堰塞湖群溃决风险影响因素研究

李洪涛，范乃贤，胡岚平

（1.四川嘉陵江苍溪航电开发有限公司，四川苍溪 628400；2.南水北调中线干线工程建设管理局，河南 郑州 450018；3.四川南充都京港务有限公司，四川 南充 637000）

1 概 述

“5·12”汶川特大地震形成了113座堰塞湖，主要特点：瞬时形成，机理复杂，滑坡原貌与地质构造不详，健康情况难易诊断；汛期临近，湖水上涨，险情加剧，抢险工期要求紧；地处峡谷，交通不便，排险施工难度大；分布密集，同一流域上可能形成几座甚至十几座堰塞湖，如石亭江流域8座、白沙河流域3座、绵远河流域16座、北川都坝河流域10座。

应急排险期间，由于应急资源和抢险时间有限，无法对堰塞湖群中所有堰塞湖进行详细勘擦，进行彻底治理，只能定性分析堰塞湖群的风险影响因素，根据各种因素的综合考虑，优选一个或几个堰塞湖进行处置，进而使得整个流域能够安全度汛。

2 目前常用堰塞湖风险评价

2.1 堰塞湖风险等级初步评价

为保证堰塞湖的安全，首先应估计其稳定性。在资料缺乏的情况下，可采用地貌无量纲堆积体指数法，快速初步评估堰塞体稳定性。

式中：Vd——堰塞体体积，m3；Ab——流域面积，km2；Hd——堰塞体最大坝高，m。

当 DBI＜2.75 时，堰塞体稳定；当 2.75＜DBI＜3.08时，堰塞体介于稳定与不稳定之过渡区；当DBI＞3.08时，堰塞体不稳定。

2.2 堰塞湖危险等级划分标准

根据水利部颁布的《堰塞湖危险等级划分标准》，见表1，初步确定堰塞湖风险等级，从而为堰塞湖处理措施提供依据。

表1 堰塞湖溃决风险等级评估标准表

3 风险影响因素分析

据以上分析，得到影响堰塞湖群的风险性因素有堰塞体组成成分、溃决高度和宽度、集雨面积和常年洪水。

3.1 堰塞体组成成分

土石块在水流达到一定强度后，可有静止转为运动，土石块开始脱离静止状态而进入运动状态，土石块就会被水流带走。而土石块的物质组成是其启动条件的重要因素。因此堰塞体的组成是判定堰塞体风险性的重要因素之一，堰塞体绝大多数都是由于某侧山体顺层滑坡入江形成，一般情况下，堰塞体由上而下似层状，堰塞体的下部块度较大，咬合程度较好，透水性较好，基本不会发生渗透破坏，中上部块度较小，结构松散，易被冲刷破坏，表面通常存留一定量的坡集土。

3.2 堰塞湖库容规模和位置

堰塞湖的库容规模和位置关系是在一定程度上影响着下游堰塞湖造成冲刷大小和对下游造成可能危险破坏性大小。河段堰塞湖位置关系分上游大下游小、上游小下游大两种，无论哪种分布，应及时排除蓄水量大者险情。如：

1）钟嘴堰塞湖位于杨家沟堰塞湖上游，库容约20万m3，杨家沟堰塞湖库容约85万m3，在2009年汛前对钟嘴堰塞湖引溃时，并未对杨家沟堰塞体产生任何影响，而对杨家沟堰塞湖降水排险时，其下游滴水岩堰塞体呈现较大冲刷。

2）1933年叠溪地震形成银瓶崖、大桥和叠溪“三大湖连海”，加上大桥和叠溪之间的松坪沟3处小堰塞湖为“六湖连串”，由于处于下游最大的叠溪海子未及时排险或引流，主震后45 d，余震使松坪沟中和松坪沟下两处堰塞湖连溃，进而使叠溪堰塞体中上部几乎整体溃决，死伤数千人。

说明堰塞体溃决跟自身堰塞湖库容规模和位置有关，若库容大的堰塞湖在上游，库容小的在下游，就必须对库容大的堰塞体进行应急处理，反之，库容小的在上游，库容大的在下游，就可不处理或稍后处理。

3.3 溃决高度和宽度

目前，我国用于溃坝模型计算主要源于以下3个公式：

1）堰塞体材料为柔性体的堰体易形成部分溃决计算公式：

2）美国水道试验站对上式作了简化后的计算公式：

3）黄河水利委员会水利科学研究所根据实验求得：

式中：Qm——坝址处洪峰流量，m3/s；B——溃坝时坝前水面宽度，m；H0——坝前水深，m；b——溃口宽度，m；h——溃口顶上水深，m；h′——残留堰塞体高度，m。

根据目前我国用于计算溃坝的模型，可得出溃决的高度和宽度，即溃口形态，是判定溃决流量及对下游影响的主要因素之一。主要根据堰体中上游的物质成分、颗粒大小、分层分区情况等因素的综合考虑，堰体一般不会一溃到底，即便小岗剑堰塞体一次性爆破降水也未达到全溃，还剩30余m高主要由大孤块石组成的堰体。

3.4 集雨面积和常年洪水

众所周知，集雨面积和常年洪水是推算堰塞湖库容、堰塞湖可能的洪水位高程等诸多重要因素之一，从而影响堰塞坝溃决时最大坝址处流量、洪水向下游演进时流量的大小等。如：徐家坝堰塞湖位于绵远河最上游，蓄满水量在1000万m3左右，坝高超过110 m，可谓库大坝高，但由于位置处于堰塞湖群的最上游，集雨面积较小，堰体宽厚，其溃坝风险大大降低。

4 新增因素的讨论

堰塞湖构成的堰塞湖群，各堰塞湖间相互影响，通过绵远河、白沙河、涧河等流域堰塞湖群的排险治理经验，除对堰塞湖群的溃决进行了常用风险影响因素分析外，在前人的基础上引入新的影响堰塞湖群风险综合评价影响因素，包括：堰塞体上下游边坡稳定性、堰塞体上下游及左右岸边坡灾害发育情况、堰顶及堰体是否发生冲刷渗流破坏、河道特性、社会属性、技术可行性等。

4.1 堰塞体几何形态及堰塞体上下游边坡稳定性

堰塞体几何形态是判定其自身稳定的关键因素，通常利用厚高比、上下游坡比等参数进行判定堰塞体的自身稳定性。首先对堰塞体岩、土结构进行详细调查分析，分析堰塞体岩、土材料分区以及堰塞体几何尺寸；其次对堰塞湖进行渗流计算和边坡稳定计算，土的渗透变形类型判定应按国家现行标准GB50287《水利水电工程地质勘察规范》有关规定执行；再次进行抗滑稳定计算，包括上游最高水位并形成稳定渗流时下游边坡的稳定、稳定渗流期遇地震时上下游边坡的稳定、应急安全处置措施时的下游边坡稳定；最后如果堰塞湖蓄水高程超过堰塞体顶高程，应进行冲刷能力评估，评估内容包括堰塞体材料的抗冲刷破坏能力、应急泄流渠保持稳定泄流条件下的最大可能下泄能力。

4.2 上下游、左右岸灾害发育情况

堰塞湖上游灾害发育情况直接影响着是否有潜在滑坡、泥石流等涌入堰塞湖库区而使水位雍高甚至形成洪水波；下游灾害发育情况关系着残留体有再次堵江的可能性；左右岸灾害发育情况决定着是不是有二次滑动将堰塞体加高的可能，因此上下游、左右岸灾害发育情况也需在堰塞湖群风险评价总考虑进去。如：在绵远河上游堰塞湖调查中发现，“5·12”特大地震形成的杨家沟堰塞湖汛前规模并不大，2008年9月下旬，绵远河上游连降暴雨，滑坡残留体二次滑动入江将堰塞体明显加高，而且还有残留体再次堵江的风险。小岗剑堰塞体左岸松散滑坡体。

4.3 堰顶及堰体是否发生冲刷渗流破坏

在调查中也发现一些堰塞湖由于堰塞体架空现象明显，渗漏严重，堰塞体存在有一定的危险性，然而有些堰塞湖堰顶已形成稳定的泄水槽或堰体以形成稳定的渗流通道（渗流水流无浑浊现象），堰塞体健康状态良好，如都江堰市白沙河河口上游约11 km的枷担湾堰塞湖，控制集雨面积164.5km2，最大可能蓄水量约 6.1×106 m3，成库长度2.23 km，堰体高 60.00～80.00 m，坝顶长度200.0 m，顺河流方向长220.0 m，体积约8.2×105 m3。堰体80%以上为花岗岩碎石、块石，结构密实。已形成5 m宽的天然泄水陡槽并达到入出平衡。

4.4 上游堰塞体溃决断面距坝前河道距离

目前，我国对于缺乏资料地区的溃坝洪水向下游演进计算采用黄河水利委员会水利科学研究所的经验公式进行计算。

计算公式：

式中：QLM——坝下游L处洪峰流量,m3/s；W——溃坝下泄总水量,m3；Qm——坝址处洪峰流量,m3/s；L——下游断面至坝址距离，m；υ——河道洪水期断面最大平均流速,m/s，在有资料地区可采用实测最大值,如无资料，一般山区可采用υ=3.0～5.0 m/s，半山区可采用2.0～3.0 m/s，平原地区可采用1.0～2.0 m/s；K——经验系数，山区取K=1.1～1.5，半山区取K=1.0，平原区去K=0.8～0.9。

例如：

1）干沟堰塞体下游面与一岗桥堰塞湖库尾相连，两个堰塞湖水位差较小，河道距离基本等于一岗桥堰塞湖的库长，若干沟堰塞湖溃决，溃决水量直接进入一岗桥堰塞湖中，湖水可起到较大消能作用，对下游影响较小。

2）一岗桥堰塞体距下游小木岭堰塞湖河道距离约1.5 km，此段河道比降超过8%，河床结构松散，河道堆积物较多，若一岗桥堰塞湖溃决，将极大可能形成泥石流，其巨大冲击力可将小木岭堰塞湖冲溃，将极大可能形成下游堰塞湖的连溃。

4.5 河道特性

由于地震后两岸山体岩灾害较为发育，山洪易形成；其次起初的天然河道明显出现淤积现象且结构松散。

4.6 社会属性

对堰塞湖群进行风险评价除了关注堰塞湖群的自然属性外，还需要关注堰塞湖群的社会属性，对堰塞湖群溃决后的社会危害性（风险影响影响人口和公共设施破坏性等因素）进行考虑。实际上，堰塞湖群本身是具有社会属性的，因为它溃决后会带来严重的社会危害。所以，堰塞湖风险评估中需充分考虑其社会属性，这样的话既有利于人们去全面地认识堰塞湖风险，也对堰塞湖的应急处置排险、综合治理和灾后恢复重建工作提供一定的技术服务。

4.7 技术可行性

最后还要考虑在工程施工中的施工技术可行性，即施工难度和预计投资等因素，堰塞湖大多地处峡谷，交通不便，施工技术难度相对较大，如：都江堰市白沙河三座堰塞湖位于无人区内，无路可通，大型机械无法进入施工场地，必须先修路再排险。

［1］周宏伟，杨兴国等，李洪涛，等.地震堰塞湖排险技术与治理保护［J］.四川大学学报（工程科学版），2009，41（3）：96-101.

［2］Casagl,iN,Ermin,iL.Geomorphic analysis of landslide dams in the Northern Apennine［J］.Japanese Geomorphological Union，20（3）:219—249.

［3］SL450-2009，堰塞湖风险等级划分标准［S］.

［4］四川大学.四川省绵竹市绵远河上游杨家沟堰塞湖安全性评价报告［R］.2009，3.

［5］四川大学.四川省绵竹市绵远河上游钟嘴至长河坝河段堰塞湖安全性评价报告［R］.2009，3.

［6］成都勘测设计研究院.唐家山堰塞坝治理可行性研究报告［R］.2008，10.

［7］SL451-2009，堰塞湖应急处置技术导则［S］.

［8］四川大学.四川省绵竹市绵远河上游一把刀至小岗剑河段堰塞湖安全性评价报告［R］.2009，3.

［9］GB50487-2008，水利水电工程地质勘察规范［S］.

［10］四川大学.都江堰市白沙河无人区枷担湾、窑子沟、关门山沟堰塞湖安全性评价报告［R］.2008，12.

［11］四川大学.四川省绵竹市绵远河上游一岗桥至干沟河段堰塞湖安全性评价报告［R］.2009，3.