豆坪河紙槽溝堰塞湖應(yīng)急監(jiān)測及風(fēng)險(xiǎn)評估

強(qiáng)宏偉，呂亞斌

(甘肅省隴南水文水資源勘測局， 甘肅 成縣 742500)

2020年8月以來，西河水流域內(nèi)遇入汛以來最強(qiáng)降水過程，過程持續(xù)時(shí)間之長，量級之大，暴雨場次之多，范圍之廣為歷史罕見，多站在日降水量級及強(qiáng)度上均突破歷史記錄極值。受連續(xù)強(qiáng)降雨影響，8月18日18：00左右，豆坪河紙槽溝內(nèi)發(fā)生大規(guī)模滑坡，滑坡體沿溝道滑入河道內(nèi)，阻斷豆坪河，發(fā)生堰塞湖。柏楊、張趙、草坪、李家庵、李壩、上溝、磚家溝、草壩等八村的道路、電力中斷，1150戶4133人出行及生產(chǎn)生活受阻。淹沒耕地50余畝，受影響的經(jīng)濟(jì)總量3120余萬元。給當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)造成巨大威脅。

李萬林、周英帥[1]等研究證明暴雨、洪澇、臺風(fēng)是造成滑坡泥石流災(zāi)害的重要原因。而在隴南山區(qū)，發(fā)生滑坡泥石流災(zāi)害的成因主要是暴雨。由于該地區(qū)氣候變化異常[2]、土層較薄，當(dāng)雨量達(dá)到飽和，最終導(dǎo)致土層脫落，很容易形成滑坡、泥石流，形成堰塞湖。馬耀昌、蘆意平[3]等采用無協(xié)作目標(biāo)全站儀法對白格堰塞湖水位應(yīng)急監(jiān)測；黃艷、馬強(qiáng)[4]等對金沙江流域堰塞湖的現(xiàn)狀進(jìn)行分析及風(fēng)險(xiǎn)評估，并對白格堰塞湖洪水進(jìn)行預(yù)測；金興平[5]對雅魯藏布江米林堰塞湖的應(yīng)急處置過程做了細(xì)致的分析；陳敏[6]分析了白格堰塞湖潰壩洪水演進(jìn)過程，提出兩階段四步走的騰庫實(shí)施方案。近幾年無人機(jī)、GPS-RTK、GIS、Cass等設(shè)備和軟件的大力發(fā)展，為堰塞湖監(jiān)測計(jì)算提供了很多方便，在堰塞湖發(fā)生以后，創(chuàng)新性的運(yùn)用水文監(jiān)測新技術(shù)[7]對堰塞湖、堰塞體進(jìn)行監(jiān)測，分析其成因及風(fēng)險(xiǎn)評估，具有深遠(yuǎn)意義。

1 流域概況

豆坪河地處隴南市康縣西北部，流域面積98.7km2，發(fā)源于周家壩鎮(zhèn)與長壩鎮(zhèn)交界處的大龍王山北坡，是平洛河一級支流，嘉陵江的三級支流，干流海拔915.9～1721.7m，河流全長21.7km。河道平均比降26.9‰。從南向北流經(jīng)田壩、鞏家壩、豆坪、姚子灣、張趙、河口里、楊沙壩等村莊、在小河壩村于右岸匯入平洛河。

2 堰塞體、堰塞湖概況

2.1 堰塞湖發(fā)生成因、時(shí)間、位置

受前期強(qiáng)降水的影響，土壤趨于飽和，點(diǎn)繪流域內(nèi)前期累積降水曲線如圖1所示。從圖1中看出，本次降水共有3個(gè)階段，在8月17日時(shí)強(qiáng)度最大，屬本次堰塞湖成因暴雨。導(dǎo)致山體高位垮塌、滑坡，從豆坪河左岸滑入河道，阻斷水流，在豆坪河上形成山崩堰塞湖。堰塞湖地處康縣周家壩鎮(zhèn)河口里村上游約1.2km的紙槽溝溝口處，所以又稱紙槽溝堰塞湖。堰塞湖至下游最近村莊河口里村1.2km，至入河口6.0km，堰塞湖以上集水面積為50.7km2。堰塞湖位置如圖2所示。

圖1 流域內(nèi)降水量累積圖

圖2 紙槽溝堰塞湖位置圖

2.2 堰塞湖特征

利用無人機(jī)對堰塞湖堰塞體進(jìn)行高空攝影測量。根據(jù)8月21日測得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)推求。本次堰塞湖的長度為1133.45m，平均寬度為82.1m，最大寬度為125m，堰塞湖面積為0.093km2，堰頂?shù)窖咔八娓叨葹?～25m(堰塞體右岸已溢流)，用測得的堰塞湖水面高程和堰塞體下游的河底高程推算出堰前最大水深為18.0m。

2.3 滑坡堰塞體特征

用全站儀、GPS-RTK等儀器對堰塞體長度、寬度、高度等各項(xiàng)特征值進(jìn)行初步測量。等堰塞體穩(wěn)定后，采用RTK又對堰塞體的形狀及體積進(jìn)行細(xì)致的測量及計(jì)算，并收集到堰塞體的各項(xiàng)基本數(shù)據(jù)。

滑坡體呈啞鈴狀，長度1260m，滑坡上部最寬處230m，滑坡中部寬度50～70m，滑坡前緣[8]堆積體最寬處350m，滑坡前后緣高差440m，滑坡總體坡度在30°左右。該滑坡可分為上中下3個(gè)部分[9]，上部是主滑區(qū)，最先發(fā)生大規(guī)模滑坡，滑坡物質(zhì)主要來源于上部；中部受到推移發(fā)生山體坡面淺層滑動(dòng)；下部是滑坡堆積區(qū)。上部滑動(dòng)形成的滑坡后壁最高達(dá)25m，滑動(dòng)面積4.8×104m2，下滑平均厚度約10m，上部已發(fā)生滑動(dòng)的體積約48×104m3；中部發(fā)生淺層滑動(dòng)，滑動(dòng)面積3.7×104m2，下滑平均厚度約3m，中部已發(fā)生滑動(dòng)的體積約11×104m3；下部是滑坡堆積區(qū)(即堰塞體)。

堰塞體呈扇形，前緣長約445m，紙槽溝溝口堆積體寬約115m。垂直河道長為142m。堰塞體呈左高右低狀，前緣高度(距下游河道底部)為25m，溝口高度(距下游河道底部)為50m。

2.4 堰塞體地質(zhì)

根據(jù)1∶400萬GB 18306—2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，工程區(qū)50年超越概率10%時(shí)地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，地震基本烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s。區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差[11-12]。

2.5 堰塞體體積測量計(jì)算

用GPS-RTK以堰塞體外邊界為準(zhǔn)，每間距20m布1個(gè)設(shè)圖根點(diǎn)，采用“Z”字型迂回測量方式，測得堰塞體各部位的坐標(biāo)值，從手薄中導(dǎo)出數(shù)據(jù)，保存為dat格式文件，將坐標(biāo)文件導(dǎo)入南方Cass軟件中，選取高程點(diǎn)的范圍，生成堰塞體地形圖如圖3所示。以堰塞體最下沿的坐標(biāo)高程作為平場起算面，采用DTM法計(jì)算，得堰塞體體積為81.3×104m3。

圖3 堰塞體地形測量圖

3 堰塞湖水文監(jiān)測

3.1 出入堰塞湖流量

走訪調(diào)查發(fā)現(xiàn)，8月18日18：00，滑坡體前緣已推進(jìn)至右岸，到21日12：00的這段時(shí)間，豆坪河河口里村段沒有斷流，只是水明顯小了很多，有10h左右。說明滑坡體推進(jìn)速度緩慢，至22日20：00，出入堰塞湖的水量已基本達(dá)到平衡，當(dāng)日12:36實(shí)測入庫流量1.98m3/s，10：42實(shí)測出庫流量2.06m3/s。

最大入庫流量為8月23日15：24的10.9m3/s，最小入庫流量為9月7日12：00 的0.726m3/s；最大出庫流量為8月23日16：00的9.35m3/s，最小出庫流量為9月7日12：40的0.733m3/s。出入庫流量監(jiān)測資料見表1。

表1 堰塞湖出入庫流量對比表 單位：m3/s

8月26日15：00—8月28日15：00、29日9：00—29日15：00、8月30日20：00—9月3日17：00這3個(gè)時(shí)段，依據(jù)制定的搶險(xiǎn)措施，在右岸靠山體原溢流處，開挖引流渠，致使出庫流量大于入庫流量。出入庫流量過程如圖4所示。

圖4 出入庫流量過程

3.2 堰塞湖水位監(jiān)測

8月21日—9月8日應(yīng)急監(jiān)測堰塞湖的水位總體呈下降趨勢，從8月23日16：00最高996.11m，下降至9月8日10：30最低992.14m，共計(jì)回落3.97m。

8月22日13：50以前、8月22日14：00—8月23日16：00、8月29日9：00—8月30日20：00 3個(gè)時(shí)段，堰塞湖水位是上漲的。其中8月22日13：50以前是由于堰塞體還不穩(wěn)定，繼續(xù)向前緩慢推進(jìn)，右岸山體崩塌，使右岸溢流處堰體頂部增高造成的，其余兩個(gè)時(shí)段是由于上游發(fā)生洪水入庫流量增大，由于堰塞湖的滯洪作用導(dǎo)致水位上漲。

堰塞湖水位回落有4個(gè)階段，其中8月23日16：00—8月26日15：30是由于上游洪水回落，進(jìn)入堰塞湖的流量減小造成的。8月26日15：30—8月27日19：00、8月29日9：00—8月29日15：30、8月30日20：00—9月3日17：00 3個(gè)時(shí)段，是根據(jù)堰塞湖排險(xiǎn)處置方案，在右岸溢流處分階段向下開挖引流渠所致。水位過程如圖5所示。

圖5 堰塞湖水位過程圖

4 堰塞湖容積監(jiān)測與計(jì)算

4.1 水位庫容關(guān)系曲線

使用GIS軟件對堰塞湖水下地形提取，導(dǎo)入Cass繪制水下地形圖如圖6所示。由于該流域上下游無水文測站，8月21日起動(dòng)應(yīng)急監(jiān)測以來測得的出入庫流量是堰塞湖頂右岸開始溢流后的流量，堰塞湖在形成過程中又沒有斷流，無法用水量平衡方法推求堰塞湖的蓄水量。

圖6 堰塞湖水下地形圖(比例尺：1∶2000)

堰塞湖蓄水量的計(jì)算采用地形法、三角網(wǎng)法[13]用測得堰塞湖在最高水位996.11m下淹沒區(qū)邊界的地理坐標(biāo)，點(diǎn)繪在大比例尺的地形圖上，勾繪出堰塞湖最大淹沒水面邊界，提取水下地形圖，按照計(jì)以下公式計(jì)算：

(1)

式中，ΔV—相鄰等高線面積之間的容積；ΔZ—兩條相鄰等高線的高差；F1，F(xiàn)2—相鄰等高線各自包圍的面積。

將相鄰等高線面積之間的容積累積，即可得到不同水位下堰塞湖的容積，點(diǎn)繪水位—庫容曲線[14]如圖7所示。

圖7 堰塞湖水位庫容曲線

4.2 堰塞湖蓄水量監(jiān)測分析計(jì)算

根據(jù)觀測的水位，在水位—庫容曲線上查得對應(yīng)的庫容，得堰塞湖的蓄水量變化過程。結(jié)果見表2。

表2 堰塞湖蓄水量統(tǒng)計(jì)表 單位：×104m3

8月22日13：50以前、8月22日14：00—8月23日16：00、8月29日9：00—8月30日20：00 3個(gè)時(shí)段，堰塞湖蓄水量是增大的。其中8月22日13：50以前是由于堰塞體還不穩(wěn)定，繼續(xù)向前緩慢推進(jìn)，再者右岸山體崩塌，使右岸溢流處堰體頂部增高造成的，其余兩個(gè)時(shí)段是由于上游發(fā)生洪水，入庫流量增大，堰塞湖滯洪所致。點(diǎn)繪蓄水量變化過程如圖8所示。

圖8 堰塞湖蓄水量變化曲線

從圖8看出，堰塞湖蓄水量減小有4個(gè)階段，其中8月23日16：00—8月26日15：30是由于上游洪水回落，進(jìn)入堰塞湖的流量減小造成的。8月26日15：30—8月27日19：00、8月29日9：00—8月29日15：30、8月30日20：00—9月3日17：00 3個(gè)時(shí)段，是根據(jù)堰塞湖排險(xiǎn)處置方案，在右岸溢流處分階段向下開挖引流渠所致。

堰塞湖發(fā)生以來最大蓄水量出現(xiàn)在8月23日16：00，蓄水量為90.6×104m3，此后逐步減小，截止9月8日10：30蓄水量為60.5×104m3，其間蓄水量共減少30.1×104m3。根據(jù)監(jiān)測的出入庫流量，用水量平衡法計(jì)算得8月21日12：15—9月8日10：30入庫水量為319.5×104m3，出庫水量為352.7×104m3，其間蓄水量共減少33.2×104m3，與水位—庫容曲線上查得的30.1×104m3比較接近。

5 安全下泄流量分析確定

堰塞體遇水濕陷嚴(yán)重[15]，堰塞體穩(wěn)定后，采用開挖引流渠，降低溢流處頂部高程，排出堰塞湖內(nèi)的蓄水，降低堰塞湖的風(fēng)險(xiǎn)等級。為了防止在處置過程中開挖不當(dāng)，致使下泄流量過大發(fā)生次生災(zāi)害，需計(jì)算最大安全下泄流量。通過對堰塞湖以下豆坪河段進(jìn)行踏勘、測量，確定河口里村河段行洪能力最弱，此處河道寬度僅有16m，左右岸防洪堤低矮。經(jīng)過測量計(jì)算，橋上游左岸護(hù)堤頂高程為960.98m，右岸護(hù)堤頂高程為961.65m，河段比降為9.8‰。當(dāng)水位960.60m時(shí)流量為32.9m3/s，凹彎處水面超高0.13m，下游橋梁壅水高0.09m，則最高水位為960.82m，確定安全下泄流量為32.9m3/s。

6 堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)評估

根據(jù)SL 450—2009《堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》，對潰壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測[16]，該堰塞湖應(yīng)急處置期洪水標(biāo)準(zhǔn)為3年一遇，堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)等級[17-18]為Ⅲ級。

計(jì)算成果表明：3年一遇洪峰流量38.6m3/s，發(fā)生設(shè)計(jì)洪水時(shí)堰塞湖滯洪演算結(jié)果最大入流量38.6m3/s，最大出流量25.0m3/s，堰塞湖水位相對于導(dǎo)流渠底增高1.66m，蓄水量增加19.9×104m3；堰塞體風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中滲流分析計(jì)算結(jié)果表明：在正常情況和非常情況下，堰塞體浸潤線均從堰塞體下游坡坡腳出逸，堰塞體堆積料最大出逸坡降為0.142，小于壩體填筑料允許出逸比降0.18，因此堰塞體不會(huì)產(chǎn)生滲透破壞，滲流穩(wěn)定滿足要求[19-20]；堰塞體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明：上、下游壩坡計(jì)算[21]的最小穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的允許安全系數(shù)，壩坡穩(wěn)定是滿足要求的。也就是說，當(dāng)發(fā)生3年一遇的洪水時(shí)，堰塞湖、堰塞體是安全的。

7 結(jié)論

本次堰塞湖是由山體高位垮塌、滑坡形成的山崩型堰塞湖。應(yīng)急監(jiān)測、處置措施得當(dāng)，效果明顯。應(yīng)急監(jiān)測期間所監(jiān)測的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，過程完整，監(jiān)測方法能夠滿足要求。但是，在水位觀測、堰塞湖水下地形測量方面仍然存在不足之處，主要是堰塞湖形成的不確定性造成的，目前只能靠DEM數(shù)據(jù)提取。