冰碛湖溃决灾害评估及应急泄流技术

解家毕，丁留谦，张启义

（中国水利水电科学研究院，100038，北京）

冰碛湖是冰舌表面湖扩展的结果，或是由终碛/侧碛堰塞沟谷积水形成的湖泊。在全球气候变暖、高海拔地区特别是热带高海拔地区变暖趋势更为明显的背景下，冰川普遍退缩，冰川灾害事件增多，冰碛湖变得不稳定，溃决风险增大。

一、冰碛湖溃决的诱因与灾害评估

冰碛湖溃决的诱因与溃决机制是两个不同的概念，前者是指导致冰碛湖溃决因素，后者是指冰碛湖溃决洪水形成过程。溃决诱因主要有冰/雪崩、降水以及冰内湖水释放等引起的冰碛湖水位上升、冰碛坝内死冰消融、堤坝管涌扩大、地震等。Yamada在研究尼泊尔境内喜马拉雅山冰湖时，把冰碛湖溃决诱因分为外部诱因(如冰/雪崩、降雨、地震等)和内部诱因(如冰碛坝内死冰消融、管涌等)。许多冰湖往往是某一种诱因激发其他因素改变，或者多种诱因共同作用导致溃决。通过Richardson和 Reynolds等学者的分析可知冰崩和冰滑坡是冰碛湖溃决的主要诱因。

冰碛湖溃决风险评价指标体系大致可分为定性、半定量和定量三类。王欣根据McKillop等在筛选冰碛湖溃决参数时把评价指标分为冰碛湖参数、冰碛坝参数、母冰川、冰湖盆参数以及它们之间相互关系的思想，归纳得出冰碛湖溃决风险评价指标如表 1。

表1中各项指标能定性、半定量地评估冰碛湖溃决风险。近年，定量估算冰碛湖溃决风险研究也取得较大进展。有学者将母冰川危险冰体的体积与湖水体积比值(R)的倒数定义为冰湖溃决危险性指数(Idi)，即Idi=1/R，R值越大其发生溃决的概率越小，并计算出西藏若干个冰湖的溃决危险性指数变化于0.054～0.73之间。

在冰碛湖溃决过程中常伴有泥石流发生。溃决洪水流经的下游河床比降小且山谷开阔时，或者河段泥沙少，则仅发生洪水或“碎屑洪水”（debris flood）。如果河床比降足够大，且携带大量泥沙，则溃决洪水将转化为泥石流（debris flow），溃决泥石流显示为黏塑性且为层状。如果不能准确估计溃决洪水的流动特性，即对溃决洪水仍保持为洪水还是将转化为泥石流估计错误，则会导致减灾措施的不合理，造成不必要的设施损坏和生命损失。

溃决洪水（泥石流）的流动特性包括洪峰流量、溃决泥石流量、行进距离和淹没面积等特性。其中，洪峰流量是最重要的一个量值；溃决泥石流体积将影响行进距离和淹没面积，也较重要。冰碛湖溃决洪水（泥石流）的模拟主要从湖水量计算、溃决洪峰估算、泥石流体积估算、溃决洪水（泥石流）最远距离估算、淹没面积估算等方面进行。

表1 冰碛湖溃决风险评价指标

二、冰碛湖应急泄流方法

为了防止湖水溃决发生洪水，需要提前对有险情的冰碛湖进行排险。从冰碛湖溃决的诱因分析可知，应急泄流、提前释放湖水是最可行的排险方式。冰碛湖应急泄流应根据地质特点、稳定条件和险情是否紧迫等因素，考虑以下两种思路：①分析形成冲切条件，论证造成溯源冲刷的可能，放空库容；②保证坝体稳定，降低水位，降低风险等级，实现减灾目的。

第一种思路要利用工程措施形成泄流渠，利用泄洪水力逐步冲蚀坝体，拓宽泄流渠，实现降低水位、放空大部分库容的目的。这种方法可满足快速除险要求，但形成的洪峰流量较难控制，对下游可能会产生较大的影响，适用于短期内坝体存在溃决风险的冰碛湖。第二种思路要求泄洪措施安全稳定，泄洪流量可控，因此对下游影响较小，适用于坝体稳定、短时间内不会产生溃决的冰碛湖。一般在冰碛湖应急处置过程中限于客观条件，应在初期阶段首先实现，以达到第一时间降低冰碛湖风险等级和减灾的目的。

其次，通过行业能力需求确定产出目标。课程组走访和调查部分专业相关的用人单位和毕业生，了解了他们对数据结构课程的要求。发现在实践工作中计算机专业的学生不但要具有较好的数据结构基础知识和实践能力，还需要有较强陈述发言、自主的持续学习、创新能力以及较好的团队合作意识等。

1.形成冲切条件泄流方式

开挖泄流渠是紧急处置冰碛最简单和最常用的方法。

开渠引流冲切泄流处理冰碛湖时，应根据泥沙起动和推移质运动规律，估算人工引流渠的冲刷发展过程。人工引流渠的冲刷发展与上游水位、冰碛湖库容、引流渠尺寸、引流渠床面及两岸物质组成有直接关系。引流渠的冲刷发展过程计算步骤包括：①确定床面不同粒径物质的起动流速，②确定引流渠的流速发展过程，③计算引流渠的冲刷发展过程。

推移质起动流速的计算方法很多，这些方法计算得到的起动流速不仅差别很大，而且由于多数方法是在一定的粒径范围、水深范围、流速范围内推导而得的，在实际应用中有很大局限性。在实际中，冰碛坝的物质组成级配很宽，引流渠水力条件变化迅速且范围大，因此选择一个使用范围较广，且具有一定精度的推移质起动流速计算方法是模拟人工引流渠冲刷发展的关键。

引流渠的冲刷发展过程与冰碛坝的溃决过程密切相关。研究人员通过大量观测得出，滑坡堰塞坝、冰碛坝与人工填筑土石坝都属于逐渐溃决型坝体，逐渐溃决坝体溃口剖面冲刷发展过程包括表层冲刷和溯源冲刷两种，而表层冲刷从立面上看又包括溃口底部冲刷与横向扩展冲刷两种过程。因此，一个溃口冲刷发展过程包括了溃口底部表面冲刷、溃口两侧扩宽冲刷、坝体后坡面溯源冲刷等三种情况。其中，溃口底部表面冲刷主要为水流剪切的普通冲刷过程；溃口两侧扩宽冲刷则除了水流剪切的普通表面侵蚀外，还可能包含两岸边坡的坍塌扩展；坝体后坡面的溯源冲刷更加复杂，水流作用力已不再是简单的床面剪切，而是局部淘刷与水流冲击作用导致的坝体物质搬移运动，也可能包含了坝体物质的崩塌与垮塌等多种物理过程。从目前的国内外研究现状来看，天然坝的溃口发展过程的物理模型不成熟，很难模拟溃口冲刷的三种过程。目前，在对天然坝进行人工开挖泄流渠泄流设计时，一般的做法是根据天然坝的实际条件，根据专家经验判断天然坝的几种可能溃决形状，计算溃口流量及其发展过程和相应的下游演进过程。根据最危险的洪水制定预警和应急转移方案，通过各种措施控制溃决洪水满足下游相应的防洪标准。

（1）泄流渠的设计

人工开挖泄流渠引起冲切泄流设计时，需考虑地质条件、施工条件、水力条件等因素。控制水流在可掌控范围，既要避免水能过大导致快速溃决，又要充分利用水力搬运能力挟带土石，从而冲深、拓宽过流断面，加大过水能力。尽量做到渠道上下游段分段保护，上游段相对稳定安全，下游段借助水力冲刷。

泄流渠的设计需要注意几个关键问题：

②过流流速确定。泄流渠道设计过流流速的大小，主要按冰碛湖坝体的溃决方式和下游的防洪能力来确定。泄流渠不淤临界流速一般较低，与水中含砂量及泥沙运行规律有关，通常情况大于0.5m/s，泄流时流速较大较易满足不淤条件。为形成溯源冲刷，泄流渠过流流速可高于不冲临界流速。不冲临界流速可借鉴砂质土、砾石土、砂卵石渠床的列维公式进行计算：

式中，VH为临界不冲流速，m/s；dcp为渠床土粒平均粒径，m；A为与渠床土壤密实程度有关的经验系数；R为水力半径，m。

③泄流渠进出水口确定。泄流渠进出水口的布置应有利于进水和出水的衔接，尽量消除回流、涡流的不利影响。泄流渠进口可建成逆坡，防止剧烈冲刷。进出水口方向与主渠道的交角不宜太大。进出水口的高程根据上游库容、上游水位上升趋势、坝体溃决方式、下游防洪标准、泄流渠长度和坡度以及现场施工能力等因素设计选择。

④泄流渠渠线布置。渠线布置要充分考虑堰塞体的成因、地质和水文条件，以满足泄流流量、泄流渠安全稳定为原则。开渠部位宜选粒径较大、较稳定的区域，避免引起坝体突然溃决，但同时要考虑上游来水情况、施工能力等因素，力争在保证坝体稳定的条件下选取工程量较小、施工难度较小的开渠部位。渠线可布置于天然坝与山体的接合处、天然坝中部、坝顶软硬接合部等。

⑤泄流渠断面形式及尺寸。冰碛湖泄流渠断面可选用的形式有梯形、多边形、矩形及复式断面等。在应急抢险过程中泄流渠通常选用梯形。渠道断面可分为宽浅与窄深两类。宽浅断面水流稳定，不易引起渠底冲刷，但所需断面较大，位置选取较为困难。窄深断面利于利用水流挟带能力，逐步扩宽切深断面。泄流渠过水断面尺寸取决于泄流流量、允许抗冲流速和施工能力的要求。泄流渠一般设计为窄深状，以便充分利用水流的挟带能力，逐步扩宽切深断面。渠底坡度的选取应以不引起淤积、冲刷为宜，经验取值1/400～1/10 000。可分段进行设计，入口段宜为低坡或逆坡，中间段宜为平坡，下游段取较大坡度。

⑥泄流渠防护形式确定。泄流渠进口尽量布置防护措施，边坡可采用钢筋石笼（铅丝笼）或就地采用大块石进行防护。为形成冲刷条件，渠道出口边坡和渠底可不进行防护。如唐家山泄流渠设计局部采用铅丝笼进行防护。

（2）施工方法

泄流渠开挖时，要选择最不利于蓄水瞬间集中下泄的方法，以避免蓄水短时间集中下泄，减小下泄流量。泄流渠开挖施工主要手段包括开挖、爆破、挖爆结合、水力冲切等。参见表2。

2.坝体稳定泄流方式设计

对于坝体稳定、短期内不会溃决或者入库流量较小的冰碛湖，可采用泵站抽水、虹吸排水、泄流渠泄水等方法。

（1）设置泵站抽水

适用于河道较狭窄、水面面积不大、水位较深的冰碛湖；对于湖面面积较大、水位较浅的冰碛湖则不适宜。该方法受电力条件的制约，且泄洪能力有限，适宜于小型冰碛湖紧急泄水。泵站泄洪计算需根据洪水演算、坝体稳定要求确定泵站排水流量。要求所选泵型应满足运行安全可靠、扬程流量合理、结构重量条件便于运输施工等要求。

（2）虹吸排水

具有工程量小、施工方便、节约劳动力的特点，在电力条件不能满足的情况下，该方法具有明显优势。但该方法抽水高程有限，排水能力有限，可配合其他方法使用。虹吸排水包括注水式和抽真空式。

（3）开挖泄流渠

坝体稳定泄流与形成冲切条件泄流两者之间最大的区别是泄流渠的稳定问题，后者要对渠道形成溯源冲刷，而前者则要形成稳定的渠道，具体区别参见表3。

3.冰碛湖排险实例

2005年8月—2006年7月，位于西藏日喀则地区定结县东南部的皮达湖和龙巴萨巴湖的排险，成功探索了高海拔、交通和通信不畅环境下冰碛湖人工排险的新经验，为永久性冻土层开挖设备的选择、配套组合、施工组织积累了一定的施工经验。也为在高海拔地区极度缺氧情况下人员、机械作业提供了实践依据。皮达湖、龙巴萨巴湖是首尾相连的两个冰碛湖，皮达湖在上游，海拔约5 573 m，高出龙巴萨巴湖76 m。排险方案采取机械开挖方式，先在上游皮达湖坝体上开挖一条泄水明渠，降低湖内水位，减少湖内水量，同时减少了龙巴萨巴湖的补水量，而后再开挖下面的龙巴萨巴湖泄水明渠，降低湖水位，使两湖坝体保持基本稳定状态，减少溃坝对下游的洪水危害。在明渠两侧用铅丝石笼护坡，防止泄水过程中因坝坡失稳而溃决，放水时准备部分铅丝石笼随时抢护。同时进行水情自动监测，在下游实施洪水预警、预报，由当地政府沿途做好安全疏散、应急准备等措施。

三、结 语

①冰崩和冰滑坡是引起冰湖溃决的主要诱因。应从遥感、GIS和野外调查三个层面及其组合对冰碛湖进行系统监测。冰碛湖溃决参数包括冰碛湖参数、冰碛坝参数、母冰川参数、冰湖盆参数以及它们之间的相互关系。当前有一些经验方法可以对溃决风险进行定量评估。

表2 泄流渠施工方法分析表

表3 不同思路开挖泄流渠设计与施工主要区别

②冰碛坝湖溃决中，常伴有泥石流发生。溃决洪水（泥石流）的流动特性对灾害评价非常有意义，包括洪峰流量、溃决泥石流量、行进距离和淹没面积等特性。

③应急泄流是冰碛湖最可行的排险方法，开渠形成冲切泄流应结合冰碛湖的特征处理好一些关键问题，包括过流标准、过流流速的确定和泄流渠的布置以及施工方法的选取。

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