堰塞壩的形成與穩定性研究

王振宇

（安徽省建筑工程質量監督檢測站 合肥 230000）

1 引言

堰塞壩是沿河兩岸的斜坡體在地震、暴雨等因素作用下失穩破壞，滑坡體在河道內堆積而成的天然壩體[1]。但是這種天然壩體穩定性并不高，壽命很短，其失穩破壞往往會進一步誘發地質災害，不僅會對人民生命財產帶來損失，還會危害附近的水利工程和公路鐵路等基礎設施[2]。近年來，有關堰塞壩的地質災害數量明顯增多，國內外學者不僅對其進行實地調查和統計分析，也從試驗和數值方面進行了系統性的研究。

早在19世紀，法國學者就對堰塞壩進行了模型試驗研究。此后眾多學者利用模型試驗探討壩體的形狀和材料、河谷的形狀和河流等多種因素對壩體穩定性的影響，其研究成果對該類災害的評價和工程防護具有一定的借鑒意義。同時隨著計算機技術的發展，出現了越來越多的數值模擬軟件和計算方法。數值模擬具有眾多優勢，它們往往能夠探究更為復雜的工況，也能清晰地解釋破壞機理，因此越來越多學者用數值方法模擬堰塞壩的形成和壩體潰決過程。例如：例如吳建川等[3]基于PFC3D 軟件模擬了滑坡堵江的過程，Nian 等[4]利用DEM-CFD 方法分析了水力耦合作用下堰塞壩體的穩定性。

2 堰塞壩的類型

國內外學者通過實地調查和數據統計的方法，得出形成堰塞壩的主要成因是山體滑坡、崩塌和泥石流。其中滑坡形成的堰塞壩占比最大，約占41%。當山體在某一滑裂面上的剪應力大于抗剪強度時，上部的滑坡體會失去穩定，向河谷方向運動，最終會在河床沉積下來形成堰塞壩。滑坡形成的堰塞壩穩定性一般較大，這是因為坡體顆粒大，且運動速度較快。在沉積過程中壩體下部土、石顆粒會得到夯實。其次是泥石流，約占22%。這類壩體大部分都是降雨形成的，在水的作用下壩體顆粒松散且強度低，所以穩定性差、壽命周期短。此外還有崩塌導致的堰塞壩，一般發生周圍是巖質邊坡的河谷中，巖體的強度一般較高，故此類堰塞壩的穩定性較高。

邊坡破壞往往有很多原因，例如降雨，地震和人工開挖等。而在這些觸發機制中，地震和降雨是主要成因。雖然在水利工程和公路工程等基礎設施的建設中開挖邊坡會造成山體滑坡。但工程師在設計時，會對其進行穩定性分析和安排有效的加固措施，所以這種破壞往往很少發生。

也有不少學者利用土方量對堰塞壩進行劃分，將堰塞壩從微型壩到巨型壩劃分為6 個等級。隨著土方量的增加，壩體穩定性越高，但是其進一步破壞可能會帶來更大的災害鏈效應。

3 穩定性分析

堰塞壩的失穩破壞模式多樣，不僅有壩體的整體失穩破壞模式，還有管涌和漫頂破壞。另外由于受到地形、壩體材料和形態的因素，使得堰塞壩的穩定性分析非常困難。為此，國內外學者通過統計學方法，考慮影響壩體穩定性的主要因素，基于一定數量的樣本，采用邏輯回歸原理對其進行快速判定。

年廷凱等[5]、徐凡獻[2]、shan 等[6]分別基于不同的樣本，利用上述方法各自提出了堰塞壩的穩定性評價公式，分別如下：

式中：Vb表示堰塞壩的體積；Wb、Lb和Hb分別表示壩體寬度、長度和高度；Vw為庫容；Aw為湖水面積；Mi表示顆粒級配對壩體穩定性的影響。

上述三個公式對壩體穩定性判定并不完全相同，其中I1，I2＞0 時，堰塞壩被判定為失穩破壞，當I3＜0 時，壩體不能維持穩定，會發生破壞。為了比較三種堰塞壩快速評估方法，本文選取Stefanelli 等[7]和shan 等[6]中的26 個真實案例進行分析，其中存在穩定型堰塞壩10 個，非穩定性堰塞壩16 個。壩體的具體參數見表1。

表1 堰塞壩參數表

表2為三種方法對表1中26 個算例的預測結果，方法I1對穩定型堰塞壩體預測較好，10 個穩定型堰塞壩能準確預測6 個。方法I2對不穩定的堰塞壩預測較好，16 個非穩定型堰塞壩能準確預測14 個。這兩種方法在整體上的準確率都不如方法I3的高，方法I3的綜合準確率達到76.9%。這說明壩體穩定性與壩體材料的顆粒級配有關系，當壩體材料為巖石時，堰塞壩的穩定性高。而當壩體材料為細小土顆粒時，抗沖刷能力弱，所以壩體穩定性不高。

表2 模型預測結果表

當然影響壩體穩定性的因素遠不止上述這些，例如年廷凱等[5]和沈丹祎等[1]認為滑坡的誘因對壩體穩定性有影響，提出絕大多數降雨形成的堰塞壩體是不穩定的。石振明等[8]在建立堰塞壩快速評估模型時考慮了回水長度的影響。鄭鴻超等根據碎屑體運移過程將壩體分為滑入型、爬高型和折返型三類，認為滑入型堰塞壩體的壽命較長。由于堰塞壩本身較為復雜，某些參數由于設備、技術和認為因素的影響很難獲取，這對壩體的穩定性評估造成了影響。

4 堰塞壩的災害鏈效應

作為由地震或降雨形成的天然壩體，對河流有一定的阻斷作用。壩體在河流沖刷作用下，容易有潰壩的風險。發生潰壩時，河流的水流量會發生突變，造成洪水災害。洪水中往往攜帶有組成壩體的顆粒材料，當顆粒含量較多時，可認為是泥石流。泥石流在運動過程中，土石顆粒具有很大的沖擊力，對沿岸的山坡、公路造成破壞，如此會進一步引發下游山體的破壞，形成新的堰塞壩。國內外的學者通過試驗和實地調查發現確實存在堰塞壩群的多米諾骨牌現象，為此對堰塞壩群的潰壩機制展開研究，探索多個堰塞壩之間的聯系。例如P.Cui 等[9]就提出某些堰塞壩群會不斷的增加泥石流的規模，引發大規模的地質災害。

5 結論

本研究首先以堰塞壩的形成原因為切入點，按照誘因、滑坡類型和土方量將堰塞壩劃分成不同類型。然后基于26 個真實案例，對已有的3 種快速評估模型進行對比，發現3 種方法的準確率都較其原文中的低，這是因為本文中的案例與其文中的數據庫并不統一。另外Shan 等提出的方法綜合準確率高，說明壩體材料對堰塞壩的穩定性有顯著影響。