金沙江白格堰塞壩自然泄流沖刷潰決過程數值模擬

謝忱 陳骎 侯奇東 胡宇翔 周家文 范剛

摘要： 堰塞壩沖刷潰決及潰決洪水演進過程十分復雜，其潰決洪水對下游人民生命財產構成巨大威脅。利用數值分析方法對大型滑坡堰塞壩的潰決演進過程進行模擬和重演，對堰塞湖下游的避險與防災減災具有重要指導意義。以2018年金沙江“10·11”白格滑坡堰塞湖為例，基于無人機獲取的地形數據，建立白格滑坡堰塞壩的三維數值模型，采用Flow-3D軟件對堰塞壩的自然泄流沖刷潰決過程進行模擬，分析泄流槽內的流速、沖淤變化特征以及下游潰口處的洪峰流量演變過程。模擬結果表明：堰塞壩漫頂沖刷可以劃分為潰決沖刷前、潰口快速拓展階段、洪峰時刻、潰口穩定發展階段4個時間段;潰決泄流過程中，泄流槽斜坡道上的水流流速較大，沖刷深度最大，堰塞壩下游出現明顯淤積;白格堰塞湖潰決過程中出現了明顯的溯源侵蝕現象，在泄流槽不斷下切的過程中，泄流槽跌坎不斷向上游移動。模擬結果有助于進一步深化對金沙江“10·11”白格滑坡堰塞壩沖刷潰決過程和機理的認識，對于堰塞湖應急處置措施和科學避險方案的制定具有一定的參考價值。

關 鍵 詞： 堰塞壩; 沖刷潰決; 洪峰流量; 潰口演變; 數值模擬; 白格堰塞湖

中圖法分類號： ?P642

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.004

0 引 言

堰塞壩是山體滑坡、崩塌、泥石流等堵塞河道而形成的一種天然壩體[1]。堰塞壩由于形成時間短，壩體結構較為松散，在水流的淘蝕和沖刷作用下容易出現突然潰決，這將導致堰塞湖內大量蓄水迅速下泄而引發洪水災害，嚴重威脅著下游人民的生命和財產安全[2-3]。堰塞壩潰決事件在世界各地時有發生，往往造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。據記載，1933年10月9日，四川疊溪地震形成的“海子”堰塞壩潰決，洪水傾瀉而下，水頭超過60 m，沖毀下游農田超過3 300 hm2，沖沒房屋、牲畜不計其數，總死亡人數高達2 500余人[4]。1986年9月，巴布亞新幾內亞貝拉曼河上的堰塞壩發生漫頂潰決，約1.2億m3的泥石流下泄39 km匯入所羅門海，導致入海口水位較正常水位高出8 m，貝拉曼村被淹沒[5]。2008年汶川地震共計誘發了256處滑坡堰塞湖，其中唐家山堰塞湖嚴重威脅下游綿陽市和遂寧市兩座城市城區的安全，綿竹市綿遠河上的小崗劍堰塞湖對下游數萬人的生命財產安全構成極大威脅[6]。

開展堰塞壩潰決過程及機理研究對于制定科學合理的應急搶險方案具有重大意義，可最大程度降低下游的災害損失。目前，已有眾多研究者針對這一熱點問題開展了大量研究。張婧等[7]通過堰塞壩泄流沖刷水槽試驗研究了潰壩過程，探討了不同內坡坡度和不同壩體級配對洪峰流量的影響。王光謙等[8]建立了耦合邊界跟蹤技術的平面二維水沙數學模型，并考慮了河床變形對泄流的影響。朱勇輝等[9]將土石壩潰壩模型BRESZHU應用于唐家山堰塞湖的泄流沖刷模擬，所計算的數十種工況結果為制定搶險方案提供了技術支持。目前研究潰壩過程的數值模型大多為二維模型，忽略了河道、復雜地形的平面彎曲和橫截面的變化，且對潰口形狀做了一定的假設，無法較為真實地描述潰壩水流和潰口發展的復雜性。

2018年10月11日和11月3日，西藏江達縣波羅鄉白格村與四川甘孜州白玉縣交界處先后發生兩次山體滑坡，滑體堵塞金沙江并形成堰塞湖。白格堰塞湖泄流時出現較大洪峰，堰塞壩下游在建的葉巴灘、蘇洼龍等大型水電站均遭受較大影響。災害發生后，許多研究者對白格堰塞湖進行了現場調查，并開展了廣泛的研究。蔡耀軍等[10]基于現場調查數據介紹分析了白格堰塞壩的成因、形態特征及潰流過程，研究表明白格堰塞湖庫容、來水量、堰塞體潰流段長度及抗沖性是影響潰決特征值的關鍵因素。陳祖煜、侯精明等人[1112]運用DB-IWHR潰壩洪水分析程序和GST洪水演進模型比較準確地反演了白格堰塞壩潰口流量過程曲線及洪水演進過程。Zhang等[13]通過野外調查確定了白格堰塞壩壩體材料的可侵蝕性參數，并采用經驗方程和漫頂潰壩數值模型DABA對白格堰塞湖兩次潰決過程的庫水位變化、洪水流量以及潰口尺寸做出了快速合理的預測。Fan等[14]利用數值分析方法對白格堰塞湖的滑坡堵江過程及潰決洪水演進過程進行了模擬。

白格堰塞湖現有研究在模擬潰壩過程時均沒有采用實際地形，而是對壩體形態做了一定程度的概化，其采用的潰壩模型限定了潰口發展變化，不能較為真實地描述潰口變化的復雜性。本文基于無人機獲取的高精度地形數據，構建了“10·11”白格堰塞壩的三維數值模型，采用Flow-3D軟件模擬了白格滑坡堰塞壩自然泄流的沖刷潰決過程，深入分析了潰口處的流速特征及潰口沖刷情況，以期進一步揭示潰口發展規律，為今后堰塞壩的應急處置及下游避險提供技術參考。

1 金沙江“10·11”白格滑坡堰塞湖概況

2018年10月11日凌晨，西藏江達縣波羅鄉白格村與四川甘孜州白玉縣交界處金沙江河道右岸（西藏岸）發生大規模山體滑坡，滑體堵截金沙江干流，形成堰塞湖。白格滑坡屬高位高速基巖滑坡，滑源區頂部高程高達3 700 m左右，坡腳金沙江河床高程約2 900 m。破碎的巖體以巨大的勢能俯沖而下，沿途鏟刮斜坡表面的覆蓋層和巖體，并在滑入金沙江后繼續向左岸（四川側）沖擊，受左岸山體抵擋最終在河道里堆積，形成堰塞壩。滑坡體瞬間滑入金沙江時激起巨大涌浪，涌浪挾帶河床砂卵石沖刷席卷左岸，大片植被和表土層被沖刷殆盡，形成涌浪鏟刮區[15]。白格堰塞壩順河道方向長約1 100 m，寬約400～500 m，總體積約2 795萬m3，主要物質組成為碎石土夾塊石，土石比約為7 ∶3。堰塞體地形起伏較大，總體呈左側高，右側低，左岸最高高程2 985.0 m，右岸埡口最低高程2 931.4 m，最小壩高61 m[16]。

堰塞體形成后，金沙江上游水位急劇壅高，迅速逼近埡口高程，至2018年10月12日17：15（北京時間），湖水開始漫頂溢流。10月13日00：45，堰塞體上游來水量和下泄流量達到平衡，水位達到最高值2 932.69 m，庫容達到最大值2.9億m3，此后水位逐漸消退。10月13日06：00，潰口流量達到峰值約10 000 m3/s，10月13日14：00，潰口流量降至與上游來水量持平[10]。堰塞體潰決后，在靠近右岸處形成寬約80～120 m的天然泄流槽，堰塞壩下游壩體附近出現明顯的泥沙淤積，在緊接左岸殘留壩體下方形成沖刷淤積區，如圖1所示。

2 數值模擬方案

Flow-3D是一款功能強大的計算流體力學軟件，它以連續性方程和Navier-Stokes方程作為控制方程，采用基于結構化矩形網格的有限差分法和有限體積法進行求解。Flow-3D運用FAVORTM技術解決復雜幾何問題，采用VOF方法追蹤自由表面，具有模擬復雜地形、精確處理干濕邊界和急緩流交替水流運動的能力，可以較為真實地模擬流體運動現象和計算流場的各種性質。

當上游河道水位不斷增高，堰塞體逐漸開始過流，水流會不斷沖蝕松散的堰塞堆積體，導致堰塞體發生潰決，堰塞體的潰決過程實質上是潰壩水流對堆積物顆粒的沖刷過程。Flow-3D自帶的泥沙沖刷模型通過計算泥沙顆粒的起動、沉降以及推移質和懸移質的運輸來描述泥沙運動，這一模型與堰塞壩潰決機理相適應，即每層堰塞體材料的沖蝕具體表現為該層泥沙顆粒運動情況。此算法對潰口發展過程不作任何限制，堰塞體是否沖刷完全取決于泥沙輸移規律，以計算時間中止為最終沖刷結果，使模擬更加合理。此外，Flow-3D自帶的RNG k-ε模型能精細地模擬低強度紊流和具有強剪切應力區域的水流流動，在計算復雜地形的泥沙沖刷問題時具有良好的適用性，因此能較好地模擬潰壩水流的復雜流態。

本文根據現場無人機勘測地形數據，按實際地形1 ∶1比例建立三維實體模型，并導入Flow-3D軟件中。為了在不影響研究區范圍的前提下提高計算效率，本文計算域選取包含堰塞體在內的長約1 170 m，寬約830 m，高約240 m的計算范圍，如圖2所示。本文采用結構化正交網格對計算區域進行劃分，網格尺寸為5 m×5 m×5 m，在潰口局部區域進行網格加密，加密網格尺寸為2.5 m×2.5 m×2.5 m，計算網格總數約為360萬個。

上游來水量、堰塞壩的庫容和潰口發展情況是影響潰壩洪水過程線的重要因素，本文通過嚴格控制上游水位來消除前兩個因素的影響。模型中將入口邊界設定為壓力邊界，水位下降過程的設置參考現場數據如下：10月13日0：45，上游水位達到最大值2 932.69 m;02：45，上游水位下降0.88 m;06：30，水位累計下降8.51 m;08：00，上游水位累計下降12.26 m;09：00，水位累計下降20 m[10]。出口邊界設定為自由出流邊界，壁面和底面邊界均采用固壁邊界，自由液面上方設為一個標準大氣壓。堰塞體上游初始水位設為2 932.69 m。堰塞體物質組成直接影響了壩體的抗沖性和潰口發展過程，目前尚無“10·11”堆積物顆粒的詳細資料，但由于“10·11”與“11·3”兩次滑坡堰塞體堆積材料物質組成接近，本文參考“11·3”堰塞體顆粒級配曲線（見圖3），據此確定數值計算模型的相關參數[10]。本文設定堰塞堆積體為泥沙區域，設置泥沙顆粒密度為1 980 kg/m3，臨界Shields數為0.35，挾帶系數為0.013，其他參數如表1所列。

3 計算結果分析

本文在堰塞壩下游設置流量監測斷面，如圖2所示。計算結果顯示10月13日凌晨5：10達到了洪峰流量9 719 m3/s，野外實測數據顯示潰口在10月13日6：00達到了洪峰流量10 000 m3/s，模擬結果與現場數據相比洪峰提前了50 min，峰值流量相差較小，相對誤差小于3%，表明本文數值計算的可靠性和合理性。數值計算得到的潰決洪峰流量與實測結果對比如表2所列。

白格堰塞壩自然泄流漫頂沖刷是個非常復雜的過程，如圖4所示。根據地面高程變化率及過流量大小可以將其劃分為潰決沖刷前、潰口快速拓展階段、洪峰時刻、潰口穩定發展階段4個時間段。本文地面高程變化率指單位時間內河床高程的絕對變化，負值表示高程降低，反之表示高程增加，是一個定量表征洪水對河床沖刷效應的指標。從開始泄流到洪峰時刻，這一階段的泥沙沖刷率較高，地形變化快，潰口快速拓展。洪峰過后，隨著時間的推移，水位和流量逐漸降低，水流沖刷能力降低，潰口發展速度緩慢，地形逐漸趨于穩定。本文的計算由于模擬時長限制雖未能達到沖淤平衡，但仍為揭示堰塞壩的漫頂沖刷規律提供了參考。

3.1 流速分布

圖5為不同時期漫壩水流的流速分布圖。如圖5所示，在形成新的流道后流速一直保持在較高的水平，在流道末段流速最大，最大值約為16 m/s。因流速較快，水流沖刷能力較強，導致潰口不斷下切。潰口快速拓展階段流道內潰決洪水流速最大值與洪峰時刻流道內最大值接近。洪峰過后，流道被顯著下切變窄，且流道坡降變小，與此同時，隨著泄流過程的持續，堰塞壩上游水位大幅下降，流速呈逐漸減小趨勢，在這一階段流速最大值約為13 m/s，流速最大值出現在流道中段和末段。

從圖5可以看出，不同時期的流速分布規律具有一定的相似性：潰決水流在進入流道前，流速為0，整個庫區處于靜壓平衡狀態;水流進入流道后，泄流槽進口水流在自重作用下流速呈現明顯遞增。在潰口快速拓展階段和洪峰時刻，泄流槽中段流速分布不均勻，流速值相對較小，水流挾沙能力較弱。在泄流槽末段，泄流槽斜坡道的水流在自重作用下速度急劇增大，水流沖刷能力強，挾帶著該區域的泥沙形成高含沙水流下泄，泄流槽不斷被侵蝕下切，至潰口穩定發展階段，泄流槽寬度顯著降低。在泄流槽不斷下切的過程中，泄流槽跌坎不斷向上游移動，泄流槽的中段和末段泄流洪水流速均較快。

3.2 潰口拓展過程

3.2.1 沖刷深度變化

水流沿泄流槽流動時對河床上的泥沙顆粒產生拖曳和上舉作用，當水流強度超過泥沙臨界起動條件時，泥沙開始運動，產生沖刷現象，堰塞體堆積高程隨之減小，如圖6所示。圖6中，沖淤深度為正表示淤積，沖淤深度為負表示沖刷下切。隨著沖刷過程的持續，整個堆積體的沖刷深度不斷增加，沖刷深度大于10 m的范圍也逐步增大。在潰口快速拓展階段，流道連通并不斷擴展，水流挾沙力強且含沙量大，該過程堰塞體的沖刷深度增幅大，沖刷速度快，流道底部下切和側向侵蝕明顯。潰口穩定發展階段，泄洪流量較小，泄流槽內水面寬度和流深均大幅減小，堰塞體的沖刷深度增長較慢，流道底部和側壁處于均勻沖刷態勢，該現象與流速變化趨勢相吻合。這一階段泄流槽兩側已形成具有一定高度和坡度的側壁，新流道河谷呈“U”型。泄流槽不同位置處的沖刷情況也有差異，流經泄流槽入口和中部的水流流速小，該區域河床出現了緩慢的沖刷。泄流槽斜坡道上的水流流速大，水流帶動泥沙形成高含沙水流沖向下游，導致該區域的沖刷深度最大，堆積體高程顯著降低。

在堰塞壩下游，地形坡度減緩，地勢平坦開闊，被沖起的部分泥沙由于自重和床面摩擦力作用而沉降，出現泥沙淤積。在泄流初期，水流攜著槽內泥沙顆粒輸移到下游，且由于流速較小泥沙顆粒堆積在近堰塞體河段。如圖6所示，發展至潰口快速拓展階段，泄流槽一側流出的水流擴散覆蓋了整個河道，河道內有大范圍的泥沙淤積，淤積深度達11 m。隨著潰口和水流條件的不斷變化，近堰塞體河段也會遭受沖刷，初期堆積的泥沙顆粒被沖向下游，河道的底坡更加平直，水流更加通暢。如圖6所示，洪峰時刻較前一階段的淤積范圍更小，淤積深度變淺，沖刷程度更強。泄流后期，形成了較為穩定的新流道，流道內泥沙沖淤變化不明顯，回水區泥沙不斷淤積。白格堰塞體的泄流槽位于堰塞壩右側，在堰塞壩下游河道左側，潰決洪水形成渦旋，流速降低，洪水攜帶的大量泥沙逐漸沉降淤積，導致這一區域的河床明顯抬高，最大淤積深度達到27.52 m。

3.2.2 潰口斷面歷時變化

為了探究白格堰塞體潰決過程，本文截取了泄流槽的縱、橫剖面，以進一步揭示漫頂水流的沖刷規律。選取的截面位置如圖7所示，其中A-A′截面與泄流槽中心截面大致重合，縱坐標為y=269 m;B-B′截面位于泄流槽斜坡道上，橫坐標為x=709 m。

圖8展示了堰塞體縱剖面（A-A′截面）不同時期的形態變化過程。如前文所述，堰塞壩整體范圍內均有不同程度的沖刷，其中泄流槽斜坡道的沖刷現象最為顯著。通過對比發現，白格堰塞湖第一次潰決過程中出現了明顯的溯源侵蝕現象。漫頂水流對斜坡道沖蝕形成跌坎，水流流經跌坎處，一部分勢能轉化為動能，流速突然增大，水流挾沙力增大，導致跌坎處的潰決速度加快，泄流槽斷面突增，泄流槽深度和寬度都較上游斷面更大，在三維空間上形成一個朝向下游側的喇叭狀形態。跌坎上游，流態穩定，流速較小，沖刷強度低;跌坎下游，水流呈復雜的湍流形式，流速較大，水流對跌坎沖刷強烈，跌坎處砂石輸移效率大，物質不斷流失，在視覺上跌坎不斷向上游區域推進。

泄流槽斜坡道的天然地形是產生溯源沖刷的有利條件，斜坡道的水面比降大，水位突然下降導致流速和紊動強度增大，水流侵蝕作用加強，對河床侵蝕并不斷向上游發展。溯源侵蝕在短時間內產生強烈沖刷，一旦發生則發展迅速。相關研究表明，溯源侵蝕是堰塞體潰決的重要沖刷模式，是流道下切和拓展的主要形式[17]。

圖9展示了潰口橫斷面（B-B′截面）不同時期的形態變化過程。在水流作用下，潰口處的沖刷深度不斷增加。潰口快速拓展階段的水位較高，流速較大，水流沖刷能力強，在潰口快速拓展階段的末段，沖刷深度達19.9 m，潰口形態基本穩定。之后，潰口側壁和底面呈均勻沖刷態勢，流道發展緩慢。

白格堰塞湖現場調查數據顯示，10月13日堰塞體潰決后形成新的流道，新流道位于堰塞體右側凹槽處，緊貼右岸坡腳，寬約80～120 m[10]。如圖9（d）所示，本文模擬的流道位置、寬度與實際情況相符。本文模擬中未考慮流道下切過程中兩側側壁的垮塌，潰口發展以表面侵蝕、沖刷掏深為主，泥沙床面較為平整，橫向變化不明顯，而實際潰壩過程中，水流在卷起、攜帶砂石向下游運動的同時不斷掏蝕泄流槽坡腳，泄流槽側壁出現坍塌，坍塌體又被水流沖走，泄流槽寬度因此不斷擴展。側向侵蝕和側壁坍塌是引起泄流槽橫向拓寬的主要原因（圖10，11）。

4 結 論

本文基于Flow-3D軟件對金沙江“10·11”白格堰塞湖自然泄流潰決過程進行了重演和分析，復演了白格堰塞壩的第一次潰決過程，模擬的洪峰流量過程和潰口橫斷面形態與實測值較為符合。本文研究取得如下結論。

（1） 金沙江“10·11”白格堰塞壩漫頂沖刷是一個復雜的時空變化過程，可以劃分為潰決沖刷前、潰口快速拓展階段、洪峰時刻、潰口穩定發展階段4個時間段。

（2） 潰決泄流過程中，泄流槽斜坡道上的水流流速大，沖刷深度最大，堰塞壩下游出現明顯淤積。

（3） 金沙江“10·11”白格堰塞湖潰決過程中出現了明顯的溯源侵蝕現象，在泄流槽不斷下切的過程中，泄流槽跌坎不斷向上游移動。

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（編輯：鄭 毅）

引用本文：

謝忱，陳骎，侯奇東，等.

金沙江白格堰塞壩自然泄流沖刷潰決過程數值模擬

[J].人民長江，2021，52（8）：22-29.

Numerical simulation of natural erosion and breaching process

of “10·11” Baige landslide dam on Jinsha River

XIE Chen1，CHEN Qin1，HOU Qidong1，HU Yuxiang1，ZHOU Jiawen1，2，FAN Gang1，2

（ 1.College of Water Resource and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China; 2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China ）

Abstract：

Outburst flood of the landslide dam poses a great threat to the life and property of the people downstream.Also，the processes of dam erosion and flood evolution are very complicated.Thus，using numerical methods simulate and repeat the typical landslide dam breaching has a great significance for disaster prevention and mitigation in the downstream.This study focuses on the “10·11” Baige landslide dam on the Jinsha River in 2018.A three-dimensional numerical model of the Baige landslide dam is established with the terrain data acquired by UAV，and the processes of dam discharge，scour and breaching are simulated using the Flow-3D software.The velocity and sediment scour in the natural spillway are analyzed，and the peak discharge process at the downstream is measured.The results show that overtopping and scouring of the Baige landslide dam can be divided into four phases，i.e.before the outburst，rapid expansion phase，peak discharge phase and breach steadily-developing phase.The velocity of flow on the ramp of spillway was large during the releasing period，which led to a maximum scour depth，while deposition occurred at the downstream of the dam body.There was an obvious headward erosion in the breaching process，the spillway bed was incised continuously which led channel bed drop-off moving to the upstream.This study is significant for understanding the process and mechanism of the “10·11” Baige landslide dammed breaching，which could provide references to the emergency treatment and rescue plan formulation.

Key words：

landslide dam;erosion and breaching;peak discharge;breach evolution;numerical simulation;Baige landslide dammed lake