，水流并不是自由出流，假定關(guān)系存在不合理性。蓄量演算法[123]通過中心差分格式表示水量平衡方程，并基于實(shí)際資料建立蓄泄關(guān)系進(jìn)行洪水演算。特征河長法[123]認(rèn)為某一特征河長的河段，其下斷面出流量與特征河段槽蓄量均呈單值關(guān)系，極大地簡化了復(fù)雜的槽蓄關(guān)系，但也導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在一定誤差。滯后演算法[124]假定不論入流遠(yuǎn)近，洪水波的坦化作用保持一致，這使得計(jì)算結(jié)果存在一定偏差，如表7所示。

表7 堰塞壩潰決下游洪水快速評(píng)估模型Tab. 7 Rapid assessment models of the downstream flood

水力學(xué)方法主要采用水動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)河道非恒定流進(jìn)行分析，得到河道洪水?dāng)?shù)學(xué)模型，求解洪水演進(jìn)過程。目前，快速評(píng)估最常用的方法是基于圣維南方程（ Saint-Venant）和N-S方程（Navier-Stokes）近似簡化求解得到的洪峰展平法和線性河道法。其中：洪峰展平法是將洪水波概化為三角形，并假定河道為棱柱體河槽，忽略動(dòng)力方程慣性項(xiàng)，是圣維南方程的一種近似簡化解法，如克-曼公式[33]和李斯特萬公式[125]均可計(jì)算下游河道各處峰值流量（表7）。謝任之[126]基于河床斷面指數(shù)法，利用概化過程提出綜合洪水演進(jìn)計(jì)算公式，該公式可計(jì)算下游河道洪水峰值流量和水深（表7）。線性河道法則通過假定整個(gè)河段上水深為線性變化，潰壩波以立波形式向下傳遞，波速增大，進(jìn)而獲取下游各位置最大水深及相應(yīng)流量。

此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)圣維南方程組1、2、3維數(shù)值都可以進(jìn)行差分求解，數(shù)值求解的方法包括有限差分法、有限分析法、有限體積法等，如：基于Preissmann四點(diǎn)隱式有限差分法求解連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程的HEC-RAS軟件[127]，采用Abbott六點(diǎn)隱式差分求解圣維南方程組的MIKE系列軟件[128]，基于交替方向隱式法求解的Delft 3D軟件等[129]。但由于這類軟件往往需要較為詳盡河道資料，建模所需時(shí)間較長，應(yīng)用于快速評(píng)估尚有一定難度。

在潰壩洪水演進(jìn)快速評(píng)估中，由于受時(shí)間和現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，信息參數(shù)往往較少，現(xiàn)有的水文學(xué)和部分水力學(xué)方法可以在一定條件下快速估算潰決洪水結(jié)果，具有重要的實(shí)用價(jià)值。但是，也正是由于計(jì)算參數(shù)的限制，此類模型的計(jì)算精度有限，預(yù)測(cè)的潰決洪水流量具有很大的不確定性。

5 結(jié)論與展望

崩滑型堰塞壩危險(xiǎn)性的快速評(píng)估建立在是否會(huì)形成堰塞壩，形成后是否穩(wěn)定，多久會(huì)發(fā)生潰壩及潰決洪水大小4個(gè)問題的基礎(chǔ)上。已有研究表明，崩滑型堰塞壩的形成、穩(wěn)定性、壽命和潰決洪水受到地形條件、固體物源條件、水源條件、壩體幾何形態(tài)、壩體結(jié)構(gòu)與材料、河道水動(dòng)力條件等諸多因素的影響?；跉v史堰塞壩案例所建立的統(tǒng)計(jì)分析模型和基于潰壩物理過程所建立的物理模型為堰塞壩危險(xiǎn)性快速評(píng)估及應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)工作提供了指導(dǎo)。但是，由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取手段有限、水土物質(zhì)相互作用機(jī)理未完全明晰，現(xiàn)有模型的預(yù)測(cè)精度有待提高。后續(xù)研究應(yīng)著重考慮以下5個(gè)方面：

1）開展考慮崩塌、滑坡啟動(dòng)和運(yùn)移機(jī)理的堵江快速判別研究。崩滑成壩具有一定物源、地形和水源條件要求，已有研究主要關(guān)注滑坡堆積堵江過程，而對(duì)于滑坡發(fā)生和運(yùn)移過程中的水土物質(zhì)相互作用缺乏了解。進(jìn)一步開展不同外因（地震、降雨等）條件下崩滑啟動(dòng)及運(yùn)移過程大型模型試驗(yàn)，建立考慮關(guān)鍵影響因素和水土物質(zhì)相互作用的成壩快速判別模型，可為崩滑型堰塞壩形成預(yù)測(cè)提供新思路。

2）開展堰塞壩壩體材料、結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的快速獲取方法研究。堰塞壩的穩(wěn)定性、壽命和潰決參數(shù)都與壩體材料和結(jié)構(gòu)特征密不可分，當(dāng)前研究大多通過估算或篩分試驗(yàn)獲取表層壩體材料的顆粒級(jí)配，而無法快速獲取壩體內(nèi)部材料分布特征。通過物探手段獲取壩體材料和結(jié)構(gòu)特征，或建立崩滑體材料與壩體材料分布關(guān)系，為堰塞壩危險(xiǎn)性快速定量評(píng)估提供詳細(xì)基礎(chǔ)參數(shù)，提高預(yù)測(cè)模型精度，是未來重要研究內(nèi)容。

3）開展堰塞壩潰決程度快速評(píng)估研究。由于壩體材料的非均質(zhì)性，實(shí)際工程中堰塞壩往往難以一潰到底，殘余壩體的存在可能會(huì)導(dǎo)致二次潰壩，增加堰塞壩災(zāi)害的影響。當(dāng)前研究中尚缺乏明確的潰決程度定義與預(yù)測(cè)方法?；谘呷麎伟咐F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和模型試驗(yàn)，從能量轉(zhuǎn)換與耗散角度提出潰壩程度定義，并建立快速評(píng)估模型預(yù)測(cè)殘余堰塞壩的危險(xiǎn)性，是亟待解決的重要內(nèi)容。

4）開展流域尺度堰塞壩潰決洪水演進(jìn)快速評(píng)估及水庫調(diào)蓄減災(zāi)研究。目前主要建立了堰塞壩所在河道模型分析潰壩洪水演進(jìn)及對(duì)下游影響，但實(shí)際情況中，地震或降雨可能導(dǎo)致同一流域、不同主支流形成多個(gè)堰塞壩，上游潰壩洪水可能影響下游多條主支流。通過提前建立全國或存在堵江可能性的流域河道地理信息模型，耦合潰壩洪水模型計(jì)算結(jié)果，可為堰塞壩潰壩洪水快速評(píng)估及水庫調(diào)蓄減災(zāi)提供新方法。

5）開展堰塞壩災(zāi)害鏈對(duì)全流域影響的快速動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估?，F(xiàn)有大部分堰塞壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究主要基于經(jīng)驗(yàn)和判斷的定性分析，對(duì)于動(dòng)態(tài)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究較少。在風(fēng)險(xiǎn)界定和識(shí)別的基礎(chǔ)上，建立堰塞壩災(zāi)害鏈的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，考慮模型和參數(shù)的不確定性，研究流域范圍內(nèi)的多重?fù)p失和損失疊加效應(yīng)，提出堰塞壩對(duì)全流域影響的快速動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，可以為堰塞壩災(zāi)害鏈的防災(zāi)減災(zāi)提供指導(dǎo)。