凍錯曲冰湖潰決風險及壩體穩(wěn)定性研究

何 興 祥， 胡 卸 文,2， 劉 波， 王 蛟， 盛 豪

(1. 西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031;2.西南交通大學高速鐵路運營安全空間信息技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 610031)

1 概 述

西藏地區(qū)是我國冰湖潰決及其次生災害的重點分布區(qū)[1]。冰湖潰決洪水具有突發(fā)性強、頻率低、洪峰高、流量過程暴漲暴落、破壞力強、災害波及范圍廣等特點[2-3]，通常對下游人民的生命財產(chǎn)及基礎設施帶來極大威脅和嚴重破壞[4-5]。Schuster和Costa[6-7]以及柴賀軍等[8-9]統(tǒng)計分析后指出，近九成的堰塞湖均在一年內(nèi)發(fā)生潰決，潰決形式主要包括漫頂潰壩、管涌潛蝕、壩坡失穩(wěn)和人為破壞等。因此，開展冰湖堰塞壩穩(wěn)定性與冰湖潰決風險評價對西藏地區(qū)經(jīng)濟建設與社會發(fā)展具有重要的意義[10]。

冰湖潰決危險性和堰塞壩穩(wěn)定性都是目前研究的熱點。在冰湖潰決危險性評價方面，呂儒仁等[11]通過野外考察和報道資料，提出了西藏冰湖潰決可能性的7個判別標志，并分析了冰湖潰決與氣候背景的關系；莊樹裕[12]通過分析西藏喜馬拉雅山地區(qū)已潰決冰湖的基礎資料，提出了基于支持向量機法和基于粗糙集可拓學方法的冰湖潰決預測模型。在堰塞壩穩(wěn)定性評價方面，胡卸文等[13]在準確獲取唐家山堰塞壩地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎上，詳細分析了唐家山堰塞湖的滲流穩(wěn)定性與潰壩模式；石振明[14]通過高滲透區(qū)域?qū)t石河堰塞壩滲流特性的影響規(guī)律，提出了考慮高滲透區(qū)域的堰塞壩滲流穩(wěn)定性分析方法；羅剛[15]利用Geo-studio軟件對唐家山堰塞壩上游水位高程達到740 m時，壩體不同工況下的應力—應變狀態(tài)進行了數(shù)值模擬。

凍錯曲溝位于西藏自治區(qū)洛隆縣臘久鄉(xiāng)，凍錯曲上游。地形東高西低，溝道呈寬淺“V”型，谷寬20～100 m。溝域中部發(fā)育一個大型冰湖—凍錯曲冰湖，歷史衛(wèi)星影像和野外勘察結(jié)果共同表明：凍錯曲冰湖近百年來無潰決記錄。冰湖下游為居民區(qū)和擬建線性工程干線、站場，一旦汛期集中降雨且冰雪快速融化，冰湖有可能發(fā)生局部潰決引發(fā)泥石流，屆時，將對下游人民的財產(chǎn)安全和擬建線性工程造成不可估量的損失。因此，筆者從冰湖發(fā)育特征、堰塞壩發(fā)育特征及穩(wěn)定性等方面入手，對凍錯曲冰湖的潰決風險和壩體穩(wěn)定性進行研究。

2 凍錯曲冰湖發(fā)育特征

2.1 凍錯曲冰湖概況

凍錯曲冰湖所在的凍錯曲溝流域面積226.27 km2，主溝長31.44 km，流域內(nèi)最高海拔5 180 m，最低海拔3 815 m，相對高差1 365 m，主溝縱坡降為27.27‰。主溝順直，發(fā)育大型支溝21條，均基本與主溝正交。擬建線性工程從溝口堆積區(qū)凍錯曲主河下游3 km以站場和橋梁形式通過(圖1)。凍錯曲冰湖湖口地理坐標：N30°18′18.2592″，E96°4′0.4116″，出水口位于冰湖東端，非汛期湖面高程為4 055 m，汛期湖面高程為4 060 m。冰湖周圍分布有數(shù)十個小冰湖，降雨、冰雪融化和小冰湖潰決都是冰湖水量的補給源。湖水面呈狹長條狀，東西長7 100 m，南北寬290 m，冰湖面積約2.049 km2。

2.2 冰湖湖水量

圖1 凍錯曲溝與擬建線性工程相對位置關系

凍錯曲冰湖所在海拔高度達4 000余米，缺乏監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過野外測量，無法準確獲取湖水量。K??b A等[16]通過遙感手段獲取冰湖面積參數(shù)(A)，由經(jīng)驗公式估算出冰湖深度和湖水量，公式如下：

D=0.104A0.42

(1)

V=0.104A1.42

(2)

經(jīng)過對凍錯曲冰湖美國Landsat-1～Landsat-8衛(wèi)星2003年至2019年影像資料的分析解譯，凍錯曲冰湖面積呈動態(tài)變化(表1)。該冰湖汛期面積最大年份是2013年，面積為2.049 km2。2013年以來，冰湖汛期面積穩(wěn)定，尤其是最近四、五年，冰湖面積在1.8 km2左右波動，變化范圍不大。

一般來說，冰湖面積越大，潰決風險越高，考慮冰湖最危險狀況，取2013年汛期面積作為凍錯曲冰湖的研究面積。采用上述公式計算得到的湖深和湖水量分別為：湖深D=46.55 m，湖水量VH=9.54×107m3，與野外勘察結(jié)果較為吻合。

2.3 凍錯曲冰湖潰決風險

表1 近20年凍錯曲冰湖面積變化

樂茂華等運用邏輯回歸分析方法，建立了西藏地區(qū)冰湖潰決的危險性預測模型，見式(3)，該模型對未潰決冰湖樣本預測的準確率為95%。按冰湖潰決的概率范圍，將概率值<0.3的劃分為低等級，0.3～0.5為中等級，0.5～0.8為高等級，>0.8為極高等級。

p=[1+exp(1.895+17.556X1+36.641X2+20.658X3-43,884X4+0.017X5-0.199X6)]-1

(3)

式中X1為壩頂寬度(km)；X2為湖水位距壩頂高度與湖壩高度之比；X3為冰舌前端距冰湖距離(km)；X4為冰舌段坡度(‰)；X5為冰湖面積(km2)；X6為補給冰川面積(km2)。

凍錯曲冰湖位于西藏，存在數(shù)百年，無潰決記錄，適合用該模型對其危險性進行預測。根據(jù)野外勘察和室內(nèi)遙感解譯的參數(shù)，采用該模型計算冰湖潰決危險性結(jié)果(表2)。凍錯曲冰湖潰決概率P為0.42，位于0.3～0.5區(qū)間，屬于中等危險。

表2 凍錯曲冰湖危險性預測結(jié)果

3 凍錯曲冰湖前緣堰塞壩特征

3.1 堰塞壩規(guī)模

2018年11月和2019年8月對凍錯曲冰湖進行了兩次詳細勘察，研究發(fā)現(xiàn)，冰湖前緣堰塞壩為冰湖兩岸高位崩塌物源形成的堆積體，主要以孤、塊石為主。堰塞壩平面形狀呈“心”字形，左右兩岸均為歷史時期的崩塌物源堆積體，堰塞壩左岸最高點高程為4 092.5 m，右岸最高點高程為4 102 m。根據(jù)勘察，堰塞壩厚度45 m，順湖長458 m，橫湖寬320 m，估算堰塞壩總體積約6.59×106m3(圖2)。

圖2 凍錯曲冰湖堰塞壩衛(wèi)星圖

3.2 堰塞壩結(jié)構(gòu)

堰塞壩形成已久，物質(zhì)成分比較復雜，但其結(jié)構(gòu)自上而下大致可以分為三層(圖3)。新進堆積體(碎塊石)：主要為兩岸“流沙坡”近期崩滑堆積，巖性主要為褐色—黃褐色花崗巖，最大粒徑可達5 m，最小粒徑為2～5 cm，滲透性良好；老堆積體(碎塊石土)：兩岸崩滑物源堆積形成，巖性為花崗巖，經(jīng)過流水長時間沖刷，稍有磨圓，空隙被充填壓密，逐漸膠結(jié)，滲透性差；花崗巖(基巖)：巖性為二長花崗巖，質(zhì)地堅硬，風化程度低，透水性差。

4 凍錯曲冰湖堰塞壩穩(wěn)定性分析

4.1 堰塞壩整體穩(wěn)定性分析

堰塞壩地勢西高東低，規(guī)模巨大，方量達6.59×106m3。壩體下游坡降較緩，背坡坡率為1∶3，背坡面有植被發(fā)育。壩體物質(zhì)組成主要為花崗巖，壩基為侏羅系二長花崗巖，巖性堅硬，不易風化和溶蝕，兩岸巖體在地質(zhì)營力作用下不斷崩解、堆積于堰塞壩之上。從堰塞壩規(guī)模、巖性組成、植被發(fā)育狀況和物源補給等方面綜合來看，堰塞壩能夠很好地保持整體穩(wěn)定性。根據(jù)近20年對冰湖及其堰塞壩影像分析后發(fā)現(xiàn)，堰塞壩無變形跡象，穩(wěn)定性良好。

凍錯曲冰湖于非汛期會在距壩頂約5 m處的位置下滲，在壩體內(nèi)部形成穩(wěn)定滲流通道(圖4)。堰塞壩壩頂寬度大，有人工堆砌形成的泄流槽可供汛期和極端條件下溢流(圖5)。組成壩體的花崗巖大多粒徑集中在0.1 m以上，塊石之間空隙大，滲透性好，湖水能夠順利流通，有利于壩體的整體穩(wěn)定性。

圖3 凍錯曲冰湖堰塞壩工程地質(zhì)剖面圖

圖4 湖水非汛期下滲

圖5 湖水汛期溢流

4.2 滲透變形及抗沖刷穩(wěn)定性分析

堰塞壩的抗沖刷能力一般由組成物質(zhì)顆粒的大小所決定。組成顆粒越粗大，抗沖刷能力越強，危險性越低，反之亦然。堰塞壩存在時間長，形成過程中湖水對顆粒進行去“精”取“粗”，堆積的少量細顆粒物質(zhì)會在短時間內(nèi)被湖水沖刷、溶蝕帶走，留下的都是粗顆粒，具有很強的抗沖刷能力。

凍錯曲冰湖堰塞壩上部為碎塊石，塊石之間架空現(xiàn)象明顯，過水能力強，滲透性好。根據(jù)野外對上部堆積體進行粒徑統(tǒng)計，分析整理繪制顆粒級配曲線(圖6)。如圖所示，顆粒粒徑主要集中在0.1～2 m之間，顆粒粗大，發(fā)生滲透變形的可能性小。

4.3 抗滑穩(wěn)定性分析

Geo-studio軟件中的seep/w模塊能模擬壩體內(nèi)部滲流狀況及孔隙水壓力分布狀況，slope/w模塊能很好地模擬壩坡穩(wěn)定性[17-18]。為研究不同工況條件下堰塞壩的抗滑穩(wěn)定性，本文運用Geo-studio軟件中的seep/w模塊模擬壩體孔隙水壓力分布情況，將其結(jié)果導入slope/w模塊，然后分析壩坡的穩(wěn)定性。根據(jù)3.2節(jié)介紹的堰塞壩的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，建立模型。模型長458 m，高105 m，壩高45 m，壩頂寬30 m。模型從上到下分為3個區(qū)域，材料分別為碎塊石、碎塊石土和基巖。巖土體均按均質(zhì)各向同性考慮，巖土體參數(shù)通過參數(shù)反演和工程地質(zhì)類比相互修正獲取，具體參數(shù)見表3。

繪制模型，輸入材料參數(shù)和邊界條件，模擬三種工況下的壩坡穩(wěn)定性系數(shù)。工況一：冰湖非汛期水位，湖面高程為4 055 m；工況二：冰湖汛期水位，湖面高程4 060 m，為壩頂高程，湖水從壩頂泄流槽溢流；工況三：汛期集中暴雨疊加四周冰雪快速融化，湖面高程為4 060.5 m，湖水上漲0.5 m，作為極端危險工況。三種工況下的計算結(jié)果(圖7)。

由圖7可知，壩坡穩(wěn)定性系數(shù)隨冰湖湖面高程的增長而下降，非汛期和汛期時，穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.311和1.197，壩體穩(wěn)定；當四周冰雪快速融化入湖疊加汛期集中暴雨，湖水位快速上漲，穩(wěn)定性系數(shù)急劇降低為1.057，壩體基本穩(wěn)定。極端條件可能導致堰塞壩表部被沖刷，局部潰決形成潰決洪水和泥石流。為保障下游人民生命財產(chǎn)及線性工程的安全，應做好凍錯曲冰湖水位的實時監(jiān)測，于適當位置設置排導槽等工程措施對其進行防治。

圖6 堰塞壩上部碎塊石顆粒級配曲線

表3 堰塞壩巖土體參數(shù)建議值

圖7 堰塞壩在不同工況條件下的穩(wěn)定性系數(shù)

5 結(jié) 語

筆者從野外勘察、室內(nèi)遙感解譯、分析計算和數(shù)值模擬等方面入手，對凍錯曲冰湖的潰決風險和壩體穩(wěn)定性進行了評價和計算，結(jié)果如下：

(1)根據(jù)野外勘察和遙感解譯結(jié)果，凍錯曲冰湖面積近20年變化不大，壩體無變形跡象，整體穩(wěn)定性良好。基于邏輯回歸方法計算的凍錯曲冰湖潰決概率為42%，屬于中等危險等級。

(2)根據(jù)堰塞壩組成物質(zhì)顆粒級配曲線可知，堰塞壩抗沖刷能力強，發(fā)生滲透變形可能性小。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果顯示：堰塞壩在非汛期和汛期穩(wěn)定性系數(shù)為1.311和1.197，處于穩(wěn)定狀態(tài)；在汛期集中暴雨疊加周圍冰雪快速融化條件下穩(wěn)定性系數(shù)為1.057，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，不利于壩坡穩(wěn)定，有可能發(fā)生局部潰決，形成潰決洪水和泥石流。

(4)凍錯曲冰湖一旦潰決形成泥石流，影響范圍包括下游農(nóng)田、民房和擬建線性工程。為保障下游人民的生命財產(chǎn)及線性工程的安全，建議實時監(jiān)測冰湖水位，采用排導槽等工程措施進行防治。