茂縣宗渠堰塞湖漫頂潰決洪水演進規律模型試驗研究

胡桂勝 ，陳寧生 ，鄧明楓 ，鄧 虎

(1.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所，成都610041;2.中國科學院研究生院，北京100049;3.中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，成都610041;4.成都理工大學，成都610059)

由于滑坡、地震、泥石流或火山熔巖等因素導致河道阻塞進而形成的湖泊稱為堰塞湖[1]。5?12汶川大地震誘發了大量的堰塞湖，根據四川水利抗震救災指揮部的匯總，截至2008年5月19日，共發現壩高10 m以上的堰塞湖33個[2]。堰塞湖對人類的最大威脅，主要來自堰塞湖壩體突然潰決導致堰塞湖中大量蓄水快速下泄而引發的洪水災害[3]，如1933年8月25日四川疊溪7.5級地震導致岷江疊溪段形成3處堰塞湖(大海子、小海子、疊溪海子)，使岷江斷流43 d，江水回水長度達20余公里[4]。10月9日(地震后45 d)晚上7點發生第一次潰堤，潰決洪峰流量達10 500 m3/s，最大水頭高度達70 m，潰決洪峰到達下游150 km的都江堰市，這次潰決洪水造成12 500人死亡，大量建筑被毀，財產損失巨大[5]。之后，在1936年8月21日、1986年6月15日、1992年6月28日又發生了三次潰壩，每次潰決都給下游人民帶來了不同程度的禍害。據不完全統計，堰塞湖潰決洪水造成近萬人員傷亡，次生災害超過地震本身[6]。因此，在對堰塞湖安全處置、下游居民安全轉移等決策過程中，科學預測堰塞湖潰壩風險及其洪水影響是關鍵[3]。

目前專門針對堰塞壩開展的潰壩研究還比較少見，大多是與人工土石壩的潰壩、水利工程土壩潰壩研究相結合，或借用人工土石壩潰壩模擬的研究成果。國內外學者對災難性潰壩洪水做了大量的試驗研究[7-10]，對洪水的演變進行了一系列的模型試驗，有的研究者還進行了野外試驗，前人的這些工作使潰壩洪水的研究有了很大進步[11]。Costa等人統計了73處堰塞湖的潰決，發現潰決的主要方式為溢流，而管涌和邊坡失穩引起的潰決只占很小比重[12]。許強等人統計了汶川地震后有一定規模和代表性的32處潰決堰塞湖，發現84.4%的堰塞湖潰決屬于漫頂潰決[13]。但目前國內外針對地震堰塞湖漫頂潰決(漫頂可分為溢流漫頂和涌浪漫頂[14])洪水演進的研究相對比較缺乏，本文選取四川省茂縣宗渠溝堰塞湖為原型，通過野外模型試驗模擬宗渠堰塞湖漫頂潰決過程，來揭示堰塞湖漫頂潰決洪水的演進規律，為今后更好地進行堰塞湖排險、潰決洪水的深入研究奠定良好的基礎。

1 宗渠堰塞湖概況

宗渠堰塞湖位于宗渠溝兩河口下游約0.5 km處。宗渠溝系岷江中游左岸的一級小支流，發源于龍門山中段九頂山。宗渠溝流域位于茂縣石鼓鄉境內，流域地理坐標為東經 103°48′17″-103°53′52″，北緯31°33′31″-31°38′39″。流域形狀呈扇形，河流走向大致東南流向西北。流域面積34.5 km2，主溝長10.7 km，河道平均比降16.7%。在5?12汶川地震作用下，宗渠溝中游左岸的龍頭包峰發生崩塌，總崩塌方量約為150萬m3，其中120萬m3沖入宗渠溝內，形成一個高60～80 m，寬100 m，順溝長度近350 m的堰塞壩，堵斷宗渠溝正常水流，形成一個35 m最大水深，25萬m3庫容的堰塞湖，堰塞體主要為崩塌堆積物，巖性為泥盆系層堅硬-半堅硬工程地質巖組，灰色厚層結晶灰巖與薄層石英千枚巖板巖，粗顆粒較多，塊徑一般30～100 cm，最大粒徑達700 cm以上。2009年3月21日，由于茂縣氣溫急劇升高，堰塞體的左岸龍頭包的前期積雪及九頂山脈積雪融化，龍頭包坡面松散固體物質啟動產生泥石流，部分泥石流進入湖體淤塞庫區，同時主溝大量冰雪融水進入堰塞湖，該堰塞湖歷時310 d，于2009年3月21日發生漫頂潰決。

2 模型試驗設計

2.1 模型試驗原型選取

本文模型試驗選取四川省茂縣宗渠溝堰塞湖為原型，地點選為茂縣宗渠溝堰塞湖下游約1 km處，如圖1所示。宗渠堰塞湖是5?12汶川地震誘發的堰塞湖之一，而且是汶川地震后為數不多的沒有經過應急處理的已潰堰塞湖，所以選取宗渠堰塞湖為模型試驗原型具有一定的代表性。筆者曾先后三次到達過宗渠堰塞湖現場，獲得了比較全面的基礎資料，為模型試驗的順利進行奠定了良好的基礎。

圖1 模型試驗現場示意圖

2.2 模型布置

整個模型試驗區由三部分組成:供水和補水系統;壩體、庫區模擬段;下游河道。模型試驗布置圖見圖2-3。

圖2 試驗模型槽俯視圖(單位:m)

圖3 試驗槽橫斷面圖

圖4 試驗堰塞體縱剖面圖

2.3 模型參數

筆者通過對四川省安縣肖家橋堰塞湖、罐灘堰塞湖、茂縣宗渠溝堰塞湖的現場調查，確定堰塞體的主要特征值，并參考以往的經驗[15]，同時考慮試驗場地的限制，確定模型參數見表1，試驗堰塞體縱剖面見表1，圖4。

試驗前通過顆分試驗得到宗渠堰塞湖壩體的顆粒級配，然后將大于5 mm的顆粒按100∶1進行縮放后進行等質量替換，小于5 mm的顆粒保持原級配不變。等量代替后的級配仍保持原來的粗粒含量，細料含量和性質不變。試驗用料為2009年3月21日宗渠堰塞湖潰決后沖刷到下游的堆積體。將堆積體進行人工篩分后按試驗設計的顆粒級配配樣。最終采用的顆粒級配見圖5。

圖5 試驗用料顆粒級配曲線

表1 模型設計參數

3 試驗過程與結果分析

3.1 試驗過程

試驗過程中，堰塞體潰口處通過DV攝像進行試驗觀測和進行潰口斷面與流速測量，壩體下游1～10 m通過標記記錄水位最大值(圖6)，壩體下游10 m處通過DV攝像記錄水位隨時間變化(圖7)。試驗布置完成后啟動上游進水閥門，保持堰上水頭4 cm，按照直角三角堰流量計算公式[16]

式中:C0——直角三角堰的流量系數，一般取值為1.4;H——堰上水頭，對應的流量為448 cm3/s。當水位逐漸上升到壩頂高程以上后，發生漫頂潰決破壞。

圖6 潰壩后下游某處最大水位圖

圖7 潰壩過程中下游10 m處水位變化

3.2 試驗結果與分析

試驗后整理潰決洪水最大水深觀測值、下游10 m處水深隨時間變化的DV攝影資料，從而得到潰決洪水最大水深隨距離的變化關系(圖8)、下游10 m處水深隨時間變化關系(圖9)、用DV記錄整個過程中庫區水位變化，通過對時間差分推導出堰塞湖水量平衡方程:

式中:V——堰塞湖的蓄水量;Δt——考慮的時間段;Q1——Δt時間內堰塞湖的出庫水量;Q2——Δ t時間內堰塞湖的入庫水量。得到潰決流量隨時間變化關系如圖10所示。

圖8 潰決洪水最大水深隨距離變化曲線

圖9 潰決過程中10 m處水深隨時間變化曲線

由圖8可見，下游2～10 m處潰決洪水最大水深隨下游距離的增大呈波動變化，壩體中軸線下游起始2 m處最大水深值最大，而且總體上呈現較明顯的下降趨勢。筆者于2009年11月7日在當地村民唐樹斌的陪同下對茂縣宗渠溝堰塞湖潰決洪水演進過程進行實地調查，從堰塞湖潰口(N31°37′16.5″，E103°50′05.9″)出發，沿著潰決洪水下游 1 km 進行潰決洪水水位調查，其沿程最大水位變化見圖11。從圖11中可以發現其最大水深變化趨勢與模型試驗所得到最大水深隨距離變化的關系曲線較為接近。

由圖9可見，潰決洪水水位在某處的變化呈現先增大后減小的規律，在潰決過程中某一時刻到達最大值(模型試驗中這一時刻為漫頂過流后225 s)，這主要是由于潰壩流量先增大后減小。

圖10 潰決流量隨時間變化曲線

圖11 實地調查堰塞湖潰決洪水水位變化曲線

潰決流量是潰決過程中的一個重要參數，決定著下游的危險區范圍，是堰塞湖漫頂潰決研究中的一個重要內容。按照庫區水量平衡方程推導出不同時刻潰決洪水流量計算公式:

根據庫區水位視頻錄像，以壩頂過流為起點，對過流時間進行差分，讀取某一時刻的標尺刻度，并換算得到庫區水位。根據試驗槽的幾何規格確定對應水位時的水面面積。根據式(3)計算得到潰壩流量(圖10)。由于湖區標尺處水位在潰決過程中有波動現象，造成流量計算中水位取值存在誤差，流量計算結果出現不規則突變，但潰決流量的總體趨勢不會受到較大的影響。結合潰口發展與潰決流量過程，將潰決過程分為緩慢侵蝕和快速侵蝕兩個階段，二者以潰口發展到上游坡面為界。緩慢侵蝕段一般形成多個陡坎，陡坎分層分布，分層侵蝕。由于壩體擋住了所有庫區水體，庫區水量不變，僅有上游來水侵蝕潰口，水流作用水頭低，流量小(圖10)，陡坎發展緩慢;潰口發展到上游坡面之后，殘余陡坎變成一個三角體，抗侵蝕能力變弱，陡坎高程加速下降，庫區水體參與到潰口的侵蝕過程，作用水頭(等于陡坎降低高度加上原壩上水頭)增大，流量迅速增加，侵蝕速度明顯加快。潰決完成后，壩體進入穩定常態化過程，在這個階段內，壩體潰口與過壩流量保持不變。

從圖10可以發現，過壩流量首先隨著漫頂時間的增加逐漸增大;當漫頂時間達到一定值時(模型試驗中這一值為距漫頂過流124 s)，過壩流量急劇上升繼而到達最大值;當過壩流量達到最大值之后，流量隨著漫頂時間的增加出現波動但總體趨勢是減小。這是由于土體的沖刷破壞是水流運動時產生的剪應力超過土體的抗剪強度所造成的。由于堰塞體的顆粒大小不一，分布不均，各處的抗剪強度存在較大差異。細小顆粒間接觸面小，抗剪強度低，最先發生剪切破壞，破壞后，小顆粒即被水流搬運;大顆粒與其他顆粒的接觸面積大，抗剪強度較高，不易發生剪切破壞，它們只有在與之接觸的小顆粒完全被搬運后才會發生運動。由此可見，土體強度的差異使水流表現出差異性侵蝕(即水流在大小顆粒接觸面表現出不同的侵蝕能力)，并使潰壩流量隨時間呈現出波動特征。根據圖10得到的潰決流量隨時間的變化關系建議在堰塞湖排險過程中，排導槽應選擇在大石塊比較集中的部位或者固結程度更高的部位。由于大石塊可視為局部的土體固結，所以大石塊集中的部位不易被水流侵蝕。實際操作中可運用地質雷達等手段得到土體密度更高或含更多大石塊的部位，從而設計出更加有效的排導槽，更好地進行堰塞湖的人工排險。

4 結語

堰塞壩潰決過程與潰決流量變化是非常復雜的，涉及到水文學、水力學、泥沙運動力學、河床演變學、土力學等多門學科。本試驗針對地震堰塞湖漫頂潰決情況進行研究，描述了潰壩洪水演進過程，分析潰口發展過程及其潰口流量隨時間的變化規律。

壩體漫頂潰決是水流與壩體相互作用的結果，而漫頂情況下水流的主要作用區域在潰口，因此，潰口發展過程的實質是壩體漫頂潰決的過程。水流運動過程中侵蝕溝道形成陡坎，水流在陡坎處形成跌水，在陡坎底部出現旋流，水流旋流產生較大的剪應力，剪應力不斷侵蝕陡坎，使陡坎不斷向前推進。陡坎向前推進后，兩岸形成陡立的臨空面，由于土體疏松，強度較低，加上土體飽和后，滑動力增大，強度降低，兩岸土體在重力作用下發生坍滑破壞，小規模坍滑發生后，坍滑土體中的細顆粒隨即被水流沖刷，粗大顆粒沉積在潰口表層;而大規模坍滑發生后則有可能堵塞潰口，阻止堰塞湖的進一步潰決。由此可見，潰口在縱向上的發展主要以陡坎前進的方式推進，而橫向上主要由土體坍滑失穩引起。本模型試驗較好地模擬了地震堰塞湖漫頂潰決洪水演進過程，及其潰壩流量過程，為今后類似研究和應急排險奠定了基礎，但由于堰塞壩體下游河道參數較為缺乏，本試驗未能進行模擬，模擬結果準確性有待進一步提高，其規律有待更深入的揭示，這也是下一步的研究重點。

[1] 牛志攀，許唯臨，張建，等.堰塞湖沖刷及潰決試驗研究[J].四川大學學報:工程科學版，2009，41(3):90-95.

[2] 陳曉清，崔鵬，程尊蘭，等.5?12汶川地震堰塞湖危險性應急評估[J].地學前緣，2008，15(4):244-249.

[3] 匡尚富，汪小剛，黃金池，等.堰塞湖潰壩風險及其影響分析評估[J].中國水利特別關注，2008(16):17-21.

[4] 四川省地震局.1933年疊溪地震[M].成都:四川科學技術出版社，1983.

[5] Cheng Genwei，Wang Xiaodan，He Xiubin，et al.Outburst risk of barrier lakes in Sichuan，China[J].Journal of Mountains Science，2008(5):189-193.

[6] 程根偉，范繼輝，程尊蘭.四川 5?12地震災區滑坡堰塞壩潰決災害風險評估[J].西南民族大學學報:自然科學版，2008，34(6):1086-1090.

[7] Soares-Feaz A O S，Grelle N L E，Spinewine S，et al.Dam-break induced morphological changes in a channel with uniform sediments:measurements by a laser-sheet imaging technique[J].Journal of Hydraulic Research，2007，45(Extra Issue):87-95.

[8] Broich K.Computergestǜtzte analyse des dammerosionsbruchs(computational analysis ofthe breaching of dams)[D].GermanyMunich:M unichUniversity，1997.

[9] Brooks G R，Lawrence D E.The drainage of the lake Ha！ Ha！ Reservoir and downstream geomorphic impacts along Ha！ Ha！ River，Saguenay Area，Quebec，Canada[J].Geomorphology，1999，28(1/2):141-168.

[10] Spinewine B，Zech Y.Small-scale laboratory dambreakwaves on movable beds[J].Journal of Hydraulic Research，2007 ，45(Extra Issue):73-86.

[11] Morris M W，Hassan M A A M，Vaskinn K A.Breach formation:Field test and laboratory experiments[J].Journal of Hydraulic Research，2007，45(Extra Issue):9-17.

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

[13] Xu Qiang，Fan Xuan-mei，Huang Run-qiu，et al.Landslide dams triggered by the Wenchuan Earthquake，Sichuan Province，southwest China[J].Bull Eng.Geol.Environ.，2009，68:373-386.

[14] 孫文初，劉霞，李倫.潰壩洪水流量計算方法淺析[J].廣東水利水電，1999(3):3-6.

[15] 游勇，程尊蘭.西藏波密米堆溝泥石流堵河模型試驗[J].山地學報，2004，23(3):288-293.

[16] 吳持恭.水力學[M].2版.北京:高等教育出版社，1982.

[17] 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):15-22.