堰塞湖关键工程措施快速、定量分析方法研究——以2018年“11.03”白格堰塞湖为例

王 琳，段庆伟，刘立鹏，蔡思敏，孙 平

(1.西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048； 2.中国水利水电科学研究院岩土工程研究所，北京 100048)

1 研究背景

堰塞湖在库水位渗透或漫顶冲刷作用下，极易发生失控性溃决。当堰塞湖溃决时，洪水淹没灾害随着溃口的发展和溃决洪水演进传播，会酿成巨大灾难[1]。近20年来，我国堰塞湖的发生频率较高[2]，远远超出国外平均水平。2000年4月，易贡堰塞湖[3-4]形成，溃决流量达到94 810 m3/s。2008年5月汶川地震造成257处堰塞湖，唐家山[5-7]和小岗剑[8]堰塞湖是其中洪峰流量最大的两座，其流量分别达到6 500、3 950 m3/s。2014年8月云南省鲁甸县发生“8.03”红石岩堰塞湖[9-10]，最终通过开挖8 m宽引流槽，降低了下游黄角树和天花板水电站的风险。2018年发生的金沙江“10.10”和“11.03”白格堰塞湖[11-18]溃决流量分别达到10 000和31 000 m3/s，转移人员41 003人，直接经济损失达68×108元。

51%的堰塞湖会在形成后的7 d内溃决[19]。堰塞湖的发生无法确定，若能采取快速的应急处置，则可以降低灾害。即使发生溃决事件，通过提前预警、人口转移等方式可以做到零死亡。开挖引流槽是堰塞湖应急处置中最重要的关键工程措施。通过开挖引流槽将白格堰塞湖基本按照预定方案溃决，从而最大限度减少下游700 km地区的灾害损失，是有效降低灾害损失的典型案例[16]。

《堰塞湖应急处置技术导则》(SL 451-2009)[20]提出需对堰塞湖应急处置关键工程措施——开挖引流槽开展溃决洪水计算，以降低堰塞湖风险。目前，堰塞湖应急处置面临的问题是：降低溃决洪水风险的关键工程措施分析方法能否满足现有实际。

Costa等[21]认为开挖引流槽可以提高堰塞体的稳定性，Schuster等[22]总结20个历史溃决案例中所采取的降低堰塞湖溃决风险的工程措施，Satter等[23]阐述了过去10年大中型堰塞湖的风险降低措施。但这些成果都是根据实践经验和工程实例，为降低堰塞湖的风险提供的定性方法。由于堰塞湖形成后地质条件恶劣，道路堵塞，专业人员很难在有限的时间内获取详细数据。因此，如何快速、定量地确定降低溃决洪水风险的关键工程措施迫在眉睫。

本文归纳总结国内外堰塞湖工程处置实例，基于堰塞湖溃决洪水分析[24-25]，提出降低堰塞湖风险的关键工程措施——开挖引流槽的快速、定量分析方法，选择参数化溃决分析方法开展关键工程措施的对比论证，期望能为今后国内外堰塞湖应急处置提供技术参考。

2 堰塞湖应急处置工程措施

2.1 常用工程措施

部分堰塞湖形成后，河道依然保持原有的下泄路径，此时并无其他泄流通道，会造成堰塞湖内持续蓄水，在形成后几天内发生溃决，造成严重的次生灾害。若地震形成的连珠式堰塞湖发生连锁溃决，其破坏力将更为巨大。例如在绵远河，仅21 km河段，2008年汶川地震时形成了“黑洞岩—小岗剑(上)—小岗剑(下)—一把刀” 4个自上而下的堰塞湖，一旦处理不慎，则会造成严重灾害[8]，故工程措施的选择尤为重要。目前主要有坝前排水、开挖引流槽及爆破3种处置方案。

2.1.1 坝前排水 抽水排险技术是在条件允许的前提下，通过水泵强排堰塞湖库水，达到降低堰塞湖水位、控制风险的目的。一般对库容较小的堰塞湖可采取此方法。2004年10月23日发生的日本新泻县地震，造成了严重的灾害损失，由于11月8日东竹泽堰塞湖的水位已从144.0 m上涨至150.5 m，故采取水泵强排水措施[26]。至11月17日，堰塞湖最高水位达157.76 m，库容约2.50×106m3，对下游的威胁增加。至12月20日，水位降至144 m，很好地控制了堰塞湖的溃决风险。安装排水管道实施强排水的措施较为经济且易于实行，但由于排水管的过水能力较小，且库内水体体积较大，也会造成一定风险，并可能会产生地基侵蚀问题，危及坝体安全。因此，东竹泽堰塞湖采取了临时调整水泵排水软管位置、修补复原坝基受侵蚀之处等措施，以确保排水的顺利进行。

2.1.2 开挖引流槽 引流槽除险是国内外堰塞湖除险最为常用的技术，其基本指导思想是控制堰塞湖在库容较小、水头较低的情况下泄流。一部分堰塞湖会实施人工溃决，使库水位迅速降低，险情基本解决。白格、易贡、唐家山、肖家桥堰塞湖的除险皆属此例。以白格堰塞湖为例，2018年11月3日，“10.10”白格滑坡的残余滑坡体再次下滑，堵塞引流槽后，在原残余体基础上形成“11.03”白格堰塞湖，如果该堰塞湖蓄满，最大库容将达7.7×108m3，一旦溃决将会造成极其严重的损失。因此，应急救灾指挥部启动了人工干预开挖引流槽的应急处置措施。至11月11日下午，引流槽开挖完成，引流槽长220 m，槽底高程2 952.52 m，顶宽42 m，底宽3 m，如图1所示。13日13:40，堰塞湖坝前最高水位为2 956.40 m，相应库容为5.79×108m3；13日18:00，溃决洪峰流量为31 000 m3/s左右[17]。

图1 2018年“11.03”白格堰塞湖引流槽泄洪图[16]

2.1.3 爆破 对于滑坡区河段岸坡陡峭、河谷狭窄、大石块较多、引流槽较难开挖的堰塞湖可选择爆破施工形成引流槽。在汶川地震中出现的小岗剑堰塞湖就选用此方式。6月12日10:30实施爆破后，下游汉旺水文站13:17量测的最高洪峰约为3 950 m3/s，随后流量逐渐减小，成功降低了小岗剑堰塞湖所造成的风险[8]。1964年塔吉克斯坦Zeravshan河 (38.3°N，72.5°E)被0.15×108m3的滑坡堵塞[27]，形成220 m高、1 800 m厚、400 m宽的堰塞体。采用爆破为主，辅以推土机清土的方式施工了一条深40～50 m的引流槽，使Zeravshan河维持滑坡前的水位。但在爆破时要特别注意爆炸数量以及位置的选取，应避免过度地加宽和加深引流槽而引起过大的洪峰流量，对下游造成二次灾害。

2.1.4 问题探讨 堰塞湖应急处置时，工程措施并不是割裂的，坝前抽水可延缓坝前水位的上升，为后续处置措施争取时间，再开挖引流槽以确保堰塞湖的安全控泄。1987年7月，意大利Lombardia地区Zandila山发生滑坡堵塞了Val Pola山谷，形成了体积约0.4×108m3的堰塞体，坝体长达1 200 m，横跨河谷，坝体沿河谷方向厚度达2 500 m(如图2所示)[28]。滑坡发生后，立即采取了工程措施来增加坝体的稳定性并使堰塞湖保持较低水位。首先采用水泵抽水以减缓库水位上升速度，再从坝体顶部开挖了一条2 km长的引流槽，并在下游修建了拦砂坝(如图3所示)。与此同时在稳定坡面一侧开挖隧洞，隧洞直径为5.0和4.2 m，长3 km，容许流量达540 m3/s，由于后序的工程处置措施完备，并未引起较大的灾害[28]。

图2 意大利Val Pola山谷滑坡及其堰塞湖[28]

图3 意大利Val Pola堰塞体开挖溢流槽及下游拦砂坝[28]

2.2 关键工程措施——开挖引流槽

综上所述，在应急处置的工程措施中，无论是坝前排水或开挖引流槽，都须进行堰塞湖溃决洪水分析，其对关键工程措施方案的论证极为重要。目前应用最广泛的关键工程措施为开挖引流槽，基于经验，一般在结构较为松散的堰塞体上选择开挖浅而宽的引流槽，在稳定结构的堰塞体上选择开挖窄而深的引流槽，如图4所示。

图4 堰塞湖引流槽开挖示意图

目前对开挖引流槽的方案论证多通过参数化方法，没有考虑基于物理机制的量化分析方法。堰塞湖形成后地质条件恶劣，道路堵塞，很难在有限的时间内获取详细的坝体数据。因此，如何快速、定量地确定降低溃决洪水风险的关键工程措施迫在眉睫。下文将介绍基于物理机制的DB-IWHR(dam break-Institute of Water Resources and Hydropower Research)溃决分析方法，根据此方法编制的程序可保证工程师在1 h内完成目标工况的计算，在堰塞湖应急处置时可快速应用。

3 堰塞湖关键工程措施快速、定量分析方法

3.1 基于物理机制的DB-IWHR溃决模型

DB-IWHR是本团队Chen等[24]提出的基于物理机制的溃决洪水分析方法，此方法采用宽顶堰公式计算溃决流量，考虑土水作用机制，基于试验提出双曲线形式的冲蚀模型；在计算溃口扩展时，采用总应力法模拟溃口扩展[3]，并经过改进提出经验性的双曲线图表以快速模拟溃口发展[25]，模型参数可通过材料强度参数回归得到。DB-IWHR模型如下：

(1)水量平衡。溃口流量可通过宽顶堰公式计算，溃口水量满足守恒原理，即溃口出流量等于水量的损失率，计算公式如下：

(1)

式中：mq为流量系数，可取0.320～0.385；mb为侧向收缩系数，可取0.910～0.997；B为溃口宽度，m；g为重力加速度，m/s2；H为库水位高程，m；z为溃口进口处底高程，m；W为水库库容，m3；t为时间，s；q为天然入库流量，m3/s。

(2)冲刷。溃口冲刷的冲蚀率按双曲线模型确定，如公式(2)、(3)：

(2)

v=k(τ-τc)

(3)

(3)双曲线溃口崩塌。当溃口不断被冲深时，会发生侧向崩塌，可通过溃口边坡稳定分析逐级确定临界坡面和滑裂面，其计算简图如图5所示，逐级崩塌模式如公式(4)、(5)：

B=B0+2Δz+2htan(β-π/2)

(4)

(5)

式中：B0为溃口的初始宽度，m；β0为初始溃口倾角，(°)，可选择β0=π(天然休止角)；β为溃口倾角，(°)；h为水深，m，在数值计算中，可近似取前一积分歩的值。

1/m1和1/m2分别表示双曲线的初始切线和渐近线，m1、m2值可根据经验公式(6)、(7)确定：

m1=0.0073c+0.072

(6)

m2=0.0332 tanφ+0.0086

(7)

式中：c为凝聚力，kPa；φ为摩擦角，(°)。

图5 溃口边坡稳定计算简图

3.2 “11.03”白格堰塞湖引流槽开挖对比分析

3.2.1 物理机制溃决分析 2018年10月10日22:06，西藏自治区昌都市和四川省甘孜自治州交界处的金沙江河道右岸发生山体滑坡，堵塞了金沙江干流，形成白格堰塞湖。至11月3日，由于原处滑坡再次发生崩塌，覆盖残余坝体，形成“11.03”白格堰塞湖。堰塞体的堰顶宽约为195 m，长约273 m，堰顶高程约2 966.5 m，堰塞体高出水面58.24 m，如果蓄满，最大库容将达7.9×108m3，“11.03”白格堰塞湖基本概况如表1所示。开挖引流槽成为降低白格堰塞湖风险的关键工程措施。11月8日，现场抢险挖掘机抵达堰塞体坝顶，通过3天的施工，一条长220 m，顶宽42 m，底宽3 m，最大深度15 m的倒梯形导流槽施工完成。堰塞体垭口高程降低至2 952.52 m。11月12日凌晨04:45，引流槽开始进水，整个引流槽泄水道在10:50被淹没；13日8:00，通过引流槽的流量增大；13日12:00，溃决冲蚀迅速加快；13日13:40，堰塞湖库容达5.79×108m3，相应的最高水位为2 956.40 m；13日18:00溃决洪峰流量达到31 000 m3/s；14日8:00，退至基流[29-30]。堰塞体过流后形成新河道，平面上呈向右岸凸出的弧形，开口宽180～240 m[16]。

图6所示为“11.03”白格堰塞湖水位、溃口流量、溃口宽度的计算结果与实测数据对比。根据实测结果，在13日18时，溃口最大洪峰达到31 000 m3/s，溃决库容达到5.79×108m3。反演分析结果为13日18:40最大洪峰流量达到33 438.30 m3/s，溃决库容达到5.21×108m3。若不开挖引流槽，则在水位达到堰顶高程2 966.5 m时堰塞湖将溃决，库容将达到8.08×108m3，峰值预测为39 277.35 m3/s，开挖引流槽可使洪峰流量减少26.7%，洪量减少39.5%。运用基于物理机制的分析方法可快速、定量地评价堰塞湖关键工程措施，并快速确定引流槽开挖方案。

3.2.2 参数化溃决分析 将上述基于物理机制的溃决分析方法与参数化溃决分析方法进行比较，选取美国垦务局(Bureau of Reclamation, U.S. USBR)[31]、Froehlich[32]和Xu等[33]3组典型的参数化模型(下文分别称为USBR模型、Froehlich模型、Xu模型)分析评价引流槽的开挖措施方案。这3个模型均可计算溃决流量、最终溃口宽度和溃决时间，其他参数化模型无法计算以上3个结果，3个参数化溃决模型及本文DB-IWHR模型对白格堰塞湖溃决的计算结果如表2所示 。

表1 “11.03”白格堰塞湖基本概况

图6 “11.03”白格堰塞湖溃决计算结果与实测数据对比

表2 “11.03”白格堰塞湖计算结果对比

针对溃决流量，USBR模型计算的结果为27 196.02 m3/s，与白格堰塞湖实际溃决流量31 000 m3/s的误差为-12.27%，在误差范围内。Froehlich模型和Xu模型计算的溃决流量分别为19 000.84和62 514.09 m3/s，误差分别为-38.71%和101.66%。USBR模型和Froehlich模型溃决计算结果的误差均在50%以内，被认为是可接受的[34]，USBR模型模拟计算溃决流量明显优于其他两个模型。而DB-IWHR计算的溃决流量为33 438.30 m3/s，误差只有7.87%。

针对溃口最终宽度，实测的溃口宽度为180～240 m，USBR模型计算的溃口平均宽度为151.68 m，相对于最大实际宽度的误差为-36.80%，Froehlich模型计算的溃口宽度为250.18m，误差为4.24%。Xu模型计算的宽度为210.01 m，在实际溃口宽度范围内。USBR模型和Froehlich模型的误差均可接受，Xu模型模拟计算的溃口宽度明显优于其他两个模型。DB-IWHR计算的溃口宽度为245.01 m3/s，误差仅为2.08%。

针对到达溃决洪峰时间，USBR模型计算的到达洪峰时间为1.67 h，与实际的误差为-61.43%，Froehlich模型和Xu模型模拟计算的到达洪峰时间分别为2.80和18.17 h，误差分别为-35.33%和319.63%，只有Froehlich模型模拟计算的到达溃决洪峰的时间可以接受。DB-IWHR计算的到达洪峰时间为5.01 h，误差为15.70%。

综上所述，在模拟溃决洪峰流量时，USBR模型明显优于其他两个模型；模拟溃口宽度时，Xu模型明显优于其他两个模型；在模拟到达洪峰时间时，只有Froehlich模型计算的误差可以接受。由表2可知，本文基于物理机制快速、定量分析的计算结果明显优于所比较的3个参数化溃决模型。此外，基于物理机制的溃决模型可以给出更详细的结果，例如溃决过程的变化过程线、溃口水位的下降过程和溃口发展过程(如图6所示)。

4 结 论

(1)通过归纳总结国内外多座堰塞湖应急处置经验，在确定堰塞湖应急处置工程措施时，关键工程措施方案的论证极为重要，引流槽是目前应用最为广泛的关键工程措施。

(2)以“11.03”白格堰塞湖为例，运用本研究团队开发的基于物理机制的DB-IWHR模型开展了堰塞湖关键工程措施——开挖引流槽量化分析，发现其反演分析的溃决数据与实测溃决数据较为吻合，并可在1 h内完成方案论证，适用于堰塞湖应急处置的快速、定量需求，可用于降低堰塞湖溃决洪水风险的关键工程措施——开挖引流槽的方案论证。

(3)通过白格堰塞湖关键工程措施——开挖引流槽的方案对比论证，表明在应急处置中紧急开挖的一条长220 m、深15 m，顶宽42 m，底宽3 m的引流槽进行泄洪，可使堰塞湖库容由8.08×108m3减小至5.79×108m3，溃决洪峰流量由39 277.35 m3/s减小至31 000 m3/s，从而降低了堰塞湖溃决洪水对下游的威胁。

(4)选择3组典型的参数化模型分析评价关键工程措施——引流槽的开挖措施方案，在模拟溃决洪峰流量时，USBR模型明显优于其他两个模型；模拟溃口宽度时，Xu模型明显优于其他两个模型；在模拟到达洪峰时间时，只有Froehlich模型计算的误差可以接受。但参数化模型无法模拟溃决相关参数的变化发展过程。