冻错曲冰湖溃决风险及坝体稳定性研究

2020-09-22何兴祥，胡卸文,2，刘波，王蛟，盛豪

四川水力发电 2020年4期

何兴祥，胡卸文,2，刘波，王蛟，盛豪

(1. 西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031;2.西南交通大学高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，四川成都 610031)

1 概述

西藏地区是我国冰湖溃决及其次生灾害的重点分布区[1]。冰湖溃决洪水具有突发性强、频率低、洪峰高、流量过程暴涨暴落、破坏力强、灾害波及范围广等特点[2-3]，通常对下游人民的生命财产及基础设施带来极大威胁和严重破坏[4-5]。Schuster和Costa[6-7]以及柴贺军等[8-9]统计分析后指出，近九成的堰塞湖均在一年内发生溃决，溃决形式主要包括漫顶溃坝、管涌潜蚀、坝坡失稳和人为破坏等。因此，开展冰湖堰塞坝稳定性与冰湖溃决风险评价对西藏地区经济建设与社会发展具有重要的意义[10]。

冰湖溃决危险性和堰塞坝稳定性都是目前研究的热点。在冰湖溃决危险性评价方面，吕儒仁等[11]通过野外考察和报道资料，提出了西藏冰湖溃决可能性的7个判别标志，并分析了冰湖溃决与气候背景的关系；庄树裕[12]通过分析西藏喜马拉雅山地区已溃决冰湖的基础资料，提出了基于支持向量机法和基于粗糙集可拓学方法的冰湖溃决预测模型。在堰塞坝稳定性评价方面，胡卸文等[13]在准确获取唐家山堰塞坝地质结构的基础上，详细分析了唐家山堰塞湖的渗流稳定性与溃坝模式；石振明[14]通过高渗透区域对红石河堰塞坝渗流特性的影响规律，提出了考虑高渗透区域的堰塞坝渗流稳定性分析方法；罗刚[15]利用Geo-studio软件对唐家山堰塞坝上游水位高程达到740 m时，坝体不同工况下的应力—应变状态进行了数值模拟。

冻错曲沟位于西藏自治区洛隆县腊久乡，冻错曲上游。地形东高西低，沟道呈宽浅“V”型，谷宽20～100 m。沟域中部发育一个大型冰湖—冻错曲冰湖，历史卫星影像和野外勘察结果共同表明：冻错曲冰湖近百年来无溃决记录。冰湖下游为居民区和拟建线性工程干线、站场，一旦汛期集中降雨且冰雪快速融化，冰湖有可能发生局部溃决引发泥石流，届时，将对下游人民的财产安全和拟建线性工程造成不可估量的损失。因此，笔者从冰湖发育特征、堰塞坝发育特征及稳定性等方面入手，对冻错曲冰湖的溃决风险和坝体稳定性进行研究。

2 冻错曲冰湖发育特征

2.1 冻错曲冰湖概况

冻错曲冰湖所在的冻错曲沟流域面积226.27 km2，主沟长31.44 km，流域内最高海拔5 180 m，最低海拔3 815 m，相对高差1 365 m，主沟纵坡降为27.27‰。主沟顺直，发育大型支沟21条，均基本与主沟正交。拟建线性工程从沟口堆积区冻错曲主河下游3 km以站场和桥梁形式通过(图1)。冻错曲冰湖湖口地理坐标：N30°18′18.2592″，E96°4′0.4116″，出水口位于冰湖东端，非汛期湖面高程为4 055 m，汛期湖面高程为4 060 m。冰湖周围分布有数十个小冰湖，降雨、冰雪融化和小冰湖溃决都是冰湖水量的补给源。湖水面呈狭长条状，东西长7 100 m，南北宽290 m，冰湖面积约2.049 km2。

2.2 冰湖湖水量

图1 冻错曲沟与拟建线性工程相对位置关系

冻错曲冰湖所在海拔高度达4 000余米，缺乏监测数据，通过野外测量，无法准确获取湖水量。Kääb A等[16]通过遥感手段获取冰湖面积参数(A)，由经验公式估算出冰湖深度和湖水量，公式如下：

D=0.104A0.42

(1)

V=0.104A1.42

(2)

经过对冻错曲冰湖美国Landsat-1～Landsat-8卫星2003年至2019年影像资料的分析解译，冻错曲冰湖面积呈动态变化(表1)。该冰湖汛期面积最大年份是2013年，面积为2.049 km2。2013年以来，冰湖汛期面积稳定，尤其是最近四、五年，冰湖面积在1.8 km2左右波动，变化范围不大。

一般来说，冰湖面积越大，溃决风险越高，考虑冰湖最危险状况，取2013年汛期面积作为冻错曲冰湖的研究面积。采用上述公式计算得到的湖深和湖水量分别为：湖深D=46.55 m，湖水量VH=9.54×107m3，与野外勘察结果较为吻合。

2.3 冻错曲冰湖溃决风险

表1 近20年冻错曲冰湖面积变化

乐茂华等运用逻辑回归分析方法，建立了西藏地区冰湖溃决的危险性预测模型，见式(3)，该模型对未溃决冰湖样本预测的准确率为95%。按冰湖溃决的概率范围，将概率值<0.3的划分为低等级，0.3～0.5为中等级，0.5～0.8为高等级，>0.8为极高等级。

p=[1+exp(1.895+17.556X1+36.641X2+20.658X3-43,884X4+0.017X5-0.199X6)]-1

(3)

式中X1为坝顶宽度(km)；X2为湖水位距坝顶高度与湖坝高度之比；X3为冰舌前端距冰湖距离(km)；X4为冰舌段坡度(‰)；X5为冰湖面积(km2)；X6为补给冰川面积(km2)。

冻错曲冰湖位于西藏，存在数百年，无溃决记录，适合用该模型对其危险性进行预测。根据野外勘察和室内遥感解译的参数，采用该模型计算冰湖溃决危险性结果(表2)。冻错曲冰湖溃决概率P为0.42，位于0.3～0.5区间，属于中等危险。

表2 冻错曲冰湖危险性预测结果

3 冻错曲冰湖前缘堰塞坝特征

3.1 堰塞坝规模

2018年11月和2019年8月对冻错曲冰湖进行了两次详细勘察，研究发现，冰湖前缘堰塞坝为冰湖两岸高位崩塌物源形成的堆积体，主要以孤、块石为主。堰塞坝平面形状呈“心”字形，左右两岸均为历史时期的崩塌物源堆积体，堰塞坝左岸最高点高程为4 092.5 m，右岸最高点高程为4 102 m。根据勘察，堰塞坝厚度45 m，顺湖长458 m，横湖宽320 m，估算堰塞坝总体积约6.59×106m3(图2)。

图2 冻错曲冰湖堰塞坝卫星图

3.2 堰塞坝结构

堰塞坝形成已久，物质成分比较复杂，但其结构自上而下大致可以分为三层(图3)。新进堆积体(碎块石)：主要为两岸“流沙坡”近期崩滑堆积，岩性主要为褐色—黄褐色花岗岩，最大粒径可达5 m，最小粒径为2～5 cm，渗透性良好；老堆积体(碎块石土)：两岸崩滑物源堆积形成，岩性为花岗岩，经过流水长时间冲刷，稍有磨圆，空隙被充填压密，逐渐胶结，渗透性差；花岗岩(基岩)：岩性为二长花岗岩，质地坚硬，风化程度低，透水性差。

4 冻错曲冰湖堰塞坝稳定性分析

4.1 堰塞坝整体稳定性分析

堰塞坝地势西高东低，规模巨大，方量达6.59×106m3。坝体下游坡降较缓，背坡坡率为1∶3，背坡面有植被发育。坝体物质组成主要为花岗岩，坝基为侏罗系二长花岗岩，岩性坚硬，不易风化和溶蚀，两岸岩体在地质营力作用下不断崩解、堆积于堰塞坝之上。从堰塞坝规模、岩性组成、植被发育状况和物源补给等方面综合来看，堰塞坝能够很好地保持整体稳定性。根据近20年对冰湖及其堰塞坝影像分析后发现，堰塞坝无变形迹象，稳定性良好。

冻错曲冰湖于非汛期会在距坝顶约5 m处的位置下渗，在坝体内部形成稳定渗流通道(图4)。堰塞坝坝顶宽度大，有人工堆砌形成的泄流槽可供汛期和极端条件下溢流(图5)。组成坝体的花岗岩大多粒径集中在0.1 m以上，块石之间空隙大，渗透性好，湖水能够顺利流通，有利于坝体的整体稳定性。

图3 冻错曲冰湖堰塞坝工程地质剖面图

图4 湖水非汛期下渗

图5 湖水汛期溢流

4.2 渗透变形及抗冲刷稳定性分析

堰塞坝的抗冲刷能力一般由组成物质颗粒的大小所决定。组成颗粒越粗大，抗冲刷能力越强，危险性越低，反之亦然。堰塞坝存在时间长，形成过程中湖水对颗粒进行去“精”取“粗”，堆积的少量细颗粒物质会在短时间内被湖水冲刷、溶蚀带走，留下的都是粗颗粒，具有很强的抗冲刷能力。

冻错曲冰湖堰塞坝上部为碎块石，块石之间架空现象明显，过水能力强，渗透性好。根据野外对上部堆积体进行粒径统计，分析整理绘制颗粒级配曲线(图6)。如图所示，颗粒粒径主要集中在0.1～2 m之间，颗粒粗大，发生渗透变形的可能性小。

4.3 抗滑稳定性分析

Geo-studio软件中的seep/w模块能模拟坝体内部渗流状况及孔隙水压力分布状况，slope/w模块能很好地模拟坝坡稳定性[17-18]。为研究不同工况条件下堰塞坝的抗滑稳定性，本文运用Geo-studio软件中的seep/w模块模拟坝体孔隙水压力分布情况，将其结果导入slope/w模块，然后分析坝坡的稳定性。根据3.2节介绍的堰塞坝的地质结构，建立模型。模型长458 m，高105 m，坝高45 m，坝顶宽30 m。模型从上到下分为3个区域，材料分别为碎块石、碎块石土和基岩。岩土体均按均质各向同性考虑，岩土体参数通过参数反演和工程地质类比相互修正获取，具体参数见表3。

绘制模型，输入材料参数和边界条件，模拟三种工况下的坝坡稳定性系数。工况一：冰湖非汛期水位，湖面高程为4 055 m；工况二：冰湖汛期水位，湖面高程4 060 m，为坝顶高程，湖水从坝顶泄流槽溢流；工况三：汛期集中暴雨叠加四周冰雪快速融化，湖面高程为4 060.5 m，湖水上涨0.5 m，作为极端危险工况。三种工况下的计算结果(图7)。

由图7可知，坝坡稳定性系数随冰湖湖面高程的增长而下降，非汛期和汛期时，稳定性系数分别为1.311和1.197，坝体稳定；当四周冰雪快速融化入湖叠加汛期集中暴雨，湖水位快速上涨，稳定性系数急剧降低为1.057，坝体基本稳定。极端条件可能导致堰塞坝表部被冲刷，局部溃决形成溃决洪水和泥石流。为保障下游人民生命财产及线性工程的安全，应做好冻错曲冰湖水位的实时监测，于适当位置设置排导槽等工程措施对其进行防治。