金沙江白格堰塞湖潰壩洪水分析

周興波，杜效鵠，姚 虞

(水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京100120)

0 引 言

堰塞湖是滑坡、火山、冰川等成因?qū)е绿烊徊牧隙氯拥蓝纬傻囊环N阻塞性的湖泊，阻塞河道的物質(zhì)一般統(tǒng)稱為堰塞體或堰塞壩[1]。由于堰塞體沒有泄洪設(shè)施，在上游持續(xù)來流、庫水浸泡、掏蝕和沖刷作用下，極易發(fā)生漫頂過流失控性潰壩，對下游梯級水庫、電站及沿岸居民危害極大[2]。分析堰塞壩的潰決過程，是降低堰塞壩潰決洪水對下游區(qū)域災(zāi)害損失的有效手段，可為下游危險區(qū)域人員撤離和制定應(yīng)急處置措施提供科學(xué)依據(jù)[3- 6]。

2018年10月10日22∶06，西藏自治區(qū)昌都市江達(dá)縣波羅鄉(xiāng)境內(nèi)發(fā)生山體滑坡，堵塞金沙江干流河道，形成堰塞湖?；麦w體積約3 500萬m3，滑入金沙江形成堰塞體體積約2 400萬m3。根據(jù)來水流量分析，本次“10·11”白格堰塞湖會很快自然漫頂過流。10月12日17∶20，堰塞湖水位漲至壩頂高程2 925 m，庫水開始漫頂自流，至13日6∶00左右，潰決達(dá)到洪峰流量約10 000 m3/s，下游在建的葉巴灘、蘇洼龍水電站導(dǎo)流洞過流，雖造成一定損失，但影響可控[7]。

2018年11月3日17∶40左右，白格堰塞湖原山體滑坡點發(fā)生二次滑坡，下滑山體約160萬m3，并鏟刮坡體約660萬m3，共約820萬m3，堵塞上次自然泄流通道，堰塞體總體積約3 020萬m3。鑒于此次堰塞湖規(guī)模比“10·11”白格堰塞湖規(guī)模大3倍多，為保障下游沿岸居民和在建葉巴灘、蘇洼龍水電站、已建梨園水電站的安全，通過分析預(yù)測與研判，最終本次“11·03”白格堰塞湖應(yīng)急除險采取了“堰塞體人工干預(yù)開挖導(dǎo)流槽、蘇洼龍水電站圍堰破拆、梨園水電站應(yīng)急騰庫”等應(yīng)急處置措施。11月8日，現(xiàn)場搶險挖掘機(jī)抵達(dá)堰塞壩頂，通過3天的連續(xù)拼搏，一條長220 m的倒梯形導(dǎo)流槽施工完成。堰塞壩埡口高程降低至2 952.5 m，減少堰塞湖庫容約2.16億m3。11月12日5∶00，堰塞湖水位漲至導(dǎo)流槽底高程2 952.5 m，至18∶00堰塞壩潰決達(dá)到洪峰流量33 900 m3/s[8]。15日8∶00，堰塞湖入庫流量507 m3/s，出庫流量529 m3/s，剩余庫容0.79億m3，出入庫水量平衡，水位穩(wěn)定，險情解除。

筆者在唐家山堰塞湖、紅石巖堰塞湖潰壩洪水分析的基礎(chǔ)上[2，6，9]，參與兩次白格堰塞湖應(yīng)急搶險工作，分析預(yù)測了潰決洪峰流量，為短時間內(nèi)制定合理可行的應(yīng)急處置方案提供了有力的技術(shù)支撐。

1 堰塞湖潰壩洪水計算模型

目前，堰塞湖潰壩洪水計算模型大致可歸為兩類，一類是基于水量平衡，采用寬頂堰流公式計算潰口流量過程；另一類則是基于圣維南方程組，通過附加邊界條件，采用有限差分法求得近似解而獲得潰口流量過程。這兩類方法各有所長，但由于堰塞湖應(yīng)急搶險時間緊、任務(wù)重，需要與時間賽跑，必須短時間獲得較好的計算結(jié)果。因此，筆者采用前者方法建立潰壩洪水計算模型，采用后者計算潰壩洪水波演進(jìn)，相關(guān)成果已發(fā)表，現(xiàn)就其基本原理進(jìn)行簡單回顧[2,10]。

1.1 潰口洪水計算

1.1.1水量平衡

堰塞湖潰壩過程中，總水量保持平衡，即

(1)

式中，V為堰塞湖蓄水庫容；t為時間；I為入庫流量；O為出庫流量，包括通過潰口和泄流設(shè)施的流量。

1.1.2潰口流量

寬頂堰公式可近似計算潰口流量[11]，通?？刹捎孟率?/p>

(2)

式中，B為潰口斷面的寬度；H為堰塞湖水位高程；z為潰口進(jìn)口底高程；mq、mb分別為流量系數(shù)和側(cè)向收縮系數(shù)，據(jù)文獻(xiàn)[12]本文計算分別取0.36和0.9。

1.1.3潰口擴(kuò)展

模型認(rèn)為初始潰口為倒梯形，采用圓弧穩(wěn)定分析的總應(yīng)力方法計算潰口擴(kuò)展過程，其下切和橫向擴(kuò)展如圖1a所示，為計算方便，計算過程采用圖1b簡化模式。

圖1 潰口側(cè)向崩塌過程

1.1.4潰口侵蝕

采用雙曲線形式的潰口侵蝕模型，即

(3)

式中，dz/dt為侵蝕率；τc和τ分別為臨界剪應(yīng)力和剪應(yīng)力，據(jù)文獻(xiàn)[13，14]，可得

τ=γRJ=γn2V2/R1/3≈γn2V2/h1/3

(4)

式中，γ為水容重；J為引流槽坡降；R為水力半徑，若潰口寬度B遠(yuǎn)大于流深h時，R可近似取h，n為糙率，取0.025，1/a表示τ=τc時，雙曲線的斜率，1/b為dz/dt的極值，如圖2所示。

圖2 侵蝕率雙曲線模型

1.2 洪水波演進(jìn)計算

天然河道洪水波演進(jìn)，其實質(zhì)為求解一維淺水運動方程

(5)

本文計算采用中心格式的有限體積法，通過修正的HLL(Harten-Lax-van Leer)格式離散水流演進(jìn)方程，從而采用近似求解的Riemann解代替其精確解[15]。

圖3 “10·11”滑坡前后對比示意(來源：四川測繪地理信息局)

2 白格堰塞湖漫頂潰壩洪水分析

“10·11”和“11·03”白格堰塞湖安全泄流分別為自行漫頂溢流和人工開挖導(dǎo)流槽泄流，為堰塞湖應(yīng)急處置最常見的兩種方式。作為典型案例，白格堰塞湖兩次潰壩洪水分析及安全處置措施可為類似的堰塞體或土石壩應(yīng)急除險提供借鑒。

2.1 白格堰塞湖概況

白格堰塞壩位于西藏自治區(qū)江達(dá)縣波羅鄉(xiāng)白格村附近，距離上游規(guī)劃的波羅水電站20 km，距離下游在建的葉巴灘水電站54 km，蘇洼龍水電站223.5 km?！?0·11”滑坡前后對比見圖3，“11·03”滑坡后形成堰塞湖見圖4。白格堰塞湖基本特征參數(shù)見表1，庫容水位曲線見圖5。

2.2 “10·11”白格堰塞湖潰壩洪水計算

根據(jù)“10·11”堰塞湖庫容水位關(guān)系、上游來流量、潰口擴(kuò)展參數(shù)并以唐家山堰塞壩、紅石巖堰塞壩沖刷侵蝕參數(shù)為經(jīng)驗，取潰壩計算參數(shù)如表2。

由于“10·11”白格堰塞湖潰決過程未能測得水位，故采用1.2節(jié)洪水波演進(jìn)方法將計算潰壩洪水流量過程演進(jìn)至下游54 km處的葉巴灘水電站，并與其實測值進(jìn)行對比分析。其中，考慮潰壩洪水河道滯洪作用顯著，糙率取0.08，坡降取0.25 %，時間步長30 s，河道斷面形狀假定為底寬45 m，河岸邊坡0.3的倒梯形。潰壩洪水流量過程和演進(jìn)至葉巴灘電站的流量過程計算結(jié)果見圖6。

“10·11”白格堰塞湖形成時，上游平均來流量約1 300 m3/s，堰塞湖水位上漲速度較快。10月12日17∶20，堰塞湖水位漲至壩頂高程2 925 m。由圖6可以看出，直至13日0∶00左右，沖刷侵蝕作用加劇，潰口擴(kuò)大，潰口流量急劇增大，至13日5∶40左右達(dá)到約10 600 m3/s的洪峰流量，并歷經(jīng)約2 h演進(jìn)至下游54 km的葉巴灘電站，峰值流量坦化作用衰減至8 360 m3/s，與葉巴灘水電站實測13日8∶00達(dá)到峰值流量7 770 m3/s較為接近。

表1 白格堰塞湖基本參數(shù)

注：*表示二次滑坡形成新堰塞堆積體順河向長度。

表2 “10·11”潰壩計算輸入?yún)?shù)

表3 “11·03”潰壩計算輸入?yún)?shù)

圖4 “11·03”滑坡及堰塞壩體

圖5 白格堰塞湖庫容水位曲線

圖6 計算潰壩洪水及演進(jìn)至葉巴灘流量與實測值對比

2.3 “11·03”白格堰塞湖潰壩洪水計算

根據(jù)“11·03”堰塞湖庫容水位關(guān)系、上游來流量、潰口擴(kuò)展參數(shù)并取“11·03”白格堰塞壩相同的沖刷侵蝕參數(shù)，見表3。

鑒于“11·03”白格堰塞湖庫容約為“10·11”白格堰塞湖的3.5倍，為最大程度的降低堰塞壩潰決洪峰流量，“11·03”堰塞壩采取了人工干預(yù)開挖底寬3 m，深13.5 m，頂寬42 m，順河向長約220 m的導(dǎo)流槽(見圖7)，將堰塞壩頂高程由2 966 m降低至2 952.5 m，減小堰塞湖庫容約2.1億m3。在應(yīng)急處置決策過程中，分別計算了多組開挖人工導(dǎo)流槽和不開挖人工導(dǎo)流槽對潰壩洪峰流量的影響情況，最終結(jié)合現(xiàn)場施工條件確定了開挖人工導(dǎo)流槽的斷面尺寸。開挖人工導(dǎo)流槽、不開挖人工導(dǎo)流槽堰塞壩潰決洪水流量過程及此次堰塞壩潰決實測過程見圖8。

圖7 人工開挖的導(dǎo)流槽

圖8 計算潰壩洪水流量與實測值對比

由圖8實測數(shù)據(jù)可以看出，11月13日14∶00堰塞壩潰決流量為245 m3/s，此前潰決流量小于200 m3/s，此后堰塞壩沖刷侵蝕加劇，至18∶20達(dá)到潰壩峰值流量33 900 m3/s，至20∶00潰壩峰值流量降至7 700 m3/s。由圖8開挖和不開挖導(dǎo)流槽潰壩洪水計算結(jié)果可以看出，若不開挖人工導(dǎo)流槽，堰塞壩潰決洪峰將達(dá)到44 300 m3/s，達(dá)到洪峰時間將推后1～2 h。

3 結(jié) 論

流域中的堰塞湖對上下游梯級水電站及沿岸居民危害極大，且處置時間緊迫，準(zhǔn)確分析預(yù)測堰塞湖潰壩洪峰流量對應(yīng)急處置方案制定至關(guān)重要。本文在白格堰塞湖應(yīng)急搶險預(yù)測分析的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)急除險后的實測數(shù)據(jù)對比分析，主要結(jié)論如下：

(1)通過“10·11”和“11·03”白格堰塞湖潰壩洪水流量過程計算分析，數(shù)值計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本一致，驗證了沖刷侵蝕模型在堰塞壩潰決過程中的可行性和穩(wěn)定性。

(2)沖刷侵蝕模型準(zhǔn)確分析潰壩洪峰流量的關(guān)鍵參數(shù)為侵蝕率b，即單位時間內(nèi)水流沖刷侵蝕壩體的厚度。通過實測數(shù)據(jù)對比表明，白格堰塞湖潰壩過程分析中，侵蝕率b取0.000 5是合適的，也就是說白格堰塞壩沖刷侵蝕過程中每秒的沖刷侵蝕深度約為2 mm。

(3)通過“10·11”白格堰塞湖潰壩洪水過程反演分析，并將計算值演進(jìn)至葉巴灘水電站與實測值對比，結(jié)果表明，盡管堰塞湖水位漲至堰塞壩頂高程，但初始階段過流量很小，大致不超過100 m3/s，歷時6 h后潰口流量才急劇增大，至13日5∶40達(dá)到約10 600 m3/s的洪峰流量，歷經(jīng)約2 h演進(jìn)至下游54 km的葉巴灘水電站，潰壩洪峰演進(jìn)平均流速約為6.5 m/s。

(4)通過“11·03”白格堰塞壩不開挖人工導(dǎo)流槽和開挖人工導(dǎo)流槽潰壩洪水分析，結(jié)果表明，開挖人工導(dǎo)流槽有效降低了堰塞湖庫容，進(jìn)而使得潰壩洪峰流量由44 300 m3/s降低至33 900 m3/s，潰壩峰值流量降低10 400m3/s，最大程度地降低了下游各梯級水電站應(yīng)對堰塞壩潰決洪水的風(fēng)險。

(5)本次白格堰塞湖應(yīng)急處置工程措施、潰壩洪水分析模型及相關(guān)計算參數(shù)的選取可供今后類似土石壩、堰塞壩及尾礦壩風(fēng)險分析與應(yīng)急管理參考。