簡談堰塞壩及其潰決模擬研究評述論文

　　1引言

　　堰塞壩是一類自然作用下產生的堆積物，由地震、臺風強降雨和冰磧物融化等誘發山體崩塌、滑坡以及泥石流堵塞河道所形成。在堰塞壩的壅堵作用下，往往會匯集水流形成堰塞湖，對周邊區域及下游群眾的生命財產安全帶來極大的威脅。在極端自然條件下，堰塞壩的形成愈加頻繁，如2000年4月9日，西藏易貢滑坡完全堵塞易貢藏布江，形成了長2.5km、寬2.5km、最厚100m、平均厚60m的堰塞體。2008年“5·12”汶川8.0級特大地震發生后，共引發了10000多處崩塌、滑坡、泥石流，形成了256處堰塞湖，其中唐家山堰塞湖庫容約為3.14億m3，既淹沒了上游村落，又對下游北川、綿陽等地上百萬人口構成了巨大威脅，是地震誘發形成的極高危堰塞湖的典型代表之一。

　　2堰塞壩的形成與基本特征

　　堰塞壩的形成涉及土石體從坡面上失穩起動到河道堆積停歇的全過程，決定了堰塞體的物質組成和形態結構特征，與壩址所在區域的地層巖性、地質構造以及發生地震、臺風強降雨或冰磧物融化等誘發事件的發生概率關系密切。在一定地質條件下，崩塌、滑坡和泥石流中的土石體具有自身的物質結構，在地震或降雨等外界條件的激勵作用下，在坡面上失穩起動直至堵河停歇的過程中，通過復雜的動力學作用塑造出特定的堰塞體組成結構。滑坡是堰塞壩形成的最主要的形式，岸坡向河床方向高速滑動，受到對面岸坡的阻擋后堆積至河床上，形成堰塞壩，隨著水流的不斷匯集，堰塞湖逐步形成。在常見的地震誘發堰塞壩形成機理方面，研究者從形態、物質組成、分布規律和穩定性等多個角度進行了詳細的分析和探討。該類型堰塞壩的形成條件，主要是位置處于高山峽谷河段，河道兩岸或者其中一側存在較為破碎的基巖或松散堆積體，同時地震需達到6級以上。同時，通過歷史資料統計分析，地震震級大于6級后，堰塞湖的數量、規模與烈度值呈正相關。一般情況下，堰塞壩將河道堵死，且壩體由堆積物組成，結構松散，在水量增加后會在短時間內發生漫頂潰決;若堰塞壩未能將河道完全堵死，或存在其他泄流通道，堰塞湖入流與泄流平衡且壩體穩定，則堰塞壩可長期存在。針對堰塞壩的存在時間，國內外學者也進行了充分探討，認為堰塞壩壽命從幾分鐘到幾千年不等，80%的堰塞壩會在1a內發生潰決，并認為100a以內潰決的堰塞壩均為高危型堰塞壩。

　　3堰塞壩潰決的模擬

　　受入湖流量、庫容大小、被堵河道幾何特征、堰塞體幾何形狀、堰塞體物質組成和巖土結構等的影響，堰塞湖的潰決過程十分復雜，潰決機理、潰決模式、潰決過程參數呈多樣化特征。從已潰決的堰塞壩破壞方式來看，主要有壩頂溢流、滲漏、管涌、余震或人為因素造成的壩體滑坡、失穩等。據統計，堰塞壩潰壩以漫頂潰壩為主，所占比例約為71.6%，如四川省疊溪地震形成的堰塞壩、雅礱江右岸唐古棟滑坡形成的堰塞壩等。研究堰塞壩潰決可采用天然觀測資料分析、水槽試驗、實體模型試驗和數值模擬等方法，但是，由于獲取天然觀測資料通常需要耗費大量的人力和財力，且堰塞壩的潰決具有較強的不確定性和突發性，現場觀測的危險性極大，因此目前大多數情況下采用試驗分析和數值模擬的方法開展可沖蝕壩漫頂潰決過程研究。

　　3.1堰塞壩潰決試驗模擬

　　3.1.1潰壩水槽試驗

　　由于潰壩造成了巨大的人員傷亡及經濟損失，因此早在20世紀中期國外一些學者便對漫頂潰壩展開了水槽試驗研究。大量學者通過預設潰口以及不同的壩體材料，對潰口的發展變化過程及下泄洪水進行了研究分析，得出了壩體坡面的沖刷以泥沙輸移過程為基礎、潰口的展寬變化包括側向侵蝕和垂向侵蝕等結論。

　　3.1.2潰壩模型試驗

　　(1)漫頂潰壩模型試驗。20世紀中期，美國開展了規模較大的模型潰壩試驗，得到了不同壩體材料情況下的沖刷速率;奧地利針對堆石壩潰決過程也進行了大量的室內試驗研究，最大壩高5.5m，其潰決時間比尺與美國的基本一致，還得出了相同護坡條件下不同壩體坡度與臨界水頭之間的關系。

　　(2)管涌潰壩模型試驗。管涌是導致堰塞壩潰決的原因之一。堰塞壩壩體管涌發生在壩體內部，較難被及時發現，且難以觀測獲得相關數據。因此，不斷有學者開展關于管涌發展過程的模型試驗研究，嘗試通過可視化試驗來研究管涌形成、發展過程及物理機制。可視化試驗多是模擬堤基管涌，該類管涌一般發生在透水性較強的砂土層，砂土層上面是透水性較弱的黏土堤身或黏土層。試驗采用透明有機玻璃板代替堤身或黏土層覆蓋在砂槽土體表面，可在試驗過程中透過有機玻璃板觀察砂土層中的管涌現象，通常在上覆有機玻璃板開孔來模擬黏土層表面的薄弱點或直接在土槽下游斷面上設置管涌出口。但是，實際管涌發生位置是隨機的，與地質情況有關，一般發生在表面薄弱處。國內外相關學者通過大量的試驗得到了豐富的成果:管涌侵蝕由管涌口逐漸向上游發展，深度在其向上游發展的過程中基本保持不變，截面為寬淺型的倒梯形，邊壁的明顯沖刷擴張發生在管涌通道貫穿上下游之后;通過多種土樣的管涌試驗還發現，雖然管涌通道的寬度隨著通道的延伸而增大，但是通道尖端的尺寸始終保持不變。

　　3.2堰塞壩潰決數值模擬

　　壩體的潰決過程受入庫流量、庫容、壩體形狀和壩體材料特性等多方面因素的影響，按照潰決物理機制來劃分，堰塞壩潰決模型有統計模型、參數模型和物理機理模型。本文主要介紹基于參數的數值模擬和基于物理過程的數值模擬。基于參數的模型是建立在統計分析潰壩歷史資料基礎上得到的統計模型，已有的相關模型中主要采用壩體高度、庫容總量、潰決時庫內水位與潰口高差、潰決時庫內水量等作為特征參數，建立最終潰口寬度、潰決時間和洪峰流量的模型表達式。但是，由于堰塞壩潰決案例的歷史實測資料稀少且通常難以獲得，因此統計資料的選用具有較強的主觀性，導致該類統計模型的計算結果往往存在極大的不準確性。同時，該類模型只能計算出洪峰流量、潰口最終寬度和峰現時間等離散值，無法得到這些主要參數的時變連續變化值。基于物理過程的數值模擬模型是依據堰塞壩形成與發展機理，從理論角度考慮了水流運動、泥沙輸移、邊坡穩定性等因素而建立的能預測堰塞壩潰壩過程及下泄洪水過程的模型。CristofanoE.A.最早提出了模擬土石壩漫頂潰決時變過程的數值模型，HarrisG.W.等又在此基礎上建立了HW模型。隨后，FreadD.L.開發了BREACH模型，該模型采用兩種模式計算潰口展寬及形狀變化過程:一種模式是假設潰口形狀為矩形，發展變化形式同DAMBRK模型;另一種模式是通過壩體材料的特性確定臨界滑裂面，當潰口深度超過臨界深度時邊岸以臨界角度發生崩塌。由于這類模型結構簡單并且考慮了潰口發展過程，因此被廣泛應用于行業軟件中。