堰塞湖柔性防护措施控溃削峰技术研究

2023-02-12周招，蔡耀军，李建清，彭文祥

人民长江 2023年1期

周招，蔡耀军，李建清，彭文祥

(1.长江设计集团有限公司，湖北武汉 430010； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010；3.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉 430010)

0 引言

堰塞湖作为高山峡谷地区常见的地质灾害，主要是由于降雨、地震、融雪等外在动力因素导致发生山体滑坡、坍塌、泥石流堵塞天然河道形成的天然湖泊，堵塞河道的固体堆积物则称为堰塞体。堰塞体浑然天成、未经人工碾压，物质结构疏松，在上游持续壅高洪水及波浪涌动侵扰作用下，极易引起漫顶溃决形成非常态洪水，严重影响沿岸地区人民群众生命财产安全[1-2]。

历史上众多堰塞湖溃决均引起了重大安全事件。1786年磨西地震诱发的摩岗岭堰塞湖溃决直接洗劫大渡河、岷江沿岸，造成约10万人死亡[3]；2008年汶川地震诱发257处堰塞湖，其中唐家山堰塞湖直接威胁下游绵阳、江油等地130万人民群众生命财产安全[4-5]。堰塞湖自然寿命相差显著，从数小时到数十年甚至上百年广泛存在。Costa和Schuster[6]通过对73处堰塞湖溃决时间进行统计，发现堰塞湖在一天、一周、一月以及一年之内溃决比例依次达到27%、41%、56%、80%，张利民、石振明、聂高众等通过大型数据库统计堰塞湖特征，亦得出类似的结论[4，7-8]。

因堰塞湖溃决过程涉及到复杂的水沙耦合过程，学者们通过众多模型模拟了堰塞湖溃决过程。邓明枫等[9]通过水槽试验模拟茂县宗渠堰塞湖溃决过程，指出堰塞湖漫顶溃决过程分为缓慢侵蚀阶段和快速侵蚀阶段。钟启明等[5]基于唐家山堰塞湖实测资料，利用数学模型反演分析峰值流量、溃口展宽以及峰值流量出现时间等参数，并指出模型计算结果与实测值吻合较好。蒋先刚等[10]利用水槽试验对比研究初始含水量对溃决过程影响规律，并指出溃决峰值流量随初始含水量增大而增大、溃决历时和残留堰体高度随初始含水量增大而减小。

针对堰塞湖险情，当前主要是采取纵向开挖引流槽、爆破拆除堰塞体以及虹吸管等工程技术手段缓解堰塞湖威胁，其中引流槽除险技术在高危堰塞湖应急处置领域应用最为广泛，其核心思想是降低堰塞体过水高程、缩短堰塞湖蓄水时间，减小堰塞湖库容及溃决洪峰。唐家山堰塞湖以及白格堰塞湖是引流槽除险技术的成功典范，实践表明溃决洪峰削减比例分别达到35%和28%[11]。尽管引流槽能有效削减堰塞湖溃决洪峰，但根据堰塞湖应急处置现场观测发现，在溃决洪水快速发展阶段堰塞体坍塌速度过快，溃决洪峰较大，依然远超下游地方河道防洪标准，且当前并无良好工程措施能控制堰塞体坍塌过程。陈晓清等[12-14]借鉴水电工程大江截流经验，提出在堰塞湖溃决后期向引流槽内抛投人工结构体。尽管室内试验表明人工结构体能有效削减溃决洪峰，但抛投时机不明确，抛投过早会拦阻引流槽正常泄流，抛投过迟则贻误控制堰塞体坍塌时机，而且在堰塞湖应急处置现场极具危险性及偶然性，人工结构体抛投实际操作可能性也较低。

针对堰塞体坍塌难以控制及溃决洪峰过大等问题，本文利用室内模型试验，在引流槽边坡及堰塞体上游坝坡分别铺设石笼串及柔性网链，旨在减缓溃决水流横向展宽及纵向下切掏蚀堰塞体，延缓堰塞体坍塌，坦化堰塞湖溃决洪水过程，削减溃决洪峰。

1 试验设计

1.1 设计思路

高危堰塞湖堰塞体物质结构组成通常以土质或土质含大块石为主，在堰塞湖溃决过程中土质引流槽极易被溃决水流快速掏蚀，引起坍塌溃决。根据人工控制堰塞湖溃决过程，待溃决流量超过设定阈值时，柔性防护措施需深入溃决水流，即在溃决初始阶段不干扰引流槽泄流，而在溃决快速发展阶段能减缓溃决水流掏蚀引流槽，延缓堰塞体坍塌[15]。

基于该思路，本文开展石笼串及柔性网链等柔性防护措施控溃削峰试验研究，但与陈晓清等[12]所提的人工结构体不同，石笼串及柔性网链均能随堰塞体坍塌发展过程自行调整结构形式，持续保护引流槽边坡及底坡，并且在堰塞湖应急处置现场具备实际可操作性。

1.2 模型设计

本文结合白格堰塞湖，参照其几何规模按照几何比尺1∶80修筑室内模型。模型规模达到17.5 m×4.0 m×1.0 m(顺河长×横河宽×垂直高度)，堰塞体上下游坝坡坡比分别为1∶2和1∶5。模型上游设计20 m×12 m的矩形蓄水池用于模拟堰塞湖库区，最大蓄水库容可达到384 m3。参考白格堰塞湖库区实际入库流量，并考虑模型库容与实际库容的差距，试验中入库流量选定8.3 L/s。

模型装置由供水装置、上游库区、堰塞体试验段以及下游水库组成(见图1)，并在上游库区进水口修筑花墙，用于调蓄入库水流。在堰塞体上、下游分别布置高清摄像机，每次试验前在堰塞体表面铺洒白色腻子粉并绘制矩形网格，网格基本尺寸为20 cm×20 cm，用于参考记录堰塞体坍塌过程。在上游库区布置高频水位计(精度±1 mm，采集频率0.9 s)，监控堰塞湖水位变化，用于测算堰塞湖库容变化。

图1 堰塞体溃决模型布置Fig.1 Model layout of breach of barrier body

1.3 堰塞体物质组成

堰塞体溃决过程复杂，模拟堰塞体溃决过程除需要满足重力相似准则外，还需考虑堰塞体物质材料组成相似、引流槽边坡坍塌相似、溃决水流多相流运动相似，但通过物理模型相似分析导出的比尺关系常常存在矛盾，严格与原型存在相似关系的堰塞体溃决模型试验尚无文献报道[16-17]。因此，在堰塞体溃决实际模拟过程中，通常将相似准则适当放宽，抛开相似一般性，着重宏观溃决效果相似等。

堰塞体物质结构组成疏松、颗粒级配宽泛，为呈现堰塞湖溃决效果，体现堰塞体物质结构组成宽级配特征，本次试验结合白格堰塞体物质结构组成，选用表1所列颗粒级配材料。由于部分细颗粒含量较高，因此在试验过程中对堰塞体物质结构组成作折中处理。

表1 堰塞体物质颗粒级配组成

1.4 试验方案布置

根据柔性防护措施设计思路，本文分别在引流槽边坡及堰塞体上游坝坡分别布置石笼串及柔性网链，并结合堰塞湖溃决过程，优化研究石笼串布置位置和柔性网链几何形状，旨在延缓溃决水流冲刷掏蚀引流槽。

石笼串是通过钢丝网编制成直径2 cm、长4 cm、重量达0.3 kg的圆柱状石笼，并利用绳索连接各石笼形成串体结构，横向平行布置于引流槽两侧边坡。柔性网链则是选用网孔尺寸为4 mm×4 mm的高强度柔性铁丝网编制而成，并布置于堰塞体上游坝坡。

本文共布置如表2所列6组试验方案，对比研究不同布置形式的柔性防护措施其控溃削峰效果，各方案中引流槽结构形式均为复式断面，如图1(c)所示。溃决水流自下而上溯源冲刷引流槽，石笼串在溃决初始阶段既不干扰引流槽正常泄流，又需在溃决快速发展阶段能减缓溃决水流横向展宽，因此石笼串覆盖堰塞体顶部上半段区域。类似地，柔性网链需在溃决快速发展阶段能随溃决水流拖拽深入引流槽，更大程度保护引流槽底坡，因此柔性网链在矩形平面基础上(方案4)优化调整为梯形状(方案6)，便于柔性网链前缘顺利滑入引流槽。需要补充说明的是，为防止柔性网链被溃决水流冲刷漂浮于水中，在柔性网链前缘、后缘分别通过绳索连接沉水配重及锚固结构。石笼串及柔性网链典型布置如图2～3所示。

表2 试验方案及布置

图2 石笼串布置(方案5)Fig.2 Layout of gabion strings(scheme 5)

图3 梯形柔性网链布置(方案6)Fig.3 Layout of trapezoidal soft nets(scheme 6)

1.5 试验过程

本次试验堰塞体规模庞大，选用如表1所列砂石料并通过人工筛分按照其比例配置堰塞体物质组成，利用皮带机运输至水槽内。为保证堆填砂石料均匀致密，每铺20 cm便利用20 kg钢管人工碾压，直至堆填至预设高度。

待堰塞体砂石料堆填完成后，在堰塞体顶部开挖复式断面引流槽，并利用水准仪和水平钢尺复核引流槽高程及水平尺寸，确保误差控制在±1 mm。随后根据各方案分别在引流槽边坡及堰塞体上游坝坡铺设石笼串及柔性网链。

待防护措施铺设完成后，开启蓄水池上游阀门；待库水位上涨至距离引流槽溃口30 cm时，关闭阀门、停止供水，充分浸泡堰塞体2 h，模拟堰塞湖库水位缓慢上涨过程。随后再次开启阀门至预设入库流量，待库水位上涨至引流槽溃口时，堰塞体溃决过程开启，记录该时刻t=0 s，高清相机开始记录堰塞体溃决发展过程，待堰塞体冲刷达到稳定时，关闭阀门，停止供水，堰塞体溃决过程结束。随后按照表2所列各方案重新堆填模型。

2 试验结果分析

堰塞体溃决过程极为复杂，本文将从溃决水流流态、堰塞湖库水位、溃决流量等方面揭示溃决水流与柔性防护措施协同作用机理。

2.1 溃决水流流态

堰塞湖引流槽内持续壅高水流逐渐纵向下切及横向展宽掏蚀引流槽，造成堰塞体逐渐坍塌，致使溃决流量急剧上涨，冲刷能力不断增强，如此过程不断进行，直至堰塞湖库区囤蓄洪水不足，溃决流量逐渐下降，冲刷掏蚀能力逐渐下降，堰塞体趋于稳定[18]。本文通过综合对比各方案下溃决水流流态，将堰塞湖溃决过程划分为如图4所示溃决初始阶段、溯源冲刷阶段、快速发展阶段以及恢复稳定阶段。

图4 堰塞湖溃决水流流态Fig.4 Flow pattern of breaching flood

溃决初始阶段。随着堰塞湖库水位缓慢上涨，引流槽内溃决水流“匍匐”前行，冲刷能力较弱，待运动至下游坝坡时，因局部流速增加，细颗粒材料随溃决水流不断快速搬运至下游，下游坡面逐渐形成“辫状”冲蚀沟，沟沿、沟坡清晰可见。

溯源冲刷阶段。待溃决水流流至下游河床在下游坝坡面形成连续贯通水流时，溃决水流局部流速稍有增加，因堰塞体颗粒组成宽泛、不均匀，下游坝坡面各区域抗冲流速不一致，局部区域受溃决水流冲刷率先形成细小跌坎。随着溃决流量继续增大，溃决水流冲刷能力持续增加，如图4(b)所示，下游坝坡表面逐渐形成多级跌坎。随后溃决水流不断纵向冲击跌坎水平面，并在跌坎凹角处形成反向涡旋，造成细颗粒被冲刷带走，跌坎落差不断增大，致使跌坎沿程回溯发展，因堰塞体纵向尺寸大，引流槽内多级跌坎不断充分回溯，甚至交汇融合，形成更大落差跌坎。待回溯发展至引流槽溃口时，因上游坡面无砂石料覆盖保护，溯源陡坎迅速回溯“击穿”上游坝坡，造成堰塞体上游坝坡迅速坍塌、溃决水流水头迅速增大，溃决流量急剧增大。

快速发展阶段。待溯源陡坎回溯至引流槽溃口时，溃决水流迅速纵向下切掏蚀引流槽，溃决流量急剧增大、冲刷能力持续增强，造成堰塞体大范围坍塌，溃决水流水头及过流宽度快速增大，如图4(c)所示，引流槽坡面甚至伴随起伏涌动水跃。因堰塞湖库区囤蓄洪水有限，溃决流量达到峰值后快速下降，但溃决流量依然远大于入库流量，冲刷能力依然较强，堰塞湖库水位持续下降，引流槽边坡呈间歇性坍塌。

恢复稳定阶段。待溃决流量逐渐降低，溃决水流冲刷能力逐渐减弱，细颗粒砂石料随溃决水流在引流槽底坡呈散粒体式滚动，粗颗粒砂石料逐渐裸露，堰塞体逐渐趋于稳定。

尽管各方案下溃决水流流态均呈现上述4种典型特征，但因柔性防护措施影响，各方案溃决快速发展阶段横向展宽掏蚀引流槽(见图5)呈现明显差异。方案1中(无防护措施引流槽)溃决水流显著横向展宽，掏刷引流槽，过流断面自上而下呈现明显等宽特征。方案2及方案3中溃决水流横向展宽过程类似，尽管引流槽边坡布置石笼串，但因石笼串数量较少、布置位置较高、末端重量不足，在溃决快速发展阶段石笼串普遍难以沿引流槽边坡下滑，反而如图5(b)所示临空悬挂于引流槽边坡外侧，难以保护引流槽边坡，造成局部湍流加剧掏空引流槽边坡，因而延缓溃决水流横向展宽有限。方案5通过增加石笼串数量并横向延伸至靠近引流槽底坡，如图5(c)所示，石笼串能随引流槽边坡坍塌而不断自行下滑、持续保护引流槽边坡，显著约束溃决水流横向展宽，延缓堰塞体坍塌，引流槽内过流断面宽度明显呈现下游宽、上游窄特征。

图5 各方案下溃决水流横向展宽Fig.5 Lateral widen by outburst flood under different schemes

待溯源陡坎回溯发展至引流槽溃口时，因堰塞体上游坝坡无砂石料覆盖保护，上游坝坡形成类似“临空面”，溯源陡坎迅速击穿堰塞体上游坝坡。相比于方案1中迅速下切的坍塌堰塞体上游坝坡，柔性网链作用如图6所示。方案4中能观测到大于网孔尺寸的粗颗粒砂石料在柔性网链覆盖保护下稍有停滞，坝坡下切有所减缓，但受引流槽两侧边坡支撑，矩形柔性网链难以随溃决水流纵向拖拽、进入引流槽，覆盖保护范围有限。方案6中梯形柔性网链能随溃决水流纵向拖拽，甚至深入引流槽溃口，覆盖保护区域明显增大，明显减缓溃决水流下切掏蚀堰塞体上游坝坡，溃决水流水头上涨速度明显降低。此外，石笼串沿引流槽边坡下滑，束缚溃决水流横向展宽，减缓过流宽度上涨，二者联合作用，堰塞体坍塌速度明显减缓。

图6 柔性网链作用示意Fig.6 Schematic diagram of the flexible net action

2.2 库水位变化

与堰塞体溃决过程典型阶段性特征变化相一致，堰塞湖库水位亦呈现阶段性特征变化。各方案下堰塞湖库水位变化过程如图7所示，普遍呈现先平稳上涨至峰值水位、随后缓慢下降、快速下降直至堰塞湖出入库流量一致、库水位恢复稳定的变化规律。本文将堰塞湖库水位变化过程依次划分为平稳上涨、缓慢下降、快速下降以及恢复稳定4阶段。

各方案下库水位特征阶段时长如表3所列，综合对比各方案下库水位变化过程，可发现各种防护措施方案普遍可延长库水位变化过程。方案1中库水位各特征阶段时长依次为0～900 s、900～1 100 s、1 100～1 500 s、1 500～2 600 s，堰塞湖最大壅高水位为0.856 m。方案2、方案3及方案5普遍因石笼串约束溃决水流横向展宽、稍有阻水，致使引流槽坍塌滞后，堰塞湖蓄水过程稍有延长，平稳上涨阶段时长依次延长到900，980 s以及1 050 s，最大壅高水位相应稍有上涨，分别达到0.857，0.858 m及0.859 m。

图7 堰塞湖库水位变化过程Fig.7 Reservoir water level variation

与各石笼串防护方案类似，各柔性网链方案中堰塞湖库水位平稳上涨阶段亦稍有延长，但相比于方案1堰塞湖最大壅高水位，方案4及方案6堰塞湖最大壅高水位稍有降低，仅有0.842 m及0.838 m，其主要原因即是柔性网链能延缓溃决水流下切掏蚀堰塞体上游坝坡，减缓堰塞体坍塌，造成溃决过程延长。

表3 堰塞湖库水位特征阶段时长

2.3 溃决流量变化

各方案下堰塞湖溃决流量变化过程如图8所示，普遍呈现先缓慢上涨随后急速上涨、快速下降直至恢复稳定变化规律。本文将堰塞湖溃决洪水流量变化过程依次划分为小流量泄流、快速上涨、快速下降以及恢复稳定4个特征阶段。结合库水位特征阶段变化，普遍发现溃决洪水各特征阶段均滞后于图7所示各方案库水位相应阶段时刻，该特殊现象与堰塞湖实测库水位-溃决流量变化过程相一致[18-19]。但采用不同防护措施后，溃决洪水过程普遍滞后于无防护方案。

图8 溃决流量变化Fig.8 Outburst flow variation

方案1中溃决流量各特征阶段时长依次为0～950 s、950～1 320 s、1 320～1 800 s、1 800～2 600 s，堰塞湖溃决洪峰为323 L/s。相比方案1，方案2及方案3溃决洪水过程滞后并不显著，小流量泄流阶段时长仅延长至1 000 s，但溃决洪峰分别增长至356 L/s及346 L/s，其主要原因即是石笼串末端重量不足、难以克服沿程摩阻下滑至引流槽底坡，反而临空悬挂于引流槽边坡外侧(见图5(b))，局部湍流甚至加剧掏空引流槽边坡，因而增大溃决水流过流宽度及溃决洪峰。对比方案1、方案2、方案3及方案5，发现方案5溃决洪水过程滞后尤为显著，其溃决洪水各阶段时长依次为0～1 100 s、1 100～1 500 s、1 500～2 200 s、2 200～2 700 s，溃决洪峰下降至309 L/s，比方案1低4.3%，其主要原因是石笼串能在溃决洪水快速发展阶段克服沿程摩阻沿引流槽边坡下滑，束缚溃口横向展宽，延缓堰塞体坍塌，降低溃决洪峰。

此外，相比无防护措施引流槽(方案1)，方案4堰塞湖溃决洪水过程明显滞后，各特征阶段时长依次为0～1 200 s、1 200～1 600 s、1 600～2 300 s、2 300～2 700 s，溃决洪峰降低至291 L/s，削减比例达9.9%，其主要原因是矩形柔性网链能减缓大于网孔尺寸的粗颗粒砂石料被溃决水流快速冲刷带走，延缓溃决水流纵向下切掏蚀堰塞体上游坝坡，减缓溃决水流水头上涨，坦化溃决洪水过程。

方案6则是基于方案4及方案5，利用石笼串及柔性网链分别束缚溃决水流横向展宽掏蚀引流槽边坡，及延缓溃决水流纵向下切掏蚀堰塞体上游坝坡，延缓溃决水流过流宽度及水头变化，此外梯形柔性网链前缘能随溃决水流纵向拖拽至引流槽内、防护覆盖区域局部增大，堰塞体坍塌明显减缓，各特征阶段时长依次为0～1 200 s、1 200～1 600 s、1 600～2 300 s、2 300～2 700 s，溃决洪峰降低至282 L/s，削减比例达到12.7%。

2.4 柔性防护措施优选

结合各方案下堰塞湖库水位及溃决流量变化，可发现石笼串普遍能延长堰塞湖溃决洪水过程，但布置位置直接影响溃决洪峰削减效果：石笼串末端布置位置偏高(方案2、方案3)在溃决快速发展阶段不仅难以克服摩阻沿程下滑，保护引流槽边坡，甚至临空悬挂引流槽边坡外侧，造成局部湍流加剧掏空引流槽边坡，致使溃决洪水过流宽度甚至增大，溃决洪峰增大；石笼串末端布置位置偏低(方案5)，尽管在溃决初始阶段稍稍壅高堰塞湖库水位，但在溃决快速发展阶段能沿程下滑、持续保护引流槽边坡，明显约束溃决水流横向展宽，减缓堰塞体坍塌，削减溃决洪峰。

柔性网链普遍能拦阻大于网孔尺寸的粗颗粒砂石料随溃决水流快速冲刷，减缓溃决水流纵向下切掏蚀堰塞体坝坡，尤其是梯形柔性网链能随溃决水流深入引流槽，覆盖保护面积增大，明显延缓溃决水流水头上涨，延迟堰塞体坍塌，削减溃决洪峰效果显著。