豆坪河纸槽沟堰塞湖应急监测及风险评估

2021-07-15强宏伟吕亚斌

水利技术监督 2021年6期

强宏伟，吕亚斌

(甘肃省陇南水文水资源勘测局，甘肃成县 742500)

2020年8月以来，西河水流域内遇入汛以来最强降水过程，过程持续时间之长，量级之大，暴雨场次之多，范围之广为历史罕见，多站在日降水量级及强度上均突破历史记录极值。受连续强降雨影响，8月18日18：00左右，豆坪河纸槽沟内发生大规模滑坡，滑坡体沿沟道滑入河道内，阻断豆坪河，发生堰塞湖。柏杨、张赵、草坪、李家庵、李坝、上沟、砖家沟、草坝等八村的道路、电力中断，1150户4133人出行及生产生活受阻。淹没耕地50余亩，受影响的经济总量3120余万元。给当地人民生命财产造成巨大威胁。

李万林、周英帅[1]等研究证明暴雨、洪涝、台风是造成滑坡泥石流灾害的重要原因。而在陇南山区，发生滑坡泥石流灾害的成因主要是暴雨。由于该地区气候变化异常[2]、土层较薄，当雨量达到饱和，最终导致土层脱落，很容易形成滑坡、泥石流，形成堰塞湖。马耀昌、芦意平[3]等采用无协作目标全站仪法对白格堰塞湖水位应急监测；黄艳、马强[4]等对金沙江流域堰塞湖的现状进行分析及风险评估，并对白格堰塞湖洪水进行预测；金兴平[5]对雅鲁藏布江米林堰塞湖的应急处置过程做了细致的分析；陈敏[6]分析了白格堰塞湖溃坝洪水演进过程，提出两阶段四步走的腾库实施方案。近几年无人机、GPS-RTK、GIS、Cass等设备和软件的大力发展，为堰塞湖监测计算提供了很多方便，在堰塞湖发生以后，创新性的运用水文监测新技术[7]对堰塞湖、堰塞体进行监测，分析其成因及风险评估，具有深远意义。

1 流域概况

豆坪河地处陇南市康县西北部，流域面积98.7km2，发源于周家坝镇与长坝镇交界处的大龙王山北坡，是平洛河一级支流，嘉陵江的三级支流，干流海拔915.9～1721.7m，河流全长21.7km。河道平均比降26.9‰。从南向北流经田坝、巩家坝、豆坪、姚子湾、张赵、河口里、杨沙坝等村庄、在小河坝村于右岸汇入平洛河。

2 堰塞体、堰塞湖概况

2.1 堰塞湖发生成因、时间、位置

受前期强降水的影响，土壤趋于饱和，点绘流域内前期累积降水曲线如图1所示。从图1中看出，本次降水共有3个阶段，在8月17日时强度最大，属本次堰塞湖成因暴雨。导致山体高位垮塌、滑坡，从豆坪河左岸滑入河道，阻断水流，在豆坪河上形成山崩堰塞湖。堰塞湖地处康县周家坝镇河口里村上游约1.2km的纸槽沟沟口处，所以又称纸槽沟堰塞湖。堰塞湖至下游最近村庄河口里村1.2km，至入河口6.0km，堰塞湖以上集水面积为50.7km2。堰塞湖位置如图2所示。

图1 流域内降水量累积图

图2 纸槽沟堰塞湖位置图

2.2 堰塞湖特征

利用无人机对堰塞湖堰塞体进行高空摄影测量。根据8月21日测得的基础数据推求。本次堰塞湖的长度为1133.45m，平均宽度为82.1m，最大宽度为125m，堰塞湖面积为0.093km2，堰顶到堰前水面高度为0～25m(堰塞体右岸已溢流)，用测得的堰塞湖水面高程和堰塞体下游的河底高程推算出堰前最大水深为18.0m。

2.3 滑坡堰塞体特征

用全站仪、GPS-RTK等仪器对堰塞体长度、宽度、高度等各项特征值进行初步测量。等堰塞体稳定后，采用RTK又对堰塞体的形状及体积进行细致的测量及计算，并收集到堰塞体的各项基本数据。

滑坡体呈哑铃状，长度1260m，滑坡上部最宽处230m，滑坡中部宽度50～70m，滑坡前缘[8]堆积体最宽处350m，滑坡前后缘高差440m，滑坡总体坡度在30°左右。该滑坡可分为上中下3个部分[9]，上部是主滑区，最先发生大规模滑坡，滑坡物质主要来源于上部；中部受到推移发生山体坡面浅层滑动；下部是滑坡堆积区。上部滑动形成的滑坡后壁最高达25m，滑动面积4.8×104m2，下滑平均厚度约10m，上部已发生滑动的体积约48×104m3；中部发生浅层滑动，滑动面积3.7×104m2，下滑平均厚度约3m，中部已发生滑动的体积约11×104m3；下部是滑坡堆积区(即堰塞体)。

堰塞体呈扇形，前缘长约445m，纸槽沟沟口堆积体宽约115m。垂直河道长为142m。堰塞体呈左高右低状，前缘高度(距下游河道底部)为25m，沟口高度(距下游河道底部)为50m。

2.4 堰塞体地质

根据1∶400万GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》，工程区50年超越概率10%时地震动峰值加速度为0.20g，地震基本烈度为Ⅷ度，地震动反应谱特征周期为0.45s。区域构造稳定性较差[11-12]。

2.5 堰塞体体积测量计算

用GPS-RTK以堰塞体外边界为准，每间距20m布1个设图根点，采用“Z”字型迂回测量方式，测得堰塞体各部位的坐标值，从手薄中导出数据，保存为dat格式文件，将坐标文件导入南方Cass软件中，选取高程点的范围，生成堰塞体地形图如图3所示。以堰塞体最下沿的坐标高程作为平场起算面，采用DTM法计算，得堰塞体体积为81.3×104m3。

图3 堰塞体地形测量图

3 堰塞湖水文监测

3.1 出入堰塞湖流量

走访调查发现，8月18日18：00，滑坡体前缘已推进至右岸，到21日12：00的这段时间，豆坪河河口里村段没有断流，只是水明显小了很多，有10h左右。说明滑坡体推进速度缓慢，至22日20：00，出入堰塞湖的水量已基本达到平衡，当日12:36实测入库流量1.98m3/s，10：42实测出库流量2.06m3/s。

最大入库流量为8月23日15：24的10.9m3/s，最小入库流量为9月7日12：00 的0.726m3/s；最大出库流量为8月23日16：00的9.35m3/s，最小出库流量为9月7日12：40的0.733m3/s。出入库流量监测资料见表1。

表1 堰塞湖出入库流量对比表单位：m3/s

8月26日15：00—8月28日15：00、29日9：00—29日15：00、8月30日20：00—9月3日17：00这3个时段，依据制定的抢险措施，在右岸靠山体原溢流处，开挖引流渠，致使出库流量大于入库流量。出入库流量过程如图4所示。

图4 出入库流量过程

3.2 堰塞湖水位监测

8月21日—9月8日应急监测堰塞湖的水位总体呈下降趋势，从8月23日16：00最高996.11m，下降至9月8日10：30最低992.14m，共计回落3.97m。

8月22日13：50以前、8月22日14：00—8月23日16：00、8月29日9：00—8月30日20：00 3个时段，堰塞湖水位是上涨的。其中8月22日13：50以前是由于堰塞体还不稳定，继续向前缓慢推进，右岸山体崩塌，使右岸溢流处堰体顶部增高造成的，其余两个时段是由于上游发生洪水入库流量增大，由于堰塞湖的滞洪作用导致水位上涨。

堰塞湖水位回落有4个阶段，其中8月23日16：00—8月26日15：30是由于上游洪水回落，进入堰塞湖的流量减小造成的。8月26日15：30—8月27日19：00、8月29日9：00—8月29日15：30、8月30日20：00—9月3日17：00 3个时段，是根据堰塞湖排险处置方案，在右岸溢流处分阶段向下开挖引流渠所致。水位过程如图5所示。

图5 堰塞湖水位过程图

4 堰塞湖容积监测与计算

4.1 水位库容关系曲线

使用GIS软件对堰塞湖水下地形提取，导入Cass绘制水下地形图如图6所示。由于该流域上下游无水文测站，8月21日起动应急监测以来测得的出入库流量是堰塞湖顶右岸开始溢流后的流量，堰塞湖在形成过程中又没有断流，无法用水量平衡方法推求堰塞湖的蓄水量。

图6 堰塞湖水下地形图(比例尺：1∶2000)

堰塞湖蓄水量的计算采用地形法、三角网法[13]用测得堰塞湖在最高水位996.11m下淹没区边界的地理坐标，点绘在大比例尺的地形图上，勾绘出堰塞湖最大淹没水面边界，提取水下地形图，按照计以下公式计算：

(1)

式中，ΔV—相邻等高线面积之间的容积；ΔZ—两条相邻等高线的高差；F1，F2—相邻等高线各自包围的面积。

将相邻等高线面积之间的容积累积，即可得到不同水位下堰塞湖的容积，点绘水位—库容曲线[14]如图7所示。

图7 堰塞湖水位库容曲线

4.2 堰塞湖蓄水量监测分析计算

根据观测的水位，在水位—库容曲线上查得对应的库容，得堰塞湖的蓄水量变化过程。结果见表2。

表2 堰塞湖蓄水量统计表单位：×104m3

8月22日13：50以前、8月22日14：00—8月23日16：00、8月29日9：00—8月30日20：00 3个时段，堰塞湖蓄水量是增大的。其中8月22日13：50以前是由于堰塞体还不稳定，继续向前缓慢推进，再者右岸山体崩塌，使右岸溢流处堰体顶部增高造成的，其余两个时段是由于上游发生洪水，入库流量增大，堰塞湖滞洪所致。点绘蓄水量变化过程如图8所示。

图8 堰塞湖蓄水量变化曲线

从图8看出，堰塞湖蓄水量减小有4个阶段，其中8月23日16：00—8月26日15：30是由于上游洪水回落，进入堰塞湖的流量减小造成的。8月26日15：30—8月27日19：00、8月29日9：00—8月29日15：30、8月30日20：00—9月3日17：00 3个时段，是根据堰塞湖排险处置方案，在右岸溢流处分阶段向下开挖引流渠所致。

堰塞湖发生以来最大蓄水量出现在8月23日16：00，蓄水量为90.6×104m3，此后逐步减小，截止9月8日10：30蓄水量为60.5×104m3，其间蓄水量共减少30.1×104m3。根据监测的出入库流量，用水量平衡法计算得8月21日12：15—9月8日10：30入库水量为319.5×104m3，出库水量为352.7×104m3，其间蓄水量共减少33.2×104m3，与水位—库容曲线上查得的30.1×104m3比较接近。

5 安全下泄流量分析确定

堰塞体遇水湿陷严重[15]，堰塞体稳定后，采用开挖引流渠，降低溢流处顶部高程，排出堰塞湖内的蓄水，降低堰塞湖的风险等级。为了防止在处置过程中开挖不当，致使下泄流量过大发生次生灾害，需计算最大安全下泄流量。通过对堰塞湖以下豆坪河段进行踏勘、测量，确定河口里村河段行洪能力最弱，此处河道宽度仅有16m，左右岸防洪堤低矮。经过测量计算，桥上游左岸护堤顶高程为960.98m，右岸护堤顶高程为961.65m，河段比降为9.8‰。当水位960.60m时流量为32.9m3/s，凹弯处水面超高0.13m，下游桥梁壅水高0.09m，则最高水位为960.82m，确定安全下泄流量为32.9m3/s。

6 堰塞湖风险评估

根据SL 450—2009《堰塞湖风险等级划分标准》，对溃坝风险预测[16]，该堰塞湖应急处置期洪水标准为3年一遇，堰塞湖风险等级[17-18]为Ⅲ级。

计算成果表明：3年一遇洪峰流量38.6m3/s，发生设计洪水时堰塞湖滞洪演算结果最大入流量38.6m3/s，最大出流量25.0m3/s，堰塞湖水位相对于导流渠底增高1.66m，蓄水量增加19.9×104m3；堰塞体风险评价中渗流分析计算结果表明：在正常情况和非常情况下，堰塞体浸润线均从堰塞体下游坡坡脚出逸，堰塞体堆积料最大出逸坡降为0.142，小于坝体填筑料允许出逸比降0.18，因此堰塞体不会产生渗透破坏，渗流稳定满足要求[19-20]；堰塞体边坡稳定性计算结果表明：上、下游坝坡计算[21]的最小稳定安全系数均大于规范规定的允许安全系数，坝坡稳定是满足要求的。也就是说，当发生3年一遇的洪水时，堰塞湖、堰塞体是安全的。