白格堰塞湖潰決洪水特性分析及其對下游梯級電站的影響

鄧 則 軍

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

當崩滑體、泥石流、冰川沉積物和火山噴出物等固體物質(zhì)在較短時間內(nèi)快速堆積形成結構松散的壩體時，河道因之受阻而形成具有一定庫容的湖泊，即堰塞湖[1]。堰塞湖本身構造極不穩(wěn)定，在河道上游持續(xù)來流的情況下，堰塞湖水位將在短時間內(nèi)急劇上升，從而誘發(fā)上游區(qū)域淹沒，對上游沿岸居民生命、財產(chǎn)安全以及自然環(huán)境等造成重大威脅。

據(jù)統(tǒng)計[2]，大多數(shù)堰塞體在湖水持續(xù)浸泡、掏蝕及沖刷等作用下最終發(fā)生漫流潰壩，產(chǎn)生的巨大洪水也會對下游沿岸居民以及對下游水庫、電站等造成嚴重影響。如雅魯藏布江支流易貢湖2000年4月9日，由于發(fā)生特大崩塌型泥石流而形成堰塞壩，之后，堰塞湖水位以每天1 m的速度上漲，至當年6月10日發(fā)生潰決，漲水歷時62 d，攔蓄水量達30億m3，累計水位上漲55.36 m，最大水深62.06 m[3]；新西蘭亞當斯山在1999年10月6日發(fā)生大面積山體滑坡(1 000～1 500萬m3)形成約120 m高的堰塞體，造成波伊魯阿河阻塞，短時間內(nèi)形成一座長1 200 m，寬350 m，深80 m，庫容500～700萬m3的堰塞湖，之后1周左右，在大雨作用下導致堰塞湖潰決，最終發(fā)生重大地質(zhì)災害[4]。

堰塞湖形成后，一旦發(fā)生不可控的突發(fā)性潰壩往往會產(chǎn)生較大的破壞，具有洪峰高、水量集中、洪水漲落迅速、傳播速度快等特點。我國西南地區(qū)地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，堰塞湖等地質(zhì)災害時有發(fā)生，為降低堰塞湖潰決洪水誘發(fā)次生重大地質(zhì)災害的可能性，必須采取適當?shù)木o急措施來控制堰塞湖的發(fā)育。為盡量降低堰塞湖潰決洪水所帶來的不利影響，有必要探究堰塞湖潰決洪水的特點，分析堰塞湖潰決洪水發(fā)育過程，計算洪峰流量及到達下游的時間，為下游水電站、水庫等采取主動應對措施提供科學的參考依據(jù)。以金沙江上游白格堰塞湖為例，分析其結構形態(tài)特征。基于水量平衡方程，建立了堰塞湖潰決洪水計算模型，研究了“11·3”白格堰塞湖開挖不同導流槽時的洪水潰決過程，通過與過流洪水實測結果對比，分析了不同處理方法對潰決洪水的影響，為我國高土石壩堰塞湖潰決洪水分析提供參考。

1 白格岸坡特征及堰塞湖基本情況

1.1 白格岸坡地質(zhì)構造特征

白格岸坡位于金沙江構造的混雜巖帶，屬于河谷型構造破碎松散體，主要由弱變形構造透鏡體巖塊和強變形錯動帶構成。由于鏡下巖石結構破壞嚴重，使其強度較低。在重力卸荷作用下，白格岸坡的滑動層發(fā)生貫通。同時，金沙江江水對白格岸坡坡腳持續(xù)掏蝕，在掏蝕作用和松散體重力卸荷的作用下，白格岸坡發(fā)生失穩(wěn)滑移。通過對岸坡失穩(wěn)全過程的綜合分析，白格岸坡滑移為“推移式+牽引式”的混合型滑坡[5]。

2018年10月10日約22:00，白格岸坡失穩(wěn)發(fā)生第一次滑坡堵江。之后，滑坡體原址于次月3日17:00左右再次發(fā)生滑坡堵江。兩次滑坡均造成金沙江江水斷流，并形成堰塞湖，即“10·10”和“11·3”白格堰塞湖。經(jīng)地質(zhì)勘察校核，白格滑坡體地理坐標是東經(jīng)98°42'17.98″，北緯31°4'56.41″。

除已入江的部分外，白格滑坡體目前仍有部分未下滑入江，受下部水流沖刷切腳等影響可能產(chǎn)生新的滑動，從而形成新的堰塞湖，這種滑移趨勢再次說明我國西南地區(qū)地質(zhì)情況的復雜性，以及分析白格堰塞湖潰決洪水特性的必要性。

1.2 白格堰塞湖基本情況

第一次發(fā)生白格堰塞體堵塞金沙江之前，江水水面高程約為2 880 m，兩次岸坡失穩(wěn)阻塞金沙江形成堰塞湖后，江面高程出現(xiàn)不同程度上升。與“10·10”白格滑坡體所形成的堰塞湖相比，“11·3”白格堰塞體阻塞河道所形成的堰塞湖面積更大、江面高程更高。兩次滑坡形成的堰塞湖分別于10月13日、11月14日潰決，潰堰洪水對下游水電站產(chǎn)生了不同程度影響，特別是對在建的蘇洼龍水電站影響重大[6]?！?0·10”和“11·3”兩次白格堰塞體和堰塞湖的基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 “10·10”與“11·3”白格堰塞體和堰塞湖基本數(shù)據(jù)[7]

表中，“*”表示“11·3”堰塞體在“10·10”堰塞體基礎之上的相應增加量；兩次堰塞湖最大庫容分別對應最大埡口高程為2 932.0 m和2 966 m。從表1中可以看出，白格岸坡第二次失穩(wěn)滑移(11月3日)后，堰塞體的體積、順河長度、寬度以及高度出現(xiàn)不同程度增加，第二次較第一次堰塞體厚度最大增加約55%。

此外，白格堰塞湖庫容與高程的關系也是下游梯級電站應對潰決洪水的重要參考資料。堰塞體至波羅下壩址區(qū)間河段的庫容水位關系可通過實測斷面計算得到，結合波羅電站預可階段下壩址庫容水位關系，基于斷面法和地形法，計算得出白格堰塞湖庫容曲線。白格堰塞湖庫容曲線見圖1。

圖1 白格堰塞湖庫容曲線

從圖1可以看出，隨著水位上升，堰塞湖庫容急劇增加。當堰塞湖水面高程為2 932 m時(對應“10·11”白格堰塞體埡口高程)，堰塞湖庫容約為2.9億m3；當堰塞湖水面高程為2 966.5 m時(對應“11·3”白格堰塞體埡口高程)，堰塞湖庫容將達到7.7 億m3?！?1·3”白格堰塞體具有更高的埡口高程，具有更大的庫容和水頭，這勢必對下游水電站產(chǎn)生更大的威脅和影響。

2 堰塞湖潰決特征及其對下游電站的影響

白格堰塞湖下游規(guī)劃葉巴灘、拉哇、巴塘和蘇洼龍等梯級電站，為確保各梯級電站安全應對潰決洪水，降低圍堰的疊加洪水效應，避免對下游造成更大災害和損失，必須對白格堰塞湖不同潰決方式下的洪峰流量做出準確預測，為下游電站在采取人工干預措施時提供科學依據(jù)?！?1·3”白格堰塞湖較“10·11”堰塞湖規(guī)模更大，對下游的影響也更為顯著。

基于堰塞體潰口出流、沖刷及側向拓展，成都勘測設計研究院計算了白格堰塞體不同潰決方式下的潰口洪峰。根據(jù)“10·11”白格堰塞體潰決洪水過程有關資料，蘇洼龍壩址的過洪洪峰流量與上游的巴塘洪峰流量基本相同。在進行“11·3”白格堰塞體潰決洪水分析時，蘇洼龍壩址(距上游白格堰塞體約224 km)的過洪洪峰流量采用與巴塘相同的洪峰流量數(shù)據(jù)。按照堰塞體發(fā)生1/3和1/2潰決，所需的時間分別為3.5 h和4 h，白格堰塞體不同潰決方式下的洪水特征見表2。

表2 白格堰塞體不同潰決方式下的洪水特征

從表2可以看出，按照1/3堰塞體發(fā)生潰決計算，堰塞壩的洪峰流量為28 100 m3/s；隨著下游梯級電站遠離堰塞壩，葉巴灘、拉哇以及巴塘壩址的洪峰流量則依次下降，洪峰傳播時間則逐漸增加。而按照1/2堰塞體發(fā)生潰決計算時，堰塞壩的洪峰流量則顯著增加，高達45 000 m3/s；同時，堰塞壩下游梯級電站的洪峰流量也出現(xiàn)不同程度增加，洪峰傳播所需時間明顯下降。下游蘇洼龍壩址在兩種潰決方式下的洪峰流量分別達到16 800 m3/s和28 200 m3/s壩址處洪水變化見圖2。

圖2 白格堰塞體不同潰決方式下蘇洼龍壩址處洪水變化

從圖2可以看出，堰塞體按照1/2和1/3方式潰決時，洪峰到達前，壩址處洪水流量快速增加；洪峰到達后，由于堰塞體缺口泄流作用，洪水流量表現(xiàn)出先快速下降后逐漸趨緩的變化。與堰塞體1/3發(fā)生潰決相比，堰塞體1/2發(fā)生潰決時，到達蘇洼龍壩址處的洪峰流量更大，所需時間有所增加，且洪峰到達后的洪水流量削減趨勢更為明顯。發(fā)生“11·3”白格堰塞湖事件時，正值蘇洼龍水電站建設高峰期。堰塞體發(fā)生1/2潰決時，到達蘇洼龍壩址處的洪峰流量將遠超水電站的過洪能力。綜合考慮，為提高壩址安全，盡可能降低損失，蘇洼龍水電站應采取人工干預措施應對“11·3”白格堰塞湖潰決。

3 結 語

堰塞湖潰決后，會對下游梯級電站造成不同程度的影響和危害，而堰塞湖潰口洪峰流量及到達時間的準確預測是堰塞湖下游梯級水電站在制定應急方案時的重要參考依據(jù)。經(jīng)過對白格岸坡地質(zhì)特征的分析和“10·11”和“11·3”白格巖塞湖的特征對比，著重研究了不同潰決方式下堰塞體下游壩址處的洪峰特征，并按照1/2和1/3的潰決演變方式，計算出堰塞體下游梯級電站壩址處的洪峰流量及到達時間。同時，得出如下結論：

(1)白格岸坡滑移為“推移式+牽引式”的混合型滑坡，滑坡體規(guī)模巨大；

(2)計算結果表明，白格堰塞體發(fā)生1/3和1/2潰決時，蘇洼龍壩址處的洪峰流量分別為16 800 m3/s和28 200 m3/s。