防灾减灾科学与工程 课件 第6章-山区河流链生灾害

第6章山区河流链生灾害目录6.1山区河流链生灾害特点6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法6.3滑坡涌浪减灾与避险6.4堰塞湖灾害成因与分类6.5堰塞湖溃决与演进6.6堰塞湖应急处置与综合治理第6章堰塞坝知识目标（1）了解山区河流链生灾害的类型与演化路径（2）掌握山区河流链生灾害的形成机制（3）熟悉山区河流链生灾害的常见工程防治措施能力目标（1）掌握滑坡涌浪的浪高计算方法及危险性评价方法（2）掌握堰塞湖溃决洪水的计算方法（3）具备根据山区河流链生灾害的特征提出主要防治措施的能力【本章学习目标】目录6.1山区河流链生灾害特点6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法6.3滑坡涌浪减灾与避险6.4堰塞湖灾害成因与分类6.5堰塞湖溃决与演进6.6堰塞湖应急处置与综合治理第6章山区河流链生灾害6.1山区河流链生灾害特点定义：滑坡涌浪灾害是指因滑坡、崩塌等入水造成的涌浪破坏或灾难事件，滑坡涌浪中的滑坡是广义的滑坡概念，滑坡、崩塌、冰川运动等地质灾害入水冲击海洋、内陆库区水体时都能产生涌浪波滑坡涌浪灾害（a）1963年意大利瓦伊昂库区滑坡涌浪灾害（b）2015年重庆巫山红岩子滑坡涌浪灾害第6章山区河流链生灾害6.1山区河流链生灾害特点（1）基本类型：滑坡涌浪的波形可分为四种主要近似类型：斯托克斯波、椭圆余弦波、孤立波和涌浪滑坡涌浪灾害滑坡涌浪波型典型几何特征斯托克斯波：描述有限振幅深水波，波形特点是波峰尖瘦、波谷平坦椭圆余弦波：描述浅水非线性长波，波形特点是波峰高耸狭窄、波谷宽平孤立波：描述浅水非线性波，只有单个波峰，呈明显的中心对称分布涌浪：由突发性扰动激发产生的一系列长周期波动，波形由多种理论波形复合而成，无特定控制方程和波形解波浪非线性增强Stokes-likecnoidal-likesolitary-likebore-like第6章山区河流链生灾害6.1山区河流链生灾害特点（2）影响因素：根据滑坡与水体的接触状态，滑坡涌浪在产生阶段可分为冲击涌浪与体积涌浪。根据滑坡入水时的初始位置不同，可将滑坡划分为完全水上滑坡、半淹没型滑坡和水下滑坡滑坡涌浪灾害滑坡涌浪典型特征参数与涌浪波形特征完全水上滑坡：以冲击涌浪为主，易发生于位于高山峡谷的库区，体积较大半淹没滑坡：以体积涌浪为主，易发生于水位周期性涨落的库区消落带，体积较小水下滑坡：以体积涌浪为主，在库区内发生的水下滑坡体积通常很小；发生在海洋大陆坡、河口三角洲时体积非常大动量传递体积置换第6章山区河流链生灾害6.1山区河流链生灾害特点（2）影响因素：涌浪浪高的影响因素众多，主要受滑坡体积方量影响，同时滑坡形态、滑坡入水方向角、滑体入水坡度以及水深、河道地形等参数也会对涌浪浪高产生较大影响涌浪最大浪高的计算过程中需要综合考虑滑坡几何参数、动力参数与水体参数的综合影响滑坡涌浪灾害滑坡涌浪典型特征参数与涌浪波形特征第6章山区河流链生灾害6.1山区河流链生灾害特点（3）形成机制：滑坡入水的冲击模式和库区的地貌特征极为复杂，滑坡入水极易产生强非恒定、非线性涌浪，使整个库区水面出现特征各异的波动现象。涌浪的形成主要源于滑坡体对水体的挤压与冲击，涉及到滑体冲击、水体雍高和涌浪激发等复杂相互作用典型过程：滑坡体在自然重力作用下开始滑动，在滑动过程中伴随着滑坡体的逐渐破碎；随之，滑坡体逐渐滑落接触水面，开始挤压水体，甚至激起少量水体形成溅水；随着滑坡体进一步滑落入水，冲击水体，大量水体被滑坡体挤开，向对岸传播，同时在滑坡体内部及其周围形成空腔；随着滑坡体的完全入水，水体逐渐包围填充滑坡体，紊乱的水体形成一系列的波传向对岸滑坡涌浪灾害第6章山区河流链生灾害6.1山区河流链生灾害特点定义：为堵塞河流的土石物质不规则堆积体，参考人工土石坝：堰塞坝的坝高定义为原河床到堆积体横断面最低点（最先过水断面）的高差；坝宽定义为堰塞坝沿河方向的长度，坝长定义为垂直河流方向最宽处的长度；堰塞湖的库容定义为水位达到过流断面最低处时上游河流蓄水体积；坝体体积为阻塞河流部分堆积体的体积；汇水面积为堰塞坝堵塞河流上游流域面积堰塞湖灾害堰塞坝几何形态示意图唐家山堰塞坝白格堰塞坝第6章山区河流链生灾害6.1山区河流链生灾害特点（1）形态特征：塞坝是滑坡体在动力作用下快速堆积而成，坝通常在顺河道方向上的坝宽较长、纵坡率较小，大多数堰塞坝都形成于河宽较窄地带，很大程度上限制了堰塞坝在垂直于河道方向上的坝长发展，导致与人工坝相比，堰塞坝在顺河道方向上的坝宽明显较长、纵坡率明显较小堰塞湖灾害堰塞坝与人工坝的坝体纵断面对比示意图第6章山区河流链生灾害6.1山区河流链生灾害特点（2）材料特征：堰塞坝体材料的粒径尺寸变化范围非常广，呈明显的宽级配特征。从直径达数米的巨大块石到直径几微米的粘土颗粒均有分布由于大多数斜坡失稳体在运动过程中或在到达对岸山体发生碰撞时，内部土体颗粒容易出现破碎解体等现象，因此堰塞坝体材料的颗粒级配又不完全等同于附近山体调查发现，堰塞坝体组成材料中含有的粗颗粒和细颗粒都较多，且粒径尺寸范围远超人工坝体材料堰塞湖灾害第6章山区河流链生灾害6.1山区河流链生灾害特点（3）结构特征：堰塞坝的坝体结构通常具有非均匀性的特点。常呈现明显的三维空间非均匀性特征，即坝体内部的颗粒级配空间分布沿深度方向或垂直于河道方向存在显著的差异性远程岩质滑坡通常在运动过程中发生碰撞崩解，并产生粗细颗粒分选而形成水平非均质结构作为堰塞坝区别于人工坝的最典型特征之一堰塞湖灾害堰塞坝体结构的非均匀性示意图目录6.1山区河流链生灾害特点6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法6.3滑坡涌浪减灾与避险6.4堰塞湖灾害成因与分类6.5堰塞湖溃决与演进6.6堰塞湖应急处置与综合治理第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法（1）滑坡运动速度计算滑坡滑速的分析预测公式计算方法应选用与滑坡工程地质条件和运动形式相适应的方法，主要包括刚体质点能量法、条分法、美国土木工程师协会推荐方法及动能定理法等涌浪浪高计算方法1）刚体质点能量法当滑面为直线形，且滑体可视作刚体处理时，失稳后滑体在自重作用下沿滑面作直线加速运动刚体质点能量法示意图第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法（1）滑坡速度计算：1）刚体质点能量法根据加速度原理推导得出滑体下滑速度：其中，Vmax为平行于滑面的最大滑速（m/s）；a为滑体下滑加速度（m/s2）；g为重力加速度（m/s2）；L为滑距（m）；f为滑面摩擦系数；W为滑体质量；C为其他阻力；α为滑面角度（°）当斜坡角度发生变化后，例如滑面为折线形时，运动速度可根据上式来计算VSNK=Vmax，利用下式来进行计算

Vs。当斜坡面不断出现坡角改变时，可进行两式的迭代计算式中：

VSNK为斜坡剖面不同折线段的初速度（折线末端的

Vmax）；Vs

为斜坡剖面不同折线段的末速度。涌浪浪高计算方法第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法（1）滑坡速度计算：2）条分法：条分法是原潘家铮法的改进法。采用条分法对整个滑体进行分块，条块垂直划分，对于每个条块涌浪浪高计算方法条分法假定条块内部不发生相对的位移，认为当前条块所受的前后块体相互作用力矢量和沿滑面方向及垂直滑面方向的加速度为0条块受力示意图第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法（1）滑坡速度计算：3）美国土木工程师协会推荐公式：美国土木工程师协会推荐公式把滑体当作整体以重心作质点运动，按照牛顿第二定律和运动学公式推导出滑体运动速度。滑体沿滑面作用力等于下滑力与抗滑力之差涌浪浪高计算方法条块受力示意图式中:α

为滑面倾角;W

为滑体单宽重量;f、c

为滑动时滑面抗剪强度参数;

H

为滑体重心距离水面的位置;l

为滑块与滑面接触面长第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法（2）滑坡涌浪高度计算：滑坡涌浪计算公式根据滑坡运动特征采用与之相符合的公式进行计算，可选用潘家铮法、水利水电科学院经验公式法、高倾角入水计算公式法、缓倾角入水计算公式法、美国土木工程师推荐法和Slingerland-Voight方法等，本章主要介绍潘家铮方法及美国土木工程师推荐法1）潘家铮方法：利用单向流分析成果和一些近似假定，1980年潘家铮提出了涌浪高程的近似估算法。该方法的基本假定如下：涌浪首先在滑坡入水处发生，产生初始波，然后向周围传播。在传播工程中，不断变形，但忽略能量损耗，或假定损耗为已知忽略边界条件的非线性影响，假定全部涌浪过程可以视为在一系列源点处产生的小波影响的线性叠加。因此对于水深较浅的水库，计算误差可能较大每个小波成分都是孤立波，以涌浪形式在水面上传播，波速为常数假定涌浪到达库岸后发生全反射，或其反射系数为已知值涌浪浪高计算方法第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法

涌浪浪高计算方法第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法

涌浪浪高计算方法滑坡水平及垂直运动模式第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法

涌浪浪高计算方法两种模式下的初始涌浪高度求解曲线第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法

涌浪浪高计算方法涌浪传播模型图第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法

涌浪浪高计算方法第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法

涌浪浪高计算方法计算项数曲线图及计算项数的作图方法第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法

涌浪浪高计算方法第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法涌浪浪高计算方法波浪分区特征落水点X＝0处最大波高计算图落水点X处最大波高计算图

第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法（1）涌浪危险性评估：针对三级滑坡涌浪危险性评估，可与该地区已发生的或开展过一、二级评估的滑坡涌浪案例进行工程地质类比，综合分析评估结果针对二级滑坡涌浪危险性评估，开展不同分析方法的结果对比，并分析其计算结果误差，同时与已发生的或开展过一级评估的滑坡涌浪案例进行工程地质类比，综合分析评估结果针对一级滑坡涌浪危险性评估，开展不同分析方法的结果对比，与已发生的或开展过复杂评估的滑坡涌浪案例进行工程地质类比，以缩尺物理试验结果为主综合分析评估结果滑坡涌浪危险性评价第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法（1）涌浪危险性评估：分析不同工况下滑坡涌浪的最大浪高情况，宜根据江河、湖泊和水库情况，确定河道或水库涌浪危险性等级划分标准，划分标准可参考国家海洋局2012年发布的《风暴潮、海浪、海啸和海冰灾害应急预案》滑坡涌浪危险性评价滑坡涌浪危险性等级划分表浪高值（m）≥21.5-21-1.50.5-1＜0.5涌浪危险性高中高中中低低根据危险性中低级以上级别确定滑坡涌浪危险性河道长度，根据评估级别确定滑坡涌浪危险性评估范围，不同评估级别的评估范围系数根据地质灾害防治工程的安全系数确定评估等级一级二级三级评估范围（km）1.5×涌浪危险性中低级以上的河道范围1.2×涌浪危险性中低级以上的河道范围1.0×涌浪危险性中低级以上的河道范围滑坡涌浪危险性评估范围表第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法（2）涌浪承灾体影响分析：在充分搜集和分析评估区已有地质环境资料的基础上，应针对潜在涌浪威胁的承灾体进行调查，主要调查内容包括，滑坡涌浪危害范围内建筑物、构筑物（居民地、港口码头、水利设施、水面养殖等）的分布，及其结构、功能性质，所在高程、与滑坡的距离等，过往船只类型、吨位、频率等，调查固定人员与流动人员分布等依据滑坡涌浪数据分析所得计算结果，分析滑坡涌浪危害范围与涌浪承灾体的空间关系，根据传播浪高和爬坡浪高分析滑坡涌浪对承灾体的影响程度，包括强烈影响、较强烈影响，一般影响和微弱影响。涌浪对大坝影响的评估根据滑坡涌浪传播至大坝时浪高与大坝防浪墙高度关系确定。当传播浪高大于大坝防浪墙高度时，为强烈影响。涌浪对沿岸居民、建筑物的影响根据最大浪高、建筑物及居民区位置和抵抗涌浪能力分析涌浪影响程度滑坡涌浪危险性评价第6章山区河流链生灾害6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法（3）涌浪危险性评估综合分析：滑坡涌浪危险性综合评估应遵循滑坡涌浪危险性与承灾体受影响程度相结合原则；且应充分考虑滑坡灾情、气象水文、水位调度等因素变化情况，动态评估滑坡涌浪危险性评估应采用定性与定量分析相结合方法，根据评估区滑坡涌浪危险性评估和承灾体受影响程度等，分区分段划分江河、湖泊或水库的涌浪危害性级别。滑坡涌浪危险性评价滑坡涌浪危险性综合评估等级划分表

承灾体重要性承灾体受影响程度非常重要重要较重要一般强烈影响危害极大危害极大危害大危害中等较强烈影响危害极大危害大危害大危害中等一般影响危害大危害大危害中等危害中等微弱影响危害中等危害中等危害中等危害小强烈影响非常重要重要较重要一般目录6.1山区河流链生灾害特点6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法6.3滑坡涌浪减灾与避险6.4堰塞湖灾害成因与分类6.5堰塞湖溃决与演进6.6堰塞湖应急处置与综合治理第6章山区河流链生灾害6.3滑坡涌浪减灾与避险波浪消能结构物在港口建筑中扮演重要角色，传统式的港口消浪结构是应用最早、最广泛的消浪结构之一，其主要原理是通过设置沉底式结构减少水质点动能在水电库区中涌浪消能通常采用防浪墙作为削减结构，然而防浪墙作为单一涌浪消能结构在面临大型高陡滑坡体失稳产生的涌浪情况下的消能作用有限随着波浪消能结构的不断发展，新型消浪结构物形成了一些传统式消浪结构物所不具备的优点，并且在适用条件上更加灵活，其主要分为浮式消能结构与板式消能结构滑坡涌浪消能结构库区滑坡涌浪消能装置结构示意图第6章山区河流链生灾害6.3滑坡涌浪减灾与避险常用的滑坡涌浪对策与措施：监测措施、陆上避让措施、水上管控措施和工程措施等监测措施：对滑坡体开展监测，掌握滑坡体变形情况，为滑坡及涌浪准确预警预报提供数据支撑，可采取群测群防监测或专业监测陆上避让措施：对危险性评估范围内的承灾体逐一告知，发放防灾明白卡，明确预警信号、避让措施、撤离路线和应急预警方案水上管控：针对危险性评估范围内的水体，对水面的船只和其它水上设施采取避让、限制、禁止、转移等应对性措施。工程措施：对滑坡体本身采取开挖减载、加固、压脚等一种或多种工程措施，进行应急治理，降低滑坡涌浪危害性其他措施目录6.1山区河流链生灾害特点6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法6.3滑坡涌浪减灾与避险6.4堰塞湖灾害成因与分类6.5堰塞湖溃决与演进6.6堰塞湖应急处置与综合治理第6章山区河流链生灾害6.4堰塞湖灾害成因与分类堰塞湖成因诱发因素：堰塞坝形成的诱因包括：地震、降雨、冰川运动/融雪、火山运动、人类活动的影响等国外，23%的堰塞坝是由地震诱发，35%由降雨诱发国内，53%堰塞坝是由地震诱发，38%由降雨诱发形成原因：主要包括崩塌、滑坡和泥石流国外，占比最大的是滑坡形成的堰塞坝，占比为39%国内，崩塌、滑坡和泥石流形成的堰塞坝案例数所占比例均为10%左右，67%的堰塞坝不知其成因堰塞坝形成诱因第6章山区河流链生灾害6.4堰塞湖灾害成因与分类堰塞湖分类Costa和Shuster强调堆积体与河谷的地貌关系，根据单一河谷与堆积体分布、尺寸、类型的关系，将堰塞坝分为6类柴贺军等基于中国滑坡堵江案例，依据滑坡体与河谷关系，提出了4类堰塞坝完全堵江类型目录6.1山区河流链生灾害特点6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法6.3滑坡涌浪减灾与避险6.4堰塞湖灾害成因与分类6.5堰塞湖溃决与演进6.6堰塞湖应急处置与综合治理第6章山区河流链生灾害6.5堰塞湖溃决与演进堰塞湖溃决过程与机理（1）堰塞坝的溃坝模式：漫顶溢流破坏（最主要溃决形式）：堰塞湖库水位超过坝顶后发生漫顶溢流，溢流水流对坝顶及下游坝坡产生持续冲刷作用，导致坝体高度逐渐降低、断面不断削弱并最终整体溃决管涌破坏：坝体中细小颗粒被渗透水流带走，坝体内形成渗流通道，使得坝体结构松散，强度下降，发生变形破坏坝坡失稳破坏：坝体上、下游坡面在重力和渗流作用下失稳，引发局部或整体破坏（a）漫顶溢流破坏（b）管涌破坏（c）边坡失稳破坏第6章山区河流链生灾害6.5堰塞湖溃决与演进堰塞湖溃决过程与机理（2）堰塞坝的稳定性：稳定性定义：堰塞坝的稳定性是一个动态变化过程，案例分析、现场调查发现稳定的堰塞坝一般包括以下3种情形：稳定模式Ⅰ：入流量和渗流量达到平衡，堰塞坝未发生漫顶溃决稳定模式Ⅱ：坝体过流断面抗冲刷性能高，过流后坝体未发生明显冲刷破坏稳定模式Ⅲ：由于上游入流水流携带大量泥沙，在堰塞湖内沉积，致使堰塞湖淤满而消失第6章山区河流链生灾害6.5堰塞湖溃决与演进堰塞湖溃决过程与机理（2）堰塞坝的稳定性：堰塞坝的不稳定主要包括2种情形：不稳定模式Ⅰ：堰塞坝在较短时间内发生显著冲刷，造成全部或较大程度溃决，产生明显的溃决洪峰不稳定模式Ⅱ：堰塞坝漫顶后发生长期缓慢冲刷，溃口慢慢拓深、扩大，堰塞坝库容和水位大幅度降低，溃口出流量逐渐增加，进而避免了快速溃坝和较大洪峰，使得残余坝体的风险显著降低第6章山区河流链生灾害6.5堰塞湖溃决与演进堰塞坝溃决峰值流量估算（1）经验统计模型：在基于堰塞坝案例研究方面，Costa和Schuster基于12例堰塞坝案例，建立了溃决峰值流量与势能的关系Walder和O’Connor基于18个堰塞坝案例，提出了考虑水位下降和释放库容的峰值流量估算公式Peng和Zhang基于全世界52例具有详细溃决参数的堰塞坝案例，建立了堰塞坝溃决峰值流量、溃口尺寸和溃决时长的逻辑回归模型石振明等基于41例具有详细溃决信息的案例建立了坝体溃决参数（峰值流量、溃口尺寸、溃决时长）的快速评估模型第6章山区河流链生灾害6.5堰塞湖溃决与演进堰塞坝溃决峰值流量估算（1）经验统计模型：式中：Qp—溃坝峰值流量，PE—势能（焦耳），V0—释放库容，d—水位下降高度，g—重力加速度，Vl—库容，Vd—坝体体积，Hd—坝高，Hr—单位高度，Wd—坝宽，Hb—溃口深度，Wt—溃口顶宽，Wb—溃口底宽，Tb—溃决时间，Tr—单位时间，α—坝体侵蚀度，a、b—回归系数，d—水位下降高度第6章山区河流链生灾害6.5堰塞湖溃决与演进堰塞坝溃决峰值流量估算（2）物理模型：总的来说，物理模型方法是指考虑溃口物理发展过程，依据水量平衡方程、堰流方程以及泥沙输移过程所建立的溃决参数计算模型典型方法1：香港科技大学基于宽顶堰公式和土壤侵蚀方程，提出了DABA物理计算模型，该模型假定了溃口发展的三个阶段，且考虑了坝体土层侵蚀特性随深度的变化典型方法2：中国水科院基于野外实测资料提出了DB-IWHR模型，该模型采用宽顶堰公式计算流量，采用双曲线模型计算冲刷过程，采用圆弧滑动面分析法计算溃口的横向扩展典型方法3：南京水利科学研究院基于土壤侵蚀方程和宽顶堰公式，提出了堰塞坝溃坝计算模型，该模型考虑了坝顶、下游边坡和侧坡的溃决破坏过程第6章山区河流链生灾害6.5堰塞湖溃决与演进溃决洪水演进过程与计算（1）经验统计模型：洪水演进分析的主要目的在于确定下游重要区域的流量、流速和流深等相关参数，为安全预警的制定提供必要的依据水文学方法通过实测资料反算出水文数学模型中的参数，用于区域的洪水演进预报，如马斯京根法、蓄量演算法、特征河长法、滞后演算法等水力学方法主要采用水动力学的方法对河道非恒定流进行分析，得到河道洪水数学模型，求解河道内的洪水演进过程，比较常用的如洪峰展平法、线性河道法第6章山区河流链生灾害6.5堰塞湖溃决与演进溃决洪水演进过程与计算洪水演进分析的主要目的在于确定下游重要区域的流量、流速和流深等相关参数，为安全预警的制定提供必要的依据水文学方法通过实测资料反算出水文数学模型中的参数，用于区域的洪水演进预报，如马斯京根法、蓄量演算法、特征河长法、滞后演算法等水力学方法主要采用水动力学的方法对河道非恒定流进行分析，得到河道洪水数学模型，求解河道内的洪水演进过程，比较常用的如洪峰展平法、线性河道法山区河流链生灾害6.5堰塞湖溃决与演进溃决洪水演进过程与计算堰塞坝溃决下游洪水快速评估模型目录6.1山区河流链生灾害特点6.2滑坡涌浪传播机制与预测评估方法6.3滑坡涌浪减灾与避险6.4堰塞湖灾害成因与分类6.5堰塞湖溃决与演进6.6堰塞湖应急处置与综合治理第6章山区河流链生灾害6.6堰塞湖应急处置与综合治理堰塞湖下游应急避险堰塞坝通过水土耦合作用将崩滑体的影响在时间和空间尺度上急剧放大，需要从全寿命对全流域影响