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生的堆積物，由地震、颱風強降雨和冰磧物融化等誘發山體崩塌、滑坡以及泥石流堵塞河道所形成。在堰塞壩的壅堵作用下，往往會彙集水流形成堰塞湖，對周邊區域及下游群眾的生命財產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級特大地震發生後，共引發了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成了巨大威脅，是地震誘發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徵
堰塞壩的形成涉及土石體從坡面上失穩起動到河道堆積停歇的全過程，決定了堰塞體的物質組成和形態結構特徵，與壩址所在區域的地層巖性、地質構造以及發生地震、颱風強降雨或冰磧物融化等誘發事件的發生概率關係密切。在一定地質條件下，崩塌、滑坡和泥石流中的土石體具有自身的物質結構，在地震或降雨等外界條件的激勵作用下，在坡面上失穩起動直至堵河停歇的過程中，通過複雜的動力學作用塑造出特定的堰塞體組成結構。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後堆積至河床上，形成堰塞壩，隨著水流的不斷彙集，堰塞湖逐步形成。在常見的地震誘發堰塞壩形成機理方面，研究者從形態、物質組成、分佈規律和穩定性等多個角度進行了詳細的分析和探討。該型別堰塞壩的形成條件，主要是位置處於高山峽谷河段，河道兩岸或者其中一側存在較為破碎的基岩或鬆散堆積體，同時地震需達到6級以上。同時，通過歷史資料統計分析，地震震級大於6級後，堰塞湖的數量、規模與烈度值呈正相關。一般情況下，堰塞壩將河道堵死，且壩體由堆積物組成，結構鬆散，在水量增加後會在短時間內發生漫頂潰決;若堰塞壩未能將河道完全堵死，或存在其他洩流通道，堰塞湖入流與洩流平衡且壩體穩定，則堰塞壩可長期存在。針對堰塞壩的存在時間，國內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內發生潰決，並認為100a以內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、被堵河道幾何特徵、堰塞體幾何形狀、堰塞體物質組成和岩土結構等的影響，堰塞湖的潰決過程十分複雜，潰決機理、潰決模式、潰決過程引數呈多樣化特徵。從已潰決的堰塞壩破壞方式來看，主要有壩頂溢流、滲漏、管湧、餘震或人為因素造成的壩體滑坡、失穩等。據統計，堰塞壩潰壩以漫頂潰壩為主，所佔比例約為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。研究堰塞壩潰決可採用天然觀測資料分析、水槽試驗、實體模型試驗和數值模擬等方法，但是，由於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性，現場觀測的危險性極大，因此目前大多數情況下采用試驗分析和數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
由於潰壩造成了巨大的人員傷亡及經濟損失，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。大量學者通過預設潰口以及不同的壩體材料，對潰口的發展變化過程及下洩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、潰口的展寬變化包括側向侵蝕和垂向侵蝕等結論。
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係。
(2)管湧潰壩模型試驗。管湧是導致堰塞壩潰決的原因之一。堰塞壩壩體管湧發生在壩體內部，較難被及時發現，且難以觀測獲得相關資料。因此，不斷有學者開展關於管湧發展過程的模型試驗研究，嘗試通過視覺化試驗來研究管湧形成、發展過程及物理機制。視覺化試驗多是模擬堤基管湧，該類管湧一般發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。試驗採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湧現象，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定管湧出口。但是，實際管湧發生位置是隨機的，與地質情況有關，一般發生在表面薄弱處。國內外相關學者通過大量的試驗得到了豐富的成果:管湧侵蝕由管湧口逐漸向上遊發展，深度在其向上遊發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生在管湧通道貫穿上下游之後;通過多種土樣的管湧試驗還發現，雖然管湧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計模型、引數模型和物理機理模型。本文主要介紹基於引數的數值模擬和基於物理過程的數值模擬。基於引數的模型是建立在統計分析潰壩歷史資料基礎上得到的統計模型，已有的相關模型中主要採用壩體高度、庫容總量、潰決時庫內水位與潰口高差、潰決時庫內水量等作為特徵引數，建立最終潰口寬度、潰決時間和洪峰流量的模型表示式。但是，由於堰塞壩潰決案例的歷史實測資料稀少且通常難以獲得，因此統計資料的選用具有較強的主觀性，導致該類統計模型的計算結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時間等離散值，無法得到這些主要引數的時變連續變化值。基於物理過程的數值模擬模型是依據堰塞壩形成與發展機理，從理論角度考慮了水流運動、泥沙輸移、邊坡穩定性等因素而建立的能預測堰塞壩潰壩過程及下洩洪水過程的模型。CristofanoE.A.最早提出了模擬土石壩漫頂潰決時變過程的數值模型，HarrisG.W.等又在此基礎上建立了HW模型。隨後，FreadD.L.開發了BREACH模型，該模型採用兩種模式計算潰口展寬及形狀變化過程:一種模式是假設潰口形狀為矩形，發展變化形式同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生崩塌。由於這類模型結構簡單並且考慮了潰口發展過程，因此被廣泛應用於行業軟體中。
3.3堰塞壩潰決的三維視景模擬
隨著計算機圖形學、地理資訊系統(GIS)、遙感等技術的快速發展，結合數值模擬的三維視景視覺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實的一種表現形式，是結合研究物件通過實時三維圖形技術展現出的逼真的虛擬現實場景，相對實體模型來說更精確、更易實現。堰塞壩潰決洪水三維視景模擬主要通過三維圖形實時展示堰塞體潰決後下遊河道的洪水運動狀態，包括瞬時流量、水位、到達時間以及影響範圍等動態因素，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資訊，降低堰塞壩潰決洪水造成的損失。冶運濤等開發了汶川地震災區堰塞湖潰決洪水淹沒過程的三維視覺化系統，直觀展示了堰塞湖的蓄水過程和洪水演進的三維效果;陳偉利結合唐家山堰塞湖區域航空遙感影像資料及DEM高程資料，驗證了該區域的地形構建原理及工作流程，釋出後通過模擬引擎VegaPrime初步實現了該區域三維地形模擬系統的構建;鍾登華等採用三維潰堤洪水演進數學模型對長距離調水工程進行了潰決洪水演進模擬，在虛擬現實平臺上開發了潰決洪水淹沒演進的三維情景模擬系統。相關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視覺化情景分析與展示。
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、穩態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物件。在除險減災過程中，首先進行堰塞湖潰決致災風險評價，然後對除險減災措施進行優化決策。由於潰決機理的複雜性，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範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果及風險評價結果的顯著不確定性。在高危堰塞湖的除險處理方面，主動開挖洩流明渠、降低潰決時壩前水位是控制潰決洪水的一種有效方法，成功應用於西藏易貢堰塞湖和“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，洩流明渠的開挖時機、開挖程度、開挖位置等都與除險目標(控制後的潰決洪水過程)直接相關，目前尚缺少優化方法的研究。
4需要重點研究的若干關鍵問題
(1)堰塞體形成過程中的土石料堆積分選機制。堰塞體結構和物質組成是堰塞體破壞潰決過程模擬和預報的基本岩土引數。但是，由於堰塞湖形成突然、進入現場難度大、難以及時直接獲知堰塞體內部結構和物質組成，因此需要研究建立快速判別堰塞體結構和物質組成的方法。土石料堆積分選機制作為鬆散土石體運動過程中的內在力學機制，將是堰塞體物質結構和組成與源區失穩土石體的物質結構和組成之間的內在聯絡。可以通過土石料堆積分選機制的研究，將堰塞體結構和物質組成的判別與源區失穩土石體的特徵識別聯絡起來。
(2)強非恆定流、非均勻流下的輸沙理論。現有泥沙輸移理論基本上是在恆定均勻流條件下建立的，且強烈依賴於理論檢驗的輸沙資料。堰塞體潰決過程中水流和邊界發生複雜變化，具有強非恆定、非均勻特點，與潰口變形直接相關的泥沙輸移還沒有相應條件下的理論模型(包括啟動、推移質運動、懸移質運動等不同內容)。同時，堰塞體鬆散土石料的輸移資料基本無歷史觀測資料，現有輸沙理論外延應用的誤差大。因此，亟需研究鬆散土石料的泥沙輸移特徵並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展模型。堰塞體潰決過程中包含複雜的水土耦合作用。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。現有機理模型由於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定的潰決全過程，如初始滲透變形所致的壩頂坍塌、潰口發展的潰決過程。另一方面，天然堰塞體通常顯著厚於人工土石壩，潰口發展在時間上和沿程上都極不均勻，現有經驗模型和引數模型都難以應用。
(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侷限於少數影響因素的分析，缺乏對漫頂潰決過程影響因素的系統性試驗分析研究。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洩流量變化過程。
(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徵，堰塞湖、堰塞體及下游易受災地區的資訊一般並不完整。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、淹沒預報等環節中，基礎資料的誤差、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，需要估計不同環節的不確定性大小和環節之間的傳遞過程，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。
