堰塞湖风险评估快速检测与应急抢险技术和装备研发研究构想与成果展望

我国堰塞湖灾害发生频率高、分布范围广、受灾群众多、经济损失大,提升堰塞湖灾害防灾减灾救灾能力是国家重大需求。目前,我国堰塞湖风险快速评估与应急抢险技术和装备研究尚处于起步和探索阶段：在理论方面对堰塞坝成生机制及溃决机理尚认识不清；在技术方面目前已有的堰塞湖风险快速评估方法及应急处置装备尚不能满足堰塞湖高效应急抢险的需求。针对堰塞湖风险快速评估与应急处置这一国家重大需求,拟运用现代地质学、水沙动力学与信息学等多学科综合交叉与融合的手段,旨在解决“基于岸坡地质和运动过程分析的堰塞体形成机理、不同结构及变化环境下的堰塞体溃决机理”两大科学问题,突破“堰塞湖多源信息快速感知与动态识别和结构探测技术、基于携砂水流的堰塞体溃决过程模拟技术、考虑结构形态要素的堰塞湖致灾风险评估技术、堰塞湖高效排水疏通及堰塞体流道控制技术”四大关键技术,形成完善的堰塞湖风险评估体系及应急抢险成套技术和装备。通过开展堰塞体形成与溃决机理及溃决过程、多源信息快速感知与探测、险情应急监控与预警、致灾风险评估、高风险堰塞湖应急处置技术及应急抢险关键装备研发等六个方面的系统研究工作,破解堰塞湖成生及溃决难题,构建堰塞湖风险评估理论体系,最终形成成套堰塞湖应急处置技术和装备并进行示范应用,以期通过协作攻关研究进而提升我国堰塞湖应急处置与抢险水平并为保障人民生命财产安全提供科技支撑。     

基于物理模拟的堰塞湖溢流溃决机理

受持续来流影响,在大江大河内形成的堰塞湖极易在数十天甚至数天内漫顶溢流溃决,引发非常态溃决洪水,严重威胁下游沿岸地区人民群众生命财产安全。堰塞湖溃口坍塌变形发展迅速、现场观测难度大,当前普遍难以实地观测堰塞湖溃口形态变化及水力学参数,至今未能获取溃口坍塌发展的真实数据。针对堰塞湖溃决洪水威胁及溃决机理不明等难题,基于堰塞湖溃决过程现场观察及历史堰塞湖溃决案例分析,阐明堰塞体体型、材料级配、库容及上游来水量是决定堰塞体危险性的关键。并以“11·3”白格堰塞湖为原型,分别开展了堰塞湖溃决1∶80室内和1∶20野外物理模型试验,揭示堰塞体溃口发展遵循“流速驱动、流量控制”,以获得较大流速为目标的自我演化机制;溃口坍塌发展的主要动力机制是携沙水流剪切冲刷、陡坎上游负压区涡流掏刷、陡坎下游高速水流冲刷、边坡重力坍塌;堰塞体溃决坍塌依次呈现尾部下切、陡坎溯源、全断面下切、上冲下淤4个发展阶段变化特征,溃口平面形态相应依次呈现线条型、倒喇叭型、双曲面型、近似等宽型4个变化特征。陡坎溯源是溃决前最高效的冲刷方式,也是判断堰塞体漫顶过流后是否溃决的重要标志。开展堰塞湖溢流溃决大型物理模拟试验有助于推动高危堰塞湖应急疏通排水设计和堰塞体坍塌控溃技术发展,为堰塞湖应急处置提供参考。     

堰塞体冲刷参数统计分析及快速预测方法

快速确定堰塞体冲刷模型参数是堰塞湖应急处置中溃决洪水评估的前提。当前通常使用剪应力模型和Wilson模型来预测土体的冲刷速率,但是对模型参数的取值范围尚没有统一认识。为研究两种模型冲刷参数与常规土性参数的关系和各类土体冲刷参数的范围,快速确定堰塞体冲刷模型参数,本文共收集了279组冲刷试验数据,并根据土的统一分类系统（Unified Soil Classification System）将数据分为粗、细颗粒土两类,然后通过相关分析和回归分析得出了冲刷参数与常规土性参数的关系式,并根据关系式的拟合优度（R2、MSE）、可信度（Fvalue/Fstatistic）和泛化能力（10折交叉检验）进行筛选,得出了粗、细颗粒土冲刷参数与常规土性参数的回归方程,并对比试验数据得到的冲刷参数与回归方程预测得到的冲刷参数,得出了不同土料的冲刷参数范围。最后以白格堰塞体为例,依据本研究建立的冲刷参数数据库及统计关系,对其冲刷参数和冲刷速率进行了分析。结果表明,本研究成果可以用以快速确定堰塞体的冲刷参数,为应急处置条件下快速评估溃决洪水风险提供技术支持和数据支撑。     

地震堰塞湖排险技术与治理保护

“5·12”汶川特大地震形成了上百处堰塞体高度大于10 m,蓄水量大于1.0×105 m3,集雨面积大于20 km2的堰塞湖。根据各类堰塞湖因对下游威胁程度、地质、地貌、水文条件、堰塞体规模和颗粒组成制定相应的排险方案。极高危和高危堰塞湖具有潜在的溃坝风险,必须及时排险。相对稳定的堰塞湖及其所在河道则应治理保护。结合北川唐家山、都江堰枷担湾等堰塞湖排险实例,提出了地震堰塞湖排险技术,包括险情勘查、险情评估、排险方案、施工技术。同时,对灾后堰塞湖观测、治理与保护利用提出了建议。     

湖水位壅高条件下堰塞体土料变形特性DEM-PFV耦合模拟研究

我国西南地区多为高山峡谷地貌,易发生滑坡堵江事件,形成堰塞湖。堰塞湖水位壅高过程中,堰塞体为常剪应力路径,即剪应力保持不变,孔隙水压力不断增大。但已有的研究主要集中于固结排水剪和固结不排水剪,与堰塞湖水位壅高过程中的实际应力路径有别,因此开展常剪应力路径下堰塞体材料的变形特性研究,是深入分析湖水位壅高过程中堰塞体动态响应的有效途径。鉴于此,本文以2018年10月11日白格堰塞湖为例,以堰塞体的实际高度、漫顶前的最高堰塞湖水位及湖水位壅高过程中的实际应力路径为基础,基于细观尺度的离散元（DEM）—孔隙有限体积法（PFV）流固耦合方法,从敏感性分析的角度出发,开展了不同围压、不同初始应力条件下堰塞体土料的常剪应力剪数值模拟试验,并从材料的应力应变关系（宏观）及内部接触力（微观）的分布规律等角度出发,揭示了湖水位壅高过程中堰塞体不同位置的变形响应及其微观力学机理。研究表明,湖水位壅高条件下堰塞体土料变形特性受到土料位置、强度和湖水位壅高程度的联合影响。处于堰塞体不同位置的土料,围压与初始应力比条件不同,并且在堰塞体漫顶之前所遭遇的最大孔隙水压力也不同,从而导致在堰塞湖水位壅高过程中,不同位置的堰塞体土料呈现出不同的变形特性,一般呈现由里及外变形逐渐增大的规律。在相同围压条件下,靠近堰塞体上游外缘的土料,初始应力比相对较高,且遭遇的最大孔隙水压力也相对较高,从而在堰塞湖水位壅高过程中其应力路径会穿越失稳线,导致颗粒之间的接触力减弱,从而产生较大的变形,且大变形区的厚度与范围受到初始应力比及最高湖水位的限制。堰塞体内部初始应力比相对外缘较少,在湖水位壅高过程中应力状态穿过失稳线的可能性降低,从而变形也相对较小。     

湖水位壅高条件下堰塞体土料变形特性DEM–PFV耦合模拟研究

中国西南地区多为高山峡谷地貌,易发生滑坡堵江事件,形成堰塞湖。堰塞湖水位壅高过程中,堰塞体为常剪应力路径,即剪应力保持不变,孔隙水压力不断增大。但已有的研究主要集中于固结排水剪和固结不排水剪,与堰塞湖水位壅高过程中的实际应力路径有别,因此开展常剪应力路径下堰塞体材料的变形特性研究,是深入分析湖水位壅高过程中堰塞体动态响应的有效途径。鉴于此,本文以2018年10月11日白格堰塞湖为例,以堰塞体的实际高度、漫顶前的最高堰塞湖水位及湖水位壅高过程中的实际应力路径为基础,基于细观尺度的离散元(DEM)–孔隙有限体积法(PFV)流固耦合方法,从敏感性分析的角度出发,开展了不同围压、不同初始应力条件下堰塞体土料的常剪应力剪数值模拟试验,并从材料的应力应变关系(宏观)及内部接触力(微观)的分布规律等角度出发,揭示了湖水位壅高过程中堰塞体不同位置的变形响应及其微观力学机理。研究表明,湖水位壅高条件下堰塞体土料变形特性受到土料位置、强度和湖水位壅高程度的联合影响。处于堰塞体不同位置的土料,围压与初始应力比条件不同,并且在堰塞体漫顶之前所遭遇的最大孔隙水压力也不同,从而导致在堰塞湖水位壅高过程中,不同位置的堰塞体土料呈现出不同的变形特性,一般呈现由里及外变形逐渐增大的规律。在相同围压条件下,靠近堰塞体上游外缘的土料,初始应力比相对较高,且遭遇的最大孔隙水压力也相对较高,从而在堰塞湖水位壅高过程中其应力路径会穿越失稳线,导致颗粒之间的接触力减弱,从而产生较大的变形,且大变形区的厚度与范围受到初始应力比及最高湖水位的限制。堰塞体内部初始应力比相对外缘较少,在湖水位壅高过程中应力状态穿过失稳线的可能性降低,从而变形也相对较小。     

滑坡-堰塞湖应急处理与引流泄水优化技术

堰塞湖的应急处理应按照"科学、安全、主动、快速"的原则,结合具体地形地质环境条件制定一套操作可行且快速有效的措施,在较短时间内最大可能地降低或排出堰塞湖内拦蓄的大量湖水,控制堰塞湖的潜在威胁。综合考虑堰塞湖的坝高、库容、物质组成及危险等级等相关条件的差异,常用的处置方式有开挖泄流槽、开挖引水泄流隧洞、爆破拆除、临时加固、非工程应急避险措施。其中,开挖泄流槽、引流泄水紧急处置堰塞湖的方法适用性广、可操作性强。在实际工程抢险过程中,开挖泄流槽的确定需要重点解决3个关键问题:进水口部位、泄水槽中心线位置及泄流断面形状和尺寸。本文在分析堰塞湖溢流特性的基础上,提出一种行之有效的堰塞湖泄流槽设计及优化技术。该技术基于堰塞坝三维激光扫描高精度DEM模型,采用D8算法模拟水流在堰塞坝上的流动状态,根据堰塞湖溢流时水流总是沿坡降最陡方向流动的特性,寻找出堰塞湖的最优泄水路径。结合现场地质、水文等实际情况,优化计算结果,确定泄水槽中心线并设计泄水槽横断面;复核过流能力和开挖方量,并最终确定设计方案。应用提出的方法对鲁甸红石岩堰塞湖引流泄水方案进行设计,分析结果与实际采用的方案比较一致。     

基于滑坡成因的汶川地震堰塞湖分类及典型实例分析

汶川地震引发了大量的堰塞湖,其带来的长期危害成为灾区恢复重建过程中引人关注的问题之一.依据地震滑坡成因机制及特点,对地震堰塞湖进行了类型划分,从地震滑坡(崩塌等)灾害的形成机制将堰塞湖分为整体滑动型堰塞湖和崩滑型堰塞湖两个大类.在崩滑型堰塞湖中,根据滑坡的成因特点又分为坠落-滑动型堰塞湖和坠落-弹射-滑动型堰塞湖两个亚类.并列举各种类型地震堰塞湖的典型实例,分析总结了各种类型的成因方式、发育特点及应急处置措施.对提高地震堰塞湖的认识具有一定的学科意义,对地震恢复重建过程中堰塞湖的长期防治具有一定的科学指导意义.     

冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链发展过程机理与模拟技术研究构想（特约稿）

青藏高原区域滑坡-泥石流-堰塞湖灾害频繁发生,灾害损失巨大,与之相关的科学研究一直是国内外研究的热点和难点。我国在堰塞湖减灾领域已经积累了丰富的实践经验,但是冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害演化过程非常复杂,涉及众多的物理力学机制和学科理论,复杂气象条件下冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖的动力形成机制、溃决冲刷及洪水演进灾害链的全过程演化分析与数值模拟方面尚需进一步研究。揭示冰碛土滑坡-泥石流-堰塞坝的链生放大机制和冰碛土堰塞湖溃决演进的动力灾变机理是实现冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害有效防控的关键,结合国内外冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖形成与溃决的相关研究现状,提出了冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害需要关注的几个重要研究方面：(1) 复杂气象条件下冰碛土力学性能演化;(2) 冰碛土滑坡-泥石流动力灾变过程与运移模型;(3) 冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖形成机理与仿真模拟;(4) 冰碛土堰塞坝冲刷溃决机理与流道拓展过程;(5) 下游河道水沙互馈作用机制与洪水演进模拟。并开展了大量前期探索和研究工作,初步揭示了冰碛土滑坡-泥石流运移与多期堵江机制,构建了能考虑水流侵蚀与溃口边坡间歇性崩塌的堰塞坝溃决演化模型,并探讨了冰碛土-滑坡-泥石流-堰塞坝灾害链演化过程模拟方法。研究结果为进一步弄清冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害链过程的复杂动力学机制、构建灾害链过程的控制性理论模型、开发全过程数值模拟系统奠定了基础,以期为冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害链的成灾机理分析提供理论依据及为非工程避险与应急处置决策提供技术支撑。     

地震堰塞湖对山区河流的影响与综合治理

2008年5月12日,中国四川汶川发生里氏8.0级地震,对四川和甘肃的13个县市造成了严重破坏.强烈的主震和余震在地震区造成了大量的滚石、崩塌、滑坡、泥石流、碎屑流等次生山地灾害,大规模滑坡崩塌堵断河道形成堰塞湖,引起山区河流强烈演变.分析了汶川"5·12"地震在四川省境内形成的众多堰塞湖(体)的不同类型、组成特征,提出堰塞体等河道堆积物对河流自然形态、生态环境和人类社会可能存在的影响.针对震后山区河流开发保护与生态环境建设的目标,对堰塞体综合治理提出了具体的指导意见和措施,以便尽可能地避害趋利,有效维护河流的健康.     

崩滑型堰塞坝危险性快速评估研究进展（特约稿）

崩滑型堰塞坝是由地震、降雨、火山喷发等自然因素诱发的崩塌、滑坡堵塞河道所形成的天然土石坝,其在世界范围内广泛分布。崩滑型堰塞坝的形成与溃决具有高突发性、突溃性和强致灾性,会严重威胁所在流域的人民生命财产安全。因此,快速开展堰塞坝危险性评估,对应急抢险救灾具有重要的现实意义。目前对堰塞坝危险性快速评估的研究主要集中在成坝可能性、稳定性、寿命和溃决洪水等四个方面。本文总结了堰塞坝成坝影响因素和成坝快速判别公式,系统阐述了堰塞坝稳定性和寿命的定义、影响因素及快速评估模型,详细归纳分析了堰塞坝溃决模式、溃坝影响因素及坝址与下游河道的洪水快速预测模型。研究表明堰塞坝的形成主要受地形条件,固体物源条件和水源条件的影响;其稳定性、寿命和溃决主要受坝体几何形态,坝体材料、结构和水文特征等方面的影响。根据影响因素所建立的评估模型在一定程度上可以快速估算堰塞坝的稳定性、寿命、溃决流量等参数,但由于信息获取不便等问题,评估结果仍然存在一定的不确定性。在此基础上,本文提出了需要进一步研究的方向：(1) 考虑不同外因（地震、降雨等）条件下滑坡、崩塌启动及运移过程大型模型试验,建立考虑关键影响因素和水土物质相互作用的成坝快速判别模型;(2) 基于物探等手段开展堰塞坝坝体材料和结构参数的快速获取研究;(3) 建立考虑能量转换与耗散的溃坝程度快速评估模型,分析残余坝体致灾危险性;(4) 构建流域堰塞坝溃决洪水演进及水库调蓄减灾分析模型,指导流域水量调度及流域范围内工程建设;(5)开展堰塞坝灾害链对全流域影响的快速动态风险评估,为堰塞坝灾害预测及应急处置提供重要参考依据。     

汶川大地震都江堰市白沙河堰塞湖工程地质力学分析

5.12汶川大地震引发了大量的直接和次生地质灾害,对人的生命和财产安全造成了极大的威胁,其中由于地震造成的堰塞湖是一种典型的次生地质灾害。结合都江堰市白沙河无人区的3个堰塞湖(枷担湾、窑子沟和关门山)现场工程地质调查结果和区域内的工程地质条件,对堰塞湖的形成过程和现状进行相关分析,分析表明：堰塞湖是由于地震引发的山体滑坡堵江而形成的,由于山体滑坡方量大,迅速从河谷一侧冲向另一侧,因而形成了一侧高、另一侧低的堰塞坝体型。然后对堰塞坝的渗透稳定性和库岸边坡稳定性进行分析,结合现场堰塞湖的应急处理措施,给出了白沙河无人区3个堰塞湖的后续治理建议。     

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。     

Risk analysis model for landslide mass of high slope in dam area

In order to identify the threat of reservoir bank landslide to dam safety and reduce the risk of dam failure, impact factors of the landslide are analyzed. The concept of landslide risk degree is put forward to measure the threat of landslide to dam safety. The monotony of the landslide risk assessment function which changes with different affecting factors is analyzed qualitatively. Based on gene automatic programming, a data mining model of the landslide risk assessment function is constructed combined with impact factors of reservoir bank landslide on dam safety. And the assessment function of landslide risk has been excavated and established according to practical project information, which provides a valuable reference for analyzing the impact of landslide on dam risk.     

Risk analysis model for landslide mass of high slope in dam area

In order to identify the threat of reservoir bank landslide to dam safety and reduce the risk of dam failure, impact factors of the landslide are analyzed. The concept of landslide risk degree is put forward to measure the threat of landslide to dam safety. The monotony of the landslide risk assessment function which changes with different affecting factors is analyzed qualitatively. Based on gene automatic programming, a data mining model of the landslide risk assessment function is constructed combined with impact factors of reservoir bank landslide on dam safety. And the assessment function of landslide risk has been excavated and established according to practical project information, which provides a valuable reference for analyzing the impact of landslide on dam risk.

     

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。     

Risk analysis model for landslide mass of high slope in dam area

In order to identify the threat of reservoir bank landslide to dam safety and reduce the risk of dam failure,impact factors of the landslide are analyzed.The concept of landslide risk degree is put forward to measure the threat of landslide to dam safety.The monotony of the landslide risk assessment function which changes with different affecting factors is analyzed qualitatively.Based on gene automatic programming,a data mining model of the landslide risk assessment function is constructed combined with im...     

基于变权集对–可拓耦合模型的溃坝后果综合评价

溃坝后果严重程度综合评价是大坝风险评价与风险管理的重要组成部分。针对传统溃坝后果综合评价中人为主观设定指标权重固定不变,以及评价指标值与评价等级标准隶属过程中存在不相容等问题,基于现有法律法规以及行业规范,选取生命损失、经济损失、社会影响和环境影响为溃坝后果综合评价指标,采用变权理论对评价指标常权权重进行修正,利用集对分析能有效处理系统不确定性的特点和可拓学处理不相容性问题的优势,构建基于变权集对-可拓耦合的综合评价模型。通过集对分析的同、异、反划分可拓集合的论域进而确定可拓联系隶属度,结合评价指标变权权重计算集成可拓联系隶属度,进而按最大集成可拓联系隶属度原则确定评价等级。将该模型应用于江西省5座水库溃坝后果综合评价中,结果显示：1）指数型激励性状态变权向量对5座水库溃坝后果综合评价中各个较差的评价指标进行了一定程度上的激励,增大了其权重值,突出了较差指标在综合评价中的地位,避免了较差指标的消极作用被较好指标掩盖;2）5座水库溃坝后果综合评价等级与其它多种评价模型计算出的评价等级基本吻合,且离散程度最高、区分度更好,显示了所提出的模型具有良好的实用性,为溃坝后果综合评价提供了一种新方法。