（道路与铁道工程专业论文）川藏公路南线泥石流堵塞坝溃决机理与洪水特征研究.pdf

摘要 西藏东南部川藏公路沿线独特而又脆弱的自然环境导致本区泥石流活动强 烈，规模巨大，经常堵断其汇入的主河，形成高大的泥石流堵塞坝，蓄水溃决造 成惨重的危害。本文对川藏公路南线近几十年曾经发生过的泥石流堵塞主河事件 进行野外调查，运用模型试验和理论分析相结合的方法，研究泥石流堵塞坝形成 后的稳定性和溃决机理，以及堵塞坝溃决后的洪水特征。论文主要结论如下： 1 分析川藏公路南线4 条典型泥石流沟发生的7 次特大型或大型泥石流的性 质和规模( 其中有5 次形成堵塞坝) ，认为影响泥石流堵塞坝溃决的主要因素为河 道上游来水量、河宽、河床比降、坝体高度、坝体下游坡面倾角、坝体物质组成。 2 通过研究模型试验堵塞坝溃决过程，提出泥石流堵塞坝两种溃决形式，一 种是下游坡面逐渐冲刷溃决，另一种是泥石流再启动引起的坝体溃决，而后者又 可以分为水力再启动和重力再启动；分析了不同溃决形式的溃口发育机理。 3 根据对模型试验溃决洪水过程的分析发现，与泥石流堵塞坝溃决洪水流量 关系最大的是堵塞坝的溃决形式；同时溃决洪峰流量与上游来水量成正比关系； 溃决过程中的洪峰位置出现在库区水下泄3 0 5 0 的时候，平均值为3 8 5 8 ；不 论哪种类型的溃决，洪峰时刻出现在整个洪水历时大约1 3 的时刻。 4 从溃决洪水洪峰流量与库区水的势能关系出发，对s c h u s t e r 的洪峰流量计 算公式进行扩展，同时考虑库区形状、溃口形态以及溃决形式对洪峰流量的影响， 用溃决历时丁作为反映溃决形式的参数，结合模型试验数据统计，建立了堵塞坝 溃决洪水计算公式：p ：1 4 0 2 鱼盟垒凡o t t ；利用培龙沟泥石流堵塞坝为算例，验 ? 。 蜀 证了公式的正确性。 5 通过模拟溃口发展与洪水流量的耦合关系，建立了泥石流堵塞坝溃决模型， 模型将溃口概化为梯形，在溃口演变的模拟上进行了简化处理，不对具体的泥沙 输运进行计算，而直接假定溃口尺寸扩大形式为纰。) ：口鱼止掣g 。) & 。溃 体 口流量采用f r e a d 堰流公式计算。在有限差分方法的支持下模拟了培龙沟泥石流堵 塞坝和扎木弄巴泥石流堵塞坝溃决洪水的发生过程，计算结果与观测数据吻合较 好。在此基础上提出相应的避险减灾对策。 本文得到了国家自然科学基金( 编号：4 0 7 7 1 0 2 4 ) 和西部交通建设科技项目 ( 编号：2 0 0 6 3 1 8 7 9 2 8 4 ) 的联合资助。 关键词：泥石流；泥石流堵塞坝；溃决过程；溃决机理；洪水特征；避险减灾 a b s t r a c t o w i n gt ot h eu n i q u ea n df r a g i l en a t u r a le n v i r o n m e n ti ns o u t h e a s t e r nt i b e t ，d e b r i s f l o wi nt h i sa r e ai sa c t i v e ，w h i c ho f t e nb l o c k so f ft h em a i n s t r e a mi nal a r g es c a l e ，f o r m i n g t h eh u g ed a m ，a n dc a u s i n gs e r i o u sh a r mw h e nt h ed a m m e d - l a k eb r e a k s t h i sp a p e r i n v e s t i g a t e dt h er e c e n td e b r i s - f l o wd a mi ns o u t h e a s tt i b e t d e p e n d i n go nm o d e lt e s ta n d t h e o r e t i c a la n a l y s e s ，w eh a v es t u d i e dt h ed a ms t a b i l i t ya n di t so u t b u r s tm e c h a n i s m ，a n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o o di n d u c e db yt h eb r e a k m a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b yd i s c u s s i n gs e v e ne v e n t so fl a r g e s c a l ed e b d sf l o w si nf o u rg u l l i e sa l o n gs o u t h s e c t i o no fs i c h u a n t i b e th i g h w a y , f r o mw h i c hf i v eb l o c k i n gd a m sr e s u l t e d ，f o c u s i n go n t h em a j o rf a c t o r si m p a c t i n gt h ed a mf o r m a t i o n ，w ec a l ls e et h a tt h em o s te f f e c t i v ef a c t o r s a r ed i s c h a r g e ，r i v e rw i d t h ，g r a d i e n to fc h a n n e l b e d ，h e i g h to fd a m ，s l o p ea n dt h eg r a i n c o m p o s i t i o no fd a m 2 t w ob r e a kf o r m so fd e b r i s f l o wd a ma r ep u tf o r w a r dt h r o u g hr e s e a r c ho np r o c e s s o fd a mb r e a ki nt h em o d e lt e s t s o n ei sg r a d u a l l ye r o d i n g ，a n dt h eo t h e ri sd e p o s i t so f d e b r i sf l o wi n i t i a t i n g ；t h el a t t e rc a nb ec l a s s i f i e di n t ot w of o r m s ，t h ef i r s ti sh y d r a u l i c i n i t i a t i o n ，a n dt h eo t h e ri sg r a v i t a t i o n a li n i t i a t i o n m e a n w h i l e ，t h ed i f f e r e n tm e c h a n i s m so f b r e a c h - d e v e l o p m e n tt y p e sa r es t u d i e di nd e t a i lr e s p e c t i v e l y 3 b ya n a l y z i n gt h eb r e a kf l o o dp r o c e s so fe a c he x p e r i m e n t ，w ec a nf i n dt h em o s t i m p o r t a n tf a c t o rw h i c ha f f e c t sp e a kb r e a kf l o o di st h ef o r mo fd a mb r e a k ；b r e a kf l o o da n d d i s c h a r g es h o wt h ed i r e c tp r o p o r t i o nr e l a t i o n s h i p ；t h ep e a kf l o o dt a k e sp l a c ew h e n 3 0 - 5 0 o ft h ew a t e ri nt h er e s e r v o i ri se f f u s e d ；a n dt h et i m eo fp e a kf l o o dt a k e sp l a c eo n 1 3o ft h ew h o l ef l o o dd u r a t i o nw i t ha n yk i n d o fb r e a c h 4 c o n s i d e r i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np e a kb r e a kf l o o da n dt h er e s e r v o i rp o t e n t i a l e n e r g y , t h es h a p eo fr e s e r v o i ra r e a , t h es h a p eo fb r e a c ha n dt h ee f f e c to fb r e a kf o r m ，w e s e tu pt h ef o r m u l aw h i c hc a nb eu s e dt oc a l c u l a t ep e a kb r e a kf l o o d i nt h i sf o r m u l a , b r e a k i o nt i su s e 妇p e t e rt oe x p r e s st n eb r e a kf o r m q = 1 4 0 2 竽每胪；m d a t ao fp e i l o n gv a l l e yd e b r i s - f l o wd a mb r e a kv a l i d a t e dt h er e l i a b i l i t yo ft h ef o r m u l a 5 w es i m u l a t e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r o w t ho fb r e a c ha n df l o o dd i s c h a r g ea n d s e tu pn u m e r c a lm o d e lf o rd e b r i s - f l o wd a mb r e a k ，i nw h i c hw em a d et h es h a p e o f b r e a c ha st r a p e z i aa n dp r e d i g e s t et h ed e v e l o p m e n to fb r e a c h w ea s s u m e dt h a tb r e a c h d e v e l o p e da s = 口半址陇恤d e b r i s - f l o wd 锄s p e i l o n g v a l l e ya n dz h a m uv a l l e yf o re x a m p l e ，w es i m u l a t e dt h e c o u r s eo ff l o o da n df o u n dt h a t t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sc a nm a t c hw i t ht h eo b s e r v e dd a t av e r yw e l l o nt h i sb a s i s ，s o m e c o r r e s p o n d i n gc o u n t e r m e a s u r e sa r ep r o p o s e df o rr i s km i t i g a t i o n t h ep a p e ri ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( g r a n tn o 4 0 7 710 2 4 ) a n dw e s t e r nt r a n s p o r t a t i o nc o n s t r u c t i o np r o j e c tf o u n d a t i o n ( g r a n tn o 2 0 0 6 318 7 9 2 8 4 ) k e yw o r d s ：d e b r i sf l o w ；d e b r i s f l o wd a m ；p r o c e s so fd a mb r e a k ；m e c h a n i s mo f d e b r i s f l o wd a mb r e a k ；c h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d u c e df l o o d ；r i s km i t i g a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 却同和 日期： x 饷尹年中月彦 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 捆和 日期：1 目净缈月彦日 燧坎叼l指导瓤签矽钗训il 日期：如叩年r 月g 日。 0 0 0 0 0 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名印同和 日期：z 的厂年十月吕日 指导教师签名绷 日期：五叼年甲月彦日 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百y 匕 1 1 研究背景及意义 川藏公路是西藏自治区交通大动脉之一，系西藏自治区“三纵、两横、六通 道的公路主骨架中极其重要的“一横 东侧。波密县然乌( k 3 8 8 0 ) 至林芝县培 龙( k 4 1 0 2 ) 段处于西藏境内川藏公路南线中段，全长2 2 2 k m ，横贯被誉为“西藏 江南 的帕隆藏布江中下游地区，是当地唯一的交通命脉，对西藏经济跨越式的 发展和社会的长治久安、广大藏族同胞奔小康和巩固祖国西南边防均有着重要的 保障和促进作用。 我国西南部地区，包括青藏高原，云贵高原以及四川盆地，是我国地质构造 最复杂，构造活动最频繁的区域。同时区域内水文条件活跃，我国几乎所有主要 河流都是源于这里。该区域也是我国大陆地震活跃最频繁的区域之一。本路段所 属的川藏公路南线耸立着喜马拉雅山、念青唐古拉山和横断山，滔滔的雅鲁藏布 江、帕隆藏布江、怒江、澜沧江、金砂江深切其中，山高谷深，垂直高差达2 0 0 0 - - 一 3 0 0 0 m ，山坡多在3 5 0 以上，山上冰川发育，冰湖棋布；新构造活动强烈，附近地 震活动频繁，岩石破碎，风化强烈，松散堆积物，尤其冰川和冰水堆积物等分布 广，厚度大，储量多；局地性暴雨强盛，冰雪消融快，冰湖溃决和冰雪崩频繁。 在这些特殊而又脆弱的地质地貌条件影响下，加以有利的水文条件，西南地 区是我国地质灾害最活跃的地区，其中主要是滑坡、泥石流和山区洪水。但是这 些灾害并不是孤立的，它们可以相互影响相互转换。滑坡在适当的条件下可以演 变为泥石流，同时滑坡和泥石流在适当地形地貌、水文等条件下可以再次产生更 大的洪水。日夜流淌着的河流一旦被河道两岸的滑坡，或由两岸沟谷冲出的泥石 流堵断形成堵塞坝，在其上游河道上水量蓄积形成堰塞湖。这种堵塞坝大多数情 况是不稳定的，一旦溃决，就会产生巨大的溃决洪水，有的甚至是超大型洪水， 这种泥石流堵塞坝溃决并产生洪水的过程就是泥石流堵塞坝溃决现象。 泥石流堵塞坝溃决现象相对于泥石流发生的频率要低得多，但其产生的危害 往往比一般泥石流更为严重。泥石流进入主河堵塞河道的现象非常普遍，只是堵 塞坝存在的时间一般不会太长，国外的s c h u s t e r 对6 3 个已溃决的天然堵塞坝进行 研究发现，8 5 在1 年内溃决【l j ，也就是说这些天然堵塞坝基本上在第一个正常洪 水周期中溃决。尽管这样，自然界中尤其西南地区仍存在大量被保存下来的古堰 塞湖，这就证明了泥石流堵塞河道这一自然现象的普遍性。图1 1 就是耿学勇师兄 从成都至拉萨的航班上拍摄的一些堰塞湖的照片，图1 2 是新华网发的2 0 0 8 年四 川汶川大地震形成的唐家山堰塞湖应急排险资料图片【2 1 。 泥石流、滑坡形成的堰塞湖保存下来的已经很多，更可见泥石流、滑坡堵塞 第一章绪论 主河后又溃决的事例为数不少。泥石流堵塞河道，一方面可以改变河道地貌形态， 有可能形成水面平缓景色秀美的堰塞湖；另一方面，河流回水会淹没村庄道路， 给人民的生命财产造成损失。而且，如果堵塞坝溃决堰塞湖水在短时间内泄空- 会产生巨大溃决洪流，其流量是正常洪水的几十倍甚至上百倍，造成的损失更惨 重。近几十年，这种灾害在我国西藏东南部多次发生。 图1 1 西藏堰塞湖照片 f i 9 11 p h o t o s o f d m n m e d l a k e s i n t i b e t 凰12 唐家山堰塞湖应急排险图片 f i 9 12 d a n g e r sr e m o v i n g o f t a n g j i a s h a n d a m m e d l a k e 对本路段来讲，泥石流的危害除了直接淤埋和冲毁公路外，更严重是泥石流 规模特别大，汇入主河后堵塞主河形成的堵塞坝( 简称泥石流堵塞坝) 高度达3 0 m 左右，最高可超过1 0 0 m 。这样，其上游积水成湖，淹没公路，一旦溃决形成强劲、 高水头的溃决洪水( 涌波) ，荡净洪水所及的一切公路和桥涵，还破坏了山体稳定， 第一章绪论 3 改变了河道主流流势。公路即使修复后，内边坡的滑坡( 含崩塌、坍塌、溜砂和 滚石) 活动和路基水毁的危害从此拉开了序幕，这种所谓的“后遗症 ，长期严重 影响着本路段畅通，所造成公路累积断道的天数并不少于泥石流所造成的一次性 断道，其次生危害大大超过泥石流本身的直接危害。 例如，波密县扎木弄巴于1 9 0 2 年和2 0 0 0 年形成两次特大型泥石流，堵断了主 河易贡藏布，形成了堵塞坝。尤其2 0 0 0 年形成了累积高1 3 0 m 的堵塞坝，上游回 水成湖长3 0 k m ，淹没了这范围内的一切村寨和农田。但这只是灾害的开始，6 2 天 后堵塞坝溃决，最深处达1 1 0 余米，形成特大规模洪水和稀性泥石流，瞬时洪峰 流量达1 2 4 x 1 0 5 m 3 s 【3 】，洪峰持续6 小时。高而凶猛的涌波，沿易贡藏布进入帕隆 藏布，汇入雅鲁藏布江，直泻我国的墨脱和印度，荡净了两岸的耕地和建筑物。 在我国境内损失达2 8 亿元人民币，造成印度北部布拉马特拉河泛滥，9 4 人死亡， 2 5 0 万人无家可归，中断印度7 个邦的铁路和公路联系，该次洪水及其次生灾害引 起了国际社会的广泛关注。林芝县的培龙沟于1 9 8 4 年和1 9 8 5 年的两次特大泥石 流均形成堵塞坝，回水淹埋了上游6 k m 的川藏公路和7 9 辆装有货物的汽车。溃坝 后，涌波又冲毁了下游2 k m 川藏公路和沿程的5 座桥梁，至今这上下游共8 k m 的 路段成为川藏公路著名的“盲肠”，经常发生断道和翻车事故【4 1 。在川藏公路南线， 这种例子还很多。 泥石流堵塞坝溃决现象的普遍性毋庸置疑，特别是在汶川大地震以后得到了 广泛关注。但是，堰塞湖溃决灾害的严重性，还没有得到人们的完全认识，堵塞 坝溃决及其产生的一系列次生灾害所造成的损失是不可估量的。为了避免或减轻 堵塞坝的危害，本文试图从分析西藏东南部川藏公路南线4 条典型泥石流沟的大 型泥石流堵塞坝溃决过程着手，揭示堵塞坝溃决的机理和主要影响因素，以便今 后在公路选线或改造以及修建各类建筑物时，能尽量避开或妥善处治易形成堵塞 坝的泥石流沟。在研究该区泥石流时，必须把形成堵塞坝的溃决放在重要的地位。 对泥石流堵塞坝溃决事件的研究有以下意义： 第一，泥石流堵塞坝的溃决过程及其洪水运动是一种非常复杂的自然现象， 至今我们对它发生和发展规律还没有很好的掌握。当泥石流堵塞坝形成以后，对 其溃决洪水的计算往往是借鉴水利工程上土石坝的溃决计算公式。这种方法虽然 可以为下游防灾减灾提供一定依据，但是由于水工土石坝与泥石流堵塞坝无论是 在物质组成、坝体结构还是在溃决过程上都存在非常大的差别，而且泥石流堵塞 坝的溃决过程与其所处的自然环境也有密切关系，这些土石坝的溃决计算公式不 能完全反映实际情况。本论文就是通过对川藏公路南线泥石流堵江现象的调查和 分析，结合模型试验以及理论推导，寻找一个适合于计算泥石流堵塞坝溃决洪水 特征的模型，并为堵塞坝下游地区，溃决洪水危害范围区划提供依据。 4 第一章绪论 第二，自然界中类似于泥石流堵塞坝溃决的现象很多，例如滑坡堵断河道形 成的滑坡堵塞坝，崩塌体形成的碎石堆石坝，由冰川终碛物堵塞于沟道形成的冰 碛堤。这些天然坝体和泥石流堵塞坝一样，一旦溃决将会产生特殊洪水，这里的 特殊洪水指的是除降水、冰雪融水而形成的洪水以外，由于滑坡、泥石流和崩塌 堵塞河道后溃决以及冰湖溃决产生的洪水。这种特殊洪水在西藏东南部地区和喜 玛拉雅山脉的冰川地区时有发生，危害极其严重，有突发性强、峰高量大的共同 特点。虽然这些堵塞坝的来源是不同的，但是其溃决的原理基本上是相似的，产 生的洪水也有共同的特点，通过研究泥石流堵塞坝溃决及其洪水特征就可以为其 它形式的天然坝以及冰湖溃决研究提供经验，为山区防洪减灾，特别是特殊洪水 防治提供理论依据和设计参考。 1 2 主要研究内容 本论文以川藏公路南线的几次典型泥石流堵塞坝的溃决为依托，通过野外堵 河遗迹的考察，确定主要研究内容具体分以下几部分： 对国内外关于泥石流堵塞坝事件的研究情况进行综述，总结泥石流堵塞坝 事件的主要研究方向、方法和目前取得的成果，特别是国内外在堵塞坝溃决机理 和溃决洪水方面的研究情况。 对帕隆藏布流域川藏公路南线形成过泥石流堵塞坝河段的地质、地貌、气 象、水文、植被、土壤等自然环境背景和残留坝体的形态结构，以及泥石流堵塞 坝形成与溃决的洪痕进行调查和计算。分析泥石流堵塞坝溃决事件的特点及其与 流域环境的关系；分析哪些因素影响了泥石流堵塞坝的稳定性和溃决过程，进而 控制了溃决洪水的特征，比较各个因素所起作用的大小。 进行泥石流堵塞坝溃决室内模型试验，量测不同条件下泥石流坝的结构与 形态特征，观测并详细记录泥石流堵塞坝溃决时的洪水过程。 对模型试验进行总结，分析不同因素对泥石流堵塞坝溃决过程和洪水过程 的影响。通过理论分析寻找能合理描述泥石流堵塞坝溃决过程的数学模型，模拟 泥石流堵塞坝溃决过程，分析溃决洪水与其控制因素间的关系，建立泥石流堵塞 坝溃决洪水最大流量计算公式，并进行适当修正和验证。 对川藏公路南线多次泥石流堵塞坝事件的调查结果，模型试验数据以及数 学模型的模拟结果进行综合对比分析，用数值模拟的方法研究泥石流堵塞坝溃决 洪水最大流量和洪水过程，并针对泥石流堵塞坝溃决洪水危害范围区划、防灾减 灾预案研究提供相应的避险减灾对策。 第一章绪论 5 1 3 研究方法与技术路线 泥石流堵塞坝溃决的发生有突发性的特点，而且破坏性极其强烈，再加上影 响因素的多样性和山区条件的局限性，根本无法直接观测到泥石流堵塞坝的溃决 全过程。溃决产生的洪水威力巨大，往往把下游离溃决现场较近水文监测设备冲 毁，使得溃决洪水的数据也不全面。因为工作本身的开创性，以及泥石流堵塞坝 溃决现象突发性，关于泥石流堵塞坝溃决及其洪水的原始数据几乎是没有的，可 供分析的数据必须从野外和试验中获取。根据相关文献的查阅情况发现，本研究 可借鉴的成果不多，国内外发表论文很少，在研究过程中可能遇到以下困难： 由于泥石流坝体具有特殊的组成材料，故物理力学性质相当特殊，问题在 于泥石流堵塞坝溃决模型是否能确切反映泥石流堵塞坝溃决的真实过程。 由于泥石流来势凶猛，爆发突然，缺乏河床和堵江坝体详细资料，泥石流 堵塞坝溃决模型试验是否能与自然界泥石流堵塞坝溃决保持相似性，是试验成功 与否的关键。因此，模型试验的设计是最大难点。 鉴于此，研究在导师的指导下，通过阅读大量的参考文献，掌握该项目目前 的研究现状和存在的技术问题。本课题以试验研究为主体，从研究川藏公路南线 泥石流堵塞坝溃决机制为突破口，参考滑坡堵江坝和土石坝溃决洪水演进的处理 方法，选择相应的坝体材料，泥石流堵塞坝体物质组成物理力学指标通过野外取 样采集并进行室内试验测得，堵塞坝体的抗剪强度通过三轴试验或者直剪试验得 到。通过室内模型试验来模拟泥石流堵塞坝在不同工况下的溃决洪水过程，对其 可能的影响因素进行系统地分析。同时，结合室内试验室情况进行合理的简化取 舍，分析川藏公路南线泥石流堵塞坝溃决机理和洪水特征，进行泥石流堵塞坝溃 决数值模拟和理论研究，建立型泥石流堵塞坝溃决洪水过程最大流量的计算公式， 并通过室内试验数据与野外考察资料对数学模型进行修正和验证。 对该类复杂现象，为了保证数据的可靠性和精确性，本研究对川藏公路南线4 条曾经发生过泥石流堵江的泥石流沟以及交汇河道进行了野外详细考察，采用传 统测量方法对泥石流支沟、泥石流堵塞坝以及泥石流与主河交汇区进行了测量， 对区域水文资料进行了详细调查，获得了大量可靠的第一手资料，为分析泥石流 堵塞坝结构特征、物质组成、堵塞段河道地形、水文特点以及溃决洪水特征提供 了可靠依据，为进一步研究堵塞坝的溃决机理和洪水过程打下坚实基础，也为数 学模拟和避险减灾对策提供了科学依据。 泥石流堵塞坝溃决过程受多种因素影响，不同的溃决过程又可以产生不同特 征的溃决洪水。但由于室内试验条件的限制，只能对有限的影响因素进行模型试 验，很多因素不得不被忽略，这就影响了研究的完整性。因此，我们通过对泥石 流堵塞坝溃决现象以及模型试验的研究，建立了泥石流堵塞坝溃决数学模型，运 6 第一章绪论 用数学模型的数值模拟方法实现对所有因素的综合探讨。 根据以上分析，本研究拟采用的具体技术路线如图1 3 ： 图1 3 技术路线图 f i g 1 3t e c h n i c a lr o u t ed i a g r a mf o rt h er e s e a r c h 第二章泥石流堵塞坝溃决及其洪水特征研究现状7 第二章泥石流堵塞坝溃决及其洪水特征研究现状 2 1 泥石流堵江问题概述 2 1 1 天然坝与堰塞湖现象 2 0 0 8 年5 月1 2 日四川汶川特大地震后，一个新的名词迅速地被国人所熟知一 堰塞湖。这个带着生僻“面相 的湖泊，曾威胁着数十万人口的生命。当一群带 着炸药的队伍登上唐家山堰塞湖堰顶，更加剧了人们对堰塞湖的关注。 堰塞湖又称“海子 ，是由火山熔岩流、冰碛物或由地震活动等原因引起山崩 滑坡体或泥石流堵截山谷、河谷或河床后贮水形成的湖泊。由泥石流堵截江河沟 谷而形成的湖泊又称为泥石流堰塞湖。由山崩滑坡、泥石流所形成的堰塞湖多见 于藏东南高山峡谷地区，且年代都很近。 据人民网科教频道【5 】，我国科研人员根据遥感影像解译和现场考察，查明汶川 地震主灾区形成3 4 处对下游构成威胁的堰塞湖( 主要指的是高度在l o m 以上，库 容大概在1 o 1 0 5 m 3 以上，同时集雨面积不小于2 0 k m z ) 。在2 0 0 8 年5 月2 5 日国 新办举行的新闻发布会上，水利部总工程师刘宁介绍了唐家山堰塞湖抢险情况， 指出唐家山堰塞湖库容达3 2 1 0 9 m 3 ，高度在8 2 1 2 4 m 之间，集雨面积达3 5 5 0 k m 2 ， 距离北川只有3 k m 多，是最大也是风险较高的一座堰塞湖【5 】。唐家山处在一个峡 谷中，区域交通在地震中严重毁损，找不到运载大型设备抵达坝体。 唐家山堰塞湖现场指挥抢险施工的水利部部长陈雷在接受记者采访时说，有 四个方面的不确定因素决定了唐家山堰塞湖的风险居高不下【2 】。 气象因素。唐家山堰塞湖上游地区即将进入汛期，据气象部门预报，六七 月份上游地区的降水将达到4 0 0 5 0 0 m m ，水量比往年明显偏大。上游来水多，对 堰塞湖的泄洪能力构成严峻挑战。 堰塞体地质构造尚未完全查清。堰塞体由山体坍塌形成，地质结构由山石 和土块构成。在堰塞体的下方已形成了1 0 个左右的管涌，其中3 个管涌比较大， 可能对堰塞体的稳定构成影响。 余震不断。频频发生的余震和持续不断的山体滑坡，在时刻在考验着堰塞 体的安全。 上游的地质变化迅速。唐家山堰塞湖的上游不远处，已经有山体开裂，很 可能出现1 7 0 0 多万立方米的山体滑坡。 全溃后洪峰高度有3 6 m 。为应对唐家山溃坝险情，绵阳部署三种撤离方案【2 】： 方案一( 1 3 溃坝) ：全市共需撤离1 5 8 6 万人，淹没城镇面积4 6 0 x1 0 6 m 2 ： 方案二( 1 2 溃坝) ：全市共需撤离1 2 0 万人，淹没城镇面积5 3 7 x 1 0 7 m 2 ； 方案三( 全溃) ：全市共需撤离1 3 0 万人，淹没城区面积6 2 3 x1 0 7 m 2 。 第二章泥石流堵塞坝溃决及其洪水特征研究现状 为此，泄流槽共设计高、中、低三种方案，水电部队了最终采用挖掘量最大、 保险系数最高的低方案，在科技和人民的力量下，较好地解决了这一难题，拔掉 了插在灾区人民头上的一把刀。图2 1 是2 0 0 8 年6 月1 0 日上午新华社记者李刚搭 乘济南军区某陆航团直升机从空中拍摄的四川唐家山堰塞湖泄流情况。 图2 1 唐家山堰塞湖泄流情况 f i g21d m i n 8 9 es l t u a i i o n o f l 砷目j a s h a nd a m m e d l a k e 图2 2 是2 0 0 8 年6 月1 0 日上午新华社记者李刚搭乘济南军区某陆航团直升机 从空中拍摄的四门l 唐家山堰塞湖泄流洪水流到lj t l 县城的情况。 图2 2 唐家山堰塞湖泄流洪水流经北川县城 f i 9 22 d m i n 删日0 0 d f r o m 伽西l a s h a nd 珊m e d l mp a s s i n g t h m u g l b e i c h 咖c o u n 竹 第二章泥石流堵塞坝浈决及其洪水特征研究现状9 实践证明，这种特定历史背景条件下的方案选择，对提升地震灾区群众的信 心、凝聚和稳同整个中华民族齐心协力抗震救灾的决心具有至关重要的作用。从 技术层面讲，对其它地区堰塞湖的处理办具有较强的借鉴意义。 2 12 泥石流灾害与堰塞湖的形成 泥石流是一种携带大量泥土和碎屑物质的间歇性洪流”】。与一般的携砂水流相 比，静己石流中固体物质含量高，颗粒粒径分布范围广，可能有从几微米直至几米 的变化范围。诱发泥石流的外界因素有降雨、融雪( 冰) ，溃坝、地震等。泥石流 是降雨、地形地貌、固体松散堆积物等因素其同作用的结果。泥石流堵塞坝，实 际上是支沟大泥石流进入主河后，以堆积扇( 体) 的形式向对岸迅速推进，并与 对岸连接，堵断主河而成( 如图23 ) 。倒如，藏东南波密县的易贡湖是在1 9 9 0 年 由于地震影响爆发了特大泥石流堵截扎龙湫河道而形成的；波密县的古乡湖是 1 9 5 3 年由冰川泥石流堵塞沟道而成( 实则也属冰川湖) ；八宿县的然乌湖是1 9 5 9 年暴雨引起的山崩堵塞河谷形成的1 7 】。 图2 3 泥石流堰塞湖形成过程示意图【8 i f i g23f o r m a t i o n o f d e b r i s f l o wd a m m e d l a k e 关于泥石流堵江的产生条件，可以分为内部条件和外部条件两类【4 】。内部条件 是泥石流发生堵江的地质、地貌、河床水动力条件等，它们是堵江的内因是必 要条件；发生堵江的外部条件是各种作用于河谷斜坡上，促使滑坡、崩塌形成泥 石流进而堵江的诱发因素，如降雨、地震、如载、坡脚掏蚀或开挖、上游冰湖溃 决等。泥石流堵塞坝能甭形成，是支河泥石流与主河水流在二者变汇处相互抗衡 的结果，受支沟泥石流的性质、规模和粒度，主河的来水和河床形态，以及交汇 处的地形和泥石流支沟与主河的交角等众多因素的影响，也就是到达河床的土体 l l i 1 0 第二章泥石流堵塞坝溃决及其洪水特征研究现状 不因河流来水作用而液化流动形成泥石流而被带走，河流水流的挟砂能力、冲刷 能力相对较小，不能将堆积体体瞬时冲失。 由于西藏东南部特殊的地质地貌特征，特别是川藏公路沿线由于工程施工爆 破的影响，山体破碎，岸坡陡峻，而西藏是我国冰湖分布最多的地区，特殊而又 脆弱的自然环境，使冰雪崩或其形成的堆积坝溃决、冰湖溃决、滑坡( 含崩塌) 或其堵塞坝溃决等所激发的泥石流时有发生。这类泥石流首阵或开始时的流量特 别大，流速非常快，又含有大量巨砾，粘粒含量较少，极易形成堵塞坝，而且规 模大或比较大。堰塞湖溃决所导致的泥石流，具有突发性强、频率低、洪峰高、 流量大、流量过程暴涨暴落、破坏力强及灾害波及范围广等特点，通常给下游居 民点、公路、桥梁和水利水电基础设施工程等带来毁灭性灾害，给人民的生命财 产安全造成严重损失。 2 1 3 堰塞湖的溃决与危害 泥石流以其独特的方式骤然将大量泥沙倾入主河，不仅对入汇口附近的水流 结构和流态产生重大影响，进而引起河床演变的突变。一般而言，该种类型的泥 石流堵塞坝体结构比较松散，整体性差，坝体表面抵抗溢流冲刷的能力较弱；而 且，坝体物质经过搬运混掺，处于水饱和状态。因此，堰塞湖的堵截物不是固定 不变的，它们也会受冲刷、侵蚀、溶解、崩堵等。伴随着水位的迅速上升，一旦 堵塞物被破坏，湖水便漫溢而出，倾泻而下，形成洪灾，或在上游水动力及渗漏、 管涌作用下导致坝体整体性垮塌，这种情况所造成的损失将会是灾难性的。 如果是在冰雪崩和地震的情况下，许多坡面堆积层和岩层软弱面松动，活动 性很强。随着泥石流灾区进入到雨季，一方面，强降雨可以导致堰塞湖内的水位 急剧升高，从而发生溢流导致堰塞湖的溃决。另一方面，土体含水量的增加使得 松动的堆积层荷载增加，并润滑了岩层之间的软弱面，有可能产生新的崩塌和滑 坡体崩坠入湖，或者许多支沟沟道内的原来稳定的松散堆积体在雨水浸润作用下 变得异常不稳定，流域内可能再次形成大规模的泥石流，引起的涌浪带来强大的 冲击波则可能将堰塞土石坝体摧毁，形成瞬时的全部溃决。据统计【2 引，我国自1 8 5 6 年以来，共计产生1 4 1 个地震堰塞湖，按其存在时间长短和造成的灾害来看，堰 塞湖可以分为3 类：高危型堰塞湖、稳态型堰塞湖和即生即消型堰塞湖。例如， 四川省地矿局地质调查队总工程师范晓透露，1 9 3 3 年8 月发生在四川叠溪的大地 震，山体滑坡后在蜗江中形成两道天然水坝和4 个堰塞湖。据记载【2 , 9 1 ，地震时死 亡5 0 0 余人，而两个月后由于坝体垮塌，导致2 万余人在洪水中丧生。 从近期影响而言，泥石流堵断主河形成天然坝和堰塞湖，淹没上游农田、铁 路、公路等沿江建筑物，引发湖区边坡变形破坏，动水压力作用可在稳定性较差 的堰塞湖两岸或坝下游两岸触发大量滑坡，造成大范围灾害。 第二章泥石流堵塞坝溃决及其洪水特征研究现状ll 堵塞坝溃决对植被、土壤的破坏作用是相当严重的，其破坏作用首先在于使 树木、田地的数量遭到损失，对当地生态环境产生严重影响，而且在短时间内很 难恢复。常见的山林区滑坡，将树木连根拔起，导致树木枯萎和死亡。由于坡体 不稳，植被不发育。同时，可能引发新的滑坡、泥石流会使当地居民产生恐惧心 理，严重干扰和破坏人们的正常生产和生活秩序，严重耽误农业生产。泥石流堵 江坝体所造成的间接灾害及环境效应远大于直接灾害及环境效应，具有在时间上 影响深远、在空间上影响范围大的特点，而且通常灾难性的。 2 2 泥石流堵江事件的研究现状 泥石流堵江事件包括堵塞坝的形成、堵塞坝溃决以及稳定过程。从已有的文 献看，关于泥石流堵塞坝的研究，不论是国内还是国外都比较少，研究也比较晚， 而且目前不是很全面，大多数都是以经验和试验研究为主要方法，理论研究很少； 而且主要是围绕着泥石流堵塞坝的形成条件形成开展的，至于泥石流堵塞坝形成 后的稳定性和其洪水特征及洪水演进的演进几乎没人注意：在天然坝形成的堰塞 湖溃决方面，滑坡堰塞湖和冰川终碛湖溃决洪水已有部分研究。下面就把国内外 主要研究方向和相关成果加以简要介绍。 2 2 1 国内研究情况 目前我国对泥石流堵江事件的研究主要集中在以下几个方面：泥石流堵江事 件调查和特征研究；泥石流堵江的影响因素研究；泥石流汇入主河对河道演变的 影响研究。各个方面研究深度不同，有的相对比较深入，有的方面只是略有涉及。 泥石流堵江事件的调查和特征研究 国内有关泥石流堵塞坝及其危害的介绍始于6 0 年代初，首先在研究川藏公路 沿线古乡沟泥石流时提出了这一问题。著名的云南东川蒋家沟泥石流从1 9 6 3 年开 始观测研究，最初的目的也是为了研究如何消除蒋家沟泥石流堵塞小江形成高达 l o m 的泥石流堵塞坝所造成的危害，以后采用了与小江斜交的导流堤后，基本上 消除了这一危害( 但1 9 9 9 年导流堤溃决，这种危害又会随时发生) 【1o 1 1 , 1 2 1 。1 9 9 0 年中国科学院兰州冰川冻土所对甘肃白龙江沿岸泥石流2 0 余处堵塞白龙江进行了 调查分析。近年来在研究川藏公路沿线泥石流危害时，对培龙沟、唐不郎沟和米 堆沟泥石流堵塞坝的形成及其危害作了进一步研究【4 , 1 3 】。2 0 0 0 年4 月扎木弄巴泥石 流再次堵塞易贡藏布江后，朱平一、王成华、唐邦兴等对泥石流堵塞坝进行了考 察，分析了泥石流堵塞坝的成因及其特征【7 , 1 4 1 。 中国科学院成都山地灾害与环境研究所的程尊兰、吴积善等对川藏公路沿线 的四条典型泥石流沟( 培龙沟、冬茹弄巴、扎木弄巴、米堆沟) 所发生的7 次大 型或特大型泥石流( 其中5 次形成堵塞坝) 进行调查，对泥石流堵江事件中泥石 1 2 第二章泥石流堵塞坝溃决及其洪水特征研究现状 流沟、泥石流、主河水流、堵塞坝体以及泥石流与主河汇流处的地形、进行了详 细统计，并通过各种资料分析了堵塞坝的形成和溃决过程机理 4 , 1 3 , 1 4 l 。 泥石流堵江的影响因素研究 泥石流汇入主河的现象是非常普遍的，但是只有一小部分能堵断河流，其中 控制因素很多，如泥石流流量特征、主河流量以及河道地形等，目前为止已有很 多关于泥石流堵江影响因素的研究。 程尊兰、吴积善等通过对川藏公路南线多次泥石流堵江事件的分析，发现泥 石流爆发过程中能否形成堵塞坝是支沟泥石流的性质、规模和粒度；主河的来水 和河床形态；交汇处的地形以及泥石流与主河的交角等因素影响着堵塞坝的形成。 并提出泥石流堵塞坝形成要满足的3 个条件：一是泥石流向对岸方向推进的堆积 量大于主河水流对泥石流堆积物的冲刷量；二是，泥石流堆积体在某一时段堆积 高度大于上游主河水位上升的高度；三是，在任何深度一般是上部泥石流堆积体 的抗剪切应力大于上游主河水体对堆积体的水平压力【4 j 。 郭志学等对影响泥石流堵江的各种因素进行了模型试验研究，结果表明泥石 流入汇角、泥石流与主河的流量比、泥石流入汇总量等的增大有利于堵江，泥石 流密度与主河堵江临界流量程一种抛物线关系【1 5 1 6 】； 周必凡等从理论角度对泥石流堵江事件进行了探讨，在此基础上提出了泥石 流的堵江最小规模、扇形地泥石流的河床条件、主河流量等计算公式【l 。 匡尚富从动量原理出发，理论分析了泥石流入汇形成天然堵塞坝的条件【l 引。 朱平一对川藏公路培龙沟的泥石流输砂堵河成因进行了探讨和模拟试验，从 输砂的角度来探讨泥石流能否堵河。在野外考察的基础上，提出影响泥石流堵河 的主要因素有：支流与干流的交汇关系、汇流处的地貌形态、支流与干流的水动 力条件、支沟泥石流性质( 容重) 、支沟泥石流规模，并结合培龙沟1 9 8 3 - - 1 9 8 5 年泥石流堵河的实例，第一次提出支沟泥石流输砂堵河的表达式【l 引。 徐永年就泥石流入汇的危险性判别指标进行了探讨，提出影响泥石流堵河的 主要因素有泥石流的入汇角、容重和泥石流规模，并引入泥石流对主河的影响度 的概念和表达式【1 9 刎。 陈德明第一次用试验的方法为基础研究了泥石流堵江规律，他认为，泥石流 与水流的密度、泥石流与水流的流量、泥石流与水流的平均流速以及交汇角是影 响泥石流堵江的主要因素。通过一系列的水槽试验，提出泥石流的堵河临界判别 式为口1 , 2 2 1 ： 驾尝竽c r ( 1 1 ) 胜线喔 式中圾、琏为泥石流与水流的容重，级、强为支沟泥石流与水流流量，睦、 第二章泥石流堵塞坝溃决及其洪水特征研究现状 1 3 k 为泥石流与水流的平均流速，口为汇流角，e 为阈值( 其值为1 4 4 ) 。 由其堵河试验结果可以发现，c ，值在0 3 8 1 4 4 之间没有具体的数据，因为堵 河阈值的确定尚需进一步的工作。另外从试验数据来看，全部试验的容重均采用 1 9 0 4 k g m 3 ，并没有讨论容重变化对堵河的影响，同时入汇角对堵河的影响也需进 一步工作。 泥石流堵塞坝事件对河道演变的影响 泥石流入汇主河形成堵塞坝对主河河道演变有重要影响。河床的纵剖面的发 展一般遵循向均衡剖面演变的规律。理想情况下，河流的纵剖面应为一条圆滑的 凹形曲线，一旦泥石流汇入主河堵塞成坝