水利水电快报 | 长江设计院徐轶：堰塞湖应急处置工程措施及典型案例分析
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堰塞湖应急处置工程措施及典型案例分析
徐轶1,2 何良金3 张丽霞4
1.长江勘测规划设计研究有限责任公司 2. 国家大坝安全工程技术研究中心 3.重庆市开州区水利局 4.四川省通江县水利局
引用格式
徐轶, 何良金, 张丽霞. 堰塞湖应急处置工程措施及典型案例分析[J]. 水利水电快报, 2021, 42(3): 49-54.
文章摘要
为提高堰塞湖防灾减灾技术水平，对堰塞湖灾害应急处置的成功经验进行归纳与总结，分析了滑坡型、崩塌型、泥石流型堰塞湖的典型特点。同时，对相关工程案例进行统计分析，全面总结梳理了堰塞湖应急处置工程措施的经验，并分析了堰塞湖应急处置技术发展趋势。结果表明：(1)堰塞湖应急处置工程措施一般分为自然过流、湖水排泄、爆破处置、固堰成坝及其他措施；(2)今后需加强对堰塞湖应急处置技术研究系统化，工程抢险处置技术手段高效化，开渠引流冲刷措施风险可控化，堰塞湖排水疏通技术装备成套化方面的研究。
关键词
堰塞湖; 应急处置; 工程措施; 泥石流
基金项目
国家重点研发计划项目（2018YFC1508605）; 国家大坝安全工程技术研究中心支撑项目“高危险堰塞湖引流槽控溃削峰技术研究”（CX2019Z25）
徐 轶
男，工程师，博士
长江勘测规划设计研究有限责任公司
国家大坝安全工程技术研究中心
主要从事水库大坝安全领域的研究工作
我国是堰塞湖多发的国家，有记录的堰塞湖数量已超过400个，其中2008年汶川大地震引发的堰塞湖有256个[1,2]。堰塞湖具有滑坡方量大、集雨面积大、蓄水量大、对人民群众生命财产安全威胁大等特点；同时应急抢险工程又受基础资料不足、水陆交通不便或中断、周边环境危险、施工时间紧迫等因素制约，排险处置难度极大，如稍有不当，会造成灾难性的后果[2]。因此，及时总结堰塞湖应急抢险工程经验，深入研究高效、快速的应急处置技术，对于促进我国防灾减灾救灾能力的提升具有重大的现实意义。
堰塞湖的应急处置涉及风险评估技术、堰塞体结构快速勘测探测技术、水情监测与预测技术、应急处置措施等诸多内容，其中应急处置措施又包括工程措施和非工程措施。堰塞湖应急处置工程措施是利用工程技术手段排除自然灾害造成的险情，具有极强的技术性，为近年来研究的热点和难点。堰塞湖险情问题复杂、成因各异，在实际抢险过程中，由于所处地形地质条件及形成机理不同，各个堰塞湖表面形态、物质组成、结构特点各不相同，工程处置方案的确定很大程度上依靠专家的现场灾情调查和既有经验。因此，加强堰塞湖灾害应急处置成功经验的技术总结与归纳十分必要。
2009年，我国编制了世界首部SL451-2009《堰塞湖应急处置技术导则》，收集分析了易贡堰塞湖以及汶川大地震后的唐家山等多次堰塞湖的处理资料和技术成果，比较全面地提出了堰塞湖处理的技术方法[3]。邓宏艳等[4]对不同成因类型堰塞湖所具有的特征和采取的应急处置措施进行了比较。于沭等[5]对堰塞湖应急处置相关技术及装备进行了总结。近年来，我国陆续对舟曲泥石流（2010年）、云南红石岩（2014年）、浙江遂昌（2016年）、金沙江白格（2018年）等堰塞湖进行了应急处置，在相关工程技术及装备领域开展了大量研究工作，许多成功的经验仍值得进一步总结凝练，为今后堰塞湖或类似灾害的应急处置提供技术支撑。
本文在分析滑坡、崩塌及泥石流等不同成因类型堰塞湖典型特点的基础上，全面地总结梳理堰塞湖应急处置工程措施的经验、技术，并统计了典型工程案例，以期为今后不同类型堰塞湖的应急处置提供依据和参考。
2 堰塞湖类型及特点
依据堰塞湖固体物质来源成因，堰塞湖可分为熔岩堰塞湖、崩塌堰塞湖、滑坡堰塞湖、泥石流堰塞湖和冰碛堰塞湖5类。统计研究数据表明[6]，降雨和地震引发的山体滑坡、崩塌、泥石流堰塞湖占堰塞湖总数的90%，是堰塞湖最主要的类型。
滑坡型堰塞湖主要是由于江、河、湖、沟两岸斜坡上部的山体产生滑坡而堵塞河谷造成回水所形成（见图1），其主要成因包括降雨或融雪、地震、火山喷发及人类工程活动等。此类方式形成的堰塞体以土石混合物为主，整体性相对较好、坝体较密实，抗渗性较好，抗冲刷性能差，如2014年云南红石岩堰塞湖、2016年浙江遂昌堰塞湖、2018年金沙江白格堰塞湖等。滑坡型堰塞体的自然破坏方式通常是水位不断上涨后漫顶导致冲刷破坏，逐渐发展并引发整体溃决[7]。
崩塌型堰塞湖主要是由于高陡河谷上部的岩体脱离母岩后在自重作用下发生崩塌坠落、阻断河谷所形成，可能成因包括地震、降雨、风化及人类工程活动（见图2）。此类堰塞体多由碎块石、块石和大块石堆积而成，含土体较少，稳定性较好，堰塞体骨架较为松散，透水性强，有利于排泄，不易形成快速的大规模整体溃决，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年重庆鸡尾山堰塞湖等。崩塌型堰塞体顶部较难形成过流，不易发生漫顶溃决，但可能发生管涌等渗透破坏而引发溃决[1]。
泥石流型堰塞湖通常是由于降雨、冰湖溃决、融雪、地震等原因引发，泥石流流体进入河谷后，如不能被河水及时带走，就会堵塞河谷形成堰塞湖（见图3）。但此类堰塞体一般方量不大，以大规模黏性泥石流堆积为主，含水量高，流动性强，如1953年帕隆古乡沟堰塞湖、2010年甘肃舟曲堰塞湖、2012年四川田湾河堰塞湖等。泥石流发生后对河道的淤积作用较强，有时甚至不会形成明显的堰塞体，以不完全堵江居多，堵塞淤积河谷后仍可过流，多数堰塞湖短时溃决、存留时间较短[4]。
堰塞湖灾害链的发生、发展过程与上下游水情密切相关。随着堰塞湖水位上涨，不仅对上游产生淹没灾害，一旦溃决将对下游产生极大危害。堰塞湖应急处置工程措施一般包括堰塞体淹没区滑坡与崩塌体，下游河道内建筑物和可能淹没区内设施等处理方案，其主要目的是降低堰塞湖的水位、以实现快速排险减灾。堰塞湖应急处置工程措施一般有如下几类：自然过流、湖水排泄、爆破处置、固堰成坝及其他。
自然过流是指不采取工程措施，让上游库水位自然上涨。这种情况下有两种可能的发展趋势：(1)漫顶溃决，待水位升高漫流过顶后，堰塞体被流水自然冲溃，主要适用于堰塞湖库容较小、堰塞体规模不大，或是不具备施工条件的堰塞体。2018年雅鲁藏布江加拉堰塞湖（10月17,29日两次）、2018年金沙江白格堰塞湖（10月10日）、2020年湖北恩施州清江马者堰塞湖均是自然过流溃坝。(2)天然留存，由于堰塞体稳定厚实，湖水上涨后另寻出路过流，堰塞体自然保留，成为永久性的堰塞湖，如我国西藏的然乌湖、黑龙江的五大连池、镜泊湖，新西兰普卡基湖，美国弗拉特黑德湖。对此类自然过流的堰塞湖，一方面要加强监测及预警，另一方面要全面分析溃决风险，及时做好应急预案，防止出现不利情况。通过自然过流消除险情的典型堰塞湖案例见表1。
2020年7月21日05:30，湖北恩施屯堡乡马者村沙子坝滑坡，造成清江上游形成堰塞湖，距下游恩施市城区仅20 km。滑坡区域纵向长1 200～1 500 m，横向宽320～580 m；滑坡体积约1 000万m3，为特大型土质滑坡；约150万m3泥土滑入清江，阻塞清江。堰塞湖应急处置采取了“上冲、下泄、及时预警”的措施，加大上游云龙河水库下泄流量，与清江来水共同冲刷堰塞体；对下游大龙潭水库进行泄洪腾库，对下游影响区人员撤离预警，应对可能发生的溃决风险。堰塞湖形成近5 h后，堰顶冲刷过流，流量达200 m3/s，水位缓慢降低，解除了堰塞湖整体突溃的风险。
为有效降低水位、快速消除堰塞湖险情，常采用堰塞体开渠泄流、引流冲刷、拆除，上游垭口疏通排洪、湖水机械抽排、虹吸管抽排、新建泄洪洞等湖水排泄措施。采用湖水排泄措施进行应急处置的典型堰塞湖案例见表2。
开渠引流措施（包括引流槽和泄流渠）适用于堰塞体体积大、难以自然过流的情况。其中引流槽常采用有利于溯源侵蚀冲刷的窄浅型断面，适用于以土石混合物为主的堰塞体；泄流渠则多采用宽浅的复式断面，适用于以大块石为主的堰塞体。开渠引流措施在大型堰塞湖应急处置中最为常用，如2000年易贡堰塞湖、2008年唐家山堰塞湖及2019年白格堰塞湖，都采用了开渠引流的方法进行应急处置。但此类方法引流冲刷难以控制，一旦下泄流量增长过快、泄流渠下切剧烈可能导致堰塞体整体突溃，产生超过下游防洪标准的溃坝洪水。因此，采取开渠引流措施时需要进行充分详细的论证。
2008年唐家山堰塞湖是汶川大地震中形成的最大堰塞湖，堰塞体顺河流方向长803.4 m，垂直河流方向宽611.8 m，堆积体积达2 037万m3。堰塞体垭口处最大坝高82 m，最大库容31 600万m3，属极高危险级别。采取开渠引流的应急处置措施，开挖泄流渠采用梯形断面，两侧边坡为1∶1.5（见图4）。2008年6月7日开始过流，6月10日达峰值流量6 500 m3/s，至6月11日，堰塞湖水位明显降低，险情解除。过流后形成的新河道平面上呈向右岸凸出的弧形，残余堆积体基本稳定。由于泄流过程中冲刷较快、流量急剧增加，下泄洪水对下游区域造成了一定的影响，淹没了部分北川县城并造成淤积[8]。
上游垭口疏通排洪是利用上游库区存在的天然垭口予以临时开槽泄洪。上游垭口疏通排洪应对其可靠性、稳定性进行评估。但由于河道临时改变，泄洪后应对堰塞体的处理需进一步研究。
对库容较小且来水量较小的堰塞湖，采用机械抽排、虹吸抽排等措施是降低水位最为简便且有效的手段。但由于抽排措施流量较小、流速不大，一般仅适用于来流量小于5 m3/s左右的堰塞湖，且抽排进出口应远离堰塞体分散布置，避免对堰塞体造成冲刷破坏。2009年重庆鸡尾山堰塞湖就采用了机械抽排的措施进行了应急处置（见图5）。
当堰体上无法实施工程措施，且有地形条件选择较短线路布置泄洪洞并有较充裕的施工时间时，可采用新建泄洪洞泄水，泄洪洞进出口布置应避开不稳定堆积体或泥石流，以防被堵塞。也有堰塞湖应急处置利用上游已有隧洞进行临时泄洪的案例，如2014年云南红石岩、2018年甘肃舟曲等堰塞湖。
通过爆破处置将堰塞体破开，使堰塞湖水能够下泄，消除湖水的威胁。这种处置主要应用于堰塞湖两侧坡体较稳定、沿河方向展布较短、堰塞体规模不大、水位上升迅速、时间上或空间上难以进行机械施工的情况。采用爆破措施应急处置的典型堰塞湖案例见表3。
2008年汶川大地震形成的马槽滩堰塞湖为典型的崩塌型堰塞湖，堰塞体主要由大块的灰岩磷矿石构成，坝体渗流非常严重，大型施工机械难以进入场地施工，通过爆破泄流，并组织下游群众转移避险，取得了较好效果[2]。
对于上游来水量不大，堰塞坝物质以大块石为主，坝体规模较大且结构比较稳定的崩塌型堰塞湖，其风险等级一般较低。若采用开挖泄流槽的处置方式则施工工期较长，费用较高，在条件允许的情况下，可采用护坡、黏土防渗、加固注浆等临时加固措施，使堰塞体加固成坝，同时通过机械抽排、虹吸管抽排等方法降低坝前水位。
2009年重庆武隆鸡尾山发生了大规模的岩崩，堵塞河道形成堰塞湖，由于鸡尾山堰塞湖的坝体规模较大，蓄水量却不大。为了救援需要，不适合采用爆破方式，在全面监测的情况下，选择保留坝体，在堰塞坝迎水面进行黏性土防渗处理，同时布置了8台日抽水总量达4万m3的水泵抽水，有效降低了坝前水位，为救援赢得了时间[1]。
除上述方法外，也有一些其他方法可用于堰塞湖应急处置。例如上游修筑拦水坝调控水位、下游建透水坝壅水防冲。
1960年5月22日发生在智利的地震是迄今为止世界上强度最大的地震，震级为里氏9.5级，此次大地震造成特拉孔（Tralcan）山发生多次滑坡，堵塞了里尼韦湖出水口，形成了堰塞坝。在修筑堰塞坝泄洪沟的同时，为了最大限度地减少流入里尼韦湖的水量，控制上游的水位，对上游的其他几个湖都修筑拦水坝。此措施为修建堰塞坝泄洪沟争取了时间，降低了堰塞坝溃决风险[2]。
近数十年来，由于全球气候变暖、地质构造运动活跃、极端天气趋多以及人类工程活动不断延伸等诸多原因，我国堰塞湖灾害呈频发态势，亟需能够高效、快速处置堰塞湖险情的应急工程措施和技术。通过总结堰塞湖应急处置常用的技术措施及其发展趋势，今后需要加强对以下几个方面的关注。
堰塞湖具有地质灾害、极端气象灾害、水旱灾害等多重属性，险情问题十分复杂，在实际工程抢险过程中，由于所处地形地质条件及形成机理不一，各个堰塞体表面形态、物质组成、结构特点各不相同，工程处置方案的确定很大程度上仍依靠现场灾情调查和专家经验。目前，堰塞湖应急处置相关技术研究仍较为薄弱，对高风险堰塞湖险情的快速反应与应对能力有待提高。深入研究总结国内外堰塞湖应急处置经验和教训，进一步提升堰塞湖应急工程处置技术和手段，形成包含堰塞湖监测预警、勘测探测、风险评估及应急处置的完整技术体系，对于提高我国防灾减灾能力具有重要意义。
针对大型堰塞湖，目前国内外最常用、最有效的处置技术仍然是机械开挖或爆破成渠。但由于险情紧迫、处置时间有限，现有技术处置效率受水陆交通、装备、施工作业条件等因素的严重制约，还难以适应堰塞湖“争分夺秒”的应急抢险需求。有必要研发机械开挖或爆破成渠的专门技术与装备，提高应急处置效率。
堰塞体多为滑坡崩塌形成的松散堆积体，岩土体呈高度不均匀分布特征，开渠引流后会导致堰塞体出现强烈下切侵蚀和侧蚀，导致泄流流量剧烈增加而又无法人工控制，形成过大洪峰流量造成次生灾害。有必要加强堰塞湖人工控制泄流技术的相关研究，实现提前泄洪、控溃削峰以坦化洪水过程，实现风险可控化，避免堰塞体整体突溃造成次生洪水灾害。近年来，一些学者提出了引流泄水的优化技术[9]，但处置效果仍需要经实际抢险工程的检验。
湖水抽排措施是降低堰塞湖水位最为简便且有效的手段之一。但现有设施和设备排水能力还达不到快速排险的要求。研究大功率、高扬程的机械抽排、虹吸排水以及快速定向钻进成洞等成套技术装备，提高堰塞湖快速排水疏通能力，也是当前的重要研究方向之一。
近数十年来，我国堰塞湖灾害呈频发态势。堰塞湖险情一旦产生，将严重威胁上、下游人民生命财产安全，产生极大的次生灾害，及时采取工程措施进行应急处置是消除险情的关键。本文在分析滑坡、崩塌及泥石流等不同成因类型堰塞湖典型特点的基础上，统计了相关的工程案例，较全面地总结梳理堰塞湖应急处置工程措施的经验及技术发展趋势，以期为今后类似堰塞湖险情的应急处置提供依据和参考。
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