白格堰塞湖潰決洪水特性分析及其對下游梯級電站的影響

鄧 則 軍

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

當(dāng)崩滑體、泥石流、冰川沉積物和火山噴出物等固體物質(zhì)在較短時間內(nèi)快速堆積形成結(jié)構(gòu)松散的壩體時，河道因之受阻而形成具有一定庫容的湖泊，即堰塞湖[1]。堰塞湖本身構(gòu)造極不穩(wěn)定，在河道上游持續(xù)來流的情況下，堰塞湖水位將在短時間內(nèi)急劇上升，從而誘發(fā)上游區(qū)域淹沒，對上游沿岸居民生命、財產(chǎn)安全以及自然環(huán)境等造成重大威脅。

據(jù)統(tǒng)計[2]，大多數(shù)堰塞體在湖水持續(xù)浸泡、掏蝕及沖刷等作用下最終發(fā)生漫流潰壩，產(chǎn)生的巨大洪水也會對下游沿岸居民以及對下游水庫、電站等造成嚴(yán)重影響。如雅魯藏布江支流易貢湖2000年4月9日，由于發(fā)生特大崩塌型泥石流而形成堰塞壩，之后，堰塞湖水位以每天1 m的速度上漲，至當(dāng)年6月10日發(fā)生潰決，漲水歷時62 d，攔蓄水量達(dá)30億m3，累計水位上漲55.36 m，最大水深62.06 m[3]；新西蘭亞當(dāng)斯山在1999年10月6日發(fā)生大面積山體滑坡(1 000～1 500萬m3)形成約120 m高的堰塞體，造成波伊魯阿河阻塞，短時間內(nèi)形成一座長1 200 m，寬350 m，深80 m，庫容500～700萬m3的堰塞湖，之后1周左右，在大雨作用下導(dǎo)致堰塞湖潰決，最終發(fā)生重大地質(zhì)災(zāi)害[4]。

堰塞湖形成后，一旦發(fā)生不可控的突發(fā)性潰壩往往會產(chǎn)生較大的破壞，具有洪峰高、水量集中、洪水漲落迅速、傳播速度快等特點。我國西南地區(qū)地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，堰塞湖等地質(zhì)災(zāi)害時有發(fā)生，為降低堰塞湖潰決洪水誘發(fā)次生重大地質(zhì)災(zāi)害的可能性，必須采取適當(dāng)?shù)木o急措施來控制堰塞湖的發(fā)育。為盡量降低堰塞湖潰決洪水所帶來的不利影響，有必要探究堰塞湖潰決洪水的特點，分析堰塞湖潰決洪水發(fā)育過程，計算洪峰流量及到達(dá)下游的時間，為下游水電站、水庫等采取主動應(yīng)對措施提供科學(xué)的參考依據(jù)。以金沙江上游白格堰塞湖為例，分析其結(jié)構(gòu)形態(tài)特征。基于水量平衡方程，建立了堰塞湖潰決洪水計算模型，研究了“11·3”白格堰塞湖開挖不同導(dǎo)流槽時的洪水潰決過程，通過與過流洪水實測結(jié)果對比，分析了不同處理方法對潰決洪水的影響，為我國高土石壩堰塞湖潰決洪水分析提供參考。

1 白格岸坡特征及堰塞湖基本情況

1.1 白格岸坡地質(zhì)構(gòu)造特征

白格岸坡位于金沙江構(gòu)造的混雜巖帶，屬于河谷型構(gòu)造破碎松散體，主要由弱變形構(gòu)造透鏡體巖塊和強(qiáng)變形錯動帶構(gòu)成。由于鏡下巖石結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，使其強(qiáng)度較低。在重力卸荷作用下，白格岸坡的滑動層發(fā)生貫通。同時，金沙江江水對白格岸坡坡腳持續(xù)掏蝕，在掏蝕作用和松散體重力卸荷的作用下，白格岸坡發(fā)生失穩(wěn)滑移。通過對岸坡失穩(wěn)全過程的綜合分析，白格岸坡滑移為“推移式+牽引式”的混合型滑坡[5]。

2018年10月10日約22:00，白格岸坡失穩(wěn)發(fā)生第一次滑坡堵江。之后，滑坡體原址于次月3日17:00左右再次發(fā)生滑坡堵江。兩次滑坡均造成金沙江江水?dāng)嗔鳎⑿纬裳呷础?0·10”和“11·3”白格堰塞湖。經(jīng)地質(zhì)勘察校核，白格滑坡體地理坐標(biāo)是東經(jīng)98°42'17.98″，北緯31°4'56.41″。

除已入江的部分外，白格滑坡體目前仍有部分未下滑入江，受下部水流沖刷切腳等影響可能產(chǎn)生新的滑動，從而形成新的堰塞湖，這種滑移趨勢再次說明我國西南地區(qū)地質(zhì)情況的復(fù)雜性，以及分析白格堰塞湖潰決洪水特性的必要性。

1.2 白格堰塞湖基本情況

第一次發(fā)生白格堰塞體堵塞金沙江之前，江水水面高程約為2 880 m，兩次岸坡失穩(wěn)阻塞金沙江形成堰塞湖后，江面高程出現(xiàn)不同程度上升。與“10·10”白格滑坡體所形成的堰塞湖相比，“11·3”白格堰塞體阻塞河道所形成的堰塞湖面積更大、江面高程更高。兩次滑坡形成的堰塞湖分別于10月13日、11月14日潰決，潰堰洪水對下游水電站產(chǎn)生了不同程度影響，特別是對在建的蘇洼龍水電站影響重大[6]。“10·10”和“11·3”兩次白格堰塞體和堰塞湖的基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 “10·10”與“11·3”白格堰塞體和堰塞湖基本數(shù)據(jù)[7]

表中，“*”表示“11·3”堰塞體在“10·10”堰塞體基礎(chǔ)之上的相應(yīng)增加量；兩次堰塞湖最大庫容分別對應(yīng)最大埡口高程為2 932.0 m和2 966 m。從表1中可以看出，白格岸坡第二次失穩(wěn)滑移(11月3日)后，堰塞體的體積、順河長度、寬度以及高度出現(xiàn)不同程度增加，第二次較第一次堰塞體厚度最大增加約55%。

此外，白格堰塞湖庫容與高程的關(guān)系也是下游梯級電站應(yīng)對潰決洪水的重要參考資料。堰塞體至波羅下壩址區(qū)間河段的庫容水位關(guān)系可通過實測斷面計算得到，結(jié)合波羅電站預(yù)可階段下壩址庫容水位關(guān)系，基于斷面法和地形法，計算得出白格堰塞湖庫容曲線。白格堰塞湖庫容曲線見圖1。

圖1 白格堰塞湖庫容曲線

從圖1可以看出，隨著水位上升，堰塞湖庫容急劇增加。當(dāng)堰塞湖水面高程為2 932 m時(對應(yīng)“10·11”白格堰塞體埡口高程)，堰塞湖庫容約為2.9億m3；當(dāng)堰塞湖水面高程為2 966.5 m時(對應(yīng)“11·3”白格堰塞體埡口高程)，堰塞湖庫容將達(dá)到7.7 億m3。“11·3”白格堰塞體具有更高的埡口高程，具有更大的庫容和水頭，這勢必對下游水電站產(chǎn)生更大的威脅和影響。

2 堰塞湖潰決特征及其對下游電站的影響

白格堰塞湖下游規(guī)劃葉巴灘、拉哇、巴塘和蘇洼龍等梯級電站，為確保各梯級電站安全應(yīng)對潰決洪水，降低圍堰的疊加洪水效應(yīng)，避免對下游造成更大災(zāi)害和損失，必須對白格堰塞湖不同潰決方式下的洪峰流量做出準(zhǔn)確預(yù)測，為下游電站在采取人工干預(yù)措施時提供科學(xué)依據(jù)。“11·3”白格堰塞湖較“10·11”堰塞湖規(guī)模更大，對下游的影響也更為顯著。

基于堰塞體潰口出流、沖刷及側(cè)向拓展，成都勘測設(shè)計研究院計算了白格堰塞體不同潰決方式下的潰口洪峰。根據(jù)“10·11”白格堰塞體潰決洪水過程有關(guān)資料，蘇洼龍壩址的過洪洪峰流量與上游的巴塘洪峰流量基本相同。在進(jìn)行“11·3”白格堰塞體潰決洪水分析時，蘇洼龍壩址(距上游白格堰塞體約224 km)的過洪洪峰流量采用與巴塘相同的洪峰流量數(shù)據(jù)。按照堰塞體發(fā)生1/3和1/2潰決，所需的時間分別為3.5 h和4 h，白格堰塞體不同潰決方式下的洪水特征見表2。

表2 白格堰塞體不同潰決方式下的洪水特征

從表2可以看出，按照1/3堰塞體發(fā)生潰決計算，堰塞壩的洪峰流量為28 100 m3/s；隨著下游梯級電站遠(yuǎn)離堰塞壩，葉巴灘、拉哇以及巴塘壩址的洪峰流量則依次下降，洪峰傳播時間則逐漸增加。而按照1/2堰塞體發(fā)生潰決計算時，堰塞壩的洪峰流量則顯著增加，高達(dá)45 000 m3/s；同時，堰塞壩下游梯級電站的洪峰流量也出現(xiàn)不同程度增加，洪峰傳播所需時間明顯下降。下游蘇洼龍壩址在兩種潰決方式下的洪峰流量分別達(dá)到16 800 m3/s和28 200 m3/s壩址處洪水變化見圖2。

圖2 白格堰塞體不同潰決方式下蘇洼龍壩址處洪水變化

從圖2可以看出，堰塞體按照1/2和1/3方式潰決時，洪峰到達(dá)前，壩址處洪水流量快速增加；洪峰到達(dá)后，由于堰塞體缺口泄流作用，洪水流量表現(xiàn)出先快速下降后逐漸趨緩的變化。與堰塞體1/3發(fā)生潰決相比，堰塞體1/2發(fā)生潰決時，到達(dá)蘇洼龍壩址處的洪峰流量更大，所需時間有所增加，且洪峰到達(dá)后的洪水流量削減趨勢更為明顯。發(fā)生“11·3”白格堰塞湖事件時，正值蘇洼龍水電站建設(shè)高峰期。堰塞體發(fā)生1/2潰決時，到達(dá)蘇洼龍壩址處的洪峰流量將遠(yuǎn)超水電站的過洪能力。綜合考慮，為提高壩址安全，盡可能降低損失，蘇洼龍水電站應(yīng)采取人工干預(yù)措施應(yīng)對“11·3”白格堰塞湖潰決。

3 結(jié) 語

堰塞湖潰決后，會對下游梯級電站造成不同程度的影響和危害，而堰塞湖潰口洪峰流量及到達(dá)時間的準(zhǔn)確預(yù)測是堰塞湖下游梯級水電站在制定應(yīng)急方案時的重要參考依據(jù)。經(jīng)過對白格岸坡地質(zhì)特征的分析和“10·11”和“11·3”白格巖塞湖的特征對比，著重研究了不同潰決方式下堰塞體下游壩址處的洪峰特征，并按照1/2和1/3的潰決演變方式，計算出堰塞體下游梯級電站壩址處的洪峰流量及到達(dá)時間。同時，得出如下結(jié)論：

(1)白格岸坡滑移為“推移式+牽引式”的混合型滑坡，滑坡體規(guī)模巨大；

(2)計算結(jié)果表明，白格堰塞體發(fā)生1/3和1/2潰決時，蘇洼龍壩址處的洪峰流量分別為16 800 m3/s和28 200 m3/s。