提神的东西第31卷第5期2020年10月
水资源与水工程学报
夜晚说说心情短语
Journal of Water Resources ＆Water Engineering
Vol．31No．5Oct ．，2020
收稿日期：2020-02-05；修回日期：2020-04-21
基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFC1501103）；国家自然科学基金项目（51909214、
51879284）；中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室开放研究基金项目（IWHR －SKL －201906）
作者简介：王琳（1989-），女，陕西西安人，博士，讲师，主要从事堰塞湖溃坝模拟及灾害应急处置研究。
DOI ：10．11705/j．issn．1672－643X．2020．05．19
堰塞湖关键工程措施快速、定量分析方法研究
———以2018年“11．03”白格堰塞湖为例古巴比伦建筑
王琳1，段庆伟2，刘立鹏2，蔡思敏1，孙平
2
（1．西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048；2．中国水利水电科学研究院
岩土工程研究所，北京100048）
摘
要：堰塞湖一旦失控溃决，将对下游造成极大威胁。其可供应急处置的时间极为有限，急需采取切实有效的应
急处置技术，其中关键工程措施的选择尤为重要。在归纳总结国内外多座堰塞湖应急处置经验的基础上，选择基于物理机制的DB －IWHR 溃决分析方法和参数化溃决分析方法结合白格堰塞湖实例开展关键工程措施对比论证。结果表明：物理机制分析方法能够快速、定量地确定堰塞湖关键工程措施———开挖引流槽。2018年“11．03”白格堰
塞湖紧急开挖的一条长220m 、深15m 、顶宽42m 、底宽3m 的引流槽，可使堰塞湖库容由8．08ˑ108m 3
减小至5．79ˑ108m 3，溃决洪峰流量由39277．35m 3/s 减小至31000m 3/s 。DB －IWHR 物理机制分析方法快速实用，可在
1h 内完成方案论证，适用于堰塞湖应急处置的快速、定量需求。通过与参数化溃决分析方法对比，表明物理机制分析方法具有更详细的结果，可为堰塞湖应急处置关键工程措施的确定提供科学支撑。关键词：堰塞湖；应急处置；关键工程措施；引流槽；DB －IWHR 分析方法
中图分类号：TV122．+4
文献标识码：A 文章编号：1672-643X （2020）05-0135-07
Analysis of key engineering measures for barrier lakes ：
Taking the “11．03”Baige Barrier Lake in 2018as an example
WANG Lin 1，DUAN Qingwei 2，LIU Lipeng 2，CAI Simin 1，SUN Ping 2
（1．Faculty of Water Resources and Hydroelectric Engineering ，Xi ＇a n University of Technology ，Xi ’an 710048，China ；2．Department
of Geotechnical Engineering ，China Institute of Water Resources and Hydropower Rearch ，Beijing 100048，China ）
Abstract ：Barrier Lakes ，if out of control ，will po a great threat to the downstream．Due to the sudden occurrence ，the time available for emergency disposal is extremely limited ，so it is urgent to take effective emergency disposal ，of which the lection of key engineering measures is particularly important．By summarizing the experiences from the emergency disposal of many barrier lakes at home and abroad ，we carried out a comparative analysis of key engineering measures using physically-bad DB －IWHR breach and typical parametric breach methods bad on the ca study of Baige Barrier Lake．The results show that physically-bad breach method can quantitatively and quickly determine the key engineering meas-ure for the barrier lakes ，which is the excavation of overflow channels．The overflow channel excavated in the crest of “11．03”Baige Barrier Lake in 2018is 220m long ，15m deep and 42m wide at the top ，3m wide at the bottom．Excavating the overflow channel decreas the storage capacity of the lake from 39277．35m 3/s to 31000m 3/s and the breach volume of peak flood from 8．08ˑ108m 3to 5．79ˑ108m 3，respectively
．The DB －IWHR physically-bad breach model is efficient and applicable ，with this model the scheme demonstration can be done within 1hour．It is suitable for the the emergency disposal of barrier lakes．By comparing with the three typical parametric breach methods ，it is shown that the physically-bad breach method has better performance and more detailed results ，which can provide sci-entific support for the lection of emergency disposal for key engineering measures．
Key words：barrier lake；emergency disposal；key engineering measures；overflow channel；dam break －Institute of Water Resources and Hydropower Rearch（DB－IWHR）analysis
1研究背景
堰塞湖在库水位渗透或漫顶冲刷作用下，极易发生失控性溃决。当堰塞湖溃决时，洪水淹没灾害随着溃口的发展和溃决洪水演进传播，会酿成巨大灾难［1］。近20年来，我国堰塞湖的发生频率较高［2］，远远超出国外平均水平。2000年4月，易贡堰塞湖［3－4］形成，溃决流量达到94810m3/s。2008年5月汶川地震造成257处堰塞湖，唐家山［5－7］和小岗剑［8］堰塞湖是其中洪峰流量最大的两座，其流量分别达到6500、3950m3/s。2014年8月云南省鲁甸县发生“8．03”红石岩堰塞湖［9－10］，最终通过开挖8m宽引流槽，降低了下游黄角树和天花板水电站的风险。2018年发生的金沙江“10．10”和“11．03”白格堰塞湖［11－18］溃决流量分别达到10000和31000m3/s，转移人员41003人，直接经济损失达68ˑ108元。
51%的堰塞湖会在形成后的7d内溃决［19］。堰塞湖的发生无法确定，若能采取快速的应急处置，则可以降低灾害。即使发生溃决事件，通过提前预警、人口转移等方式可以做到零死亡。开挖引流槽是堰塞湖应急处置中最重要的关键工程措施。通过开挖引流槽将白格堰塞湖基本按照预定方案溃决，从而最大限度减少下游700km地区的灾害损失，是有效降低灾害损失的典型案例［16］。
老师的手《堰塞湖应急处置技术导则》（SL451－2009）［20］提出需对堰塞湖应急处置关键工程措施———开挖引流槽开展溃决洪水计算，以降低堰塞湖风险。目前，堰塞湖应急处置面临的问题是：降低溃决洪水风险的关键工程措施分析方法能否满足现有实际。
Costa等［21］认为开挖引流槽可以提高堰塞体的稳定性，Schuster等［22］总结20个历史溃决案例中所采取的降低堰塞湖溃决风险的工程措施，Satter 等［23］阐述了过去10年大中型堰塞湖的风险降低措施。但这些成果都是根据实践经验和工程实例，为降低堰塞湖的风险提供的定性方法。由于堰塞湖形成后地质条件恶劣，道路堵塞，专业人员很难在有限的时间内获取详细数据。因此，如何快速、定量地确定降低溃决洪水风险的关键工程措施迫在眉睫。
本文归纳总结国内外堰塞湖工程处置实例，基于堰塞湖溃决洪水分析［24－25］，提出降低堰塞湖风险的关键工程措施———开挖引流槽的快速、定量分析方法，选择参数化溃决分析方法开展关键工程措施的对比论证，期望能为今后国内外堰塞湖应急处置提供技术参考。
2堰塞湖应急处置工程措施
仙灵脾泡水喝的功效2．1常用工程措施
部分堰塞湖形成后，河道依然保持原有的下泄路径，此时并无其他泄流通道，会造成堰塞湖内持续蓄水，在形成后几天内发生溃决，造成严重的次生灾害。若地震形成的连珠式堰塞湖发生连锁溃决，其破坏力将更为巨大。例如在绵远河，仅21km河段，2008年汶川地震时形成了“黑洞岩—小岗剑（上）—小岗剑（下）—一把刀”4个自上而下的堰塞湖，一旦处理不慎，则会造成严重灾害［8］，故工程措施的选择尤为重要。目前主要有坝前排水、开挖引流槽及爆破3种处置方案。
2．1．1坝前排水抽水排险技术是在条件允许的前提下，通过水泵强排堰塞湖库水，达到降低堰塞湖水位、控制风险的目的。一般对库容较小的堰塞湖可采取此方法。2004年10月23日发生的日本新泻县地震，造成了严重的灾害损失，由于11月8日东竹泽堰塞湖的水位已从144．0m上涨至150．5 m，故采取水泵强排水措施［26］。至11月17日，堰塞湖最高水位达157．76m，库容约2．50ˑ106m3，对下游的威胁增加。至12月20日，水位降至144m，很好地控制了堰塞湖的溃决风险。安装排水管道实施强排水的措施较为经济且易于实行，但由于排水管的过水能力较小，且库内水体体积较大，也会造成一定风险，并可能会产生地基侵蚀问题，危及坝体安全。因此，东竹泽堰塞湖采取了临时调整水泵排水软管位置、修补复原坝基受侵蚀之处等措施，以确保排水的顺利进行。
2．1．2开挖引流槽引流槽除险是国内外堰塞湖除险最为常用的技术，其基本指导思想是控制堰塞湖在库容较小、水头较低的情况下泄流。一部分堰塞湖会实施人工溃决，使库水位迅速降低，险情基本解决。白格、易贡、唐家山、肖家桥堰塞湖的除险皆属此例。以白格堰塞湖为例，2018年11月3日，“10．10”白格滑坡的残余滑坡体再次下滑，堵塞引流槽后，在原残余体基础上形成“11．03”白格堰塞
631水资源与水工程学报2020年
湖，如果该堰塞湖蓄满，最大库容将达7．7ˑ108m 3
，一旦溃决将会造成极其严重的损失。因此，应急救灾指挥部启动了人工干预开挖引流槽的应急处置措
施。至11月11日下午，
引流槽开挖完成，引流槽长220m ，槽底高程2952．52m ，顶宽42m ，底宽3m ，如图1所示。13日13：40，堰塞湖坝前最高水位为
2956．40m ，相应库容为5．79ˑ108m 3
；13日18：00，
溃决洪峰流量为31000m 3/s 左右［17］
。
图12018年“11．03”白格堰塞湖引流槽泄洪图
［16］
2．1．3
爆破
对于滑坡区河段岸坡陡峭、河谷狭窄、
大石块较多、引流槽较难开挖的堰塞湖可选择爆破施工形成引流槽。在汶川地震中出现的小岗剑堰塞湖就选用此方式。6月12日10：30实施爆破后，下游汉旺水文站13：17量测的最高洪峰约为3950
m 3
/s ，随后流量逐渐减小，成功降低了小岗剑堰塞湖所造成的风险
［8］
。1964年塔吉克斯坦Zeravshan 河
（38．3ʎN ，72．5ʎE ）被0．15ˑ108m 3的滑坡堵塞［27］，形成220m 高、
1800m 厚、400m 宽的堰塞体。采用爆破为主，
辅以推土机清土的方式施工了一条深40 50m 的引流槽，使Zeravshan 河维持滑坡前的
水位。但在爆破时要特别注意爆炸数量以及位置的选取，
应避免过度地加宽和加深引流槽而引起过大的洪峰流量，对下游造成二次灾害。2．1．4
问题探讨堰塞湖应急处置时，工程措施并不是割裂的，
坝前抽水可延缓坝前水位的上升，为后续处置措施争取时间，
再开挖引流槽以确保堰塞湖的安全控泄。1987年7月，
意大利Lombardia 地区Zandila 山发生滑坡堵塞了Val Pola 山谷，形成了体
积约0．4ˑ108m 3
的堰塞体，
坝体长达1200m ，横跨河谷，坝体沿河谷方向厚度达2500m （如图2所示）
［28］
。滑坡发生后，立即采取了工程措施来增加
坝体的稳定性并使堰塞湖保持较低水位。首先采用
水泵抽水以减缓库水位上升速度，
再从坝体顶部开挖了一条2km 长的引流槽，
并在下游修建了拦砂坝（如图3所示）。与此同时在稳定坡面一侧开挖隧
洞，
隧洞直径为5．0和4．2m ，长3km ，容许流量达540m 3/s ，由于后序的工程处置措施完备，并未引起较大的灾害
［28］
。
图2意大利Val Pola 山谷滑坡及其堰塞湖
［28
］
图3意大利Val Pola 堰塞体开挖溢流槽及下游拦砂坝
［28］
2．2
关键工程措施—
——开挖引流槽综上所述，在应急处置的工程措施中，无论是坝
前排水或开挖引流槽，
都须进行堰塞湖溃决洪水分析，
其对关键工程措施方案的论证极为重要。目前应用最广泛的关键工程措施为开挖引流槽，
基于经验，
一般在结构较为松散的堰塞体上选择开挖浅而宽的引流槽，
在稳定结构的堰塞体上选择开挖窄而深的引流槽，
如图4所示
。图4堰塞湖引流槽开挖示意图
目前对开挖引流槽的方案论证多通过参数化方
法，
没有考虑基于物理机制的量化分析方法。堰塞湖形成后地质条件恶劣，
道路堵塞，很难在有限的时7
31第5期王琳，等：堰塞湖关键工程措施快速、定量分析方法研究———以2018年“11．03”白格堰塞湖为例
间内获取详细的坝体数据。因此，如何快速、定量地确定降低溃决洪水风险的关键工程措施迫在眉睫。下文将介绍基于物理机制的DB－IWHR（dam break －Institute of Water Resources and Hydropower Re-arch）溃决分析方法，根据此方法编制的程序可保证工程师在1h内完成目标工况的计算，在堰塞湖应急处置时可快速应用。
3堰塞湖关键工程措施快速、定量分析方法
胎停育主要原因3．1基于物理机制的DB－IWHR溃决模型
DB－IWHR是本团队Chen等［24］提出的基于物理机制的溃决洪水分析方法，此方法采用宽顶堰公式计算溃决流量，考虑土水作用机制，基于试验提出双曲线形式的冲蚀模型；在计算溃口扩展时，采
用总应力法模拟溃口扩展［3］，并经过改进提出经验性的双曲线图表以快速模拟溃口发展［25］，模型参数可通过材料强度参数回归得到。DB－IWHR模型如下：
（1）水量平衡。溃口流量可通过宽顶堰公式计算，溃口水量满足守恒原理，即溃口出流量等于水量的损失率，计算公式如下：
m
q m
b
B2
槡g（H－z）3/2=－
ΔW
Δt
+q
=－Δ
W
ΔH
ΔH
Δt
+q（1）
式中：m q为流量系数，可取0．320 0．385；m b为侧向收缩系数，可取0．910 0．997；B为溃口宽度，m；g为重力加速度，m/s2；H为库水位高程，m；z为溃口进口处底高程，m；W为水库库容，m3；t为时间，s；q为天然入库流量，m3/s。
（2）冲刷。溃口冲刷的冲蚀率按双曲线模型确定，如公式（2）、（3）：
z=Δz
Δt =Φ（τ）=
v
a+bv
（2）
v=k（τ－τ
c
）（3）式中： z为冲蚀率，10－3mm/s；τ为剪应力，Pa；t为时间，s；Φ（τ）为冲蚀率与剪应力的关系函数；v为扣除临界剪应力后的剪应力，Pa；k为为保证在剪应力的工作范围内按公式（2）计算的冲蚀率接近其渐近线1/b的单位转换系数，可取100；ɑ、b为参数，宜通过冲刷试验确定，没有条件时也可参照类似工程确定。
（3）双曲线溃口崩塌。当溃口不断被冲深时，会发生侧向崩塌，可通过溃口边坡稳定分析逐级确定临界坡面和滑裂面，其计算简图如图5所示，逐级崩塌模式如公式（4）、（5）：
B=B
+2Δz+2h tan（β－π/2）（4）β=β0+Δβ=β0+
Δz
m
1
Δz+m2
（5）式中：B0为溃口的初始宽度，m；β0为初始溃口倾角，（ʎ），可选择β0=π（天然休止角）；β为溃口倾角，（ʎ）；h为水深，m，在数值计算中，可近似取前一积分歩的值。
1/m
1
和1/m2分别表示双曲线的初始切线和渐近线，m1、m2值可根据经验公式（6）、（7）确定：
m
1
=0．0073c+0．072（6）
m
2
=0．0332tanφ+0．0086（7）式中：c为凝聚力，kPa；φ为摩擦角，（
ʎ）。
图5溃口边坡稳定计算简图
3．2“11．03”白格堰塞湖引流槽开挖对比分析3．2．1物理机制溃决分析2018年10月10日22：06，西藏自治区昌都市和四川省甘孜自治州交界处的金沙江河道右岸发生山体滑坡，堵塞了金沙江干流，形成白格堰塞湖。至11月3日，由于原处滑坡再次发生崩塌，覆盖残余坝体，形成“11．03”白格堰塞湖。堰塞体的堰顶宽约为195m，长约273m，堰顶高程约2966．5m，堰塞体高出水面58．24m，如果蓄满，最大库容将达7．9ˑ108m3，“11．03”白格堰塞湖基本概况如表1所示。开挖引流槽成为降低白格堰塞湖风险的关键工程措施。11月8日，现场抢险挖掘机抵达堰塞体坝顶，通过3天的施工，一条长220m，顶宽42m，底宽3m，最大深度15m的倒梯形导流槽施工完成。堰塞体垭口高程降低至2952．52m。11月12日凌晨04：45，引流槽开始进水，整个引流槽泄水道在10：50被淹没；13日8：00，通过引流槽的流量增大；13日12：00，溃决冲蚀迅速加快；13日13：40，堰塞湖库容达5．79ˑ108m3，相应的最高水位为2956．40m；13日18：00溃决洪峰
831水资源与水工程学报2020年
流量达到31000m 3/s ；14日8：00，退至基流
［29－30］
。堰塞体过流后形成新河道，平面上呈向右岸凸出的弧形，
开口宽180 240m ［16］
。图6所示为“11．03”白格堰塞湖水位、溃口流黛珂紫苏水乳
量、
溃口宽度的计算结果与实测数据对比。根据实测结果，
在13日18时，溃口最大洪峰达到31000m 3/s ，溃决库容达到5．79ˑ108m 3
。反演分析结果为13日18：40最大洪峰流量达到33438．30m 3
/s ，
溃决库容达到5．21ˑ108m 3
。若不开挖引流槽，则
在水位达到堰顶高程2966．5m 时堰塞湖将溃决，
库容将达到8．08ˑ108m 3
，峰值预测为39277．35m 3/s ，开挖引流槽可使洪峰流量减少26．7%，洪量减少39．5%。运用基于物理机制的分析方法可快
速、
定量地评价堰塞湖关键工程措施，并快速确定引流槽开挖方案。
3．2．2参数化溃决分析
将上述基于物理机制的
溃决分析方法与参数化溃决分析方法进行比较，
选取美国垦务局（Bureau of Reclamation ，U．S．US-BR ）［31］、
Froehlich ［32］和Xu 等［33］3组典型的参数化模型（下文分别称为USBR 模型、
Froehlich 模型、Xu 模型）分析评价引流槽的开挖措施方案。这3个模
型均可计算溃决流量、最终溃口宽度和溃决时间，其
他参数化模型无法计算以上3个结果，
3个参数化溃决模型及本文DB －IWHR 模型对白格堰塞湖溃
决的计算结果如表2所示。
表1“11．03”白格堰塞湖基本概况
类别
参数数值
滑坡高度/m
800滑坡体
滑坡体高程/m 3670坡顶高程/m
3718滑坡体方量/m
32．4ˑ106在堰塞体左部最高处表面测量坝顶、趾的高程/m
3014、2897
堰塞体
在堰塞体右部最低处表面测量坝顶、趾的高程/m 2989、2934
顺河向长度/m 1400横河向长度/m 600最高水位/m
2956．4堰塞湖
溃决库容/m
3
5．79ˑ108
河床底高程/m
2861
图6“11．03”白格堰塞湖溃决计算结果与实测数据对比
表2“11．03”
白格堰塞湖计算结果对比计算模型溃决流量Q /（m 3·s －1）Q 误差率/
%
溃口宽度B /
m B 误差率/
%
到达溃决洪峰时间T /h
T 误差率/
%
实测数据31000．00180 2404．33USBR 模型27196．02－12．27151．68－36．801．67－61．43Froehlich 模型19000．84－38．71250．184．242．80－35．33Xu 模型62514．09101．66210．0118．17319．63DB －IWHR 模型
33438．30
7．87245．01
即字组词2．085．01
15．70针对溃决流量，
USBR 模型计算的结果为27196．02m 3/s ，与白格堰塞湖实际溃决流量31000m 3/s 的误差为－12．27%，在误差范围内。Froehlich
模型和Xu 模型计算的溃决流量分别为19000．84和
62514．09m 3/s ，误差分别为－38．71%和101．66%。USBR 模型和Froehlich 模型溃决计算结果的误差均
9
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