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有关汶川地震堰塞湖安全实例分析

作者:2016-12-14 16:10阅读:文章来源:未知
  汶川“5·12”大地震在地震影响区内产生大量的崩塌、滑坡地质灾害,根据国土资源部组织的系统排查,以及航遥调查,确认地震共引发15000处滑坡、崩塌、泥石流,同时,新增地质灾害隐患点4970处,其中,滑坡1701处、崩塌1844处、泥石流304处、不稳定斜坡1093处。地震引发的滑坡、崩塌堆积体堵江形成256处堰塞湖,其中一部分需要立刻进行处置,如位于北川县通口河的唐家山堰塞湖。堰塞湖蓄水达2.425×108m3,相应蓄水位高程740m,堰塞体上游集雨面积为3550km2,在地震发生31d后,通过人工开挖的泄流槽逐级坍滑后成功泄洪,堰塞坝未发生整体溃坝。
  1堰塞湖安全评价影响因素
  1.1坝体级配
  震后四川省抗震救灾指挥部堰塞湖组及时发布的堰塞湖溃决风险等级评估标准。由表1可以看出,坝体组成颗粒越细的,越不安全;组成颗粒粒径越大,危险性越低。
  1)由于大块石相互咬合,结构性较好,坝体抵抗余震的能力较强;反之,若大于1m的石块含量较少,则堰塞坝坝体本身的结构稳定性就差,必须要及时进行人工干预,采取工程措施,降低坝高及上下游水头差。
  2)经过作者试验研究表明,如果一旦堰塞湖蓄满溢流,溃坝最大流量的对数ln(Qmax)与坝体组成颗粒的不均匀系数(S=(d75/d25)0.5)是二次函数的关系,即随着不均匀系数S的增大,溃坝洪峰流量先增大后减小。所以,从整体上来看粗颗粒越多,最终能够有效消耗水流能量,减小最大溃坝流量。随着湖内水体减少,坝体形成的粗化层能够抵抗水流的冲刷。反过来看,如果粗颗粒含量过少,水流冲刷坝体,携带大量的颗粒往下游输送,坝体短时间溃决,湖内的水体以较大的平均流量向下游泄流,不仅将会对下游建筑物以及居民的生命财产造成巨大的损失,而且由于下游河床抬升厚度大,不利于未来河道的稳定演变。
  1.2上游两岸山体的稳定性
  堰塞湖形成后,两岸山体如果进一步发生崩塌、滑坡,会损失上游的库容,增加坝体蓄满溃决的风险,另外,堆积体迅速冲入湖内激起的涌浪拍打坝体,大石块在浪压力作用下滚落,同样可能会造成坝体溃决。例如,作者曾在2009年3月考察宗渠沟堰塞湖,其坝体级配中大块石比例大,抗冲刷性强,湖内的积水又全部采取渗流的方式下泄。但是,当作者时隔3个月再次前往宗渠沟考察时,由于左岸的山体顶部发生的二次崩塌滑坡,造成堰塞湖溃决,大概30min后停止下泄,为进一步保证下游安全,有关人员用机械挖掘扒口。根据堰塞湖观察员的描述,判断当时溃坝水流下泄的平均流速大约为17m/s,假设流速分布为正态曲线,因此,峰值流速为平均流速的2倍为34m/s。根据上下游实测数据计算,溃坝后的水流大约有一半采取渗流下泄。
  1.3下游床面结构
  山区河流的床面结构是河床固体颗粒在水流作用下按一定规律排列形成的具有较大稳定性的床面结构形态,一般表现为床面上粗颗粒泥沙的聚集体,具有抵抗冲刷的功能。从外观形态上看,床面结构按稳定性从强到弱有:①阶梯-深潭结构,②肋状结构,③簇状结构,④星型结构,⑤岸石结构,等。
  堰塞体溃决的过程,就是清水下泄的过程,对下游河床有强烈的冲刷作用。细沙不断被带走,床沙发生粗化,床面阻力增大,直到能够适应下泄水流的冲刷,这种演变才会停止。一旦遇到更大的洪水,床面结构遭到破坏,稳定性更强的结构就会逐渐形成。床面上的大石块含量越高,这种动态平衡越容易达到。由于堰塞坝溃决首先会抬高下游河床,下游床面上大石块的重要来源之一是堰塞体溃决后的堆积物,因此,下游床面结构的形成与坝体级配有着密切的关系。如果由于缺少粗颗粒,无法达到冲刷平衡,下游河床会发生冲刷下切,既不利于坝体的稳定,也容易诱发两岸山体滑坡。是否已有稳定性强的下游床面结构出现,是判断下游河床稳定的重要依据。
  刘怀湘等的野外试验研究证明,人工建设床面结构能起到天然床面结构类似的作用,即消耗能量,抑制河道下切,改变河床演变方向。所以,可以采取人工措施促使河床获得稳定性强的床面结构,使下游河床朝着稳定的方向演变。
  2堰塞湖安全评价指标
  无论是表1的堰塞湖溃决风险等级评估标准表,还是无量纲堆积体指数法,都没有全面地考虑到坝体级配、上游两岸山体以及下游床面结构对堰塞湖安全性的影响。作者提出构想的堰塞湖安全评价指标形式如下:对于坝体级配,用不均匀系数S(S=(d75/d25)0.5)来表示其对堰塞湖安全的影响。S越大,说明粗颗粒越多,颗粒间的咬合力越强,结构越稳定,透水性越好,抗冲刷的能力越强,堰塞湖越安全,安全系数K应该越大。
  对于上游两岸山体的稳定,用潜在发生二次崩塌滑坡的概率P来表示。P越大,说明两岸山体越容易发生二次崩塌滑坡,堰塞湖越不安全,安全系数K应该越小。
  对于下游床面结构,用阶梯-深潭结构发育系数SP来表示,SP的计算公式:SP=(AB+BCD+DEF+FG)AG(2)SP定义的示意图。式中,AB、BCD、DEF、FG表示床面的曲线长度,A、B、C、D、E、F、G分别为曲线端点。根据河流的平衡原理,随着上游水流条件的变化,床面结构有逐渐加强的趋势。
  阶梯-深潭结构是稳定性最强的床面结构,SP>1.1时,河床已出现连续的阶梯-深潭结构。所以可以认为,SP越大,说明床面结构越强,越有利于堰塞湖的安全保存,安全系数K应该越大。
  总结上文所述,作者提出以式(3)作为判断堰塞湖安全评价的综合指标:K=Alg(S×SP)P×DBI(3)式中,K为安全综合指数,A为综合系数,S、SP、P、DBI定义如式(1)、(2)所示。式(3)临界点的具体数值,需要大量的堰塞湖数据进行演算、对比才能确定。由于缺少溃坝资料,无法确定。在缺少实际资料的紧急情况下,科学技术人员应该综合所有安全指标,全面考虑各种可能的溃决形式,酌情做出判断。
  3结论
  从实例的角度,详细分析了坝体级配、两岸山体的稳定性以及下游床面结构对堰塞湖稳定的影响。
  坝体级配会影响坝体本身的结构稳定性、溃坝水流最大流量以及渗透特性,具体表现为:坝体组成颗粒细,透水性差,坝体承受扬压力大,而且无法抵抗水流冲刷,溃坝水流流量大,坝体越不安全。
  集水区内的两岸山体如果发生二次崩塌、滑坡,造成的浪压力对坝体本身有强烈冲击,会使库容损失,造成蓄满溢流。因此,应该对不稳定的山体采取工程措施,避免崩塌滑坡的发生。
  坝体下游的河床是否形成稳定性强的床面结构,是判断下游河床稳定的重要依据。下游河床冲刷下切,不利于坝体的稳定,也容易诱导山体滑坡。
  另外,流域来水来沙条件、坝高H、坝体体积V以及集水区面积A等因素同样也会影响堰塞湖的稳定存在。
  最后,作者构想的3个判断堰塞湖安全的指标,以及综合指标形式,期望在缺乏实测资料的情况下,给予决策者一定的帮助。
 

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