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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(chǎn)生的堆積物，由地震、臺風強降雨和冰磧物融化等誘發(fā)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(qū)域及下游群眾的生命財產(chǎn)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(fā)生后，共引發(fā)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(gòu)成了巨大威脅，是地震誘發(fā)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(wěn)起動到河道堆積停歇的全過程，決定了堰塞體的物質(zhì)組成和形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，與壩址所在區(qū)域的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及發(fā)生地震、臺風強降雨或冰磧物融化等誘發(fā)事件的發(fā)生概率關(guān)系密切。在一定地質(zhì)條件下，崩塌、滑坡和泥石流中的土石體具有自身的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，在地震或降雨等外界條件的激勵作用下，在坡面上失穩(wěn)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(jié)構(gòu)。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(fā)堰塞壩形成機理方面，研究者從形態(tài)、物質(zhì)組成、分布規(guī)律和穩(wěn)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(cè)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(tǒng)計分析，地震震級大于6級后，堰塞湖的數(shù)量、規(guī)模與烈度值呈正相關(guān)。一般情況下，堰塞壩將河道堵死，且壩體由堆積物組成，結(jié)構(gòu)松散，在水量增加后會在短時間內(nèi)發(fā)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(wěn)定，則堰塞壩可長期存在。針對堰塞壩的存在時間，國內(nèi)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(nèi)發(fā)生潰決，并認為100a以內(nèi)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(zhì)組成和巖土結(jié)構(gòu)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(shù)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(wěn)等。據(jù)統(tǒng)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(shù)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(fā)性，現(xiàn)場觀測的危險性極大，因此目前大多數(shù)情況下采用試驗分析和數(shù)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(jīng)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(shè)潰口以及不同的壩體材料，對潰口的發(fā)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(chǔ)、潰口的展寬變化包括側(cè)向侵蝕和垂向侵蝕等結(jié)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(guī)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(nèi)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(guān)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(fā)生在壩體內(nèi)部，較難被及時發(fā)現(xiàn)，且難以觀測獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。因此，不斷有學者開展關(guān)于管涌發(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(shè)置管涌出口。但是，實際管涌發(fā)生位置是隨機的，與地質(zhì)情況有關(guān)，一般發(fā)生在表面薄弱處。國內(nèi)外相關(guān)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(fā)展，深度在其向上游發(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)，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(shù)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(tǒng)計模型、參數(shù)模型和物理機理模型。本文主要介紹基于參數(shù)的數(shù)值模擬和基于物理過程的數(shù)值模擬。基于參數(shù)的模型是建立在統(tǒng)計分析潰壩歷史資料基礎(chǔ)上得到的統(tǒng)計模型，已有的相關(guān)模型中主要采用壩體高度、庫容總量、潰決時庫內(nèi)水位與潰口高差、潰決時庫內(nèi)水量等作為特征參數(shù)，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(tǒng)計資料的選用具有較強的主觀性，導致該類統(tǒng)計模型的計算結(jié)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(xiàn)時間等離散值，無法得到這些主要參數(shù)的時變連續(xù)變化值。基于物理過程的數(shù)值模擬模型是依據(jù)堰塞壩形成與發(fā)展機理，從理論角度考慮了水流運動、泥沙輸移、邊坡穩(wěn)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(shù)值模型，HarrisG.W.等又在此基礎(chǔ)上建立了HW模型。隨后，F(xiàn)readD.L.開發(fā)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(shè)潰口形狀為矩形，發(fā)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(fā)生崩塌。由于這類模型結(jié)構(gòu)簡單并且考慮了潰口發(fā)展過程，因此被廣泛應用于行業(yè)軟件中。
3.3堰塞壩潰決的三維視景模擬
隨著計算機圖形學、地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感等技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)合數(shù)值模擬的三維視景可視化研究受到越來越多水利專家、學者的青睞。三維視景模擬是虛擬現(xiàn)實的一種表現(xiàn)形式，是結(jié)合研究對象通過實時三維圖形技術(shù)展現(xiàn)出的逼真的虛擬現(xiàn)實場景，相對實體模型來說更精確、更易實現(xiàn)。堰塞壩潰決洪水三維視景仿真主要通過三維圖形實時展示堰塞體潰決后下游河道的洪水運動狀態(tài)，包括瞬時流量、水位、到達時間以及影響范圍等動態(tài)因素，可對潰決洪水進行實時預測和分析，從而為決策者制定防洪方案提供準確信息，降低堰塞壩潰決洪水造成的損失。冶運濤等開發(fā)了汶川地震災區(qū)堰塞湖潰決洪水淹沒過程的三維可視化系統(tǒng)，直觀展示了堰塞湖的蓄水過程和洪水演進的三維效果;陳偉利結(jié)合唐家山堰塞湖區(qū)域航空遙感影像數(shù)據(jù)及DEM高程數(shù)據(jù)，驗證了該區(qū)域的地形構(gòu)建原理及工作流程，發(fā)布后通過仿真引擎VegaPrime初步實現(xiàn)了該區(qū)域三維地形仿真系統(tǒng)的構(gòu)建;鐘登華等采用三維潰堤洪水演進數(shù)學模型對長距離調(diào)水工程進行了潰決洪水演進模擬，在虛擬現(xiàn)實平臺上開發(fā)了潰決洪水淹沒演進的三維情景仿真系統(tǒng)。相關(guān)潰決的三維視景模擬可對堤防管理，下游防洪和應急決策提供虛擬可視化情景分析與展示。
3.4堰塞湖除險減災
按照存在的時間長短，堰塞湖可分為高危型堰塞湖、穩(wěn)態(tài)型堰塞湖和即生即消型堰塞湖三種類型，其中高危型堰塞湖威脅最大，是需要實施除險減災措施的主要對象。在除險減災過程中，首先進行堰塞湖潰決致災風險評價，然后對除險減災措施進行優(yōu)化決策。由于潰決機理的復雜性，因此目前對堰塞湖的潰決預報還不成熟，而潰壩洪水的下游演進和淹沒范圍計算已有較成熟的方法和多種模型。相應地，潰口洪水過程預報的不準確、應急分析時下游河道水沙資料的不完整，大大降低了洪水演進模型的預報精度，導致了洪水淹沒分析結(jié)果及風險評價結(jié)果的顯著不確定性。在高危堰塞湖的除險處理方面，主動開挖泄流明渠、降低潰決時壩前水位是控制潰決洪水的一種有效方法，成功應用于西藏易貢堰塞湖和“5·12”汶川特大地震形成的唐家山堰塞湖、肖家橋堰塞湖的工程除險。但是，泄流明渠的開挖時機、開挖程度、開挖位置等都與除險目標(控制后的潰決洪水過程)直接相關(guān)，目前尚缺少優(yōu)化方法的研究。
4需要重點研究的若干關(guān)鍵問題
(1)堰塞體形成過程中的土石料堆積分選機制。堰塞體結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成是堰塞體破壞潰決過程模擬和預報的基本巖土參數(shù)。但是，由于堰塞湖形成突然、進入現(xiàn)場難度大、難以及時直接獲知堰塞體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成，因此需要研究建立快速判別堰塞體結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成的方法。土石料堆積分選機制作為松散土石體運動過程中的內(nèi)在力學機制，將是堰塞體物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成與源區(qū)失穩(wěn)土石體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成之間的內(nèi)在聯(lián)系。可以通過土石料堆積分選機制的研究，將堰塞體結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成的判別與源區(qū)失穩(wěn)土石體的特征識別聯(lián)系起來。
(2)強非恒定流、非均勻流下的輸沙理論。現(xiàn)有泥沙輸移理論基本上是在恒定均勻流條件下建立的，且強烈依賴于理論檢驗的輸沙資料。堰塞體潰決過程中水流和邊界發(fā)生復雜變化，具有強非恒定、非均勻特點，與潰口變形直接相關(guān)的泥沙輸移還沒有相應條件下的理論模型(包括啟動、推移質(zhì)運動、懸移質(zhì)運動等不同內(nèi)容)。同時，堰塞體松散土石料的輸移資料基本無歷史觀測資料，現(xiàn)有輸沙理論外延應用的誤差大。因此，亟需研究松散土石料的泥沙輸移特征并建立潰決水流條件下的輸沙理論模型。
(3)多機理耦合的潰口發(fā)展模型。堰塞體潰決過程中包含復雜的水土耦合作用。除了典型的水力沖刷和重力坍塌以外，還存在沿流向的沖決破壞(滑動、傾覆或撓曲破壞)。只有合理考慮這些力學機理的作用，才可能建立起可靠的潰決模型。現(xiàn)有機理模型由于在機理描述上存在不足，因此尚不能模擬從初始破壞至潰口穩(wěn)定的潰決全過程，如初始滲透變形所致的壩頂坍塌、潰口發(fā)展的潰決過程。另一方面，天然堰塞體通常顯著厚于人工土石壩，潰口發(fā)展在時間上和沿程上都極不均勻，現(xiàn)有經(jīng)驗模型和參數(shù)模型都難以應用。
(4)大尺度堰塞壩潰決實體模型試驗。目前專門針對堰塞壩的潰決過程實體模型試驗或大尺度試驗研究較少，尤其是在符合模型相似律的實體模型試驗研究方面。已有的水槽試驗研究中只局限于少數(shù)影響因素的分析，缺乏對漫頂潰決過程影響因素的系統(tǒng)性試驗分析研究。因此，有必要開展符合模型相似律的實體模型試驗，分析研究可沖蝕壩漫頂潰決機制及下泄流量變化過程。
(5)如何降低除險減災策略制定中的不確定性。堰塞湖的處置通常具有顯著的應急特征，堰塞湖、堰塞體及下游易受災地區(qū)的信息一般并不完整。為了提高除險減災措施的可靠性，通常需要通過不同方法進行對比決策。相應地，在堰塞湖入流預報、潰決過程預報和下游洪水演進、淹沒預報等環(huán)節(jié)中，基礎(chǔ)資料的誤差、預報方法的差異和誤差等都具有強烈的不確定性，從而對除險減災策略的制定及實際實施效果產(chǎn)生重要影響。在這種不確定性的實際條件下，需要估計不同環(huán)節(jié)的不確定性大小和環(huán)節(jié)之間的傳遞過程，從而尋求降低不確定性的有效方法，提高除險減災決策的可靠性、科學性。
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