堰塞坝稳定性快速评价方法对比

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029; 2.水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室,江苏 南京 210029； 3.河海大学 土木与交通学院,江苏 南京 210098)

1 研究背景

堰塞坝是一种天然形成的土石坝，主要是由降雨、火山喷发、地震等原因引起的山体滑坡、崩塌所致。但并非所有的滑坡、崩塌都会导致坝体的形成，堰塞坝的形成与河道流量、河床条件、滑坡体体积等因素有关[1]。一般情况下，滑坡体体积越大、河流流量越小，越容易形成堵塞。较人工土石坝相比，堰塞坝的结构松垮，组成物质松散，土体常处于非固结或者欠固结状态，颗粒之间胶结作用较弱，坝体容易在漫溢水流或渗透水流的作用下发生漫顶或渗透破坏而导致溃决[2-3]。堰塞坝一旦溃决，将对下游人民生命财产及生态环境构成严重威胁。

堰塞坝在世界范围内分布广泛，我国的堰塞坝主要分布在西南山区和喜马拉雅山区，这些地区处于强地震活动带，两岸岩体裂隙发育，易发生大型滑坡事件[4-5]。进入21世纪，我国也发生了多起堰塞坝堵江事件。2000年4月9日，西藏自治区林芝地区波密县发生特大规模山体滑坡堵塞雅鲁藏布江，如图1(a)所示，形成了易贡堰塞湖，堰塞坝体积约3亿m3，堰塞湖库容约28亿m3。由于上游地区来水量较大，滑坡后的持续降雨，导致水位不断上涨，并于2000年6月10日发生了漫顶溃坝，溃坝峰值流量达到124 000 m3/s，造成了下游水位猛涨，沿线公路、光缆等设施严重破坏[6]。2008年5月12日，四川汶川地区发生8.0级大地震，形成了256个堰塞湖，其中四川北川羌族自治县唐家山堰塞湖，如图1(b)所示，导致上游集水面积达3 550 km2，堰塞坝体积为2 037万m3，堰塞湖最大蓄水量为3.16亿m3，2008年6月10日通过人工开挖的导流槽成功泄洪，溃坝峰值流量为6 500 m3/s。2018年10月10日，位于川藏高原的西藏自治区昌都市江达县与四川省甘孜州白玉县交界处发生山体滑坡，堵塞金沙江干流河道，造成金沙江断流并形成白格堰塞坝，如图1(c)所示，堰塞坝体积约为750万m3，库容约2.9亿m3，2018年10月13日堰塞坝发生漫顶溃决，溃坝峰值流量约为10 000 m3/s。2018年11月3日，残留堰塞坝处山体发生了两次滑坡堵江，形成的堰塞坝体积约为1 000万m3，库容约为6.03亿m3。2018年11月13日通过人工开挖的导流槽成功泄洪，溃坝峰值流量为33 900 m3/s。2018年10月17日，西藏自治区林芝市米林县发生山体滑坡堵塞雅鲁藏布江形成加拉堰塞湖，堰塞坝体积超过2 000万m3，堰塞湖库容约6亿m3，由于水位不断上涨，2018年10月19日，堰塞坝发生漫顶溃决，溃坝峰值流量23 400 m3/s。

图1 我国典型的堰塞坝案例Fig.1 Typical cases of landside dams in China

值得一提的是，1988年，美国地质调查局Costa和Schuster对73座堰塞坝的寿命统计发现，85%的堰塞坝在1 a内发生溃决[7]；随后，Peng和Zhang对204座堰塞坝的溃决时间进行了统计[8]，获得了类似的结论，87%的堰塞坝寿命不超过1 a。2014年，石振明等对国内外276例堰塞坝的寿命进行了统计[9]，得出如下结论：9%的堰塞坝寿命小于1 h，34%的堰塞坝寿命小于1 d，67%的堰塞坝寿命小于1个月，86%的堰塞坝寿命小于1 a。因此亟需对堰塞坝稳定性做出合理的快速评估，为堰塞坝应急处置提供技术支撑。

2 国内外常用的稳定性快速评价方法

堰塞坝的稳定性与多种因素有关，常包括有坝体的几何形态、坝体物质材料组成、堰塞湖集水区的来流量、坝体渗流速度、坝料密实度、气候条件等多方面因素[10]。但要快速对一个初形成的堰塞坝进行危险性评价，短时间内获得全部的影响参数较为困难。近年来，国内外学者基于收集的堰塞坝案例基础数据，提出了一系列基于坝体几何形态、流域面积、湖面积等参数的堰塞坝稳定性快速评价方法。

1999年，Casagli和Ermini利用收集到的意大利亚平宁北部山区的70座堰塞坝案例[11]，提出了采用堆积指标法(BI)来判定堰塞坝稳定性的方法。2003年，Ermini和Casagli改进了堆积指标法[12]，在原有的基础上增加了坝体高度参数，提出了无量纲堆积体指标法(DBI)。2004年，Korup基于232座新西兰堰塞坝案例[13]，提出了基于Is(backstow指数)、Ia(basin指数)、Ir(relief指数)等3个指标的堰塞坝稳定性判别方法。2011年，Dong等以日本43座堰塞坝为依据[14]，利用逻辑回归方法，基于峰值流量、坝高、坝宽、坝长及坝体体积多种因素，提出了基于Ls(PHWL)、Ls(AHWL)、Ls(AHV)等3个指标的堰塞坝稳定性判别方法。2016年，Stefanelli等利用意大利300个堰塞坝案例提出了以坝体体积[15]、流域面积及河道比降为参数的水力形态学(HSDI)指标来判断堰塞坝的稳定性。表1为目前国内外较为典型的堰塞体稳定性快速判别方法的介绍。

3 堰塞坝案例数据库构建

为了对各类堰塞坝稳定性快速评价方法的可靠性和适用性进行评价，收集了世界范围内421个具有实测资料的堰塞坝案例，其中意大利205例[16]、日本79例[12]、中国35例[17]、美国32例[12]、其他国家70例[12,18]。这些案例包括堰塞坝的几何形态参数、流域面积、堰塞湖体积等参数，可用于以上模型的计算。表2给出了堰塞坝案例数据库各参数的取值及分布情况。

4 各种堰塞坝稳定性快速评价方法对比

选择数据库中的相关堰塞坝案例，分别采用不同的堰塞坝稳定性快速评价方法，对堰塞坝的稳定性进行对比分析。由于数据库中某些案例部分参数缺失，因此用于各评价方法的计算案例数并不完全相同。另外，由于Korup提出的判别指标Ir中的参数Hr和Dong等提出的判别指标Ls(PHWL)中的参数P较难获取，因此本文不采用这2个判别指标。

表1 国内外典型堰塞坝稳定性快速评价方法

注：BI为堆积体指标；DBI为无量纲堆积体指标；Is为backstow指标；Ia为basin指标；Ir为relief指标；Ls(PHWL)、Ls(AHWL)、Ls(AHV)均为逻辑回归模型指标；HDSI为水力形态学指标；Ab为流域面积,km2；Ab′为流域面积,m2；Vd为堰塞坝体积,m3；Vd′为堰塞坝体积,106m3；Hd为堰塞坝高度,m；Hd′为坝体高度,102m；Vl为堰塞湖体积,106m3；P为入库峰值流量,m3/s；W为坝体宽度,m；L为坝体长度,m；S为河道坡度,°。

表2 堰塞坝案例数据库参数统计

分别采用错判率F、保守准确率Rc及绝对准确率R对各评价方法的计算结果进行对比分析。其中，错判率F指的是实际上不稳定的堰塞坝，而计算结果是稳定的概率，因此在实际应用中应尽量选取错判率较低的评价方法；绝对准确率R指的是堰塞坝的实际状态与计算状态完全一致的概率；保守准确率Rc指的是实际状态为稳定堰塞坝而计算结果为不稳定的概率，并加上绝对准确率R后的结果。另外，为了避免上述对比方法的片面性，进一步利用综合准确率Rr对各评价方法的准确率进行对比分析，综合准确率Rr可采用下式计算：

(1)

各种堰塞坝稳定性快速评价方法的计算结果如图2～8所示。

图2 BI方法计算结果 Fig.2 Results of BI method

图3 DBI方法模型结果 Fig.3 Results of DBI method

表3给出了各堰塞坝稳定性快速评价方法的计算结果，可以看出：绝对准确率体现了计算模型对单个案例判断的准确性，而保守准确率是在绝对准确率基础上，其判定结果会带有一定的保守性。综合准确率可能与绝对准确率计算结果相同。另外，由于BI，DBI，Is和HDSI在判定中会有不确定区域，若其绝对准确率与综合准确率差值越大，则说明其判定的案例落在不确定区域内的占总数的比重越多。

表3 各堰塞坝稳定性快速评价方法计算结果汇总

图4 Is方法计算结果 Fig.4 Results of Is method

图5 Ia方法计算结果 Fig.5 Results of Ia method

由表3各模型计算结果可以看出，Is的错判率最低(其值为0)，Ls(AHV)的错判率最高，为12.61%，但错判率F为零并不代表用该模型没有错判，可能会由于数据不具有代表性，案例数过少或模型指标计算过大导致误判率较低。对比Is，Ia和HDSI模型，都有较低的错判率，但Is模型和HDSI模型的绝对准确率较低，分别为12.63%和23.03%， 与其各自的综合准确率差值较大，说明大部分堰塞坝案例不能确定其稳定状态，因此，Is、Ia和HDSI只能对本数据库中少量的堰塞坝稳定性进行准确评价。DBI，Ia，Ls(AHWL)和Ls(AHV)的保守准确率较高，都超过了70%以上，Ia模型保守准确率高达99.59%，但其综合准确率却只有48.96%，因此采用综合准确率可更加合理地评价计算方法的准确性。对比其绝对准确率，DBI和Ls(AHV)对单个案例的判定准确性较高，分别为61.98%和71.85%，但Ls(AHV)的错判率却高于DBI模型，因为DBI模型对一部分堰塞坝不能判定其稳定性。对比各个模型的错判率、保守准确率、绝对准确率和综合准确率，DBI和Ls(AHV)模型对堰塞坝的稳定性评价表现较好，能分别对60%和70%以上的堰塞坝状态进行准确评价。

图6 Ls(AHWL)方法计算结果 Fig.6 Results of Ls(AHWL) method

图7 Ls(AHV)方法计算结果 Fig.7 Results of Ls(AHV) method

图8 HDSI方法计算结果 Fig.8 Results of HDSI method

5 结论与建议

本文总结了国内外学者提出的堰塞坝稳定性快速评价方法，并构建了包含国内外具有实测资料的421个堰塞坝案例的数据库。基于该数据库采用错判率F、保守准确率Rc、绝对准确率R及综合准确率Rr对各评估方法的准确性和适用性进行了比较分析，得出了如下结论：Is、Ia和HDSI评估方法有着较低的错判率，分别为0%，0.41%和0.61%，但Is和HDSI的绝对准确率R较低，分别为12.63%和23.03%，与各自的综合准确率Rr差值较大，对大部分堰塞坝案例不能确定其稳定状态，因此用Is、Ia和HDSI模型只能对少部分的堰塞坝进行稳定性评价。Ia的保守准确率高达99.59%，但其综合准确率却只有48.96%，因此采用综合准确率可更合理地对一个模型评价的准确性进行评价，基本可以消除模型计算过于保守的影响。通过对比各评价方法的综合准确率可以发现，DBI和Ls(AHV)对堰塞坝稳定性评价的表现较好，能分别对60%和70%以上的堰塞坝状态进行准确评价。

总结以上的堰塞坝危险性快速评价方法可以看出，堰塞坝的稳定性不仅受所在区域地理及地质条件的影响，还与堰塞坝的坝料特性及堵塞的河道的水动力条件有关，因此为了进一步提升堰塞坝稳定性快速评价方法的可靠性与实用性，应进一步加强堰塞坝坝料的颗粒级配、坝体结构和土质等特性的研究，并充分考虑堰塞湖来流量和堰塞坝的渗流特性。