简谈堰塞坝及其溃决模拟研究评述论文

　　1引言
　　堰塞坝是一类自然作用下产生的堆积物，由地震、台风强降雨和冰碛物融化等诱发山体崩塌、滑坡以及泥石流堵塞河道所形成。在堰塞坝的壅堵作用下，往往会汇集水流形成堰塞湖，对周边区域及下游群众的生命财产安全带来极大的威胁。在极端自然条件下，堰塞坝的形成愈加频繁，如2000年4月9日，西藏易贡滑坡完全堵塞易贡藏布江，形成了长2.5km、宽2.5km、最厚100m、平均厚60m的堰塞体。2008年＂5·12＂汶川8.0级特大地震发生后，共引发了10000多处崩塌、滑坡、泥石流，形成了256处堰塞湖，其中唐家山堰塞湖库容约为3.14亿m3，既淹没了上游村落，又对下游北川、绵阳等地上百万人口构成了巨大威胁，是地震诱发形成的极高危堰塞湖的典型代表之一。
　　2堰塞坝的形成与基本特征
　　堰塞坝的形成涉及土石体从坡面上失稳起动到河道堆积停歇的全过程，决定了堰塞体的物质组成和形态结构特征，与坝址所在区域的地层岩性、地质构造以及发生地震、台风强降雨或冰碛物融化等诱发事件的发生概率关系密切。在一定地质条件下，崩塌、滑坡和泥石流中的土石体具有自身的物质结构，在地震或降雨等外界条件的激励作用下，在坡面上失稳起动直至堵河停歇的过程中，通过复杂的动力学作用塑造出特定的堰塞体组成结构。滑坡是堰塞坝形成的最主要的形式，岸坡向河床方向高速滑动，受到对面岸坡的阻挡后堆积至河床上，形成堰塞坝，随着水流的不断汇集，堰塞湖逐步形成。在常见的地震诱发堰塞坝形成机理方面，研究者从形态、物质组成、分布规律和稳定性等多个角度进行了详细的分析和探讨。该类型堰塞坝的形成条件，主要是位置处于高山峡谷河段，河道两岸或者其中一侧存在较为破碎的基岩或松散堆积体，同时地震需达到6级以上。同时，通过历史资料统计分析，地震震级大于6级后，堰塞湖的数量、规模与烈度值呈正相关。一般情况下，堰塞坝将河道堵死，且坝体由堆积物组成，结构松散，在水量增加后会在短时间内发生漫顶溃决;若堰塞坝未能将河道完全堵死，或存在其他泄流通道，堰塞湖入流与泄流平衡且坝体稳定，则堰塞坝可长期存在。针对堰塞坝的存在时间，国内外学者也进行了充分探讨，认为堰塞坝寿命从几分钟到几千年不等，80%的堰塞坝会在1a内发生溃决，并认为100a以内溃决的堰塞坝均为高危型堰塞坝。
　　3堰塞坝溃决的模拟
　　受入湖流量、库容大小、被堵河道几何特征、堰塞体几何形状、堰塞体物质组成和岩土结构等的影响，堰塞湖的溃决过程十分复杂，溃决机理、溃决模式、溃决过程参数呈多样化特征。从已溃决的堰塞坝破坏方式来看，主要有坝顶溢流、渗漏、管涌、余震或人为因素造成的坝体滑坡、失稳等。据统计，堰塞坝溃坝以漫顶溃坝为主，所占比例约为71.6%，如四川省叠溪地震形成的堰塞坝、雅砻江右岸唐古栋滑坡形成的堰塞坝等。研究堰塞坝溃决可采用天然观测资料分析、水槽试验、实体模型试验和数值模拟等方法，但是，由于获取天然观测资料通常需要耗费大量的人力和财力，且堰塞坝的溃决具有较强的不确定性和突发性，现场观测的危险性极大，因此目前大多数情况下采用试验分析和数值模拟的方法开展可冲蚀坝漫顶溃决过程研究。
　　3.1堰塞坝溃决试验模拟
　　3.1.1溃坝水槽试验
　　由于溃坝造成了巨大的人员伤亡及经济损失，因此早在20世纪中期国外一些学者便对漫顶溃坝展开了水槽试验研究。大量学者通过预设溃口以及不同的坝体材料，对溃口的发展变化过程及下泄洪水进行了研究分析，得出了坝体坡面的冲刷以泥沙输移过程为基础、溃口的展宽变化包括侧向侵蚀和垂向侵蚀等结论。
　　3.1.2溃坝模型试验
　　(1)漫顶溃坝模型试验。20世纪中期，美国开展了规模较大的模型溃坝试验，得到了不同坝体材料情况下的冲刷速率;奥地利针对堆石坝溃决过程也进行了大量的室内试验研究，最大坝高5.5m，其溃决时间比尺与美国的基本一致，还得出了相同护坡条件下不同坝体坡度与临界水头之间的关系。
　　(2)管涌溃坝模型试验。管涌是导致堰塞坝溃决的原因之一。堰塞坝坝体管涌发生在坝体内部，较难被及时发现，且难以观测获得相关数据。因此，不断有学者开展关于管涌发展过程的模型试验研究，尝试通过可视化试验来研究管涌形成、发展过程及物理机制。可视化试验多是模拟堤基管涌，该类管涌一般发生在透水性较强的砂土层，砂土层上面是透水性较弱的黏土堤身或黏土层。试验采用透明有机玻璃板代替堤身或黏土层覆盖在砂槽土体表面，可在试验过程中透过有机玻璃板观察砂土层中的管涌现象，通常在上覆有机玻璃板开孔来模拟黏土层表面的薄弱点或直接在土槽下游断面上设置管涌出口。但是，实际管涌发生位置是随机的，与地质情况有关，一般发生在表面薄弱处。国内外相关学者通过大量的试验得到了丰富的成果:管涌侵蚀由管涌口逐渐向上游发展，深度在其向上游发展的过程中基本保持不变，截面为宽浅型的`倒梯形，边壁的明显冲刷扩张发生在管涌通道贯穿上下游之后;通过多种土样的管涌试验还发现，虽然管涌通道的宽度随着通道的延伸而增大，但是通道尖端的尺寸始终保持不变。
　　3.2堰塞坝溃决数值模拟
　　坝体的溃决过程受入库流量、库容、坝体形状和坝体材料特性等多方面因素的影响，按照溃决物理机制来划分，堰塞坝溃决模型有统计模型、参数模型和物理机理模型。本文主要介绍基于参数的数值模拟和基于物理过程的数值模拟。基于参数的模型是建立在统计分析溃坝历史资料基础上得到的统计模型，已有的相关模型中主要采用坝体高度、库容总量、溃决时库内水位与溃口高差、溃决时库内水量等作为特征参数，建立最终溃口宽度、溃决时间和洪峰流量的模型表达式。但是，由于堰塞坝溃决案例的历史实测资料稀少且通常难以获得，因此统计资料的选用具有较强的主观性，导致该类统计模型的计算结果往往存在极大的不准确性。同时，该类模型只能计算出洪峰流量、溃口最终宽度和峰现时间等离散值，无法得到这些主要参数的时变连续变化值。基于物理过程的数值模拟模型是依据堰塞坝形成与发展机理，从理论角度考虑了水流运动、泥沙输移、边坡稳定性等因素而建立的能预测堰塞坝溃坝过程及下泄洪水过程的模型。CristofanoE.A.最早提出了模拟土石坝漫顶溃决时变过程的数值模型，HarrisG.W.等又在此基础上建立了HW模型。随后，FreadD.L.开发了BREACH模型，该模型采用两种模式计算溃口展宽及形状变化过程:一种模式是假设溃口形状为矩形，发展变化形式同DAMBRK模型;另一种模式是通过坝体材料的特性确定临界滑裂面，当溃口深度超过临界深度时边岸以临界角度发生崩塌。由于这类模型结构简单并且考虑了溃口发展过程，因此被广泛应用于行业软件中。
　　3.3堰塞坝溃决的三维视景模拟
　　随着计算机图形学、地理信息系统(GIS)、遥感等技术的快速发展，结合数值模拟的三维视景可视化研究受到越来越多水利专家、学者的青睐。三维视景模拟是虚拟现实的一种表现形式，是结合研究对象通过实时三维图形技术展现出的逼真的虚拟现实场景，相对实体模型来说更精确、更易实现。堰塞坝溃决洪水三维视景仿真主要通过三维图形实时展示堰塞体溃决后下游河道的洪水运动状态，包括瞬时流量、水位、到达时间以及影响范围等动态因素，可对溃决洪水进行实时预测和分析，从而为决策者制定防洪方案提供准确信息，降低堰塞坝溃决洪水造成的损失。冶运涛等开发了汶川地震灾区堰塞湖溃决洪水淹没过程的三维可视化系统，直观展示了堰塞湖的蓄水过程和洪水演进的三维效果;陈伟利结合唐家山堰塞湖区域航空遥感影像数据及DEM高程数据，验证了该区域的地形构建原理及工作流程，发布后通过仿真引擎VegaPrime初步实现了该区域三维地形仿真系统的构建;钟登华等采用三维溃堤洪水演进数学模型对长距离调水工程进行了溃决洪水演进模拟，在虚拟现实平台上开发了溃决洪水淹没演进的三维情景仿真系统。相关溃决的三维视景模拟可对堤防管理，下游防洪和应急决策提供虚拟可视化情景分析与展示。
　　3.4堰塞湖除险减灾
　　按照存在的时间长短，堰塞湖可分为高危型堰塞湖、稳态型堰塞湖和即生即消型堰塞湖三种类型，其中高危型堰塞湖威胁最大，是需要实施除险减灾措施的主要对象。在除险减灾过程中，首先进行堰塞湖溃决致灾风险评价，然后对除险减灾措施进行优化决策。由于溃决机理的复杂性，因此目前对堰塞湖的溃决预报还不成熟，而溃坝洪水的下游演进和淹没范围计算已有较成熟的方法和多种模型。相应地，溃口洪水过程预报的不准确、应急分析时下游河道水沙资料的不完整，大大降低了洪水演进模型的预报精度，导致了洪水淹没分析结果及风险评价结果的显著不确定性。在高危堰塞湖的除险处理方面，主动开挖泄流明渠、降低溃决时坝前水位是控制溃决洪水的一种有效方法，成功应用于西藏易贡堰塞湖和＂5·12＂汶川特大地震形成的唐家山堰塞湖、肖家桥堰塞湖的工程除险。但是，泄流明渠的开挖时机、开挖程度、开挖位置等都与除险目标(控制后的溃决洪水过程)直接相关，目前尚缺少优化方法的研究。
　　4需要重点研究的若干关键问题
　　(1)堰塞体形成过程中的土石料堆积分选机制。堰塞体结构和物质组成是堰塞体破坏溃决过程模拟和预报的基本岩土参数。但是，由于堰塞湖形成突然、进入现场难度大、难以及时直接获知堰塞体内部结构和物质组成，因此需要研究建立快速判别堰塞体结构和物质组成的方法。土石料堆积分选机制作为松散土石体运动过程中的内在力学机制，将是堰塞体物质结构和组成与源区失稳土石体的物质结构和组成之间的内在联系。可以通过土石料堆积分选机制的研究，将堰塞体结构和物质组成的判别与源区失稳土石体的特征识别联系起来。
　　(2)强非恒定流、非均匀流下的输沙理论。现有泥沙输移理论基本上是在恒定均匀流条件下建立的，且强烈依赖于理论检验的输沙资料。堰塞体溃决过程中水流和边界发生复杂变化，具有强非恒定、非均匀特点，与溃口变形直接相关的泥沙输移还没有相应条件下的理论模型(包括启动、推移质运动、悬移质运动等不同内容)。同时，堰塞体松散土石料的输移资料基本无历史观测资料，现有输沙理论外延应用的误差大。因此，亟需研究松散土石料的泥沙输移特征并建立溃决水流条件下的输沙理论模型。
　　(3)多机理耦合的溃口发展模型。堰塞体溃决过程中包含复杂的水土耦合作用。除了典型的水力冲刷和重力坍塌以外，还存在沿流向的冲决破坏(滑动、倾覆或挠曲破坏)。只有合理考虑这些力学机理的作用，才可能建立起可靠的溃决模型。现有机理模型由于在机理描述上存在不足，因此尚不能模拟从初始破坏至溃口稳定的溃决全过程，如初始渗透变形所致的坝顶坍塌、溃口发展的溃决过程。另一方面，天然堰塞体通常显著厚于人工土石坝，溃口发展在时间上和沿程上都极不均匀，现有经验模型和参数模型都难以应用。
　　(4)大尺度堰塞坝溃决实体模型试验。目前专门针对堰塞坝的溃决过程实体模型试验或大尺度试验研究较少，尤其是在符合模型相似律的实体模型试验研究方面。已有的水槽试验研究中只局限于少数影响因素的分析，缺乏对漫顶溃决过程影响因素的系统性试验分析研究。因此，有必要开展符合模型相似律的实体模型试验，分析研究可冲蚀坝漫顶溃决机制及下泄流量变化过程。
　　(5)如何降低除险减灾策略制定中的不确定性。堰塞湖的处置通常具有显著的应急特征，堰塞湖、堰塞体及下游易受灾地区的信息一般并不完整。为了提高除险减灾措施的可靠性，通常需要通过不同方法进行对比决策。相应地，在堰塞湖入流预报、溃决过程预报和下游洪水演进、淹没预报等环节中，基础资料的误差、预报方法的差异和误差等都具有强烈的不确定性，从而对除险减灾策略的制定及实际实施效果产生重要影响。在这种不确定性的实际条件下，需要估计不同环节的不确定性大小和环节之间的传递过程，从而寻求降低不确定性的有效方法，提高除险减灾决策的可靠性、科学性。