滑坡堰塞湖灾害机理与风险防控

第1章绪论 　　1.1研究背景 　　滑坡堰塞湖是由滑坡物质堵塞河道形成的天然蓄水体，主要形成于构造活动频繁、地质条件脆弱等滑坡灾害易发的高山峡谷地区。在高山峡谷这类特定的地形条件下，即使发生很小规模的滑坡，也非常容易堵塞河道并形成堰塞湖。降雨、地震、冰雪融雪是诱发滑坡堰塞湖灾害的主要因素，占所有滑坡堰塞湖事件的80%以上（Fan et al.，2020）。大型滑坡形成的堰塞湖灾害对人民生命财产安全的威胁通常比滑坡灾害自身要高很多，堰塞湖蓄积河水不仅会造成上游区域的淹没损失，而且潜在的溃决洪水可能会对下游带来巨大的人员伤亡和经济损失。因此，提升滑坡堰塞湖灾害的防灾减灾救灾能力是我国的重大需求。 　　滑坡堰塞湖灾害在全球范围内都有广泛分布（表1.1），日本、意大利、美国等均是滑坡堰塞湖灾害频发的国家。例如，1683年发生在日本藤原（Fujiwara）镇因地震诱发的Ikari滑坡堰塞湖事件，堰塞坝坝高70m，库容为6.4×107m3，形成后持续运行几十年因暴雨而发生溃坝灾害，溃决洪水造成下游1005人死亡失踪（Costa and Schuster，1991）；1812年意大利因降雨在萨维奥（Savio）河上诱发了滑坡堰塞湖灾害，堰塞坝坝高70m，库容为2.15×108m3，虽然堰塞坝没有发生失稳溃决，但因上游淹没致灾造成18人死亡失踪（Casagli and Ermini，2003）；1925年美国因冰雪消融在格罗文特（Gros Ventre）河上诱发了滑坡堰塞湖事件，堰塞坝坝高70～75m，库容为8×107m3，两年后发生溃坝灾害，溃决洪水造成凯利（Kelly）镇被淹没、6人死亡或失踪（Zhang and Peng，2016）。 　　表1.1全球部分滑坡堰塞湖灾害事件统计 　　我国是滑坡堰塞湖灾害*严重的国家之一（图1.1），尤其西南地区山高坡陡、河流密集、地震频发，滑坡堰塞湖已成为威胁该区域人民生命财产安全的一种重要自然灾害类型（Xu et al.，2009；Li et al.，2016）。例如，1786年摩岗岭堰塞湖灾害，堰塞坝坝高70m，据史料记载溃决洪水导致下游约10万人死亡或失踪（Dai et al.，2005；Evans et al.，2011）；1933年叠溪小海子堰塞湖灾害，堰塞坝坝高100m，堰塞湖在形成45天后漫顶溃决并引发下游2个堰塞湖发生连锁性溃决，溃决洪水吞噬下游村寨和农田，造成数千人死亡或失踪，洪水影响距离远达下游1000km以外的宜宾市（柴贺军等，1995；王兰生等，2000；侯江，2010）；1976年唐古栋滑坡堰塞湖事件，堰塞坝坝高175m，在形成9天后发生图1.1我国近年来典型堰塞湖灾害 　　(a)2008年汶川地震唐家山堰塞湖；(b)2014年鲁甸地震红石岩堰塞湖； 　　(c)2018年金沙江白格堰塞湖；(d)2018雅鲁藏布江加拉堰塞湖溃坝灾害，溃决洪水洪峰流量峰值高达5.7万m3/s，河道水位陡涨40m，洪水影响距离远达下游1700km以外的重庆市，造成沿岸工农业生产建设和人民生命财产的重大损失（伍超等，1996；Evans et al.，2011；易志坚等，2016）；2008年唐家山堰塞湖灾害，堰塞坝坝高82m，潜在的溃决洪水对下游绵阳市的人民生命财产安全构成巨大威胁（胡卸文等，2009；Fan et al.，2012a），经堰塞坝应急处置以及下游人员紧急避险撤离等措施才解除了该堰塞湖的安全隐患；2018年11月金沙江白格堰塞湖灾害，堰塞坝坝高96m，潜在安全风险迫使8.6万人紧急转移安置，经应急开挖泄流道的下泄洪水对下游基础设施、经济作物等造成严重破坏，经济损失巨大。 　　滑坡堰塞坝是滑坡在河道自然堆积的复杂地质体，其几何尺寸、堆积形态、物质组成与结构特征复杂多变、难以探明，堰塞坝寿命和溃坝洪水的预测也十分困难，这与形态结构明确的人工土石坝具有显著差异。现有的堰塞湖灾害防控处置存在对滑坡堰塞湖形成机理认识不清、堰塞坝溃决失稳评价方法缺乏物理力学机制、洪水演进模拟预测精度和效率难以满足应急抢险紧迫的时间需求等问题。在滑坡堰塞湖灾害不能得到科学合理的应急处置与综合治理情况下，堰塞湖一旦溃决极易对下游沿岸居民、基础设施、河道形态以及生态环境等造成巨大破坏（图1.2），同时也增加了下游沿岸防洪与其他涉河工程建设的难度（柴贺军等，2000；Schuster，2006；四川大学工程设计研究院，2009a）。因此，提升滑坡堰塞湖灾害风险评估和防御能力已成为保障人民生命财产安全与社会和谐稳定的国家重大需求。滑坡-堰塞湖-溃决洪水是一种复杂水沙动力过程的链式灾害形式（陈宁生等，2008；王运生等，2011），通过开展不同类型滑坡运动过程和堵江成坝机理研究，弄清堰塞坝物质组成及结构特征，是预测潜在滑坡堵江堆积规模、提高堰塞湖溃决洪水计算精度的必要前提。在此基础上，提高堰塞湖风险评估方法的准确性和堰塞湖应急处置方案的有效性，从而切实降低滑坡堰塞湖灾害破坏程度，甚至开发利用堰塞湖储备的水资源。 　　图1.2滑坡堰塞湖溃决洪水对下游的影响 　　1.2国内外研究发展现状 　　1.2.1滑坡堰塞湖形成机理 　　弄清滑坡堵江运动过程和堰塞湖形成机理是分析堰塞坝溃决过程、计算溃决洪水以确定溃决风险的重要基础。20世纪70年代中期开始，滑坡堰塞湖灾害受到各国地质工作者特别是水电工程地质及环境地质学者的广泛关注（Costa and Schuster，1988；柴贺军等，1997），通过不同手段研究了滑坡堰塞湖形成的外部诱因和地貌地质条件，对堰塞坝几何形态和物质组成等基本特征有了较好的认识。图1.3是典型滑坡堰塞湖灾害链形成过程的概念示意图。 　　图1.3滑坡堰塞湖灾害链形成过程概念示意图 　　在调查统计方面，Schuster和Costa（1986）在美国2200万m3的滑坡体堵塞Spanish Fork河这一事件的启发下，收集了全球范围184个滑坡堵江事件并编制了《世界滑坡堵江目录》，分析了滑坡堰塞湖的成因、类型、存活时间以及溃决模式。柴贺军等（1995）基于我国147个典型的滑坡堰塞湖案例，分析了不同类型堰塞湖的基本特点。Swanson等（1986）分析了日本Totsu河流域53个滑坡堰塞湖的形成条件，认为河床宽度和滑坡运动速度是决定滑坡是否完全堵江的重要因素，并提出了年收缩率（Annual Constriction Ratio，ACR）作为堰塞坝形成的判别指标。Canuti等（1998）认为滑坡堰塞湖的形成与坝体体积和坝址上游集雨面积有关，提出采用堵塞指标(Blockage Index，BI)作为判别依据。严容（2006）通过对我国大量的堵江事件进行统计分析，发现滑坡堵江比例占65%，崩塌堵江占23.5%、泥石流堵江仅占1.65%；同时，堵江事件90%以上发生在20°E～35°E及95°E～110°E之间，且成带成群出现。Fan等（2012b，2014）通过分析汶川地震诱发的滑坡堰塞湖灾害，揭示了滑坡体积和运动特征、河谷底部地形以及水文因素是决定滑坡是否能够形成堰塞湖的主要因素，进而提出了地震滑坡堰塞湖形成的滑坡体积阈值。Chen和Chang（2016）通过对台湾地区的堵江滑坡和非堵江滑坡进行了统计回归研究，形成了基于滑坡地貌特征的滑坡堰塞湖发生位置预测方法。Stefanelli等（2016）发现滑坡堰塞坝体积一般为103～108m3，坝址上游集雨面积通常为1～103km2，堰塞湖是滑坡和水域相关因素相互作用的结果，并提出了基于滑坡体积、集雨面积和河道坡降的堵江地形指数(Morphological Obstruction Index，MOI)作为堰塞湖形成判别指标。Tang等（2019）的研究成果也表明水文因素对滑坡是否能够形成堰塞湖具有显著影响。在不同区域的典型泥石流沟现场调查基础上，不同学者提出了相应的泥石流堵江形成堰塞湖的判别式（唐川等，2006；程尊兰等，2007；张金山和谢洪，2008）。基于统计分析的经验判别方法往往难以反映滑坡堰塞湖的形成机理与灾变机制，在判断局部区域，特别是某个滑坡是否会形成堰塞湖时可能会出现较大偏差；另外，统计分析成果没有考虑不同区域、相同区域不同时期的地质地貌、水文条件、气候环境等的差异和变化，这可能会降低滑坡堰塞湖形成判别方法的适用性（Stefanelli，2018）。 　　在个案的调查反演和模拟方面，Johannes（1998）以喜马拉雅山的两个典型滑坡为研究对象，分析了其形成条件、物源条件及堵江物质的稳定性等。Moreiras（2006）系统分析了阿根廷西北部某一滑坡堵江事件的形成条件及存续时间，在此基础上提出了区内暴雨周期分布与滑坡堵江事件之间的关系。Trauth and Strecker（1999）基于发生在安第斯山脉中心Cordon del Plata河上的滑坡堵江事件，研究了堰塞湖灾害与地震、气候、地层、岩性等之间的关系。胡卸文等（2009）通过对唐家山堰塞湖的调查，揭示了该堰塞湖的形成机制，并反演分析了堰塞坝具备良好似层状结构、较强抗冲刷溃决能力的结构特征。Dong等（2011）运用多种数值模拟相结合的手段，反演再现了2009年强降雨触发的中国台湾小林村堰塞湖从形成到溃决整个灾变过程，并对坝高、坝宽和坝长等基本几何参数进行了分析。Zhou等（2013）运用离散单元法和流体动力学法相结合的手段对汶川地震诱发的杨家沟滑坡堰塞湖形成过程以及溢流溃坝过程进行了反演分析，揭示了该堰塞湖的形成机制并对潜在威胁进行了评价。针对2014年云南鲁甸地震诱发的红石岩堰塞湖，王叶等（2017）通过三维有限元方法模拟反演了从滑坡破坏到堵江成坝的堰塞坝形成全过程，揭示了滑坡岩体在高速运动过程中的破碎解体和停滞堆积机制。Liu和He（2018）则以2000年易贡滑坡堰塞湖为例，运用数值模拟的手段反演分析了滑坡运动、堵江成库以及坝体溃决的灾害链演变过程。现场调查反演比较依赖个人的专业知识和经验，数值模拟则在滑体结构物理特性、运动碎屑化、堵江堆积过程的固液耦合等方面需要更合理科学的考虑。Fan等（2018）通过现场调查勘测、卫星图像收集的数据资料，分析了2008年和2016年先后两次唐家湾滑坡的形成演变过程，计算了滑坡变形体和堰塞湖主要的特征参数。2018年金沙江两次白格滑坡堰塞湖引起了社会和学者的广泛关注，对滑坡灾变过程、滑动运动堵江过程及后续可能的再次滑坡堵江都进行了分析和预测（Li et al.，2019；许强等，2018；Fan et al.，2019a）。但目前关于多次滑坡堵江形成堰塞湖的研究成果以案例叙述、宏观分析为主，形成机制的理论研究成果较少。 　　在理论分析方面，学者试图应用解析方法研究滑坡堰塞湖的形成机理和坝体几何形状预测方法。匡尚富（1994）探讨了滑坡堰塞湖形成的必要条件和形成机理，提出了堰塞坝几何尺寸的计算公式。周必凡（1991）以及匡尚富（1995）通过理论分析提出了泥石流堵江类型的判别公式。Kuo等（2011）针对天然滑坡堰塞坝提出了一种基于河流坡降、滑坡体积以及堆积特性的堰塞坝体几何尺寸快速估算模型。庞林祥等（2016）将地形、地面运动以及河流冲刷作为形成崩塌型堰塞坝的必要前提，其中坡面倾角应大于30°，坡面运动的岸坡倾角应大于临界倾角，河道水流冲刷能力不能将入河岩土体瞬间冲走（庞林祥和崔明，2018）。天然堰塞湖形成的影响因素多、过程复杂，目前的理论分析成果主要结合了野外调查或试验数据，并进行了简化和假设，如何更进一步地应用数学、物理等理论方法深入分析堰塞湖形成机制是一项极具挑战性的研究工作。 　　在数值试验方面，罗伟韬（2014）采用离散元方法研究了坡高与倾角对滑坡运动过程、坝体几何形态及内部物质结构等方面的影响。Liu和He（2016）提出了一种考虑河床侵蚀的滑坡堰塞湖动态演变过程数值模型，研究结果揭示了超孔隙水压力对侵蚀过程影响很大，而侵蚀