堰塞湖應急處置工程措施及典型案例分析
徐軼1,2 何良金3 張麗霞4
1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司 2. 國家大壩安全工程技術研究中心 3.重慶市開州區水利局 4.四川省通江縣水利局
引用格式
徐軼, 何良金, 張麗霞. 堰塞湖應急處置工程措施及典型案例分析[J]. 水利水電快報, 2021, 42(3): 49-54.
文章摘要
為提高堰塞湖防災減災技術水平，對堰塞湖災害應急處置的成功經驗進行歸納與總結，分析了滑坡型、崩塌型、泥石流型堰塞湖的典型特點。同時，對相關工程案例進行統計分析，全面總結梳理了堰塞湖應急處置工程措施的經驗，并分析了堰塞湖應急處置技術發展趨勢。結果表明：(1)堰塞湖應急處置工程措施一般分為自然過流、湖水排泄、爆破處置、固堰成壩及其他措施；(2)今后需加強對堰塞湖應急處置技術研究系統化，工程搶險處置技術手段高效化，開渠引流沖刷措施風險可控化，堰塞湖排水疏通技術裝備成套化方面的研究。
關鍵詞
堰塞湖; 應急處置; 工程措施; 泥石流
基金項目
國家重點研發計劃項目（2018YFC1508605）; 國家大壩安全工程技術研究中心支撐項目“高危險堰塞湖引流槽控潰削峰技術研究”（CX2019Z25）
點我在線投稿點我了解更多期刊信息徐 軼
男，工程師，博士
長江勘測規劃設計研究有限責任公司
國家大壩安全工程技術研究中心
主要從事水庫大壩安全領域的研究工作
E-mail:hlsxy@126.com
1 研究背景
我國是堰塞湖多發的國家，有記錄的堰塞湖數量已超過400個，其中2008年汶川大地震引發的堰塞湖有256個[1,2]。堰塞湖具有滑坡方量大、集雨面積大、蓄水量大、對人民群眾生命財產安全威脅大等特點；同時應急搶險工程又受基礎資料不足、水陸交通不便或中斷、周邊環境危險、施工時間緊迫等因素制約，排險處置難度極大，如稍有不當，會造成災難性的后果[2]。因此，及時總結堰塞湖應急搶險工程經驗，深入研究高效、快速的應急處置技術，對于促進我國防災減災救災能力的提升具有重大的現實意義。
堰塞湖的應急處置涉及風險評估技術、堰塞體結構快速勘測探測技術、水情監測與預測技術、應急處置措施等諸多內容，其中應急處置措施又包括工程措施和非工程措施。堰塞湖應急處置工程措施是利用工程技術手段排除自然災害造成的險情，具有極強的技術性，為近年來研究的熱點和難點。堰塞湖險情問題復雜、成因各異，在實際搶險過程中，由于所處地形地質條件及形成機理不同，各個堰塞湖表面形態、物質組成、結構特點各不相同，工程處置方案的確定很大程度上依靠專家的現場災情調查和既有經驗。因此，加強堰塞湖災害應急處置成功經驗的技術總結與歸納十分必要。
2009年，我國編制了世界首部SL451-2009《堰塞湖應急處置技術導則》，收集分析了易貢堰塞湖以及汶川大地震后的唐家山等多次堰塞湖的處理資料和技術成果，比較全面地提出了堰塞湖處理的技術方法[3]。鄧宏艷等[4]對不同成因類型堰塞湖所具有的特征和采取的應急處置措施進行了比較。于沭等[5]對堰塞湖應急處置相關技術及裝備進行了總結。近年來，我國陸續對舟曲泥石流（2010年）、云南紅石巖（2014年）、浙江遂昌（2016年）、金沙江白格（2018年）等堰塞湖進行了應急處置，在相關工程技術及裝備領域開展了大量研究工作，許多成功的經驗仍值得進一步總結凝練，為今后堰塞湖或類似災害的應急處置提供技術支撐。
本文在分析滑坡、崩塌及泥石流等不同成因類型堰塞湖典型特點的基礎上，全面地總結梳理堰塞湖應急處置工程措施的經驗、技術，并統計了典型工程案例，以期為今后不同類型堰塞湖的應急處置提供依據和參考。
2 堰塞湖類型及特點
依據堰塞湖固體物質來源成因，堰塞湖可分為熔巖堰塞湖、崩塌堰塞湖、滑坡堰塞湖、泥石流堰塞湖和冰磧堰塞湖5類。統計研究數據表明[6]，降雨和地震引發的山體滑坡、崩塌、泥石流堰塞湖占堰塞湖總數的90%，是堰塞湖最主要的類型。
2.1 滑坡型堰塞湖
滑坡型堰塞湖主要是由于江、河、湖、溝兩岸斜坡上部的山體產生滑坡而堵塞河谷造成回水所形成（見圖1），其主要成因包括降雨或融雪、地震、火山噴發及人類工程活動等。此類方式形成的堰塞體以土石混合物為主，整體性相對較好、壩體較密實，抗滲性較好，抗沖刷性能差，如2014年云南紅石巖堰塞湖、2016年浙江遂昌堰塞湖、2018年金沙江白格堰塞湖等。滑坡型堰塞體的自然破壞方式通常是水位不斷上漲后漫頂導致沖刷破壞，逐漸發展并引發整體潰決[7]。
2.2 崩塌型堰塞湖
崩塌型堰塞湖主要是由于高陡河谷上部的巖體脫離母巖后在自重作用下發生崩塌墜落、阻斷河谷所形成，可能成因包括地震、降雨、風化及人類工程活動（見圖2）。此類堰塞體多由碎塊石、塊石和大塊石堆積而成，含土體較少，穩定性較好，堰塞體骨架較為松散，透水性強，有利于排泄，不易形成快速的大規模整體潰決，如2008年汶川大地震形成的一把刀堰塞湖和老虎嘴堰塞湖、2009年重慶雞尾山堰塞湖等。崩塌型堰塞體頂部較難形成過流，不易發生漫頂潰決，但可能發生管涌等滲透破壞而引發潰決[1]。
2.3 泥石流型堰塞湖
泥石流型堰塞湖通常是由于降雨、冰湖潰決、融雪、地震等原因引發，泥石流流體進入河谷后，如不能被河水及時帶走，就會堵塞河谷形成堰塞湖（見圖3）。但此類堰塞體一般方量不大，以大規模黏性泥石流堆積為主，含水量高，流動性強，如1953年帕隆古鄉溝堰塞湖、2010年甘肅舟曲堰塞湖、2012年四川田灣河堰塞湖等。泥石流發生后對河道的淤積作用較強，有時甚至不會形成明顯的堰塞體，以不完全堵江居多，堵塞淤積河谷后仍可過流，多數堰塞湖短時潰決、存留時間較短[4]。
3 堰塞湖應急處置工程措施
堰塞湖災害鏈的發生、發展過程與上下游水情密切相關。隨著堰塞湖水位上漲，不僅對上游產生淹沒災害，一旦潰決將對下游產生極大危害。堰塞湖應急處置工程措施一般包括堰塞體淹沒區滑坡與崩塌體，下游河道內建筑物和可能淹沒區內設施等處理方案，其主要目的是降低堰塞湖的水位、以實現快速排險減災。堰塞湖應急處置工程措施一般有如下幾類：自然過流、湖水排泄、爆破處置、固堰成壩及其他。
3.1 自然過流
自然過流是指不采取工程措施，讓上游庫水位自然上漲。這種情況下有兩種可能的發展趨勢：(1)漫頂潰決，待水位升高漫流過頂后，堰塞體被流水自然沖潰，主要適用于堰塞湖庫容較小、堰塞體規模不大，或是不具備施工條件的堰塞體。2018年雅魯藏布江加拉堰塞湖（10月17,29日兩次）、2018年金沙江白格堰塞湖（10月10日）、2020年湖北恩施州清江馬者堰塞湖均是自然過流潰壩。(2)天然留存，由于堰塞體穩定厚實，湖水上漲后另尋出路過流，堰塞體自然保留，成為永久性的堰塞湖，如我國西藏的然烏湖、黑龍江的五大連池、鏡泊湖，新西蘭普卡基湖，美國弗拉特黑德湖。對此類自然過流的堰塞湖，一方面要加強監測及預警，另一方面要全面分析潰決風險，及時做好應急預案，防止出現不利情況。通過自然過流消除險情的典型堰塞湖案例見表1。
2020年7月21日05:30，湖北恩施屯堡鄉馬者村沙子壩滑坡，造成清江上游形成堰塞湖，距下游恩施市城區僅20 km。滑坡區域縱向長1 200～1 500 m，橫向寬320～580 m；滑坡體積約1 000萬m3，為特大型土質滑坡；約150萬m3泥土滑入清江，阻塞清江。堰塞湖應急處置采取了“上沖、下泄、及時預警”的措施，加大上游云龍河水庫下泄流量，與清江來水共同沖刷堰塞體；對下游大龍潭水庫進行泄洪騰庫，對下游影響區人員撤離預警，應對可能發生的潰決風險。堰塞湖形成近5 h后，堰頂沖刷過流，流量達200 m3/s，水位緩慢降低，解除了堰塞湖整體突潰的風險。
3.2 湖水排泄
為有效降低水位、快速消除堰塞湖險情，常采用堰塞體開渠泄流、引流沖刷、拆除，上游埡口疏通排洪、湖水機械抽排、虹吸管抽排、新建泄洪洞等湖水排泄措施。采用湖水排泄措施進行應急處置的典型堰塞湖案例見表2。
開渠引流措施（包括引流槽和泄流渠）適用于堰塞體體積大、難以自然過流的情況。其中引流槽常采用有利于溯源侵蝕沖刷的窄淺型斷面，適用于以土石混合物為主的堰塞體；泄流渠則多采用寬淺的復式斷面，適用于以大塊石為主的堰塞體。開渠引流措施在大型堰塞湖應急處置中最為常用，如2000年易貢堰塞湖、2008年唐家山堰塞湖及2019年白格堰塞湖，都采用了開渠引流的方法進行應急處置。但此類方法引流沖刷難以控制，一旦下泄流量增長過快、泄流渠下切劇烈可能導致堰塞體整體突潰，產生超過下游防洪標準的潰壩洪水。因此，采取開渠引流措施時需要進行充分詳細的論證。
2008年唐家山堰塞湖是汶川大地震中形成的最大堰塞湖，堰塞體順河流方向長803.4 m，垂直河流方向寬611.8 m，堆積體積達2 037萬m3。堰塞體埡口處最大壩高82 m，最大庫容31 600萬m3，屬極高危險級別。采取開渠引流的應急處置措施，開挖泄流渠采用梯形斷面，兩側邊坡為1∶1.5（見圖4）。2008年6月7日開始過流，6月10日達峰值流量6 500 m3/s，至6月11日，堰塞湖水位明顯降低，險情解除。過流后形成的新河道平面上呈向右岸凸出的弧形，殘余堆積體基本穩定。由于泄流過程中沖刷較快、流量急劇增加，下泄洪水對下游區域造成了一定的影響，淹沒了部分北川縣城并造成淤積[8]。
上游埡口疏通排洪是利用上游庫區存在的天然埡口予以臨時開槽泄洪。上游埡口疏通排洪應對其可靠性、穩定性進行評估。但由于河道臨時改變，泄洪后應對堰塞體的處理需進一步研究。
對庫容較小且來水量較小的堰塞湖，采用機械抽排、虹吸抽排等措施是降低水位最為簡便且有效的手段。但由于抽排措施流量較小、流速不大，一般僅適用于來流量小于5 m3/s左右的堰塞湖，且抽排進出口應遠離堰塞體分散布置，避免對堰塞體造成沖刷破壞。2009年重慶雞尾山堰塞湖就采用了機械抽排的措施進行了應急處置（見圖5）。
當堰體上無法實施工程措施，且有地形條件選擇較短線路布置泄洪洞并有較充裕的施工時間時，可采用新建泄洪洞泄水，泄洪洞進出口布置應避開不穩定堆積體或泥石流，以防被堵塞。也有堰塞湖應急處置利用上游已有隧洞進行臨時泄洪的案例，如2014年云南紅石巖、2018年甘肅舟曲等堰塞湖。
3.3 爆破處置
通過爆破處置將堰塞體破開，使堰塞湖水能夠下泄，消除湖水的威脅。這種處置主要應用于堰塞湖兩側坡體較穩定、沿河方向展布較短、堰塞體規模不大、水位上升迅速、時間上或空間上難以進行機械施工的情況。采用爆破措施應急處置的典型堰塞湖案例見表3。
2008年汶川大地震形成的馬槽灘堰塞湖為典型的崩塌型堰塞湖，堰塞體主要由大塊的灰巖磷礦石構成，壩體滲流非常嚴重，大型施工機械難以進入場地施工，通過爆破泄流，并組織下游群眾轉移避險，取得了較好效果[2]。
3.4 固堰成壩
對于上游來水量不大，堰塞壩物質以大塊石為主，壩體規模較大且結構比較穩定的崩塌型堰塞湖，其風險等級一般較低。若采用開挖泄流槽的處置方式則施工工期較長，費用較高，在條件允許的情況下，可采用護坡、黏土防滲、加固注漿等臨時加固措施，使堰塞體加固成壩，同時通過機械抽排、虹吸管抽排等方法降低壩前水位。
2009年重慶武隆雞尾山發生了大規模的巖崩，堵塞河道形成堰塞湖，由于雞尾山堰塞湖的壩體規模較大，蓄水量卻不大。為了救援需要，不適合采用爆破方式，在全面監測的情況下，選擇保留壩體，在堰塞壩迎水面進行黏性土防滲處理，同時布置了8臺日抽水總量達4萬m3的水泵抽水，有效降低了壩前水位，為救援贏得了時間[1]。
3.5 其他措施
除上述方法外，也有一些其他方法可用于堰塞湖應急處置。例如上游修筑攔水壩調控水位、下游建透水壩壅水防沖。
1960年5月22日發生在智利的地震是迄今為止世界上強度最大的地震，震級為里氏9.5級，此次大地震造成特拉孔（Tralcan）山發生多次滑坡，堵塞了里尼韋湖出水口，形成了堰塞壩。在修筑堰塞壩泄洪溝的同時，為了最大限度地減少流入里尼韋湖的水量，控制上游的水位，對上游的其他幾個湖都修筑攔水壩。此措施為修建堰塞壩泄洪溝爭取了時間，降低了堰塞壩潰決風險[2]。
4 應急處置技術發展趨勢
近數十年來，由于全球氣候變暖、地質構造運動活躍、極端天氣趨多以及人類工程活動不斷延伸等諸多原因，我國堰塞湖災害呈頻發態勢，亟需能夠高效、快速處置堰塞湖險情的應急工程措施和技術。通過總結堰塞湖應急處置常用的技術措施及其發展趨勢，今后需要加強對以下幾個方面的關注。
4.1 堰塞湖應急處置技術研究系統化
堰塞湖具有地質災害、極端氣象災害、水旱災害等多重屬性，險情問題十分復雜，在實際工程搶險過程中，由于所處地形地質條件及形成機理不一，各個堰塞體表面形態、物質組成、結構特點各不相同，工程處置方案的確定很大程度上仍依靠現場災情調查和專家經驗。目前，堰塞湖應急處置相關技術研究仍較為薄弱，對高風險堰塞湖險情的快速反應與應對能力有待提高。深入研究總結國內外堰塞湖應急處置經驗和教訓，進一步提升堰塞湖應急工程處置技術和手段，形成包含堰塞湖監測預警、勘測探測、風險評估及應急處置的完整技術體系，對于提高我國防災減災能力具有重要意義。
4.2 工程搶險處置技術手段高效化
針對大型堰塞湖，目前國內外最常用、最有效的處置技術仍然是機械開挖或爆破成渠。但由于險情緊迫、處置時間有限，現有技術處置效率受水陸交通、裝備、施工作業條件等因素的嚴重制約，還難以適應堰塞湖“爭分奪秒”的應急搶險需求。有必要研發機械開挖或爆破成渠的專門技術與裝備，提高應急處置效率。
4.3 開渠引流沖刷措施風險可控化
堰塞體多為滑坡崩塌形成的松散堆積體，巖土體呈高度不均勻分布特征，開渠引流后會導致堰塞體出現強烈下切侵蝕和側蝕，導致泄流流量劇烈增加而又無法人工控制，形成過大洪峰流量造成次生災害。有必要加強堰塞湖人工控制泄流技術的相關研究，實現提前泄洪、控潰削峰以坦化洪水過程，實現風險可控化，避免堰塞體整體突潰造成次生洪水災害。近年來，一些學者提出了引流泄水的優化技術[9]，但處置效果仍需要經實際搶險工程的檢驗。
4.4 堰塞湖排水疏通技術裝備成套化
湖水抽排措施是降低堰塞湖水位最為簡便且有效的手段之一。但現有設施和設備排水能力還達不到快速排險的要求。研究大功率、高揚程的機械抽排、虹吸排水以及快速定向鉆進成洞等成套技術裝備，提高堰塞湖快速排水疏通能力，也是當前的重要研究方向之一。
5 結 語
近數十年來，我國堰塞湖災害呈頻發態勢。堰塞湖險情一旦產生，將嚴重威脅上、下游人民生命財產安全，產生極大的次生災害，及時采取工程措施進行應急處置是消除險情的關鍵。本文在分析滑坡、崩塌及泥石流等不同成因類型堰塞湖典型特點的基礎上，統計了相關的工程案例，較全面地總結梳理堰塞湖應急處置工程措施的經驗及技術發展趨勢，以期為今后類似堰塞湖險情的應急處置提供依據和參考。
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本期編輯：江文
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本期審核：《水利水電快報》編輯部
