崩滑碎屑体堵江成坝研究综述与展望

堰塞坝是由崩塌、滑坡、泥石流等斜坡失稳体堵塞河流而形成的天然坝体。我国是堰塞坝的高发区,在作者统计的全世界范围内堰塞坝案例中,发生在我国的高达758例,占比59%。近年来,频发的地质构造活动和极端气候灾害(台风、暴雨、融雪等)诱发了大量的堰塞坝,严重威胁所在流域的生命财产安全。崩滑碎屑体堵江形成的堰塞坝通常结构松散、稳定性差、溃决程度大、溃决速度快,容易形成巨型洪灾,对下游生命财产造成更大危害。首先简要总结了一般堰塞坝堵江研究,阐明了崩滑型堰塞坝成坝特点。然后分析崩滑碎屑体运动及破碎机理和碎屑体堵江成坝机理研究,明确了颗粒破碎和水流条件对坝体形态特征、物质组成和稳定性的作用。崩滑碎屑体堵江通常有3种成坝模式：滑入型、爬高型和折返型,不同类型堰塞坝的稳定性具有显著差异。堰塞坝的稳定性与坝体关键特征参数(几何形态、坝体结构和物质组成)密切相关,而坝体特征参数又主要由崩滑体在运移过程中碰撞破碎和入河堵江时的固液耦合作用共同决定。考虑上述两种因素,结合物源性质、边坡地形、河谷及水流条件,本文提出了成坝影响因素与堰塞坝的空间形态、结构特征及稳定性的内在关系的研究思路,以便建立基于坝体稳定性快速评价的坝体特征预测模型。本研究的开展可为堰塞坝形成前坝体特征的事先预测以及堰塞坝形成后坝体稳定性的快速评估等方面的研究与实践提供重要理论依据。     

非均质结构堰塞坝溃决机理模型试验

堰塞坝是由滑坡等失稳地质体快速堆积并阻塞河道而形成的天然坝体,溃决后会对下游人民生命财产安全造成严重威胁。深入开展非均质结构对堰塞坝溃决过程的影响研究,可为堰塞坝灾害的风险评估和应急处置提供重要参考。依托自主研发的水槽试验装置,通过开展不同结构类型堰塞坝的溃决模型试验,分析了均质、竖向非均质和水平非均质结构对坝体溃决的影响。研究发现：1）堰塞坝侵蚀过程受局部区域材料性质影响严重。2）均质坝中,随着中值粒径增大,材料抗侵蚀能力增强,溃决特征先由层状冲刷变为陡坎侵蚀,再变为多级陡坎侵蚀,峰值流量逐渐减小,峰现时间逐渐推迟。3）竖向非均质坝中,坝体上部材料主要影响溃口形成阶段历时和坝前水位;中部材料主要影响溃口发展阶段的溃口下切速率;底部材料主要影响下游坡脚稳定性和残留坝体形态。受溃口加速下切和溃决流量增加彼此间相互叠加影响作用,中部及底部材料分布对峰值流量的影响最为显著。4）水平非均质坝中,坝体内部4个区域对溃口发展的影响不同。过流侧上方材料影响溃决前期的溃口下切速率;过流侧下方、对岸侧上方材料分别影响溃决中后期的溃口下切、展宽速率;对岸侧下方材料对溃口发展影响最小。泄流槽设计时,应考虑非均质结构的影响,基于坝体结构特征采用工程措施限制溃口深切、促进溃口展宽,以降低峰值流量。     

堰塞体状态相关剪胀理论与坝体溃决演化规律研究构想（特约稿）

堰塞体一般在自然力作用下瞬间形成,堆积体具有空间结构复杂、坝料级配宽泛、稳定性差、易在水流冲刷下发生溃决等特点。堰塞体作为一种重大的水旱自然灾害,其安全评价和灾害预测是国内外学者关注的焦点,目前尚有很多问题需要解决,包括：（1）堆积体由天然宽级配土石料构成,表现出显著的状态相关性,缺乏正确描述这种宽级配堆石料的状态相关剪胀理论与本构模型;（2）堰塞体形成后,会受上游堰塞湖水位抬升、持续非稳定渗流、湖区滑坡涌浪、后期地震等外荷载作用的影响,缺乏稳定性评判的标准和方法;（3）堰塞体缺乏必要的洪水溢流设施,容易发生溃决,且溃决水流冲蚀过程呈明显的非线性特点,溃口水力要素指标呈强非恒定流特征,缺乏反映宽级配堰塞体材料冲蚀机理的溃决过程数学模型。为此,有必要采取现场勘查、多尺度物理模型试验、数值仿真等综合手段开展研究,揭示堰塞体外观形态、内部结构和材料宏观力学特性及其时空变异规律,提出状态相关（级配、孔隙比、应力水平）的宽级配堰塞体材料剪胀方程,建立能适应复杂应力路径的广义弹塑性本构模型与坝体极限平衡分析方法;开展大型水工模型试验和溃坝离心模型试验研究,揭示非恒定流作用下堰塞体材料的动态冲蚀特性与堰塞体溃口演化规律,建立非恒定流作用时溃口动边界条件下的挟砂水流冲蚀方程,提出考虑流固耦合的堰塞体溃决过程数学模型,实现堰塞体漫顶或渗透破坏溃坝全过程水流运动特征、坝料输移规律、溃口演化过程及结构失稳的数值模拟。综合可靠度理论与溃坝过程数值模拟方法,提出能考虑流固耦合的堰塞体渗流、变形、稳定和溃决过程的一体化数值仿真平台,构建堰塞体全生命周期安全评价与灾变模拟理论体系与方法,为提升我国堰塞体防灾减灾决策水平提供科学的理论与技术支撑。     

考虑人体与水流相互作用的溃坝洪水生命损失评估模型

溃坝洪水会给下游人民群众造成巨大的生命损失，开展溃坝洪水造成的生命损失风险定量评估对应急抢险救灾具有重要的现实意义。本文在已有生命损失贝叶斯网络HURAM1.0模型基础上，引入了人体稳定性物理模型，考虑人体与水流相互作用关系，对处于洪水中的人先进行稳定性判定，并进行溺水判定，运用蒙特卡洛模拟方法，综合了水深和水流速对生命损失的影响，建立HURAM2.0模型；并将该模型应用于唐家山堰塞坝溃坝洪水生命损失分析。结果表明：HURAM2.0模型建立了水流流速对生命损失影响的定量关系，更精确地刻画了人体在水流中的稳定性和求生能力，相比HURAM1.0模型对较强洪水强度条件下的生命损失预测结果更准确。同时，在本文建立的模型中，除水深度、洪水严重程度变化不大，其余变量的敏感性均有所上升，其中居民区住宅层数、在建筑物中庇护情况和溃坝时长等变量对模型计算结果的最大影响程度分别增加142%、95%和93%，加强了模型在低、中、高3类洪水强度下的解释性，与HURAM1.0相比在贝叶斯反演分析中更占优势。在唐家山堰塞坝溃坝风险分析中，HURAM2.0能区分出不同水流速条件下的生命损失，更符合实际情况，即开挖泄流槽前风险大、死亡率高，在现场勘测和开挖泄流槽后风险及死亡人数大大降低，建议结合预警疏散以降低生命损失风险。     

堰塞坝背水面坡度对溃决过程影响机理大尺度试验

堰塞坝溃决物理概化试验是当前研究堰塞坝溃决机理较为可行的方法,但在现有堰塞坝溃决试验中,由于试验坝体尺寸较小、试验上游库容不足,导致试验的溃决过程与实际堰塞坝溃决存在较大差异。为尽量克服库容的不足所带来的影响,本文采用了最大库容达380m3的大尺度堰塞坝溃决试验系统。本文以无粘性、宽级配砂砾料堰塞坝为对象开展了多组室内大尺度溃决试验来揭示堰塞坝溃决机理,并通过设置不同背水面坝坡来研究其对溃决过程的影响。通过试验发现堰塞坝溃决过程可以分为沿程冲刷、溯源冲刷、快速发展和溃口稳定四个阶段。在溃决过程中发现陡坎侵蚀和溃口两侧土体失稳坍塌是溃口快速发展的主要机理。不同背水面坡度下的沿程冲刷阶段冲蚀特征基本相似,而溯源冲刷阶段及快速发展阶段溃决过程差异显著,较大的背水面坡度使溯源冲刷阶段跌坎水流更容易得到发展,进而影响溃口处的垂向冲深及侧向发展,导致快速发展阶段更易形成垂向落差较大的陡坎洪水冲蚀。从溃决历时来看,坡度的增加使溃口发展更快、峰值流量出现时间更早,进而导致溃决历时缩短。坝顶溃口宽度及峰值流量也会随着坡度的增加而增加。在本试验还较好地重现了天然堰塞坝下游河道两岸的淤积现象,并根据堰塞坝溃决过程中的水流特点、泥沙运动及溃决完成后下游河道的地貌,初步分析了淤积区的形成机理。     

金沙江白格滑坡堰塞坝溃决洪水灾害调查与致灾浅析

2018年10月10日和11月3日,西藏自治区江达县波罗乡白格村金沙江右岸同一位置先后两次发生滑坡堵江事件并形成了巨大的堰塞湖,其堰塞坝在自然泄流和人工开挖泄流槽两种处置方式后溃决。其中,第二次滑坡堰塞坝的溃决洪水给下游西藏、四川和云南3省（自治区）受灾范围内的道路、桥梁、耕地和房屋造成了巨大破坏。为了应对类似的极端、超常规、特大堰塞坝溃决洪水威胁以及相关的基础性研究需要,课题组于2018年12月21日至29日对这次金沙江白格堰塞湖溃坝洪水对下游的受灾情况进行了考察调研。考察以受灾最为严重的巴塘县巴楚河（又称巴曲河）与金沙江的交汇口为起点,直至洪水威胁基本消除的梨园水库库区为终点沿江共计488.6km的受灾河段为主。考察重点为沿岸房屋、道路、桥梁和水利基础设施等受损情况,并对溃坝洪水的最大淹没水位（洪痕）、考察时的河道水位,河道两岸堆积的泥沙及其颗粒级配,桥梁致灾水位等进行了分析,得到了一些有价值的灾情数据与成果,这些成果可为进一步的基础性研究提供一定的数据支撑。     

堰塞坝溃口下切过程实验研究

针对堰塞坝溃口下切过程和不同因素对过程影响的问题,开展了室内水槽实验。结果表明：溃口下切过程分3个阶段,Ⅰ为溃口缓慢发展阶段：为水流缓慢溢出溃口阶段,侵蚀速率较小,泥沙输移主要以悬移质运动为主,溃口下切缓慢;Ⅱ为溃口迅速发展阶段：表现为溯源侵蚀强烈,溃口底部变化迅速,推移质运动占主导地位;Ⅲ为稳定河床形成阶段：水流速度和流深减小,水流携沙力减弱,河床形成粗化层,最终达到新的水沙平衡。溃口流量与侵蚀的关系表现为：来水流量的加大增加了相应时刻的溃决流量,增大了侵蚀率,缩短了溃决时间,溃口底部趋于平滑。来水流量的加大提高侵蚀率曲线斜率,使侵蚀率曲线向瘦高型发展。随背水坡坡度的增加,溃决流量增大,侵蚀率增加,坝体残留高度降低。另外,因背水坡坡度增加导致坡面土颗粒稳定性的降低可采用水槽坡度与背水坡坡度之和的正切值的三次方这一因子反应。最后指出,考虑堰塞坝材料性质差异性的溃决过程是下一步研究的重点。     

堰塞坝泄流冲刷试验研究

考虑到堰塞坝不同内坡坡度和不同坝体级配对溃坝过程的影响,设计了11组溃坝试验进行研究,根据对溃坝过程的摄影记录,观测到溃坝过程的四个阶段,其中阶段Ⅲ的坝体侵蚀最为剧烈,阶段Ⅰ内坡被侵蚀,阶段Ⅱ溃口顶部被侵蚀,阶段Ⅲ外坡被侵蚀,阶段Ⅳ坝体形态达到稳定,库区水位逐渐达到恒定值;运用WYG-Ⅱ型水位测量系统,得到整个溃坝过程水库的实时水位数据,试验结果表明:内坡坡度越大,溃坝洪峰流量越大;不均匀系数越大,溃坝洪峰流量由于绕流掀沙现象的存在反而增大,而后随着粗沙越多,细沙隐蔽作用突出,溃坝洪峰流量减小.     

基于贝叶斯网络的梯级水库群漫坝风险分析（特约稿）

为克服现有大坝风险分析方法多针对单库大坝、且不能有效考虑不确定性因素对风险评估结果的影响这一研究局限,本文选取能有效处理不确定性问题的贝叶斯网络理论对梯级水库群展开大坝失效风险研究。基于统计资料,结合专家经验调查法,将超标洪水、上游溃坝洪水和强地震确定为水库漫坝的关键风险因素,建立了三种因素单独、组合作用下的单库、梯级系统漫坝贝叶斯网络风险分析模型,并将其应用到大渡河流域上下相连的猴子岩-长河坝两座干流梯级上。结果表明风险源单独、组合作用下的梯级水库群的漫坝风险的量级都较小,其中猴子岩的上游溃坝洪水所致的漫坝风险量级最小,这与其上游双江口水库为干流控制性梯级的特性有关。两库均被识别为薄弱梯级,对其漫坝风险起主导作用的风险因素分别为超标洪水和强地震,这将作为系统风险防控措施制定的重要考量。通过实例应用,验证了文中所提模型在梯级水库群风险分析中的有效性。求解过程快速、有效,对风险因子间的相关性、系统薄弱梯级的识别直观、清晰,根据结果能及时掌握风险源单独或组合作用下的梯级水库群风险变化并制定相应的风险决策,有利于后续风险管理环节的迅速开展,为水利水电工程风险分析领域的研究提供了新的研究手段。     

基于信息熵的典型滑坡危险度评价研究

为了定量地对典型滑坡危险度进行评价,根据典型滑坡的强度指标和发生可能性指标建立典型岩质滑坡危险度评价指标体系,利用信息熵原理,结合中国科学院成都山地所滑坡数据库(CDMI)中奉节县24个典型岩质滑坡计算各评价因子客观权重,建立定量评价模型.计算奉节县24个典型岩质滑坡的危险度,通过实地调查对评价结果进行对比验证,危险度评价结果准确率达87.5%,可作为评价典型滑坡危险度的新方法进行推广运用,为滑坡的防治提供依据.     

山区河流水灾害问题及应对（特约稿）

全球重大自然灾害正深刻影响着人类的生存和发展,如何更有效地应对各类自然灾害尤为重要。2008年“5·12”汶川大地震后,“地球人都要有灾害意识,地球人都要有灾害教育”已深入人心,中国人的灾害意识和防灾技术水平均得到了较大幅度的提升。由于独特的区域地质构造、地形地貌和水文气象等条件,中国西部地区一直是水灾害频发的区域,防灾减灾工作已成为影响区域社会经济及国家整体发展的重要方面。作为国家布局在西部的高水平研究型综合大学,四川大学传承和创新了都江堰的治水智慧,在应对高坝泄洪与防洪安全、高坝工程结构安全、山洪泥沙灾害与滑坡防治、流域生态环境保护等山区水灾害方面进行了积极探索,取得了一系列重要成果。主要有：1）开发细观实验与模拟技术,揭示了高坝水力学复杂水流现象的细观机理,建立了更加可靠的判别准则和计算方法,形成系统的细观水力学体系,并创新地提出了多级泄洪原理与技术;2）原创性地提出了地质力学模型破坏模拟与综合法试验新技术,揭示了高坝工程整体结构安全响应机制,建立了能够准确反映受复杂地质环境及超标洪水等因素影响下高坝-坝基-库水整体结构安全评价体系;3）揭示了山洪与泥沙共同作用下“小水大灾”机制,提出了特大山洪泥沙灾害“降阶防控”技术,将山洪泥沙灾害致灾不确定性降到可防控范围;4）引入应用三维激光扫描仪等新设备与技术实现了滑坡变形监测从“点、线、面”拓展到三维空间整体,提升了水动力型滑坡的灾害监测预警水平以及灾害应急响应能力;5）针对滑坡-堰塞坝物质组成和结构特性变异性大的问题,提出了滑坡-堰塞湖分类应急处置与综合治理技术;6）针对西南地区地理、生态与环境特点,提出了生态需水配置和过鱼、梯级水库水温预测成套方法和低温水控制、高坝泄水总溶解气体（TDG）过饱和的预测与调控等一整套维护水生生物生境的关键技术,将生态环境保护研究从工程局部及单一水环境领域,拓展到山区流域整体系统并形成多学科领域交叉的综合科学技术体系。最后,针对中国西部山区河流水灾害的特点以及国家防灾减灾救灾的总体需求,提出了变化环境下的水灾害形成与演化、耦合致灾机理与临界判据、水灾害动力灾变机制与演化过程、突变河流的生境-生物相互作用机制、灾变河流的生态演变机制和新平衡态、水灾害监测预警和风险评估、基础大数据库与云平台、水灾害流域协同管理与灾后重建等一系列山区水灾害领域的重大前沿科学技术问题,有助于促进下一步防灾减灾相关学科领域研究工作的发展。     

基于智能学习的灾害危险性评估技术研究及应用

面向地质灾害危险性评估的技术路线及方法体系研究问题,以滑坡灾害为例,开展基于智能学习的灾害危险性评估技术研究及应用。提出了一套基于GIS的从数据准备、分析建模到结果计算与检验,完整的滑坡危险性评估研究的技术路线和方法理论体系。结合GIS可视化分析显示技术、数据驱动型方法、智能学习方法等以重庆万州区为示例研究区域进行了滑坡危险性评估研究,并科学地评估了这些方法的分析结果,成功绘制出与已有滑坡分布吻合较好的滑坡危险性连续分布图及区划图。实验结果表明了本文方法和技术的有效性。     

基于系统等值和频率扫描的复杂大系统多串补SSR风险快速评估

针对含多个串补的大规模交直流输电系统,为了保障电网安全稳定运行,需要对其发生次同步谐振(SSR)的风险进行快速有效的评估.以2009年南方电网迎峰度夏阶段的实际情况为例,将计及电阻的两点等值法和频率扫描法相结合,实现了对复杂大电网多个串补SSR风险的快速评估,然后针对有发生SSR风险的汽轮机组采用PSCAD/EMTDC程序搭建详细的电磁暂态模型(包括轴系模型),并进行了故障仿真验证.分析结果表明,该快速评估方法效果很好,具有很强的实用性.     

八宿巨型滑坡的发现及其意义（特约稿）

巨型滑坡全球不常见,但是破坏性极强,其识别对于加深区域构造背景的认识,防灾减灾和工程建设均有指导意义。基于遥感解译、无人机地形测绘和现场调查,报道了新发现的八宿巨型滑坡及其残留堆积体特征,初步分析了成因机制与演变过程,估算了滑坡方量。主要结论如下：（1）八宿滑坡发育于怒江缝合带的夏里-八宿裂谷带内,岩性以古生界加玉桥岩群大理岩组和侏罗系马里组变质砂泥岩为主,上部岩层产状为陡倾顺坡向,下部岩层产状为陡倾逆坡向,岸坡结构总体上为上硬下软;（2）滑坡区横跨冷曲的左右两岸,长约7200m,宽约4800m,面积约22.5km2,估算方量约35×108m3,目前残余方量约14×108m3,是国内已经确认的方量最大的滑坡;（3）滑坡极可能属于历史地震诱发的高速堵江滑坡,堰塞坝高度约185m,堆积体碎裂化严重,且在冷曲右岸爬升超过600m。滑坡形成后,堆积区历经了堰塞坝溃决、多拉寺次级滑坡、泥石流堆积与冲刷、表面流水冲刷等改造过程,但是滑坡地貌特征整体保存良好。由于滑坡和泥石流堵江,冷曲在滑坡区先后两次改道;（4）从滑坡与冷曲的演变过程来看,推测滑坡的发生时间应在晚更新世。即八宿滑坡为古滑坡;（5）八宿巨型滑坡的发现说明迄今为止我们对青藏高原地质环境的认知仍然十分有限。川藏铁路等工程建设应加强基础地质与工程地质研究,以及地质灾害风险论证,确保施工与运行期安全。     

Application and Validation of a Multi-block Constitutive Model at Landslides of the Wenchuan Earthquake （特约稿）

A multi-block model and a corresponding computer program have been developed which predict the kinematics of landslides. Furthermore, a unique event for studying different models simulating the triggering and movement of landslides is the 2008 Wenchuan earthquake in the mountainous region in Sichuan Province of China, which caused a large number of rapid landslides. The purpose of the paper is two-fold:(a) to propose and incorporate into the multi-block model constitutive relations predicting soil response along slip surfaces, and (b) to apply the multi-block model with the constitutive relations at landslides triggered by the Wenchuan earthquake. The proposed constitutive equations predict the shape of the shear stress-displacement response measured in ring shear tests. In the application, four landslides caused by the Wenchuan earthquake were considered. Only in one of these landslides the shear resistance-displacement response along the slip surface has been measured in laboratory tests. At this landslide, the triggering and movement of the landslide was predicted. In the other landslides, back analyses were performed and it was observed that the multi-block model predicted reasonably well the final configuration of all slides. In addition, as the measured and back-estimated total friction angle of all landslides was less than 18°, and the materials along the slip surface were sandy, it is inferred that some, or all of the slip surface during these slides was sheared in an undrained manner and excess pore pressures generated during sliding played a key role in the triggering and movement of these landslides. Concluding, the paper (A) proposed and validated a multi-block constitutive model which can be applied to predict the triggering and movement of earthquake-induced slides and (B) by analyzing four landslides of the 2008 Wenchuan earthquake, it concludes that some, or all of the slip surface during these slides, was sheared in an undrained manner and excess pore pressures generated during sliding played a key role in the triggering and movement of these landslides.     

基于GIS和突变理论的区域地震危险度多准则评价

针对地震孕灾环境的复杂性和危险度的随机性、模糊性,在分析区域地震环境影响因素和突变行为的基础上,基于尖点突变模型,建立了区域地震环境突变分析模型,并构建了区域地震危险度突变层次结构体系,划分了区域地震危险度指标分级标准;基于经典突变理论及其推广形式,提出了区域地震危险度评价的突变方法,结合GIS空间分析技术实现区域地震潜在危险度的可视化.该方法首先利用GIS技术对底层评价指标赋值且量纲为一化,根据各层次指标体系的特点选取相应的突变模型,并逐层递归运算出区域地震危险度的总突变值,与地震危险度多准则评价标准比较得到危险分级;其次,利用GIS的可视化功能绘制出区域地震潜在危险度评价图,从而综合评判区域的地震危险度.最后,通过实例计算与分析,验证了该方法的可行性和合理性,评价结果可为区域地震危险度分析和潜在地震危险度评价提供理论依据.