川藏公路南線滑坡泥石流壩潰決影響因素分析

郭國和，吳國雄，程尊蘭

(1.同濟大學 交通運輸工程學院，上海 201804;2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074;3.中國科學院成都山地災害與環境研究所，四川 成都 610041)

滑坡泥石流壩是滑坡泥石流從主河岸坡或支溝沖進并停淤在主河中形成的，其潰決是一個很復雜的自然現象。國內有關泥石流堵塞壩及其危害的介紹始于20世紀60年代初，首先在研究川藏公路沿線古鄉溝泥石流時提出了這一問題。柴賀軍、晏鄂川等［1－2］對滑坡壩穩定性、潰壩洪水及環境效應進行了大量研究。徐道明、陳儲軍［3－4］對冰川終磧湖潰決條件和潰決洪水及災害進行了研究。匡尚富［5］利用動量原理分析了泥石流堵江的條件。吳積善、程尊蘭、朱平一等［6－7］對西藏東南部泥石流堵塞壩進行了系統野外調查和機理研究。以前學者對各種天然壩體有一定研究，對滑坡壩的研究也比較多，但對潰壩過程及其影響因素還較少涉及，特別是對泥石流壩潰決研究更少。筆者以典型災害點為依據，對影響滑坡泥石流壩潰決主要因素的作用機理進行分析，為進一步研究潰壩過程和洪水預測提供參考。

1 堵塞壩形成條件和主要特征值

川藏公路南線(西藏境內)地質地貌、氣候、水文與構造特征獨特而又脆弱，為地質災害的形成提供了充沛的水源、適宜的溝床縱坡和大量松散固體物質等條件，導致本區滑坡泥石流活動強烈，規模巨大，多次堵河形成高大的堵塞壩，堰塞湖蓄水潰決造成慘重的危害。雖然該區形成堵塞壩的次數相對較多，但由于堰塞湖潰決具有突發性和災難性，且當地交通與通信條件不發達，科研力量薄弱，勘察觀測條件局限，現場考察代價太高，所采集到的第一手資料很少。通過對川藏公路南線實地考察，根據目擊者的介紹、堵塞壩形成后的現場調查和有關文獻，統計了川藏公路南線有代表性的5次特大型或大型滑坡泥石流堵塞壩形成條件和主要特征值(表1)。

表1 典型滑坡泥石流壩形成條件和主要特征值［6］Tab.1 Conditions and main factors for the formation of typical landslide and debris－flow dams

從表1中可以看出，就所研究的4條溝道而言，其特征值(如流域面積、溝長、溝床比降)差異巨大，年降雨量在750～1360 mm之間，年均氣溫基本在7～13℃，堵塞壩體容重大致在2.0～2.3 t/m3地，支溝與主河基本垂直，匯流處主河寬度有著顯著的差別。這些溝道數據大部分是毫無規律可言的，但均形成了不同規模的堵塞壩。

2 典型滑坡泥石流堵河事例

2.1 培龍溝泥石流壩

培龍溝位于念青唐古拉山脈東南緣，帕隆藏布下游自西轉南拐彎處的右岸(圖1)。地理坐標為30°02′00″—30°05′30″N，94°56′45″—94°00′45″E。溝口海拔高程2000 m，為川藏公路西藏境內海拔最低點。該溝流域形態呈啞鈴形，源頭最高峰海拔5828 m，山坡平均坡度達32°。在海拔2850 m以上的圈椅形圍谷被現代海洋性冰川和常年積雪所覆蓋，山坡及脊峰基巖裸露、巖壁陡峭。下游溝谷形態呈較寬順暢的“U”型谷地。

圖1 培龍溝泥石流堵河點Fig.1 Location of blockage from Peilong gully

1983—1990年培龍溝發生了 19次泥石流［6－7］，其中有 3 次規模巨大，1984 年和 1985 年的特大泥石流均形成堵塞壩，回水淹埋上游6 km的川藏公路和79輛裝有貨物的汽車;潰壩后，涌波又沖毀了下游2 km川藏公路和沿程的5座橋梁，至今這上下游共8 km的路段成為川藏公路著名的“盲腸”，經常發生斷道和翻車事故。

2.2 冬茹弄巴泥石流壩

冬茹弄巴位于帕隆藏布江上游左岸，地理坐標為 29°36′59″—29°40′45″N，96°22′05″—96°26′30″E。該溝位于東西走向的拉薩—波密褶皺帶東端，巖性主要為燕山晚期的花崗巖，內部節理發育。流域內地形崎嶇，高差很大，峽谷深切，一般山坡坡度在33°以上，最大在53°以上。流域特征值見表1。該段主河流量不大，再加上溝道很窄，冬茹弄巴泥石流多次堵塞帕隆藏布江(圖2)，最近的一次堵江是1975 年6 月12 日［6－7］，但相關資料并不多。

圖2 冬茹弄巴堵塞壩殘體Fig.2 Residual blockage from Dongru gully

2.3 米堆溝泥石流壩

米堆溝位于帕隆藏布江中偏上游左岸，地理坐標為 29°23′18″—29°32′10″N，96°27′45″—96°35′05″E。流域特征值見表1。1988年7月14日冰舌前緣約3.6×105m3崩入冰川末端光謝錯冰湖(圖3)，造成冰磧堤局部潰決，強勁的潰決洪水，沖刷沿程的松散固體物質，逐漸演變為容重為1.70 t/m3的稀性泥石流［6－7］。泥石流只局部堵塞主河，形成了高7m左右的潛壩，沒有形成堵塞壩。

圖3 米堆溝堵河點Fig.3 Location of blockage from Midui gully

2.4 扎木弄巴滑坡壩

該溝于1902年和2000年2次爆發特大滑坡，堵斷主河易貢藏布，形成了堵塞壩(圖4)。尤其2000年堵塞壩累積高130 m，上游回水長30 km，淹沒了這范圍內的一切村寨和農田［6］。62 d后堵塞壩潰決，湖水最深處達110余m，高而兇猛的涌波，沿易貢藏布進入帕隆藏布，匯入雅魯藏布江，直瀉我國的墨脫和鄰國印度，蕩凈了兩岸耕地和建筑物，在我國境內損失達2.8億元人民幣。

圖4 易貢湖形成時的遙感圖片Fig.4 Remote sensing image of Yigong dammed lake

3 堵塞壩潰決影響因素分析

滑坡泥石流潰決是主河水流與溝道特征、壩體幾何形態以及壩體物質結構等多種因素共同作用的結果。具體來說，包括河道、堵塞壩、壩體與主河的夾角等各方面的參數，如河岸崩滑情況、河道順直程度、水位上漲速率，堆積體規模、壩體力學指標、化學成分、巨礫含量與分布、含水量、密實度、空隙率、壩體沖蝕速率、壩體變形、管涌滲流以及流域質地貌特征、流域面積、自然環境條件(氣溫、降雨等)、冰雪崩、冰湖潰決或大規模滑坡(含崩塌)、地震活動等。筆者結合現場調研成果，重點對影響堵塞壩潰決的以下因素進行分析。

3.1 河道特征

3.1.1 主河流量

壩上游水位的上漲速度直接影響溢壩水量和溢壩后沖刷速度。在河道和壩體確定的情況下，主河流量越大，湖水位就上漲越快，越容易溢壩。上游水量越大，溢壩水流流速和流量也越大，可以直接控制壩體的潰壩過程。

3.1.2 河道縱比降

河道縱比降是河流動力學的重要參數，庫區水溢壩后，水流在壩體下游坡面上沖刷。錢寧提到平衡比降的概念，即當河床縱比降大于平衡比降時沖刷過程繼續，直到小于平衡比降時沖刷停止［8］。他采用Meger－peter的推移質公式推導，沖刷平衡比降可以表示為:

式中:D為床沙平均粒徑;D90為床沙中90%的重量較之為小的粒徑;n為床面曼寧系數;h為水深。

另外，J對最大沖刷粒徑也有重要作用，Harrison［8］的水模型試驗中:

式中:c是反映大小顆粒間相互作用的參數;rs和r為泥沙和水的容重;Rb′和J分別是洪水泥沙阻力水力半徑與比降，可見縱比降對潰決過程和潰壩規模的影響力巨大。

3.1.3 河寬

雖然堰塞湖在開始潰決時，河流上游來水量是控制壩體能否潰決以及潰決時機的因素，但是一旦潰決發生，影響潰決洪水流量的決定因素就不是上游來水量了，堵塞壩潰決所形成潰決洪水流量往往是河道流量的數百上千倍，這一點可以從幾個堵塞壩潰決事例中清楚地看到。通過分析一些水利工程中土石壩潰決的研究成果發現，堵塞壩潰決的洪峰流量與上游庫區水的勢能有密切關系。例如，1988年Costa等［9］從能量觀點出發，結合12個具體實例建立了如下關系式［9］:

式中:Q為潰壩洪水的流量;PE為堰塞湖水潛在勢能。因此，決定堵塞壩形成的庫容的河道參數——河寬和河床比降同樣成為控制潰決過程和潰決流量的重要因素。

另外，從現場調查發現，幾乎所有影響較大的滑坡泥石流堵河事件，其上游河道通常較寬。這就說明堵塞壩的形成與河寬也存在相當的關系。在主河流量一定的情況下，主河道寬越寬，越容易形成堵塞壩。其原因在于，大的河寬使滑坡泥石流沖入主河后，鋪展面大，流速衰減較快，庫區水位上漲緩慢，需要相對更長的時間才能漫頂溢壩，這段時間堆積體可能由于脫水和重力堆積作用而強度提高，能夠穩定下來。當然，如果未能穩定下來，堰塞湖蓄積大量水體，潰壩洪水會更大，可能造成的災害將更加嚴重。

3.1.4 其它河道因素

同樣的道理，由于河道邊岸的坡度對庫容大小有貢獻，所以也對潰壩洪水過程有影響。但是根據典型事例對比分析認為，其影響力遠不如前幾個因素重要。

3.2 堵塞壩壩體特征

3.2.1 壩體幾何形態

由于堵塞壩是突發性形成的，其橫斷面一般不規則，而且壩體形成后往往很快潰決，因此很難對壩體斷面尺寸統一化。泥石流壩潰決一般有2種方式:①壩頂溢流后壩體下游坡面被沖刷，逐漸溯源拉通壩頂，產生潰口進而潰決;②堵塞壩過流后，或者沒有過流時，由于巨大的滲透水壓力和壩體下游坡面太陡，容易使堵塞壩失去穩定性，壩體下游坡面上泥石流物質再次啟動而潰壩。可見，堵塞壩下游坡面的坡角是控制壩體穩定性的最重要結構因素。而上游坡角與河道上游流速以及壩體物質性質有關，一般是稍大于下游坡角，對潰壩過程影響不如下游坡角大。

壩體高度是堵塞壩最主要的形態因素，也是控制潰壩洪水大小的關鍵要素。這一點，在徐道明和陳儲軍［3－4］研究冰川終磧湖潰決時亦得到認可。Costa公式中庫區水的勢能主要靠壩體高度控制，而且相對于河寬對庫區水的勢能的影響，它還可以反映出平均勢能的概念。即，相同庫區水勢能，如果堵塞壩較高，則平均每立方米水的勢能就較高，在潰壩后轉變為洪水的動能和流速就越大，沖刷能力越強，潰口發育快，在達到沖刷平衡比降之前庫區水下泄需要相對較短的時間，洪峰自然增大。

由于滑坡泥石流的堆積特性，使堆積壩頂存在一定傾角，而傾角的存在影響到壩體潰口出現的位置和潰決過程。壩頂傾角的形成與物質的流變性以及滑坡泥石流的規模都有關系，不同的壩體其壩頂傾角往往相差很大，而且壩體形成后一般很快就被水流沖刷，所以很少有壩頂的詳細記錄，難以把握堵塞壩壩頂的特征。

3.2.2 壩體物質的密度和顆粒級配

泥石流壩潰決后，潰決過程結束可以是2種情況:①堵塞壩潰決到底，同時庫區中的水完全排出，河道流量恢復正常;②堵塞壩潰決后，潰決洪水在壩體寬闊平緩的下游坡面上沖刷，最終達到沖刷平衡。在公式(1)中，參數D起的作用是很大的，但是該公式中使用的是平均粒徑，而實際壩體潰決與滑坡泥石流物質中的巨大石塊數量和分布情況有很大關系。這是因為，通常潰壩洪水流量較大，只有特別大的石塊才能在這樣大的洪水中穩定下來。例如，所考察的拉松錯湖，就是數百年前泥石流堵江后壩體經過沖刷最終穩定下來，在湖的出口處全是由直徑1 m左右的巨石組成的急灘，這也證明了堵塞壩物質結構對壩體穩定性的重要作用。

壩體物質密度和顆粒級配參數集中反映了壩體的物理力學性質(主要為黏聚力和內摩擦角等抗剪強度指標)。由于壩體顆粒級配分布范圍大，粒徑從十幾米的巨石到非常細膩的黏土都有，而且堆積無分選性，因此，堆積體密度的概念意義并不大，而級配則直接影響到其抗沖刷性、壩體穩定性以及抵抗水流滲透和管涌的能力。

3.3 壩體與主河夾角

在前人研究泥石流堵河判別條件時，支溝與主河的夾角均被作為一個參數［5－6］。從實例分析也不難發現夾角對堵塞壩形成與潰決的重要貢獻，如果該夾角很小，泥石流體將幾乎順河而下，難以堵塞河道。由于支溝與主河夾角的存在，在主河水流的沖刷推移作用下，泥石流壩與主河也必然存在一定夾角。它影響著壩體受力和壩前壅水水位變化，從而影響潰壩時機和潰壩進程。此夾角越大，同條件下壩體軸向長度越小，穩定性相對較好，越不易潰壩，但潰壩過程則會較快。對于滑坡壩而言，堵塞壩與主河夾角的影響也類似于泥石流壩。

4 結語

1)影響堵塞壩潰決的主要因素為河道上游來水量、河寬、河床比降、壩體高度、壩體下游坡面傾角、壩體物質組成，其中以壩體高度和壩體下游坡面坡度最為關鍵。由于潰壩資料匱乏和影響因素的交織性，未能對這些影響因素進行量化評價。

2)通過對滑坡泥石流壩潰決的研究，啟示我們不能忽視小樣本事件，應重視現場原始數據的采集和積累，特別應對公路沿線地質水毀災害點進行系統研究，多技術融合，野外調研、室內試驗、理論分析相配合，深入研究災害機理與防治技術。

3)研究結果可以為進一步的堵塞壩潰決模型試驗和數值模擬提供基本資料，對野外堵塞壩潰決洪水預測的參數采集、對河道沿線川藏公路以及農田水利設施防災減災具有一定的指導意義。

［1］柴賀軍，劉漢超，張倬元.大型滑坡堵江事件及其環境效應研究綜述［J］.地質科技情報，2000，19(2):87 –90.

［2］晏鄂川，鄭萬模，唐輝明，等.滑坡堵江壩潰決洪水及其演進的理論分析［J］.水文地質工程地質，2001(6):14–22.

［3］徐道明，馮清華.西藏喜馬拉雅山區危險冰湖及其潰決特征［J］. 地理學報，1989，44(3):343 –352.

［4］陳儲軍，劉明，張幟.西藏年楚河冰川終磧湖潰決條件及洪水估算［J］. 冰川凍土，1996，18(4):347–352.

［5］匡尚富.匯流部泥石流的特性和淤積過程的研究［J］.泥沙研究，1995(1):1–15.

［6］吳積善，程尊蘭，耿學勇.西藏東南部泥石流堵塞壩的形成機理［J］.山地學報，2005，23(4):399 –405.

［7］羅德富，毛濟周.川藏公路南線(西藏境內)山地災害及防治對策［M］.北京:科學出版社，1995.

［8］錢寧.河床演變學［M］.北京:科學出版社，1987.

［9］Costa J E，Schuster R L.The formation and failure of natural dams［J］.Geological Society of America Bulletin，1988(100):1054–1068.