蔡正銀，鐘啟明，何 寧，夏云峰，朱俊高

(1.南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210024；2.水利部水庫(kù)大壩安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；3.南京水利科學(xué)研究院 河流海岸研究所，江蘇 南京 210024；4.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

堰塞體是一種特殊的天然土石壩，一般由于地震和降雨引起的滑坡與泥石流阻塞河道，造成上游段壅水而形成[1-2]。堰塞體堵江形成堰塞湖作為重大水旱自然災(zāi)害，具有集雨面積廣、蓄水量大等特點(diǎn)，全球范圍內(nèi)有文獻(xiàn)記載的堰塞體案例有1 700余處，中國(guó)有800余處[3]。近年來(lái)，受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造及氣象水文等條件綜合作用，中國(guó)由于滑坡形成的堰塞體呈多發(fā)、頻發(fā)態(tài)勢(shì)。

堰塞體一般由崩滑土石料快速堆積而成，沒(méi)有經(jīng)過(guò)充分壓實(shí)，結(jié)構(gòu)較為松垮，組成物質(zhì)雜亂，局部存在由大顆粒骨架組成的高滲透區(qū)域，滲流和力學(xué)穩(wěn)定性較差[4]，且缺乏必要的洪水溢流設(shè)施，容易發(fā)生潰決造成嚴(yán)重的洪水災(zāi)害，對(duì)下游公眾生命財(cái)產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成巨大威脅。2000年，易貢堰塞體潰決，21 億m3洪水下泄，導(dǎo)致中國(guó)墨脫、波密、林芝等縣90余鄉(xiāng)、近萬(wàn)人受災(zāi)，印度布拉馬普特拉河沿岸7個(gè)邦94人死亡，250萬(wàn)人無(wú)家可歸[5]；2008年，“5?12”汶川地震形成了257處滑坡堰塞體[6]，其中，唐家山是集雨面積最廣、蓄水量最大、威脅最嚴(yán)重的堰塞體，在人工干預(yù)下于2008年6月7日應(yīng)急泄流，共轉(zhuǎn)移下游風(fēng)險(xiǎn)人口約25萬(wàn)人，所幸未造成人員傷亡（圖1）[7]；2018年10—11月，中國(guó)金沙江和雅魯藏布江各接連發(fā)生2次滑坡事件，形成了白格[8]和加拉[9]堰塞體，并在短期內(nèi)發(fā)生潰決，對(duì)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅（圖2）。

圖1 唐家山堰塞體潰決Fig. 1 Breaching of Tangjiashan landslide dam

圖2 “11?3”白格堰塞體潰決Fig. 2 Breaching of “11?3” Baige landslide dam

Costa和Schuster[1]對(duì)全球73座堰塞體的壽命統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：85%的堰塞體壽命小于1 a，潰決模式主要是水流漫頂沖刷、滲透破壞或邊坡失穩(wěn)，其中，93%為水流漫頂沖刷潰決，4%為滲透破壞潰決，3%為邊坡失穩(wěn)潰決。Peng和Zhang[10]、Shen等[11]分別通過(guò)對(duì)全球204座和352座堰塞體的壽命統(tǒng)計(jì)也得出了類似結(jié)論。堰塞體的潰決雖然會(huì)帶來(lái)巨大的災(zāi)難，但有的堰塞體形成后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使得堰塞湖得以保留，至今仍未潰決，如：位于塔吉克斯坦因1911年地震形成的Usoi堰塞體，其體積約為2 200 萬(wàn)m3，高度約600 m，堰塞湖庫(kù)容約170 億m3，是目前世界上現(xiàn)存庫(kù)容最大的堰塞湖[12]；其他典型案例如中國(guó)重慶小南海堰塞體和瑞士Klontalersee堰塞體[1]。

中國(guó)歷來(lái)高度重視自然災(zāi)害防治，《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》對(duì)完善國(guó)家應(yīng)急管理體系，提高防災(zāi)、減災(zāi)、抗災(zāi)、救災(zāi)能力，防范和化解極端自然災(zāi)害事件系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)提出更高要求。堰塞體致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)大，破壞力強(qiáng)，嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)和公共安全，而現(xiàn)有的理論和方法還不能很好地反映堰塞體的性態(tài)演化規(guī)律及潰決過(guò)程，亟需加強(qiáng)復(fù)雜條件下堰塞體的安全評(píng)價(jià)方法、災(zāi)變機(jī)理、災(zāi)害預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究，為應(yīng)急搶險(xiǎn)和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 土體剪脹理論與本構(gòu)模型

剪脹是指土體受剪引起的體積膨脹或收縮現(xiàn)象，是粒狀材料區(qū)別于普通固體材料的一個(gè)顯著特性。剪脹被定義為塑性體積應(yīng)變?cè)隽颗c塑性偏應(yīng)變?cè)隽恐取?962年，Rowe[13]提出經(jīng)典的應(yīng)力剪脹理論，其剪脹方程為：

式中，dεv為體積應(yīng)變?cè)隽?，dε1為大主應(yīng)變?cè)隽?，?為大主應(yīng)力，σ3為小主應(yīng)力，φcv為土體的極限摩擦角。

由式（1）看出，應(yīng)力剪脹理論中剪脹只與應(yīng)力水平有關(guān)，與材料的狀態(tài)（級(jí)配、密度等）無(wú)關(guān)[14]。對(duì)于正常固結(jié)黏土，由于應(yīng)力水平與土體密度之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，故經(jīng)典的應(yīng)力剪脹理論中實(shí)際上隱含了剪脹與密度的相關(guān)性。應(yīng)力剪脹理論描述黏性土的剪脹與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，取得了巨大的成功，很多著名的黏性土本構(gòu)模型都是采用應(yīng)力剪脹理論，如劍橋模型及修正劍橋模型的剪脹方程，分別見(jiàn)式（2）和（3）：

對(duì)于無(wú)黏性土，相同應(yīng)力水平條件下，密度可能不同。正是由于經(jīng)典應(yīng)力剪脹理論對(duì)于材料內(nèi)部狀態(tài)參量的忽視，使該理論應(yīng)用到砂土或堆石料時(shí)出現(xiàn)較大誤差[14]。

砂土剪脹理論研究方面，20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將孔隙比、砂土的狀態(tài)參量或狀態(tài)指數(shù)引入剪脹方程，建立了一系列狀態(tài)相關(guān)剪脹方程，其中：最具代表性的是Li等[15]將同時(shí)反映砂土的應(yīng)力水平與砂土密度的狀態(tài)參量引入剪脹方程，提出砂土狀態(tài)相關(guān)剪脹理論；其后，蔡正銀等[16-18]開(kāi)展了砂土剪切帶的形成過(guò)程、砂土的變形特性與臨界狀態(tài)和砂土的漸進(jìn)破壞模擬等方面的研究工作，進(jìn)一步完善了砂土的狀態(tài)相關(guān)剪脹理論。

堆石料剪脹理論研究方面，隨著中國(guó)一大批高土石壩工程開(kāi)工建設(shè)，作為大壩主要填筑材料的堆石料的剪脹理論的合理性引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。與砂土相比，堆石料粒徑大、易破碎，工程特性也不盡相同，將砂土的剪脹理論直接用于堆石料的剪脹變形特性存在一定的局限性。學(xué)者們針對(duì)不同初始密度的堆石料進(jìn)行了一系列大型三軸試驗(yàn)，研究了密度和圍壓對(duì)堆石料變形特性的影響[19]，探討了堆石料強(qiáng)度和變形特性[20]、堆石料臨界狀態(tài)[21]和剪脹方程[22]，但堆石料的相關(guān)剪脹理論還很不成熟。

本構(gòu)模型方面，目前應(yīng)力變形分析中應(yīng)用最廣泛的主要有“鄧肯-張”非線性彈性模型、“南水”彈塑性模型，以及其他一些彈塑性本構(gòu)模型。其中：“鄧肯-張”模型基于廣義虎克定律，不能反映土體的應(yīng)變軟化特性、剪應(yīng)力引起的體脹或體縮現(xiàn)象；“南水”模型通過(guò)引入體積屈服面和剪切屈服面，可較好地反映堆石料的卸荷體縮特性和各向異性。但上述模型僅從數(shù)學(xué)角度解釋了表觀現(xiàn)象，未考慮材料初始狀態(tài)（如級(jí)配、密度）的影響，復(fù)雜應(yīng)力路徑下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的適用性也未得到充分驗(yàn)證。

與筑壩堆石料相比，堰塞體材料的級(jí)配更為寬泛，不同部位的密度和級(jí)配差異較大。隨著堰塞湖水位的抬升和其他外荷載的作用，以及材料自身的蠕變，材料密度的改變將貫穿堰塞體的整個(gè)生命周期，更增加了其變形特性研究的復(fù)雜性。目前，針對(duì)堰塞體材料是否存在臨界狀態(tài)的相關(guān)研究很少，在剪脹方程中需引入何種狀態(tài)參量才能合理反映材料的剪脹性尚不明晰；常用于土石壩數(shù)值分析的本構(gòu)模型都沒(méi)有考慮土的密度的影響，更沒(méi)有考慮級(jí)配的影響?；谝陨戏治觯逖呷w材料變形及強(qiáng)度特性隨應(yīng)力、密度和級(jí)配等因素的變化規(guī)律，建立能同時(shí)考慮應(yīng)力水平與土體狀態(tài)（密度、級(jí)配）影響的堰塞體材料剪脹理論與本構(gòu)模型，并應(yīng)用于堰塞體的應(yīng)力-變形及穩(wěn)定性計(jì)算，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 土石材料沖蝕特性

堰塞體的潰決絕大多數(shù)由水流沖蝕導(dǎo)致，因此研究土石材料的沖蝕特性至關(guān)重要。土石材料的沖蝕過(guò)程實(shí)質(zhì)上是水流與土石顆粒之間的耦合作用過(guò)程，其沖蝕特性一般通過(guò)起動(dòng)流速（或臨界剪應(yīng)力）和沖蝕速率表征。目前，常用的測(cè)定土石材料沖蝕的方法包括旋轉(zhuǎn)圓柱試驗(yàn)、孔洞沖蝕試驗(yàn)、噴射沖蝕試驗(yàn)、水槽試驗(yàn)等（圖3）。

圖3 常用土石材料沖蝕特性測(cè)試方法Fig. 3 Common test methods for erosion characteristics of soil and rock materials

旋轉(zhuǎn)圓柱試驗(yàn)裝置是通過(guò)旋轉(zhuǎn)外層透明的圓柱體帶動(dòng)水流產(chǎn)生作用于圓柱體試樣的剪應(yīng)力測(cè)量材料沖蝕特性。1962年，Moore和Masch[23]首次采用繞圓柱體土試驗(yàn)的旋轉(zhuǎn)水流提供剪切力來(lái)測(cè)量表面沖蝕。隨后，學(xué)者們對(duì)旋轉(zhuǎn)圓柱測(cè)量設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，與原來(lái)的設(shè)計(jì)相比，新設(shè)備能夠測(cè)定重塑土和原狀土[24]。旋轉(zhuǎn)圓柱測(cè)量裝置的局限性在于不能測(cè)算試樣在飽和狀態(tài)時(shí)的沖蝕率，且沖刷掉的土顆粒仍在圓柱體內(nèi)而影響測(cè)試效果。

孔洞沖蝕試驗(yàn)裝置是通過(guò)在土體試樣內(nèi)部開(kāi)鑿孔洞，測(cè)量水流沖蝕后孔洞內(nèi)徑的發(fā)展確定土體內(nèi)部沖蝕特征。2004年，Wan和Fell[25]首次采用孔洞試驗(yàn)確定了土體各參數(shù)與沖蝕率的關(guān)系。但沖蝕率結(jié)果可能受試驗(yàn)過(guò)程中孔洞的堵塞、內(nèi)徑變化不均勻等因素影響而相差很遠(yuǎn)。

噴射沖蝕試驗(yàn)裝置通過(guò)對(duì)土體試驗(yàn)表面進(jìn)行射流沖刷，確定土體的抗沖蝕能力。1991年，Hanson[26]提出材料抵抗力的概念，并建議了噴射指數(shù)；Chang等[27]應(yīng)用此方法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定了汶川地震造成的2座堰塞體的土體沖蝕特性。但由于堰塞體材料的寬級(jí)配特征和不均勻分布特性，測(cè)試結(jié)果的隨機(jī)性較大，對(duì)堰塞體材料沖蝕特性進(jìn)行全面評(píng)價(jià)還存在困難。

綜上可知，旋轉(zhuǎn)圓柱試驗(yàn)、孔洞和噴射沖蝕試驗(yàn)一般用于粒徑均勻的原狀土或重塑土沖蝕特性的測(cè)量，對(duì)于寬級(jí)配的堰塞體材料，一般需采用水槽模型試驗(yàn)研究其沖蝕特性。寬級(jí)配土體的起動(dòng)特性較均勻土體復(fù)雜得多，主要是粗細(xì)顆粒間受到顯著的蔭暴和床沙粗化作用。1950年，Einstein[28]指出了采用均勻沙代替非均勻沙研究沖蝕特性可能導(dǎo)致的誤差。數(shù)十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞非均勻顆粒起動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律開(kāi)展了廣泛研究。

對(duì)于非均勻顆粒起動(dòng)問(wèn)題：Paintal[29]提出暴露度的概念研究大小顆粒之間的相互作用；韓其為[30]基于床面顆粒相對(duì)位置，提出含義清晰且便于應(yīng)用的絕對(duì)暴露度和相對(duì)暴露度概念；其后，學(xué)者們又開(kāi)展一系列相關(guān)研究，在一定程度上揭示了堰塞體顆粒的分布特征及其起動(dòng)特性[31]。但近底水流流速、顆粒非均勻性及隨機(jī)分布規(guī)律對(duì)寬級(jí)配材料起動(dòng)特性的影響仍值得深入研究。

對(duì)于非均勻顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)顆粒在水流中的運(yùn)動(dòng)特征，一般將其分為推移質(zhì)和懸移質(zhì)進(jìn)行研究。非均勻推移質(zhì)沖蝕率計(jì)算方法可分為3類：直接分組法[32]、修正剪應(yīng)力法[33]和級(jí)配法[34]。對(duì)于懸移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，潰壩水流的高含砂特性使其具有與普通挾沙水流不同的運(yùn)動(dòng)特性和沖淤規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在懸移質(zhì)濃度分布[35]、水流挾砂力[36]等方面取得了系列的研究成果，但高速水流作用下的寬級(jí)配顆粒懸浮、擴(kuò)散與交換機(jī)理尚需進(jìn)一步研究。

總之，在土石材料沖蝕特性研究方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，但試驗(yàn)條件與堰塞體實(shí)際沖蝕情況仍有較大差異，如：水流的強(qiáng)非恒定，土石料的寬級(jí)配、非均勻特征，并且缺乏與潰口變形直接相關(guān)的沖蝕特性模擬方法。

1.3 堰塞體潰決機(jī)理

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于不同尺度的水工模型試驗(yàn)，開(kāi)展了一系列堰塞體潰決機(jī)理和潰決過(guò)程模型試驗(yàn)。小尺度模型試驗(yàn)方面：Zhou等[37]基于4組壩高0.7 m的模型試驗(yàn)，將堰塞體的潰決過(guò)程分為3個(gè)階段：溯源沖蝕→加速?zèng)_蝕→沖蝕衰退；Zhu等[38]基于12組壩高0.3 m的模型試驗(yàn)，將堰塞體的潰決過(guò)程分為4個(gè)階段：初始沖蝕→溯源沖蝕→加速?zèng)_蝕→河道再平衡。大尺度模型試驗(yàn)方面：Zhang等[39]基于3組壩高2.5 m的模型試驗(yàn)，將堰塞體的潰決過(guò)程分為3個(gè)階段：溯源沖蝕→加速?zèng)_蝕→沖蝕衰退；Takayama等[40]基于2組壩高1.0 m的模型試驗(yàn)，將堰塞體的潰決過(guò)程分為2個(gè)階段：漸進(jìn)沖蝕→漫頂沖蝕。總體而言，盡管對(duì)堰塞體潰決過(guò)程有不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外的研究成果整體上體現(xiàn)了對(duì)潰決過(guò)程的一致認(rèn)識(shí)。另外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞堰塞體形態(tài)（坡比[41]、高度[42]）、材料物理力學(xué)特性（顆粒級(jí)配[43]、初始含水率[44]、密實(shí)度[45]）、河道水動(dòng)力條件（河道坡比[46]、上游來(lái)流量[47]、涌浪[48]）、初始潰口形態(tài)[49]等影響堰塞體潰決過(guò)程的因素開(kāi)展試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)潰口演化規(guī)律和潰口流量過(guò)程的分析，獲取了很多關(guān)于堰塞體潰決機(jī)理的有益認(rèn)識(shí)。

隨著試驗(yàn)技術(shù)的不斷提高、模型尺寸的不斷增大，測(cè)試精度有所提高，但小尺度模型試驗(yàn)（也包括現(xiàn)場(chǎng)大尺度模型試驗(yàn)）在堰塞體應(yīng)力水平、顆粒粒徑大小方面與原型相比仍然有較大差別，試驗(yàn)中的縮尺效應(yīng)將直接影響研究成果的準(zhǔn)確性，所得結(jié)論能否真實(shí)反映原型堰塞體的潰決機(jī)理仍值得商榷。值得一提的是，為有效解決小尺度潰壩試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型應(yīng)力水平相差過(guò)大，大尺度潰壩試驗(yàn)場(chǎng)地難尋、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、隨壩高增加風(fēng)險(xiǎn)難以控制等問(wèn)題，南京水利科學(xué)研究院利用離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)形成的超重力場(chǎng)具有的“時(shí)空放大”效應(yīng)的原理，成功研發(fā)一套基于NHRI-400gt離心機(jī)的土石壩潰壩離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)[50]，如圖4所示，創(chuàng)建了潰壩離心模型試驗(yàn)方法，可在較短時(shí)間內(nèi)重現(xiàn)各類100 m級(jí)土石材料壩的潰決過(guò)程，為正確揭示堰塞體的潰決機(jī)理提供了科學(xué)先進(jìn)的技術(shù)手段。

圖4 NHRI-400gt土石壩潰壩離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 4 NHRI-400gt centrifugal model test system for earth-rock dam breach

1.4 堰塞體潰決過(guò)程數(shù)值模擬

數(shù)值模擬是潰壩過(guò)程預(yù)測(cè)的重要手段，潰壩數(shù)學(xué)模型一般分為3類[51]：參數(shù)模型、基于潰決機(jī)理的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型、基于潰決機(jī)理的精細(xì)化數(shù)學(xué)模型。

參數(shù)模型大多針對(duì)潰壩案例進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用回歸算法或機(jī)器學(xué)習(xí)方法獲得潰壩相關(guān)參數(shù)；由于其公式簡(jiǎn)單、計(jì)算快捷，也常用于潰壩致災(zāi)后果的快速評(píng)價(jià)。目前的參數(shù)模型多用來(lái)描述土石壩的潰決，專門針對(duì)堰塞體潰決的參數(shù)模型較少[3]。1985年，美國(guó)學(xué)者Costa[52]基于10座堰塞體潰決案例，最早提出3個(gè)預(yù)測(cè)潰口峰值流量的回歸方程。早期的參數(shù)模型僅簡(jiǎn)單考慮了堰塞體的形態(tài)特征和堰塞湖水動(dòng)力條件，且這些模型中只給出了潰口峰值流量的表達(dá)式，未提供其他潰決參數(shù)的表達(dá)式。近年來(lái)，Peng和Zhang[10]、石振明等[53]分別提出潰決參數(shù)快速預(yù)測(cè)模型，可綜合考慮堰塞體形態(tài)特征、堰塞湖水動(dòng)力條件及堰塞體材料的沖蝕特性，模型可以預(yù)測(cè)潰口峰值流量、潰口最終尺寸（頂寬、底寬、深度）及潰壩歷時(shí)，取得了良好的模擬效果；但參數(shù)模型無(wú)法提供潰口演化過(guò)程和潰壩洪水流量過(guò)程線。

對(duì)于基于潰決機(jī)理的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，目前大多借鑒均質(zhì)壩模型，但由于堰塞體與均質(zhì)壩在材料特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上存在巨大差異，其潰決機(jī)理也有明顯不同，因此模擬結(jié)果的可靠性存疑。近年來(lái)，學(xué)者們也開(kāi)發(fā)了一些可反映堰塞體潰決機(jī)理的簡(jiǎn)化模型，一般選擇寬頂堰流公式模擬潰口流量，采用基于剪應(yīng)力的不同沖蝕公式模擬潰口的縱向下切和橫向擴(kuò)展，建立不同的方法考慮堰塞體縱斷面的溯源沖蝕，并采用極限平衡法模擬潰口邊坡失穩(wěn)，比較有代表性的模型有香港科技大學(xué)的DABA[54]、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院DB-IWHR[55]、南京水利科學(xué)研究院DB-NHRI[56]。這些模型已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)易貢、唐家山、小崗劍、白格、加拉等堰塞體潰決案例的反演分析或潰決參數(shù)預(yù)測(cè)?？偟膩?lái)說(shuō)，簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢(shì)在于一定程度上考慮了堰塞體的潰決機(jī)理，且計(jì)算速度較快，在數(shù)值模擬中應(yīng)用最為廣泛；但模型一般假設(shè)潰口的形狀和演化過(guò)程，且無(wú)法真正模擬堰塞體潰決過(guò)程中的水土耦合作用。

近年來(lái)，隨著計(jì)算流體力學(xué)和泥沙科學(xué)的發(fā)展，產(chǎn)生了一系列以水動(dòng)力學(xué)和平衡/非平衡輸沙理論為基礎(chǔ)，基于靜水壓力分布和淺水假設(shè)的1維、2維和3維潰壩過(guò)程數(shù)學(xué)模型，此類模型可稱為基于潰決機(jī)理的精細(xì)化數(shù)學(xué)模型。該類模型主要包括清水或渾水的連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和潰口底床變化方程，有些包含潰口邊坡穩(wěn)定性判別方程，可精細(xì)地模擬土石材料壩的潰決過(guò)程。依據(jù)模型中選用沖蝕公式的類型，可將精細(xì)化模型分為4類[57]：平衡輸沙模型、非平衡輸沙模型、兩相流模型和兩層流模型。平衡輸沙模型[58]一般采用清水淺水方程描述水流運(yùn)動(dòng)，采用Exner方程描述潰口底床的變化過(guò)程，沖蝕過(guò)程以平衡輸沙為主，主要采用不同的推移質(zhì)（少量包含懸移質(zhì)）公式直接計(jì)算壩料的沖蝕率。非平衡輸沙模型[59]中假定過(guò)壩水流為渾水，采用含水土混合物密度的淺水方程描述潰壩水流運(yùn)動(dòng)；假定被沖蝕的壩料以推移質(zhì)和懸移質(zhì)形式運(yùn)動(dòng)，推移質(zhì)與懸移質(zhì)交互過(guò)程由經(jīng)驗(yàn)公式確定，將實(shí)際沖蝕率折算成渾水的體積濃度，通過(guò)渾水流量與體積濃度計(jì)算沖蝕率。兩相流模型[60]假定固相顆粒在液相自由水流的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生移動(dòng)，固相顆粒的體積濃度相對(duì)較低；固相和液相分別基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)建立模型，采用連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程描述其運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其中，固相表現(xiàn)出類似顆粒流的特性。兩層流模型[61]將潰口底床上方的水流假定為兩層，分別為上方的清水層和中間的推移質(zhì)水流層，每層都有各自的深度和濃度，清水層與推移質(zhì)水流層之間存在清水交換，而推移質(zhì)水流層與潰口底床之間存在土體交換，交換量由經(jīng)驗(yàn)公式確定，對(duì)清水層和含沙水層分別建立連續(xù)性方程與動(dòng)量守恒方程得到兩層流模型。上述4類模型通常采用近似黎曼解法和全變差遞減法（TVD）等激波捕捉方法，采用有限體積法、光滑顆粒流體動(dòng)力學(xué)法等數(shù)值模擬方法對(duì)控制方程進(jìn)行求解。此類模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)堰塞體潰決過(guò)程的精細(xì)化模擬，但目前多用于顆粒較為均勻的壩體材料。由于精細(xì)化模擬方法可考慮潰壩過(guò)程中復(fù)雜的水土交互作用，并可模擬復(fù)雜邊界條件和潰口演化規(guī)律，是潰壩數(shù)值模擬的發(fā)展方向。

1.5 堰塞體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

堰塞體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是開(kāi)展相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和應(yīng)急響應(yīng)的重要內(nèi)容，而堰塞體穩(wěn)定性又與其堆積形態(tài)、物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征、水動(dòng)力條件及次生地質(zhì)災(zāi)害密切相關(guān)，按特性可分為定性和定量評(píng)價(jià)方法。

定性評(píng)價(jià)方法主要包括工程類比法和歷史分析法。前者是根據(jù)形成條件和地質(zhì)條件與同類堰塞體進(jìn)行類比分析；后者是針對(duì)某一堰塞體的形成歷史和發(fā)育過(guò)程進(jìn)行推測(cè)分析，以此評(píng)價(jià)堰塞體當(dāng)前的穩(wěn)定性情況。定性評(píng)價(jià)中，常借助InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)、無(wú)人機(jī)航拍、地面變形監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段，主要以堰塞體的形成機(jī)制、物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，判斷堰塞體的抗沖蝕性能，最終評(píng)價(jià)堰塞體的整體穩(wěn)定性[62]。定性評(píng)價(jià)的特點(diǎn)是不通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，而是利用收集的資料，通過(guò)類比分析得出結(jié)論，綜合考慮了多方面因素的影響，其分析結(jié)果可作為堰塞體穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

定量評(píng)價(jià)方法可概括為統(tǒng)計(jì)學(xué)法、物理模擬法和數(shù)值模擬法等3種方法。統(tǒng)計(jì)法基于收集獲取的大量已潰和未潰堰塞體的資料，從中選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出判別準(zhǔn)則，并據(jù)此快速評(píng)價(jià)堰塞體的穩(wěn)定性。1999年，Casagli和Ermini[63]基于70座堰塞體案例，選取堰塞體體積和堰塞湖流域面積2個(gè)參數(shù)，最早提出堆積指標(biāo)法（BI）評(píng)價(jià)堰塞體的穩(wěn)定性。其后，各國(guó)學(xué)者基于不同的案例提出一系列堰塞體穩(wěn)定性的快速評(píng)價(jià)方法，如基于多元回歸的方法[64]和基于邏輯回歸的方法[65]。這些評(píng)價(jià)方法主要圍繞堰塞體的形態(tài)參數(shù)和物質(zhì)組成，以及堰塞湖的水動(dòng)力條件選取不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)。該類方法的優(yōu)點(diǎn)是避免復(fù)雜的計(jì)算，缺點(diǎn)是未考慮堰塞體內(nèi)部的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及其演化規(guī)律，可用于堰塞體穩(wěn)定性初步評(píng)價(jià)。物理模擬法是評(píng)價(jià)某一特定堰塞體最直觀的方法。在搜集堰塞體的地質(zhì)資料之后，利用相似的物理材料制成模型模擬原型堰塞體的變形失穩(wěn)過(guò)程，可通過(guò)施加不同的外荷載，模擬地震[66]、涌浪[67]等不同因素作用下堰塞體的穩(wěn)定性。該方法避免了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)操作周期長(zhǎng)且易受到外界多種因素干擾等缺點(diǎn)，也優(yōu)化了利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得出的結(jié)果。但由于堰塞體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，物理模型不能完全模擬其真實(shí)狀態(tài)，再加上模擬試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)等影響，其結(jié)果往往是不全面的。數(shù)值模擬法能夠考慮堰塞體的力學(xué)特性和不同結(jié)構(gòu)面的影響，分析堰塞體的變形過(guò)程，對(duì)其穩(wěn)定性做出定量評(píng)價(jià)。其中，常用的應(yīng)力-應(yīng)變分析又分為連續(xù)介質(zhì)分析和不連續(xù)介質(zhì)分析。連續(xù)介質(zhì)分析包括有限單元法[68]和邊界單元法[69]兩大類；不連續(xù)介質(zhì)分析方法引入不連續(xù)分塊剛體模型，主要包括極限平衡法[70]、離散單元法[71]、不連續(xù)變形分析[72]。上述方法均為確定性方法，由于材料、結(jié)構(gòu)、荷載等參數(shù)存在不確定性，采用傳統(tǒng)的確定性壩體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的研究方向大多局限在形態(tài)、湖水位和物質(zhì)組成等方面，沒(méi)有充分考慮堰塞體材料的隨機(jī)性和狀態(tài)相關(guān)性、結(jié)構(gòu)空間變異性和荷載不確定性等問(wèn)題。近年來(lái)，學(xué)者逐漸認(rèn)識(shí)到巖土工程和水利水電工程中存在大量材料參數(shù)不確定和荷載不確定的問(wèn)題，有學(xué)者將不確定性方法，如可靠度理論、模糊數(shù)學(xué)、灰色理論等數(shù)學(xué)方法應(yīng)用在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中[73]，取得了較好的成效，但對(duì)于堰塞體的穩(wěn)定性采用不確定性方法的報(bào)道較少。

綜上所述，由于堰塞體復(fù)雜的外部形態(tài)、內(nèi)部材料和結(jié)構(gòu)特征，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于堰塞體狀態(tài)相關(guān)剪脹理論與壩體潰決演化規(guī)律的研究工作仍處于起步階段。有必要圍繞滑坡堰塞體安全評(píng)價(jià)方法與災(zāi)變機(jī)理開(kāi)展深入研究，針對(duì)高邊坡、堰塞體及原始河道構(gòu)成的系統(tǒng)，充分考慮堰塞體的形態(tài)特征、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和堰塞湖水動(dòng)力條件，揭示堰塞體多體、多過(guò)程、多尺度相互作用機(jī)理，闡明堰塞體性態(tài)演變過(guò)程與多過(guò)程作用的關(guān)聯(lián)機(jī)制，揭示堰塞體長(zhǎng)期性態(tài)演變與潰決機(jī)理。提出能考慮流固耦合的堰塞體滲流、變形、穩(wěn)定和潰決過(guò)程大規(guī)模一體化數(shù)值模擬方法與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。為提升滑坡堰塞體應(yīng)急搶險(xiǎn)決策水平和防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全和國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供理論與技術(shù)支撐。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

本文提出主要探究的3個(gè)科學(xué)問(wèn)題：1）寬級(jí)配堰塞體材料的剪脹規(guī)律；2）寬級(jí)配堰塞體材料的非恒定動(dòng)態(tài)沖蝕特性；3）堰塞體漫頂潰決與滲透破壞機(jī)理。

對(duì)應(yīng)這3個(gè)科學(xué)問(wèn)題的科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)及重要性的內(nèi)涵分別為：1）由于滑坡體物質(zhì)來(lái)源和運(yùn)動(dòng)形式的差異，堰塞體呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)性特征，物質(zhì)組成表現(xiàn)出寬級(jí)配特性，堰塞體材料表現(xiàn)出顯著的狀態(tài)相關(guān)性，常規(guī)剪脹理論形成的壩體應(yīng)力變形分析方法已無(wú)法滿足模擬的需求；亟需揭示應(yīng)力水平、相對(duì)密度、顆粒級(jí)配等因素影響下寬級(jí)配堰塞體材料的變形特性及臨界狀態(tài)變化規(guī)律，提出堰塞體材料的狀態(tài)相關(guān)剪脹方程。2）目前的沖蝕公式大多未考慮水流含砂濃度變化對(duì)其沖蝕特性的影響，無(wú)法合理反映堰塞體材料的寬級(jí)配特征，高速挾砂水流作用下潰口動(dòng)邊界的演化規(guī)律仍需深入研究，有必要探明寬級(jí)配堰塞體材料在挾砂水流作用下的輸運(yùn)規(guī)律，以及強(qiáng)非恒定流條件下的水沙耦合作用機(jī)制，揭示堰塞體材料在非恒定流作用下的動(dòng)態(tài)沖蝕機(jī)理。3）無(wú)論何種致災(zāi)因子，堰塞體的最終潰決模式均表現(xiàn)為漫頂或滲透破壞，目前堰塞體潰決初期的滲流侵蝕、溯源沖刷和后期高流挾砂水流作用下沿程侵蝕的機(jī)理和轉(zhuǎn)化規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，堰塞體潰決不同階段的歷時(shí)與影響因素尚不明晰；亟需揭示堰塞體沖蝕模式的內(nèi)在機(jī)制，闡明不同潰決模式作用下，材料組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)及外在影響因子對(duì)堰塞體潰口演化機(jī)制與洪水流量過(guò)程的影響。

2.2 重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容

圍繞提升堰塞體安全評(píng)價(jià)與災(zāi)變模擬水平，需重點(diǎn)突破的方向展開(kāi)3個(gè)層面的研究。機(jī)理層面：堰塞體外觀形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料宏觀力學(xué)特性及其時(shí)空變異規(guī)律；堰塞體全生命周期性能演化規(guī)律；非恒定流作用下寬級(jí)配堰塞體材料的沖蝕特性；不同致災(zāi)因子作用下堰塞體的潰決機(jī)理。理論與方法層面：與堰塞體結(jié)構(gòu)和成分相適應(yīng)的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試方法；堰塞體材料狀態(tài)相關(guān)剪脹理論；堰塞體材料彈塑性本構(gòu)模型與參數(shù)確定方法；不同荷載作用下堰塞體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法；貫穿堰塞體全生命周期的安全評(píng)價(jià)與災(zāi)變模擬方法。應(yīng)用層面：以唐家山、紅石巖、白格等已潰與未潰的典型堰塞體為示范工程和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基地，驗(yàn)證并完善堰塞體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和災(zāi)變機(jī)理的理論體系和方法。研究?jī)?nèi)容包括：

1）堰塞體材料狀態(tài)相關(guān)剪脹理論和穩(wěn)定分析方法：①堰塞體材料特性室內(nèi)試驗(yàn)縮尺方法；②狀態(tài)相關(guān)的堰塞體材料強(qiáng)度變形特性與長(zhǎng)期流變特性；③考慮狀態(tài)相關(guān)剪脹理論的堰塞體材料本構(gòu)模型與壩體穩(wěn)定分析方法。

2）挾砂水流作用下堰塞體材料的沖蝕機(jī)理：①堰塞體顆粒運(yùn)動(dòng)特性及試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)；②堰塞體材料非恒定流動(dòng)態(tài)沖蝕特性；③堰塞體漫頂與滲透破壞潰口演化規(guī)律。

3）考慮流固耦合的堰塞壩潰決過(guò)程模擬方法：①寬級(jí)配堰塞體材料沖蝕方程；②堰塞體漫頂潰壩與滲透破壞過(guò)程數(shù)值分析方法；③堰塞體潰決過(guò)程3維重建。

4）堰塞體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法：①堰塞體空間結(jié)構(gòu)識(shí)別及材料參數(shù)特性檢測(cè)方法；②不同外荷載作用下堰塞體穩(wěn)定性分析方法；③堰塞體穩(wěn)定性可靠度評(píng)價(jià)方法；④堰塞體滲流、變形、穩(wěn)定和潰決過(guò)程大規(guī)模一體化數(shù)值模擬方法。

3 研究方法與技術(shù)路線

圍繞構(gòu)建堰塞體全生命周期安全評(píng)價(jià)和災(zāi)變模擬的理論體系與方法這一核心問(wèn)題，從基本理論與模擬方法，關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，機(jī)理揭示、理論創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新，方法集成，科學(xué)體系5個(gè)層次開(kāi)展研究工作。采用多學(xué)科交叉和多手段融合的方法，基于傳統(tǒng)理論，借助各種物理和數(shù)值模擬方法，圍繞堰塞體安全評(píng)價(jià)、災(zāi)變機(jī)理與成災(zāi)過(guò)程中面臨的三大關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展深入系統(tǒng)的研究。揭示堰塞體外觀形態(tài)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)和材料特性時(shí)空變異規(guī)律，堰塞體全生命周期性能演化規(guī)律，寬級(jí)配堰塞體材料起動(dòng)與沉積特征及堰塞體漸進(jìn)破壞潰決機(jī)理；提出堰塞體材料狀態(tài)相關(guān)剪脹理論、堰塞體材料彈塑性本構(gòu)理論、堰塞體穩(wěn)定性可靠度評(píng)價(jià)理論、堰塞體材料非線性沖蝕模擬理論、堰塞體漸進(jìn)潰決模擬理論等系列創(chuàng)新理論；實(shí)現(xiàn)堰塞體空間結(jié)構(gòu)識(shí)別與物料特性勘測(cè)技術(shù)、寬級(jí)配材料縮尺試驗(yàn)技術(shù)、大型三軸試驗(yàn)高精度體變測(cè)試技術(shù)、寬級(jí)配堰塞體潰決離心模型試驗(yàn)技術(shù)等試驗(yàn)和測(cè)試技術(shù)創(chuàng)新；通過(guò)模型試驗(yàn)縮尺方法、流固耦合模擬方法、顯式與隱式數(shù)值算法、高性能軟件集成方法等各類方法的集成，形成堰塞體全生命周期安全評(píng)價(jià)與災(zāi)變模擬理論體系與方法，并在已潰與未潰的典型堰塞體案例中驗(yàn)證和應(yīng)用。所采用的研究方法如圖5所示。

圖5 研究方法框架Fig. 5 Research methods and framework

秉承由物理機(jī)理到數(shù)學(xué)模型、從交叉到融合的研究方法，采用原位測(cè)試（外觀識(shí)別、空間結(jié)構(gòu)、物料組成、巖性特征）、單元試驗(yàn)（組構(gòu)成分、物理力學(xué)特性）、大型物理模型試驗(yàn)（水工模型、離心模型）、理論分析和數(shù)值模擬等多種研究手段，在堰塞體結(jié)構(gòu)與材料特性時(shí)空變異規(guī)律、復(fù)雜環(huán)境下堰塞體孕災(zāi)過(guò)程模擬、不同致災(zāi)因子作用下堰塞體潰決過(guò)程模擬、堰塞體安全評(píng)價(jià)與災(zāi)變過(guò)程模擬一體化系統(tǒng)等4個(gè)方面開(kāi)展深入研究。同時(shí)，集成堰塞體特性識(shí)別技術(shù)、堰塞體工作性態(tài)演化模擬技術(shù)、堰塞體災(zāi)變過(guò)程模擬技術(shù)等貫穿堰塞體形成—孕災(zāi)—致災(zāi)過(guò)程的成套模擬方法，構(gòu)建以堰塞體全生命周期滲流、變形、穩(wěn)定和潰決過(guò)程一體化平臺(tái)為核心內(nèi)容的安全評(píng)價(jià)與災(zāi)變模擬系統(tǒng)，為中國(guó)堰塞體防災(zāi)減災(zāi)決策提供理論基礎(chǔ)與科學(xué)依據(jù)，采用的技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 技術(shù)路線Fig. 6 Technology road

4 主要?jiǎng)?chuàng)新之處

課題組擬基于空天地一體化的勘察技術(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)創(chuàng)新，采用理論研究和數(shù)值分析等方法，在如下4個(gè)方面取得突破：

1）建立合理反映堰塞體材料物理力學(xué)性質(zhì)、適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)力路徑、統(tǒng)一模擬堰塞體應(yīng)力應(yīng)變特性的狀態(tài)相關(guān)剪脹理論與彈塑性本構(gòu)理論。

2）基于堰塞體彈塑性本構(gòu)模型與多相多場(chǎng)耦合理論，采用可靠度隨機(jī)有限元方法，建立考慮滲流、變形、穩(wěn)定的堰塞體性能演化規(guī)律的安全評(píng)價(jià)理論。

3）建立正確反映堰塞體寬級(jí)配材料沖蝕特性和不同致災(zāi)因子作用下的潰決機(jī)理，合理預(yù)測(cè)其潰口演化規(guī)律和洪水流量過(guò)程的堰塞體潰決過(guò)程模擬理論。

4）集成應(yīng)用GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)、多維數(shù)值仿真模擬技術(shù)，開(kāi)發(fā)高效的數(shù)值仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)考慮流固耦合的堰塞體滲流、變形、穩(wěn)定和潰決過(guò)程的大規(guī)模一體化數(shù)值模擬。

5 結(jié)論與展望

針對(duì)堰塞體的形態(tài)特征、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和堰塞湖水動(dòng)力條件，擬通過(guò)空天地一體化的測(cè)量分析技術(shù)、大型三軸試驗(yàn)、大型水槽模型試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值仿真等手段，研究寬級(jí)配堰塞體材料的剪脹規(guī)律，建立堰塞體材料的狀態(tài)相關(guān)本構(gòu)模型，基于可靠度計(jì)算方法，對(duì)堰塞體的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)；揭示堰塞體材料非恒定流動(dòng)態(tài)沖蝕特性和不同潰決模式下堰塞體的潰口演化規(guī)律，提出考慮流固耦合的堰塞體滲流、變形、穩(wěn)定和潰決過(guò)程大規(guī)模一體化數(shù)值模擬方法，為堰塞體的應(yīng)急處治提供理論與技術(shù)支撐。

擬解決的問(wèn)題主要針對(duì)堰塞體形成后性態(tài)的時(shí)空演化規(guī)律，以及不同致災(zāi)因子作用下的潰決機(jī)理和潰決過(guò)程。目前，對(duì)于堰塞體的滑坡堵江過(guò)程及其誘發(fā)因素，以及堰塞體潰決后的泥石流演進(jìn)致災(zāi)過(guò)程的研究仍面臨重大的科技挑戰(zhàn)。為進(jìn)一步完善堰塞體的防災(zāi)減災(zāi)體系，未來(lái)應(yīng)深入開(kāi)展“山體滑坡—堰塞體堵江—堰塞湖潰決—泥石流演進(jìn)—災(zāi)害損失評(píng)估”災(zāi)害鏈發(fā)展演化過(guò)程的機(jī)理與模擬研究。