紅石巖堰塞湖應(yīng)急處置的關(guān)鍵技術(shù)

王 琳，李守義，于 沭，杜效鵠，鄧 剛

（1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2.中國水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京 100048；3.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120）

紅石巖堰塞湖應(yīng)急處置的關(guān)鍵技術(shù)

王 琳1，李守義1，于 沭2，杜效鵠3，鄧 剛2

（1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2.中國水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京 100048；3.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120）

云南魯?shù)椤?·03”地震導(dǎo)致牛欄江紅石巖水電站下游600m處山體滑坡堵江，形成最大庫容達(dá)2.6億m3的堰塞湖，對下游天花板、黃角樹兩座水電站及下游3萬余人造成極大威脅，需采取及時(shí)有效的應(yīng)急處置措施。本文基于無量綱堆積體指標(biāo)法判斷堰塞湖潰決的可能性，總結(jié)該堰塞湖應(yīng)急處置措施，并對不同開挖方案泄流槽的泄流能力及運(yùn)用DB-IWHR程序的潰壩洪水對比分析，結(jié)果表明：實(shí)際采用的開挖深8m、寬5m泄流槽方案是最恰當(dāng)?shù)膽?yīng)急處置工程措施。此研究成果可供處理類似堰塞湖參考。

堰塞湖；潰壩洪水；DB-IWHR程序；泄流槽

1 研究背景

地震、暴雨等自然災(zāi)害誘發(fā)山體滑坡，堵塞河流，形成堰塞湖。在庫水位滲透作用或漫頂沖刷作用下，極易發(fā)生失控性潰壩。2014年8月3日16時(shí)30分，云南省魯?shù)榭h發(fā)生6.5級地震，導(dǎo)致火德紅鄉(xiāng)李家山村和巧家縣包谷垴鄉(xiāng)紅石巖村交界的牛欄江干流上，形成最大庫容達(dá)2.6億m3的堰塞湖，對下游天花板、黃角樹兩座水電站及下游3萬余人造成極大威脅。截止8月11日，堰塞湖水位上漲至1 180.04 m，距堰塞體壩頂僅有41.96 m。堰塞湖下游兩岸分布有魯?shù)榭h4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、巧家縣5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、昭陽區(qū)1個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，涉及3萬余人，3.3萬畝耕地，且堰塞湖水位又以每小時(shí)0.6～0.8 m的速度快速上漲，因此采取及時(shí)有效的應(yīng)急處置技術(shù)極為重要［1］。

本文采用無量綱堆積體指標(biāo)法判斷堰塞湖潰決的可能性，總結(jié)該堰塞湖應(yīng)急處置措施。對紅石巖堰塞湖應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)中泄流槽不同開挖方案重點(diǎn)探討，通過對其泄流能力及運(yùn)用中國水利水電科學(xué)研究院巖土工程研究所開發(fā)的DB-IWHR程序進(jìn)行潰壩洪水對比分析，認(rèn)為當(dāng)時(shí)開挖深8 m、寬5m的泄流槽方案是最恰當(dāng)?shù)膽?yīng)急處置工程措施。研究結(jié)果期望能為今后國內(nèi)外開展堰塞湖潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析和應(yīng)急處置措施提供技術(shù)參考。

2 紅石巖堰塞湖潰壩可能性分析

2.1 基本概況紅石巖堰塞體總方量達(dá)到0.12億m3，壩高83～96m，頂部高程1 222 m，河床高程1 120 m。堰塞體頂部左高右低，順河向平均寬度262m，橫河向平均長度301 m，頂寬約17 m，順河向底寬即堰塞體長度約910 m；壩軸線長度約307 m。后緣巖壁高度約600 m，最大坡頂高程約1 843.7 m，屬特大型崩塌。堰塞體上游綜合坡比約1∶2.5，下游綜合坡比1∶5.5，堰塞體范圍如圖1所示。根據(jù)巖性組合初步估測，最大粒徑大于5m，塊徑50 cm以上的約占50%，塊徑2～50 cm的約占35%，塊徑2 cm以下的約占15%。

在水位1 222 m時(shí)總庫容為2.6億m3，上游回水長度25 km，堰塞湖集水面積12 087 km2，是唐家山堰塞湖徑流面積的近4倍，影響人口0.9萬人、淹沒耕地8 500畝。

圖1 堰塞體范圍

2.2 潰壩可能性分析根據(jù)“堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)（SL450-2009）”［2］，屬大型堰塞湖。按該規(guī)范4.1.2，高度超過70 m屬最高級別指標(biāo)，故該堰塞體危險(xiǎn)級別為極高危險(xiǎn)。綜合考慮堰塞體的危險(xiǎn)性級別和潰決損失嚴(yán)重性級別，認(rèn)為紅石巖堰塞湖應(yīng)為風(fēng)險(xiǎn)Ⅰ級。

Casagli等［3］對84座滑坡堰塞體（阿爾卑斯和亞平寧山區(qū)36座、日本17座、美國和加拿大20座，新西蘭和印度等其他國家11座）資料的統(tǒng)計(jì)分析，歸納出分析堰塞體穩(wěn)定性的無量綱堆積體指標(biāo)法（Dimensionless Blockage Index，DBI）。

圖2 無量綱堆積體指數(shù)法計(jì)算結(jié)果

DBI由下式計(jì)算：

該方法選取壩體體積、流域面積和壩高作為評價(jià)因素：（1）Vd為壩體體積，是堰塞體要穩(wěn)定因素，它決定著壩體的自重；（2）Ab為流域面積，是堰塞體主要失穩(wěn)因素，因?yàn)樗鼪Q定河流的流量和水能；（3）Hd壩高是評價(jià)壩體遭遇漫頂和管涌破壞時(shí)的重要參數(shù)變量。一方面，壩的高度影響壩體下游坡度、漫頂時(shí)水流速度和沖蝕程度，另一方面，它控制了壩前水位和壩體內(nèi)水力比降。

圖2為84座堰塞壩及汶川地震堰塞湖、紅石巖堰塞湖無量綱堆積體指數(shù)法計(jì)算結(jié)果。當(dāng)DBI＜2.75時(shí)，壩體穩(wěn)定。當(dāng)2.75＜DBI＜3.08時(shí)，壩體介于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間的過渡區(qū)。當(dāng)DBI＞3.08時(shí)，壩體不穩(wěn)定。由于無量綱堆積體指數(shù)法選取了反映堰塞體穩(wěn)定、失穩(wěn)和漫頂或管涌破壞等主要因素的特性指標(biāo)，樣本代表性和廣泛性更強(qiáng)，因此在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)2.1節(jié)堰塞湖特征參數(shù)，計(jì)算紅石巖DBI=4.99＞3.08，壩體不穩(wěn)定，存在潰決風(fēng)險(xiǎn)。紅石巖堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)等級評定為最高級別：Ⅰ級，且處于主汛期，余震不斷，暴雨頻發(fā)，入庫流量大，堰塞湖水位上升快。如不采取處置措施，堰塞湖潰決風(fēng)險(xiǎn)日益增加，對下游沿岸人民生命財(cái)產(chǎn)造成的危害難以估量，并直接威脅著下游安全，極易引發(fā)災(zāi)害鏈，堰塞湖排險(xiǎn)處置十分必要且迫在眉睫，需要快速制定經(jīng)濟(jì)合理的處理措施。

3 紅石巖堰塞湖應(yīng)急處置

3.1 應(yīng)急處置措施

3.1.1 非工程措施 非工程措施是堰塞湖處置中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。對于紅石巖堰塞湖排險(xiǎn)處置所采取的非工程措施主要有：（1）人員避險(xiǎn)。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，考慮安全超高、距離以及可能的地質(zhì)災(zāi)害等因素，劃定上下游人員轉(zhuǎn)移避險(xiǎn)范圍。上下游兩岸共安全轉(zhuǎn)移群眾8 172人（上游1 015人、下游7 157人）。（2）上攔。位于曲靖市沾益縣的德澤水庫（距離紅石巖水電站300公里）下閘攔截上游洪水，最大限度減少入湖流量的影響。（德澤水庫于8月4日4時(shí)全部關(guān)閘，可攔截上游來水約5000萬m3）。（3）下排。為避免下游天花板、黃角樹水庫被潰壩洪水沖垮造成次生災(zāi)害，下游天花板、黃角樹電站加大下泄流量、最大限度騰出庫容，均降至死水位以下，為堰塞湖處置下泄流量提供滯洪庫容支持。并對于天花板和黃角樹水庫可能的漫頂分別進(jìn)行了加固措施。

3.1.2 工程措施

（1）壩前排水。水泵引水及排水通道常被用來減少堰前水位的抬升。紅石巖水電站引水隧洞下游靠近調(diào)壓井附近設(shè)有9 m×8 m施工支洞，施工支洞堵頭長20m，堵頭設(shè)有一道檢修通道，檢修通道直徑為1.8m，檢修通道末端設(shè)有檢修門，如圖3所示。拆除紅石巖水電站調(diào)壓井施工支洞堵頭檢修門后，檢修門孔可下泄60～90 m3/s洪量。且紅石巖水電站引水隧洞尾部調(diào)壓井與堰塞湖形成連通管，紅石巖堰塞湖水位高于水電站調(diào)壓井出口高程1 171.80m，調(diào)壓井自由泄流，如圖3所示。8月7日，引水隧洞調(diào)壓井開始溢流，下泄流量大于100m3/s。這兩項(xiàng)工程措施的應(yīng)用主要是為降低堰塞湖水位，減少堰塞湖庫容。（2）開挖泄流槽。在堰頂開挖泄流槽可以有效的控制堰塞湖水位，是堰塞湖應(yīng)急搶險(xiǎn)的優(yōu)先選擇［4］。紅石巖堰塞湖在應(yīng)急處置階段，抗震救災(zāi)指揮部初擬泄流槽底高程1 208 m，底寬20 m和5 m；泄流槽底高程1 214m，底寬20m和5m，梯形斷面，兩側(cè)邊坡為1∶1.5，4個(gè)方案。最后選擇開挖深8m寬5m的泄流槽，下文將對泄流槽的開挖措施進(jìn)行主要探討。本次施工共動(dòng)用30臺(tái)挖掘機(jī)，12臺(tái)推土機(jī)，7臺(tái)裝載機(jī)開挖泄流槽。8月8日開始開挖，8月12日結(jié)束，5天施工時(shí)間。

圖3 施工支洞及調(diào)壓井泄流

3.2 泄流槽開挖方式 泄流槽的開挖是考慮過水作用以及施工難易程度及要求降低相應(yīng)的沖刷的綜合選擇。在紅石巖堰塞湖泄流槽方案選擇時(shí)，考慮到工程措施難度及相應(yīng)的施工要求，抗震救災(zāi)指揮部綜合考慮，初擬4個(gè)方案。本節(jié)對其泄流槽的泄流能力及潰壩洪水對比分析，確定最恰當(dāng)?shù)男沽鞑坶_挖方案。

3.2.1 泄流能力比較 堰塞湖徑流量的預(yù)報(bào)是制定應(yīng)急處置措施的重要依據(jù)［5］。紅石巖堰塞湖壩址位于大沙店水文站和小河水文站之間，小河水文站實(shí)測最大洪水為1 610 m3/s?？紤]到上文提到的拆除紅石巖水電站調(diào)壓井施工支洞堵頭檢修門及利用引水隧洞調(diào)壓井井筒自由泄流的應(yīng)急處置措施，對比4種開挖方案的聯(lián)合泄流能力如圖4?？傻玫叫沽鞑鄣赘叱? 208 m、底寬5m方案在1 222m時(shí)泄流能力為2618m3/s；泄流槽底高程1 214m、底寬5m方案在1 222 m時(shí)泄流能力為1 319 m3/s；泄流槽底高程1 208m、底寬20m方案在1 222m時(shí)泄流能力為3 662 m3/s；泄流槽底高程1 214 m、底寬20 m，方案在1 222m時(shí)泄流能力為1 770m3/s。

而不同方案的溢流槽均可泄P=50%至P=2%洪水，但是除方案二外均已超過小河水文站實(shí)測最大洪水流量1 610 m3/s。綜合考慮工程實(shí)際情況認(rèn)為選擇泄流槽底高程1 214m、底寬5m方案的開挖泄流槽方案較好。

3.2.2 潰壩洪水分析 Chen等［6］提出過一種土石壩潰決計(jì)算模型，該模型原理如下。

（1）采用寬頂堰公式計(jì)算潰口流量：

圖4 不同方案的泄流流量對比

式中：B為潰口斷面的寬度；H為庫水位海拔高程；z為潰口進(jìn)口處床面高程；mq為流量系數(shù)；mb為側(cè)向收縮系數(shù)，據(jù)文獻(xiàn)［6］本文計(jì)算分別取0.36和0.9。

（2）基于結(jié)構(gòu)材料的理解，土體材料抵抗侵蝕時(shí)，不應(yīng)有無限“強(qiáng)度”，采用雙曲線形式的侵蝕率模型：

（3）采用簡化的Bishop法側(cè)向沖刷和圓弧形邊坡穩(wěn)定分析兩者聯(lián)合的側(cè)向擴(kuò)展模式計(jì)算引流槽側(cè)向崩塌過程，其下切和橫向擴(kuò)展如圖5所示。接近其極值的單位變換因子，取100；1/a表示ν等于0時(shí)，雙曲線的斜率；1/b為

圖5 潰口側(cè)向崩塌過程

“堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)（SL450-2009）”規(guī)定風(fēng)險(xiǎn)等級為Ⅰ級時(shí)，應(yīng)急處置時(shí)期的洪水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不小于5年一遇，但規(guī)范中并未明確規(guī)定洪水重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)［7］在堰塞湖潰決洪水分析的基礎(chǔ)上，對高風(fēng)險(xiǎn)等級堰塞湖應(yīng)急處置時(shí)期的洪水重現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)提出了明確的準(zhǔn)建議值，建議Ⅰ級高風(fēng)險(xiǎn)堰塞湖應(yīng)急處置期的洪水標(biāo)準(zhǔn)取20年為宜，故洪水過程選擇重現(xiàn)期20年一遇。

潰壩洪水對不開挖引流槽和開挖引流槽（底寬5m，深8m，底寬5m，深16m，底寬20m，深8m，底寬20m，深16 m）4種方案進(jìn)行潰決洪水分析，因紅石巖堰塞體粒徑和唐家山堰塞體較相似，采用唐家山反演過程中采用的相同水力學(xué)和巖土力學(xué)指標(biāo)。本文參考唐家山堰塞體反演的結(jié)果，認(rèn)為潰口的擴(kuò)展速度為1.43mm/s。采用DB-IWHR程序?qū)t石巖堰塞湖潰壩洪水進(jìn)行分析。

圖6 潰壩洪水流量對比分析

表1 各方案潰壩洪水特征數(shù)據(jù)

從圖6中可以看出開挖泄流槽可以明顯降低洪峰流量。由表1可見開挖深8m泄流槽，潰壩洪水流量從8 278m3/s降到7 420m3/s，洪峰流量減少858.09m3/s，而開挖14m引流槽從8 278.09m3/s下降1 173 m3/s左右，降到7 105 m3/s。開挖泄流槽具有明顯的減災(zāi)效果。而對于同一開挖高程的泄流槽上，開挖泄流槽寬度對于洪峰流量的影響不是很大。開挖14m深的泄流槽，底寬5m和20m，潰壩流量相差僅40 m3/s左右，開挖8m深的泄流槽，底寬5 m和20 m，潰壩流量相差僅20 m3/s左右，而開挖底寬20m的泄流槽施工難度和施工時(shí)間要大大超過開挖底寬5m的泄流槽。

開挖泄流槽是結(jié)合工程實(shí)際可行性和降低洪峰流量的經(jīng)濟(jì)合理的工程措施方案。開挖底寬分別為5m及20m時(shí)施工時(shí)間分別約需5 d及10 d。由于紅石巖堰塞湖河段屬構(gòu)造剝蝕為主的中高山狹谷區(qū)，兩岸谷深、坡陡，大型工程設(shè)施難以快速展開工作，結(jié)合上文提到的拆除調(diào)壓井施工支洞堵頭檢修門及利用引水隧洞調(diào)壓井井筒自由泄流的泄流能力比較分析，選擇深8m、寬5m的引流槽方案是最恰當(dāng)?shù)囊鞑坶_挖措施。表明文獻(xiàn)［8］提出的紅石巖堰塞湖應(yīng)急處置中開挖泄流槽方案是合理的。

4 結(jié)論

（1）本文采用無量綱堆積體指標(biāo)法判斷堰塞湖潰決的可能性，并對該堰塞湖應(yīng)急處置措施重點(diǎn)分析，通過對其工程措施、非工程措施分析對比，認(rèn)為其有效的降低了堰塞湖壩前水位，減少了堰塞湖庫容，成功的降低了堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)。

（2）對紅石巖堰塞湖應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)中泄流槽不同開挖方案重點(diǎn)探討，對其泄流能力及運(yùn)用DB-IWHR程序進(jìn)行潰壩洪水對比分析，認(rèn)為開挖深8m、寬5m的泄流槽方案是最恰當(dāng)?shù)膽?yīng)急處置措施，驗(yàn)證了實(shí)際開挖泄流槽方案的合理性。

（3）本文提出一種堰塞湖處置的思路，堰塞湖發(fā)生時(shí)需要迅速確定其風(fēng)險(xiǎn)級別及探究其潰壩可能性，并因地制宜的選擇工程措施，并綜合泄流能力及潰壩洪水對比分析快速確定堰塞湖泄流槽開挖方案，為應(yīng)急處置措施提供技術(shù)支撐。

（4）但是本文對于堰塞湖開槽對上下游影響未做深入探討，而且由于抗震救災(zāi)時(shí)間緊迫未對其侵蝕率重要參數(shù)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行反演計(jì)算。期望下一步能做深入的研究。

參 考 文 獻(xiàn)：

［1］ 中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)有限公司，中國水利水電科學(xué)研究院.云南省魯?shù)椤?·03”地震牛欄江紅石巖堰塞湖應(yīng)急排險(xiǎn)處置報(bào)告［R］.2014.

［2］ 中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).SL450-2009，堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)［S］.2009.

［3］ Erm ini，Casagli.Prediction of the behaveiour of landslide dams using a geomorphological dimensionless index，Earth Surf.Process.Landforms 2003，28：31-47.

［4］ 王兆印，崔 鵬，劉懷湘.汶川地震引發(fā)的山地災(zāi)害以及堰塞湖的管理方略［J］.水利學(xué)報(bào)，2010，41（7）：757-763.

［5］ 趙志軒，嚴(yán)登華，王浩，等.基于WEP模型和TRMM_PR的唐家山堰塞湖入湖徑流預(yù)報(bào)［J］.水利學(xué)報(bào)，2011，42（7）：848-861.

［6］ Chen Z，Ma L，Yu S，et al.Back Analysis of the Draining Process of the Tangjiashan Barrier Lake［J］.Journal of Hydraulic Engineering（online publication），

［7］ 周興波，李守義，陳祖煜，等.高風(fēng)險(xiǎn)等級堰塞湖應(yīng)急處置洪水重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2015，46（4）：405-413.

［8］ 劉寧.紅石巖堰塞湖排險(xiǎn)處置與統(tǒng)合管理［J］.中國工程科學(xué)，2014，16（10）：39-46.

Key techniques for the emergency disposal of Hongshiyan landslide dam

WANG Lin1，LI Shouyi1，YU Shu2，DU Xiaohu3，DENG Gang2
（1.College ofWater Resourcesand Hydropower Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2.Department of Geotechnical Engineering，IWHR，Beijing 100048，China；3.China Renewable Energy Engineering Institute，Beijing 100120，China）

Hongshiyan landslide dam which formed on landslide at 600 m downstream of Hongshiyan Hydro?power Station caused by“8·03”Ludian Yunnan earthquake blocked the Niulan river.It has a storage capaci?ty of 260 million m3.The downstream hydropower stations（Tianhuaban and Huangjiaoshu）and 30，000 res?idents face the risk of overtopping if the landslide dam breaks.Taking timely and effective emergency mea?sures is essential.This paper analyzes the dam break possibility based on Dimensionless Blockage Index and summarizes the emergency disposal measures.It studys on choosing discharge chute excavation pro?grams of emergency disposal by analyzing discharge capacity and using DB-IWHR program to analyze con?trastively dam break flood.It is considered that excavating discharge chute of depth which is 8 mdeep and 5m wide is the most appropriate engineering measures.This finding may beconsulted in other emergency m igigation works for landslide dams.

landslide dam；dam break flood；DB-IWHR；discharge chute

P333

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.04.007

11672-3031（2015）04-0284-06

（責(zé)任編輯：李 琳）

2015-04-26

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（2013CB036400）

王琳（1989-），女，陜西人，博士生，主要從事潰壩模擬及災(zāi)害應(yīng)急處置研究。E-mail：ruoshuiya@163.com