有關汶川地震堰塞湖安全實例分析
汶川512大地震在地震影響區內產生大量的崩塌、滑坡地質災害，根據國土資源部組織的系統排查，以及航遙調查，確認地震共引發15000處滑坡、崩塌、泥石流，同時，新增地質災害隱患點4970處，其中，滑坡1701處、崩塌1844處、泥石流304處、不穩定斜坡1093處。地震引發的滑坡、崩塌堆積體堵江形成256處堰塞湖，其中一部分需要立刻進行處置，如位于北川縣通口河的唐家山堰塞湖。堰塞湖蓄水達2.425108m3，相應蓄水位高程740m，堰塞體上游集雨面積為3550km2，在地震發生31d后，通過人工開挖的泄流槽逐級坍滑后成功泄洪，堰塞壩未發生整體潰壩。 1堰塞湖安全評價影響因素 1.1壩體級配 震后四川省抗震救災指揮部堰塞湖組及時發布的堰塞湖潰決風險等級評估標準。由表1可以看出，壩體組成顆粒越細的，越不安全;組成顆粒粒徑越大，危險性越低。 1)由于大塊石相互咬合，結構性較好，壩體抵抗余震的能力較強;反之，若大于1m的石塊含量較少，則堰塞壩壩體本身的結構穩定性就差，必須要及時進行人工干預，采取工程措施，降低壩高及上下游水頭差。 2)經過作者試驗研究表明，如果一旦堰塞湖蓄滿溢流，潰壩最大流量的對數ln(Qmax)與壩體組成顆粒的不均勻系數(S=(d75/d25)0.5)是二次函數的關系，即隨著不均勻系數S的增大，潰壩洪峰流量先增大后減小。所以，從整體上來看粗顆粒越多，最終能夠有效消耗水流能量，減小最大潰
壩流量。隨著湖內水體減少，壩體形成的粗化層能夠抵抗水流的沖刷。反過來看，如果粗顆粒含量過少，水流沖刷壩體，攜帶大量的顆粒往下游輸送，壩體短時間潰決，湖內的水體以較大的平均流量向下游泄流，不僅將會對下游建筑物以及居民的生命財產造成巨大的損失，而且由于下游河床抬升厚度大，不利于未來河道的穩定演變。 1.2上游兩岸山體的穩定性 堰塞湖形成后，兩岸山體如果進一步發生崩塌、滑坡，會損失上游的庫容，增加壩體蓄滿潰決的風險，另外，堆積體迅速沖入湖內激起的涌浪拍打壩體，大石塊在浪壓力作用下滾落，同樣可能會造成壩體潰決。例如，作者曾在2009年3月考察宗渠溝堰塞湖，其壩體級配中大塊石比例大，抗沖刷性強，湖內的積水又全部采取滲流的方式下泄。但是，當作者時隔3個月再次前往宗渠溝考察時，由于左岸的山體頂部發生的二次崩塌滑坡，造成堰塞湖潰決，大概30min后停止下泄，為進一步保證下游安全，有關人員用機械挖掘扒口。根據堰塞湖觀察員的描述，判斷當時潰壩水流下泄的平均流速大約為17m/s，假設流速分布為正態曲線，因此，峰值流速為平均流速的2倍為34m/s。根據上下游實測數據計算，潰壩后的水流大約有一半采取滲流下泄。 1.3下游床面結構 山區河流的床面結構是河床固體顆粒在水流作用下按一定規律排列形成的具有較大穩定性的床面結構形態，一般表現為床面上粗顆粒泥沙的聚集體，具有抵抗沖刷的功能。從外觀形態上看，床面結構按穩
定性從強到弱有:①階梯-深潭結構，②肋狀結構，③簇狀結構，④星型結構，⑤岸石結構，等。 堰塞體潰決的過程，就是清水下泄的過程，對下游河床有強烈的沖刷作用。細沙不斷被帶走，床沙發生粗化，床面阻力增大，直到能夠適應下泄水流的沖刷，這種演變才會停止。一旦遇到更大的洪水，床面結構遭到破壞，穩定性更強的結構就會逐漸形成。床面上的大石塊含量越高，這種動態平衡越容易達到。由于堰塞壩潰決首先會抬高下游河床，下游床面上大石塊的重要來源之一是堰塞體潰決后的堆積物，因此，下游床面結構的形成與壩體級配有著密切的關系。如果由于缺少粗顆粒，無法達到沖刷平衡，下游河床會發生沖刷下切，既不利于壩體的穩定，也容易誘發兩岸山體滑坡。是否已有穩定性強的下游床面結構出現，是判斷下游河床穩定的重要依據。 劉懷湘等的野外試驗研究證明，人工建設床面結構能起到天然床面結構類似的作用，即消耗能量，抑制河道下切，改變河床演變方向。所以，可以采取人工措施促使河床獲得穩定性強的床面結構，使下游河床朝著穩定的方向演變。 2堰塞湖安全評價指標 無論是表1的堰塞湖潰決風險等級評估標準表，還是無量綱堆積體指數法，都沒有全面地考慮到壩體級配、上游兩岸山體以及下游床面結構對堰塞湖安全性的影響。作者提出構想的堰塞湖安全評價指標形式如下:對于壩體級配，用不均勻系數S(S=(d75/d25)0.5)來表示其對堰塞湖安全的影響。S越大，說明粗顆粒越多，顆粒
間的咬合力越強，結構越穩定，透水性越好，抗沖刷的能力越強，堰塞湖越安全，安全系數K應該越大。 對于上游兩岸山體的穩定，用潛在發生二次崩塌滑坡的概率P來表示。P越大，說明兩岸山體越容易發生二次崩塌滑坡，堰塞湖越不安全，安全系數K應該越小。 對于下游床面結構，用階梯-深潭結構發育系數SP來表示，SP的計算公式:SP=(AB+BCD+DEF+FG)AG(2)SP定義的示意圖。式中，AB、BCD、DEF、FG表示床面的曲線長度，A、B、C、D、E、F、G分別為曲線端點。根據河流的平衡原理，隨著上游水流條件的變化，床面結構有逐漸加強的趨勢。 階梯-深潭結構是穩定性最強的床面結構，SP1.1時，河床已出現連續的階梯-深潭結構。所以可以認為，SP越大，說明床面結構越強，越有利于堰塞湖的安全保存，安全系數K應該越大。 總結上文所述，作者提出以式(3)作為判斷堰塞湖安全評價的綜合指標:K=Alg(SSP)PDBI(3)式中，K為安全綜合指數，A為綜合系數，S、SP、P、DBI定義如式(1)、(2)所示。式(3)臨界點的具體數值，需要大量的堰塞湖數據進行演算、對比才能確定。由于缺少潰壩資料，無法確定。在缺少實際資料的緊急情況下，科學技術人員應該綜合所有安全指標，全面考慮各種可能的潰決形式，酌情做出判斷。 3結論 從實例的角度，詳細分析了壩體級配、兩岸山體的穩定性以及下游床面結構對堰塞湖穩定的影響。 壩體級配會影響壩體本身的結構穩定性、潰壩水流最大流量以及
滲透特性，具體表現為:壩體組成顆粒細，透水性差，壩體承受揚壓力大，而且無法抵抗水流沖刷，潰壩水流流量大，壩體越不安全。 集水區內的兩岸山體如果發生二次崩塌、滑坡，造成的浪壓力對壩體本身有強烈沖擊，會使庫容損失，造成蓄滿溢流。因此，應該對不穩定的山體采取工程措施，避免崩塌滑坡的發生。 壩體下游的河床是否形成穩定性強的床面結構，是判斷下游河床穩定的重要依據。下游河床沖刷下切，不利于壩體的穩定，也容易誘導山體滑坡。 另外，流域來水來沙條件、壩高H、壩體體積V以及集水區面積A等因素同樣也會影響堰塞湖的穩定存在。 最后，作者構想的3個判斷堰塞湖安全的指標，以及綜合指標形式，期望在缺乏實測資料的情況下，給予決策者一定的幫助。
