红石岩堰塞湖应急处置的关键技术

王 琳，李守义，于 沭，杜效鹄，邓 刚

（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；3.水电水利规划设计总院，北京 100120）

红石岩堰塞湖应急处置的关键技术

王 琳1，李守义1，于 沭2，杜效鹄3，邓 刚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；3.水电水利规划设计总院，北京 100120）

云南鲁甸“8·03”地震导致牛栏江红石岩水电站下游600m处山体滑坡堵江，形成最大库容达2.6亿m3的堰塞湖，对下游天花板、黄角树两座水电站及下游3万余人造成极大威胁，需采取及时有效的应急处置措施。本文基于无量纲堆积体指标法判断堰塞湖溃决的可能性，总结该堰塞湖应急处置措施，并对不同开挖方案泄流槽的泄流能力及运用DB-IWHR程序的溃坝洪水对比分析，结果表明：实际采用的开挖深8m、宽5m泄流槽方案是最恰当的应急处置工程措施。此研究成果可供处理类似堰塞湖参考。

堰塞湖；溃坝洪水；DB-IWHR程序；泄流槽

1 研究背景

地震、暴雨等自然灾害诱发山体滑坡，堵塞河流，形成堰塞湖。在库水位渗透作用或漫顶冲刷作用下，极易发生失控性溃坝。2014年8月3日16时30分，云南省鲁甸县发生6.5级地震，导致火德红乡李家山村和巧家县包谷垴乡红石岩村交界的牛栏江干流上，形成最大库容达2.6亿m3的堰塞湖，对下游天花板、黄角树两座水电站及下游3万余人造成极大威胁。截止8月11日，堰塞湖水位上涨至1 180.04 m，距堰塞体坝顶仅有41.96 m。堰塞湖下游两岸分布有鲁甸县4个乡镇、巧家县5个乡镇、昭阳区1个乡镇，涉及3万余人，3.3万亩耕地，且堰塞湖水位又以每小时0.6～0.8 m的速度快速上涨，因此采取及时有效的应急处置技术极为重要［1］。

本文采用无量纲堆积体指标法判断堰塞湖溃决的可能性，总结该堰塞湖应急处置措施。对红石岩堰塞湖应急处置关键技术中泄流槽不同开挖方案重点探讨，通过对其泄流能力及运用中国水利水电科学研究院岩土工程研究所开发的DB-IWHR程序进行溃坝洪水对比分析，认为当时开挖深8 m、宽5m的泄流槽方案是最恰当的应急处置工程措施。研究结果期望能为今后国内外开展堰塞湖溃坝风险分析和应急处置措施提供技术参考。

2 红石岩堰塞湖溃坝可能性分析

2.1 基本概况红石岩堰塞体总方量达到0.12亿m3，坝高83～96m，顶部高程1 222 m，河床高程1 120 m。堰塞体顶部左高右低，顺河向平均宽度262m，横河向平均长度301 m，顶宽约17 m，顺河向底宽即堰塞体长度约910 m；坝轴线长度约307 m。后缘岩壁高度约600 m，最大坡顶高程约1 843.7 m，属特大型崩塌。堰塞体上游综合坡比约1∶2.5，下游综合坡比1∶5.5，堰塞体范围如图1所示。根据岩性组合初步估测，最大粒径大于5m，块径50 cm以上的约占50%，块径2～50 cm的约占35%，块径2 cm以下的约占15%。

在水位1 222 m时总库容为2.6亿m3，上游回水长度25 km，堰塞湖集水面积12 087 km2，是唐家山堰塞湖径流面积的近4倍，影响人口0.9万人、淹没耕地8 500亩。

图1 堰塞体范围

2.2 溃坝可能性分析根据“堰塞湖风险等级划分标准（SL450-2009）”［2］，属大型堰塞湖。按该规范4.1.2，高度超过70 m属最高级别指标，故该堰塞体危险级别为极高危险。综合考虑堰塞体的危险性级别和溃决损失严重性级别，认为红石岩堰塞湖应为风险Ⅰ级。

Casagli等［3］对84座滑坡堰塞体（阿尔卑斯和亚平宁山区36座、日本17座、美国和加拿大20座，新西兰和印度等其他国家11座）资料的统计分析，归纳出分析堰塞体稳定性的无量纲堆积体指标法（Dimensionless Blockage Index，DBI）。

图2 无量纲堆积体指数法计算结果

DBI由下式计算：

该方法选取坝体体积、流域面积和坝高作为评价因素：（1）Vd为坝体体积，是堰塞体要稳定因素，它决定着坝体的自重；（2）Ab为流域面积，是堰塞体主要失稳因素，因为它决定河流的流量和水能；（3）Hd坝高是评价坝体遭遇漫顶和管涌破坏时的重要参数变量。一方面，坝的高度影响坝体下游坡度、漫顶时水流速度和冲蚀程度，另一方面，它控制了坝前水位和坝体内水力比降。

图2为84座堰塞坝及汶川地震堰塞湖、红石岩堰塞湖无量纲堆积体指数法计算结果。当DBI＜2.75时，坝体稳定。当2.75＜DBI＜3.08时，坝体介于稳定与不稳定之间的过渡区。当DBI＞3.08时，坝体不稳定。由于无量纲堆积体指数法选取了反映堰塞体稳定、失稳和漫顶或管涌破坏等主要因素的特性指标，样本代表性和广泛性更强，因此在世界范围内得到了广泛的应用。

根据2.1节堰塞湖特征参数，计算红石岩DBI=4.99＞3.08，坝体不稳定，存在溃决风险。红石岩堰塞湖风险等级评定为最高级别：Ⅰ级，且处于主汛期，余震不断，暴雨频发，入库流量大，堰塞湖水位上升快。如不采取处置措施，堰塞湖溃决风险日益增加，对下游沿岸人民生命财产造成的危害难以估量，并直接威胁着下游安全，极易引发灾害链，堰塞湖排险处置十分必要且迫在眉睫，需要快速制定经济合理的处理措施。

3 红石岩堰塞湖应急处置

3.1 应急处置措施

3.1.1 非工程措施 非工程措施是堰塞湖处置中非常重要的一个环节。对于红石岩堰塞湖排险处置所采取的非工程措施主要有：（1）人员避险。结合现场调查，考虑安全超高、距离以及可能的地质灾害等因素，划定上下游人员转移避险范围。上下游两岸共安全转移群众8 172人（上游1 015人、下游7 157人）。（2）上拦。位于曲靖市沾益县的德泽水库（距离红石岩水电站300公里）下闸拦截上游洪水，最大限度减少入湖流量的影响。（德泽水库于8月4日4时全部关闸，可拦截上游来水约5000万m3）。（3）下排。为避免下游天花板、黄角树水库被溃坝洪水冲垮造成次生灾害，下游天花板、黄角树电站加大下泄流量、最大限度腾出库容，均降至死水位以下，为堰塞湖处置下泄流量提供滞洪库容支持。并对于天花板和黄角树水库可能的漫顶分别进行了加固措施。

3.1.2 工程措施

（1）坝前排水。水泵引水及排水通道常被用来减少堰前水位的抬升。红石岩水电站引水隧洞下游靠近调压井附近设有9 m×8 m施工支洞，施工支洞堵头长20m，堵头设有一道检修通道，检修通道直径为1.8m，检修通道末端设有检修门，如图3所示。拆除红石岩水电站调压井施工支洞堵头检修门后，检修门孔可下泄60～90 m3/s洪量。且红石岩水电站引水隧洞尾部调压井与堰塞湖形成连通管，红石岩堰塞湖水位高于水电站调压井出口高程1 171.80m，调压井自由泄流，如图3所示。8月7日，引水隧洞调压井开始溢流，下泄流量大于100m3/s。这两项工程措施的应用主要是为降低堰塞湖水位，减少堰塞湖库容。（2）开挖泄流槽。在堰顶开挖泄流槽可以有效的控制堰塞湖水位，是堰塞湖应急抢险的优先选择［4］。红石岩堰塞湖在应急处置阶段，抗震救灾指挥部初拟泄流槽底高程1 208 m，底宽20 m和5 m；泄流槽底高程1 214m，底宽20m和5m，梯形断面，两侧边坡为1∶1.5，4个方案。最后选择开挖深8m宽5m的泄流槽，下文将对泄流槽的开挖措施进行主要探讨。本次施工共动用30台挖掘机，12台推土机，7台装载机开挖泄流槽。8月8日开始开挖，8月12日结束，5天施工时间。

图3 施工支洞及调压井泄流

3.2 泄流槽开挖方式 泄流槽的开挖是考虑过水作用以及施工难易程度及要求降低相应的冲刷的综合选择。在红石岩堰塞湖泄流槽方案选择时，考虑到工程措施难度及相应的施工要求，抗震救灾指挥部综合考虑，初拟4个方案。本节对其泄流槽的泄流能力及溃坝洪水对比分析，确定最恰当的泄流槽开挖方案。

3.2.1 泄流能力比较 堰塞湖径流量的预报是制定应急处置措施的重要依据［5］。红石岩堰塞湖坝址位于大沙店水文站和小河水文站之间，小河水文站实测最大洪水为1 610 m3/s。考虑到上文提到的拆除红石岩水电站调压井施工支洞堵头检修门及利用引水隧洞调压井井筒自由泄流的应急处置措施，对比4种开挖方案的联合泄流能力如图4。可得到泄流槽底高程1 208 m、底宽5m方案在1 222m时泄流能力为2618m3/s；泄流槽底高程1 214m、底宽5m方案在1 222 m时泄流能力为1 319 m3/s；泄流槽底高程1 208m、底宽20m方案在1 222m时泄流能力为3 662 m3/s；泄流槽底高程1 214 m、底宽20 m，方案在1 222m时泄流能力为1 770m3/s。

而不同方案的溢流槽均可泄P=50%至P=2%洪水，但是除方案二外均已超过小河水文站实测最大洪水流量1 610 m3/s。综合考虑工程实际情况认为选择泄流槽底高程1 214m、底宽5m方案的开挖泄流槽方案较好。

3.2.2 溃坝洪水分析 Chen等［6］提出过一种土石坝溃决计算模型，该模型原理如下。

（1）采用宽顶堰公式计算溃口流量：

图4 不同方案的泄流流量对比

式中：B为溃口断面的宽度；H为库水位海拔高程；z为溃口进口处床面高程；mq为流量系数；mb为侧向收缩系数，据文献［6］本文计算分别取0.36和0.9。

（2）基于结构材料的理解，土体材料抵抗侵蚀时，不应有无限“强度”，采用双曲线形式的侵蚀率模型：

（3）采用简化的Bishop法侧向冲刷和圆弧形边坡稳定分析两者联合的侧向扩展模式计算引流槽侧向崩塌过程，其下切和横向扩展如图5所示。接近其极值的单位变换因子，取100；1/a表示ν等于0时，双曲线的斜率；1/b为

图5 溃口侧向崩塌过程

“堰塞湖风险等级划分标准（SL450-2009）”规定风险等级为Ⅰ级时，应急处置时期的洪水标准应不小于5年一遇，但规范中并未明确规定洪水重现期标准。文献［7］在堰塞湖溃决洪水分析的基础上，对高风险等级堰塞湖应急处置时期的洪水重现标准提出了明确的准建议值，建议Ⅰ级高风险堰塞湖应急处置期的洪水标准取20年为宜，故洪水过程选择重现期20年一遇。

溃坝洪水对不开挖引流槽和开挖引流槽（底宽5m，深8m，底宽5m，深16m，底宽20m，深8m，底宽20m，深16 m）4种方案进行溃决洪水分析，因红石岩堰塞体粒径和唐家山堰塞体较相似，采用唐家山反演过程中采用的相同水力学和岩土力学指标。本文参考唐家山堰塞体反演的结果，认为溃口的扩展速度为1.43mm/s。采用DB-IWHR程序对红石岩堰塞湖溃坝洪水进行分析。

图6 溃坝洪水流量对比分析

表1 各方案溃坝洪水特征数据

从图6中可以看出开挖泄流槽可以明显降低洪峰流量。由表1可见开挖深8m泄流槽，溃坝洪水流量从8 278m3/s降到7 420m3/s，洪峰流量减少858.09m3/s，而开挖14m引流槽从8 278.09m3/s下降1 173 m3/s左右，降到7 105 m3/s。开挖泄流槽具有明显的减灾效果。而对于同一开挖高程的泄流槽上，开挖泄流槽宽度对于洪峰流量的影响不是很大。开挖14m深的泄流槽，底宽5m和20m，溃坝流量相差仅40 m3/s左右，开挖8m深的泄流槽，底宽5 m和20 m，溃坝流量相差仅20 m3/s左右，而开挖底宽20m的泄流槽施工难度和施工时间要大大超过开挖底宽5m的泄流槽。

开挖泄流槽是结合工程实际可行性和降低洪峰流量的经济合理的工程措施方案。开挖底宽分别为5m及20m时施工时间分别约需5 d及10 d。由于红石岩堰塞湖河段属构造剥蚀为主的中高山狭谷区，两岸谷深、坡陡，大型工程设施难以快速展开工作，结合上文提到的拆除调压井施工支洞堵头检修门及利用引水隧洞调压井井筒自由泄流的泄流能力比较分析，选择深8m、宽5m的引流槽方案是最恰当的引流槽开挖措施。表明文献［8］提出的红石岩堰塞湖应急处置中开挖泄流槽方案是合理的。

4 结论

（1）本文采用无量纲堆积体指标法判断堰塞湖溃决的可能性，并对该堰塞湖应急处置措施重点分析，通过对其工程措施、非工程措施分析对比，认为其有效的降低了堰塞湖坝前水位，减少了堰塞湖库容，成功的降低了堰塞湖风险。

（2）对红石岩堰塞湖应急处置关键技术中泄流槽不同开挖方案重点探讨，对其泄流能力及运用DB-IWHR程序进行溃坝洪水对比分析，认为开挖深8m、宽5m的泄流槽方案是最恰当的应急处置措施，验证了实际开挖泄流槽方案的合理性。

（3）本文提出一种堰塞湖处置的思路，堰塞湖发生时需要迅速确定其风险级别及探究其溃坝可能性，并因地制宜的选择工程措施，并综合泄流能力及溃坝洪水对比分析快速确定堰塞湖泄流槽开挖方案，为应急处置措施提供技术支撑。

（4）但是本文对于堰塞湖开槽对上下游影响未做深入探讨，而且由于抗震救灾时间紧迫未对其侵蚀率重要参数在实验室进行反演计算。期望下一步能做深入的研究。

参 考 文 献：

［1］ 中国电建集团昆明勘测设计有限公司，中国水利水电科学研究院.云南省鲁甸“8·03”地震牛栏江红石岩堰塞湖应急排险处置报告［R］.2014.

［2］ 中华人民共和国水利行业标准.SL450-2009，堰塞湖风险等级划分标准［S］.2009.

［3］ Erm ini，Casagli.Prediction of the behaveiour of landslide dams using a geomorphological dimensionless index，Earth Surf.Process.Landforms 2003，28：31-47.

［4］ 王兆印，崔 鹏，刘怀湘.汶川地震引发的山地灾害以及堰塞湖的管理方略［J］.水利学报，2010，41（7）：757-763.

［5］ 赵志轩，严登华，王浩，等.基于WEP模型和TRMM_PR的唐家山堰塞湖入湖径流预报［J］.水利学报，2011，42（7）：848-861.

［6］ Chen Z，Ma L，Yu S，et al.Back Analysis of the Draining Process of the Tangjiashan Barrier Lake［J］.Journal of Hydraulic Engineering（online publication），

［7］ 周兴波，李守义，陈祖煜，等.高风险等级堰塞湖应急处置洪水重现期标准研究［J］.水利学报，2015，46（4）：405-413.

［8］ 刘宁.红石岩堰塞湖排险处置与统合管理［J］.中国工程科学，2014，16（10）：39-46.

Key techniques for the emergency disposal of Hongshiyan landslide dam

WANG Lin1，LI Shouyi1，YU Shu2，DU Xiaohu3，DENG Gang2
（1.College ofWater Resourcesand Hydropower Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2.Department of Geotechnical Engineering，IWHR，Beijing 100048，China；3.China Renewable Energy Engineering Institute，Beijing 100120，China）

Hongshiyan landslide dam which formed on landslide at 600 m downstream of Hongshiyan Hydro⁃power Station caused by“8·03”Ludian Yunnan earthquake blocked the Niulan river.It has a storage capaci⁃ty of 260 million m3.The downstream hydropower stations（Tianhuaban and Huangjiaoshu）and 30，000 res⁃idents face the risk of overtopping if the landslide dam breaks.Taking timely and effective emergency mea⁃sures is essential.This paper analyzes the dam break possibility based on Dimensionless Blockage Index and summarizes the emergency disposal measures.It studys on choosing discharge chute excavation pro⁃grams of emergency disposal by analyzing discharge capacity and using DB-IWHR program to analyze con⁃trastively dam break flood.It is considered that excavating discharge chute of depth which is 8 mdeep and 5m wide is the most appropriate engineering measures.This finding may beconsulted in other emergency m igigation works for landslide dams.

landslide dam；dam break flood；DB-IWHR；discharge chute

P333

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.04.007

11672-3031（2015）04-0284-06

（责任编辑：李 琳）

2015-04-26

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2013CB036400）

王琳（1989-），女，陕西人，博士生，主要从事溃坝模拟及灾害应急处置研究。E-mail：ruoshuiya@163.com