泥石流堰塞坝研究进展

曹春然，陈华勇,3，Robin Neupane

(1.中国科学院大学，北京 100000； 2.中国科学院 山地灾害与地表过程重点实验室/中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041； 3.中国科学院 青藏高原地球科学卓越创新中心，北京 100101)

堰塞湖作为一种常见的自然界现象，主要是在地震和强降雨等诱发作用下，滑坡、泥石流、冰碛物等堵截河道，造成上游段壅水而形成的天然湖泊[1]。堰塞湖形成方式不同，其危险度、危害特征以及相应的处置对策也不同。泥石流导致的堰塞坝是我国地质灾害常见类型，在我国西南地区，高山峡谷众多，松散物质丰富，很容易暴发大型泥石流堵江[2]。从长期影响来说，泥石流通过改变河流泥沙而影响该河流的河性。从短期危害来说，泥石流堵河造成湖水位的上涨会对上游的乡镇和道路等各种设施造成淹没灾害，堰塞坝一旦溃决又将产生巨大的洪水，冲毁沿程所有房屋、道路、农田以及基础设施等，造成严重的损失[3]。例如：从1919年到1968年半个世纪之间，云南东川蒋家沟发生7次堵断小江事件，最长堵江时间达48 d，水位抬升10 m，上游回水十几千米，淹没良田[4]；1953年西藏波密古乡沟暴雨诱发泥石流，大规模黏性泥石流冲出沟口导致帕隆藏布江被堵塞，回水约10 km，造成140余人死亡，大量房屋、农田和森林被毁坏，损失惨重[5]；1984年和1985年西藏林芝县培龙沟连续暴发特大泥石流堵断帕隆藏布江事件，回水约6 km，最宽处220 m，最深处14.3 m，淹没上游7 km川藏公路和80多辆车，堰塞坝溃决后又冲毁下游2 km川藏公路和5座桥梁，造成上亿元经济损失[2,6-7]。2008年汶川地震后，泥石流堵江事件频率进一步增加，2010年8月7日，甘肃舟曲县突降暴雨，导致三眼峪、罗家峪暴发特大规模泥石流并堵塞白龙江，形成的堰塞湖使近一半县城被淹，造成上千人遇难和巨大的财产损失[8-9]；2010年8月13～14日局部地区强降雨，四川绵竹清平乡文家沟[10-12]，汶川县映秀镇红椿沟[13-14]、烧房沟[15]，银杏乡银杏坪沟[16]、高家沟[17-18]等突发大规模泥石流，泥石流堵塞绵远河、岷江河道而形成堰塞湖，导致交通、通信、电力等中断，造成了巨大的人员伤亡和财产损失。因此，深入开展泥石流堰塞坝特征调查、泥石流堵江以及泥石流坝溃决方面的研究，对提升泥石流堰塞坝的灾害防治和灾后重建等具有十分重要的理论和现实意义。

1 泥石流堰塞坝的特点

泥石流形成堰塞坝一般可分为3个过程：首先，沟道中碎屑物和水混合后失去凝聚力而流动，泥石流起动；之后，泥石流带走沿程堆积材料并逐步汇入主流；最后，泥石流规模进一步增强，并在河道停积而形成堰塞坝。泥石流堰塞坝是物源条件、水源条件和地形条件3个方面综合作用的结果。其中，物源和水源提供了物质条件，地形提供了空间条件。在地形条件方面，泥石流堰塞坝堵塞的河道、山谷一般比较窄，地形坡度较大。一方面，高陡的地形能够使泥石流以较快的速度冲下并堵塞河道、山谷；另一方面，堵塞坝与两侧山体能够形成了天然的蓄水区，上游来流积累后形成堰塞湖。在我国藏东南地区由于谷深山高，岩体破裂，冰川发育，冰湖溃决后转化为泥石流，泥石流入河后常常会堵断主河。

在泥石流性质和规模方面，堰塞坝多以大规模黏性泥石流堆积为主。黏性泥石流重度较大，也相对均匀，一般呈整体堆积，具有一定的抗冲刷能力；而稀性泥石流流动性较好，大部分被主河水流带走，只有大于极限粒径的部分才能够沉积下来。泥石流规模也对堰塞湖形成具有重要影响，只有大规模泥石流汇入主河才会出现完全堵断主河的现象，如果汇入主河的泥石流规模不够大，可能形成潜入式堰塞坝。

在堰塞体物质组成和结构方面，坝体渗透稳定性及抗冲刷能力是堰塞湖能否形成的关键。物质组成、物理力学特性对堰塞坝的形成影响十分明显，如果堰塞坝颗粒级配宽广，自身稳定性较好，并且抗渗能力较好，则有利于形成堰塞湖。

2 泥石流堰塞坝的形成

2.1 泥石流堵河的影响因素及判别研究

泥石流堰塞坝的形成过程是泥石流与主河道水流相互抵抗的过程，如果主河水流不能及时冲刷走汇入的泥石流，就会造成河道堵塞。导致堵河的因素较多，且各种因素之间具有一定的相关性，但形成某个具体堰塞坝的过程，常常受一个或几个主导因素控制。吴积善等[19]针对西藏东南部泥石流沟的泥石流暴发状况，分析了形成堰塞坝的主要影响因素，主要包括：支沟泥石流(规模、性质和固体粒径)、主河水流(流量、比降和宽度)和交汇区地形(交汇夹角和坡度)3个方面。其中在冰湖溃决、冰雪崩或大型滑坡作用下，所诱发的首阵流量大、速度高、巨砾多且垂直于主河的黏性泥石流，最容易形成堰塞坝。郭志学等[20]以支流汇入水槽实验为基础，认为堵河影响因素包括流量比、流速比、密度、总量、主河宽度和入汇角等，并认为泥石流与主河的流量比、总量和入汇角等增大有利于发生堵河现象，而主河宽度和比降的增大不利于发生堵河，支沟泥石流密度与主河临界堵河流量表现出二次抛物线关系。周必凡等[21]对泥石流堵河进行理论分析，建立了泥石流的堵河最小规模、主河流量、泥石流的河床条件等计算公式。党超等[22]认为泥石流堵河影响因素包括：主河宽度、主河坡度、支沟泥石流抗冲刷强度以及二者的流量比、二者的交汇角。朱平一等[6]分析了川藏公路培龙沟泥石流堵河成因，认为泥石流堵河的主要影响因素有：泥石流性质、泥石流规模、与主河交汇关系、泥石流与主河的动力条件和交汇区地形地貌等。唐川等[23]调查了云南小江和岷江典型泥石流沟，认为泥石流堵河主要受泥石流容重和泥石流流量、主河宽度和主河流量影响。张金山等[24-25]调查了岷江上游2条堵塞型泥石流沟和2条不堵河型泥石流沟，对泥石流堵河基本特征进行分析总结，并采用向专家问卷调查的方式确定泥石流堵河的影响因素，主要包括：泥石流规模、泥石流流量、主河宽度、泥石流沟比降、泥石流级配、主河比降、泥石流重度、与主河夹角等。徐永年等[26]得出泥石流堵河主要影响因素有：泥石流密度、泥石流规模和交汇夹角，以支沟泥石流功率(可按峰值流量计算)在垂直河道方向分量与主河水流功率之比来表征影响度。

通过以上学者的分析，可以看出泥石流堵河的影响因素很多，作用效果复杂，且各因素之间既相互关联，又独立发挥作用，使得泥石流堵河判别式的确立非常困难，想提出一种适用于所有情况的泥石流堵河临界判别式几乎不可能。因此只能分析出主要的影响因素，并做出相应的界定，提出特定条件下的堵河判别。表1为现有的泥石流堵河判别式。

表1 泥石流堵河判别式Tab.1 Discriminant of debris flow blocking river

2.2 泥石流堵河过程数值模拟

在认识泥石流堰塞坝形成的力学机理以后，需要通过数值模拟的方法进一步研究泥石流堵河的物理过程。在堵河数值模拟方面，陈春光等[29]基于泥石流汇入主河后呈现出的三维特点，建立了交汇区混合流动力学方程，并结合数值计算方法标志网格(MAC)算法，建立了泥石流与主河水流交汇的计算模型。J.Hübl等[30]采用DEM与二次流变模型结合的方法，考虑了相关学科的多种数据类型，模拟了黏性流的停积过程。Y.Huang等[31]利用光滑质点流体动力学(SPH)，这种纯Lagrangian、无网格的流体动力学计算方法，模拟了文家沟泥石流形成及堵河过程。陈日东等[32]简化泥石流与水流交汇关系后，通过有限元特征分裂算法(CBS)，提出了泥石流在主河中堆积的计算模型，并运用该模型分析了泥石流在主河堆积后对主河水深、流速和流路等的影响。

数值模拟作为一种方便快捷的研究方法，研究成果多，模型的计算效率和精度很高，对泥石流堵河计算也取得了一定的成果，但泥石流与主河交汇堆积模型的建立依然困难。究其原因：① 与泥石流计算模型本身的研究困难有关系；② 泥石流与主河间的交互机理难表述，两者交汇是复杂黏性流和非黏性流之间作用，很难量化泥石流和主河水流在交互面上的关系；③ 模型算法的选择难，稳定性要求高，计算模型一方面要对泥石流和水流进行模拟，另一方面要应对交汇处剧烈的河床变化。

3 泥石流堰塞坝的溃决

3.1 泥石流堰塞坝溃决过程

堰塞坝的成因有很多，如滑坡形成的滑坡坝，崩塌形成的堆石坝，冰川终碛物形成的冰碛坝等。与上面的堰塞坝相比，由于泥石流堰塞坝坝体物质组成和结构上的差异，使其溃决过程区别于其他堰塞坝。目前，国内外学者对于泥石流堰塞坝溃决方面的研究较少，对泥石流堰塞坝溃决过程与溃决机理了解尚不够深入。因此，可以借鉴传统土石坝和滑坡堰塞坝取得的成果，结合泥石流堰塞坝自身结构特性和堆积特征，来进一步分析泥石流堰塞坝溃决过与溃决机理。

堰塞坝的溃决是主河水流和堆积坝体之间相互作用的结果。一方面，主河水流冲刷掏蚀坝体，溃口在下切的同时向两侧发展；另一方面，溃口的增大引起溃决流量的增大，溃口坍滑的土体进入溃决流中，又引起其挟沙能力的变化[33]。统计已知的堰塞坝溃决事件，主要有3种破坏模式：漫顶破坏、坝体失稳破坏和管涌渗透破坏。当水位漫过坝顶时，水流会冲蚀坝体，导致坝体逐渐破坏，即漫顶溃决；在地震、降雨及渗流作用下，坝体可能发生坝坡失稳破坏；堰塞坝在渗流作用下，也可能发生坝坡管涌溃决。因为泥石流堰塞坝的坝体结构特征及堆积几何特征不同于滑坡堰塞坝，导致其溃决过程与溃决模式的不同。泥石流在进入主河前已充分混掺，且饱含细颗粒物质，使得泥石流堰塞坝坝体内部往往不存在明显孔隙和渗流路径，因此坝体基本上很难发生渗透和管涌破坏。泥石流堰塞坝规模一般不大，大多数在短期内发生漫顶溃坝。泥石流堰塞坝难以形成较大规模主要是受限于泥石流自身规模，且泥石流的流动性限制了坝体高度。由于泥石流规模有限，如果泥石流堵断主河，常常就会出现漫顶溃决。胡卸文等[34]通过现场实地调查，对“9·24”泥石流堵河状况及溃坝模式进行了系统性分析，总结出其破坏模式为：扇缘部位首先过流，接着水流挤压对岸并淘刷对岸堰塞体，最后逐级冲开堆积扇。党超等[35]将泥石流堰塞坝的破坏总结为冲刷侵蚀、坝体在水力作用下再启动、坝体在重力作用下再启动这3种模式。陈华勇等[36]将溢流模式下坝体的溃决过程归纳为“由水流冲蚀引起的连续下切”及“溃口边坡失稳坍塌引起的间歇性横向扩展”。在溃坝实验方面，由于泥石流堰塞坝体积巨大，无法进行实体实验，通常是进行一定比例尺的模型实验。对于模型实验，主要采取预设不同的坝体材料和几何形态，控制来流的流速和流量等，观察溃坝发展变化过程，分析不同因素对溃决过程的影响以及溃坝机理。党超等[35]以西藏地区泥石流堵河事件为概化模型进行泥石流堰塞坝的漫顶溃决实验。实验中改变坝体参数和主沟的水力参数来研究泥石流堰塞坝溃决的过程，分析了颗粒粒径与启动流速之间的关系，并提出了颗粒启动的临界条件。耿学勇等[37]开展了13组不同来水流量、坝高、坝体含水率和坝顶宽度的泥石流堰塞坝溃决及洪水特性的水槽实验，得出溃口侵蚀速度与上游来水流量呈正比，溃决模式对泥石流堰塞坝溃决洪峰影响最大，库区水位下降至30%～50%附近一般会出现溃决洪峰，并结合模型实验数据建立了泥石流堰塞坝溃决洪水计算公式。李建华等[38]针对堰塞坝溃口扩展的主要影响因素，用刻度纸和摄像机记录不同状况下溃口断面的形成、发展和变化过程，分析出坝体中的粗砂含量、坝顶长度、坝后坡度、入库流量等因素与溃口下切展宽的初始速率、平均速率、最大速率等之间的相关性及敏感性。

3.2 泥石流堰塞坝溃决机理及数值模拟

泥石流堰塞坝漫顶破坏的过程实质上是水流对坝体的冲刷侵蚀过程。现有对坝体漫顶破坏机理的初步分析大多着眼于溃坝过程中颗粒的冲刷与起动，从不同粒径颗粒的冲刷起动特征层面来说明溃坝机理[39]。坝体溢流冲刷破坏机制可从3个方面分析：① 坡面流剪力，坡面颗粒运动是坡面水流拖曳力作用造成的；② 坡面流流速，溃口中水流速度越大对坝体的掏蚀越强；③ 坡面流能量，坡面颗粒运动必定要损耗一定的能量。其中，从水流流速入手最直观也最简单。分析颗粒的受力情况，颗粒起动是水流运动产生的拖曳力和上举力超过颗粒间的黏结力。水流运动的拖曳力和上举力体现在水流的流速上，当流速效应超过颗粒的黏结力效应后，颗粒便发生运动。常用的颗粒的起动流速公式如下：

沙莫夫公式

(1)

唐存本公式

(2)

张瑞瑾公式

(3)

式中：Uc为颗粒的起动流速；γs和γ分别为颗粒和水流的重度；h为颗粒位置的水流深度；d为颗粒直径；g为重力加速度。以上3个计算公式具有相同的形式，反映了相同的颗粒起动流速变化规律，即不同粒径颗粒在同样水深条件下的起动流速随粒径的增加而增加，同一粒径颗粒的起动流速随水流深度增加而增加。

水流在坝体坡面运动时，也常常会形成陡坎冲刷。跌过陡坎的水舌会冲击下坡面，并在陡坎壁面一侧产生反向漩流，漩流剪应力作用会冲刷河床并掏蚀壁面底部，导致坡脚侵蚀，陡坎从而不断向上游发展，最终抵达迎水面使溃口贯通。在竖向上，漩流剪应力掏蚀深切底槽促使溃口在竖向上的发展；在横向上，水流剪应力冲蚀溃口两侧坡体促使溃口变宽，水流作用会在两侧形成陡立的临空面，临空面土体在重力作用下发生崩塌或滑动破坏。Hanson等[40-41]给出了陡坎侵蚀速率计算公式：

(4)

式中：H为陡坎高差；Ev为垂直面上的侵蚀量；kd为侵蚀系数；τe为有效剪应力；τc为临界剪应力。

目前，专门对泥石流堰塞坝溃决过程的数值模拟较少，但很多研究人员通过建立模型对滑坡堰塞坝溃决过程进行了模拟，主要包括基于参数的模型和基于物理过程的模型。基于参数的模型是拟合分析已知溃坝事件参数而得到的统计模型。常见的基于参数模型是将坝体高度、坝体体积、库容、拦蓄水量等作为特征参数，拟合出关于洪峰、溃坝时长和溃口稳定宽度之间的关系式。采用基于参数的模型来评估堰塞坝稳定性和流量，具有方便、快捷的特点，尤其是堰塞坝刚形成时，急需判断堰塞坝的稳定性和溃决过程中的峰值流量等参数，此时参数模型具有非常大的优势。基于物理过程的模型是从理论角度分析堰塞坝形成与发展机理，考虑了泥沙输移、水流运动和边坡稳定性等学科知识，构建一个时变过程来预测溃坝发展过程。数值模拟是研究堰塞坝溃决问题的一种有效手段，深入研究泥石流堰塞坝溃决数学模型，能进一步了解溃坝机理，更加精确分析泥石流堰塞坝的溃决过程，从而制定相应决策，控制和减少灾害损失，因而在理论性和实用性上都具有重要的意义。

4 结语与展望

泥石流堰塞坝的形成，特别是黏性泥石流堵江成坝过程，是一个复杂的非牛顿体与牛顿体相互作用过程。由于泥石流堰塞坝在几何特征、物质组成、结构特点与滑坡堰塞坝存在较大的差异性，所以泥石流堰塞坝溃决过程、洪水形成和演进过程与滑坡堰塞坝溃决与洪水演进过程大相径庭，开展泥石流堰塞坝的形成-溃决过程与机理研究，可为泥石流堰塞坝溃决洪水的防灾减灾工作提供有力的科技支撑。近年来国内外学者关于泥石流堰塞坝的形成与溃决机理研究工作取得了一定的进展，但仍然存在很多不足，在今后的研究中应注重以下几个方面。

(1) 系统分析影响泥石流堰塞坝形成机理的重要因素，总结泥石流堰塞坝形成机理的一般性规律；加强对泥石流堵河动力过程的研究，建立泥石流堵河成坝的完整过程模型实验；从全流域的角度提出泥石流堰塞坝形成的预测模型。

(2) 加强对溃决过程影响因素的系统性实验分析研究；合理地进行泥石流堰塞坝溃决分析，建立与溃口变形直接相关的泥沙输移理论模型；加强对泥石流堰塞坝溃决机理的描述，完成溃口从起始破坏到最终稳定的溃决全过程准确模拟。

(3) 在泥石流堰塞坝溃坝风险分析方面，深入研究堰塞坝溃决的影响因素，选取更好的评估指标，建立一个完善的评估方法；根据泥石流堰塞坝的演化特征和灾害链效应，提出流域性泥石流堰塞湖危险性的评估方法。