金沙江白格堰塞体结构形态与溃决特征研究

作者:未知

  摘要:四川、西藏交界处的金沙江右岸白格村所在岸坡于2018年10月10日和11月3日发生两次失稳滑坡,堵塞金沙江形成堰塞湖。在介绍堰塞湖形成过程及成因的基础上,分析了堰塞体结构及形态特征、溃决发展阶段、溃决特征值,并将这些特征参数与以往一些堰塞湖作了比较。分析表明:该堰塞体总体由细颗粒组成,表面及下游侧粗颗粒增加,抗冲性差、库容、来水量及堰塞体物质组成是决定溃决峰值流量的关键因素,来水量、堰塞体抗冲性及堰塞体溃流段长度是决定坝体溃决时长的关键因素。
  关键词:结构形态;岸坡失稳;溃决;堰塞体;白格堰塞湖
  中图法分类号:T
  文献标志码:A
  DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.004
  文章编号:1001-4179(2019)03-0015-08
  2018年10月10日、11月3日,西藏自治区昌都市江达县和四川省甘孜藏族自治州白玉县界河金沙江右岸白格岸坡两次发生岸坡失稳,金沙江两次被堵塞形成堰塞湖,给上下游影响区人民生命财产造成重大威胁和损失。本文详细介绍了白格堰塞体的结构形态与溃决特征,以供今后处置分析类似堰塞湖参考。
  1 堰塞湖形成发展经过
  1.1 “10·10”第一次堰塞湖
  失稳岸坡位于东经98°42'17.98”,北纬3194’56.41"。2018年10月10日22:06,金沙江右岸白格岸坡失稳,入江岩土堵塞金沙江干流河道,形成堰塞湖。岩土冲击河床,引发相当于2.4级地震的强烈振动。
  10月12日17:15,湖水自然漫顶溢流,13日00:45,堰塞体上游来水量与溃口出流量达到平衡,上游水位达到最高值2932.69m,库容约2.9亿m3。13日06:00左右,溃口流量达到峰值10000m3/s;14:00,溃口流量衰减至上游来水量1700m3/s。
  1.2 “11·3”第二次堰塞湖
  2018年11月3日17:21,白格岸坡原滑坡点发生第二次滑坡,入江岩土堵塞“10·10”堰塞体过流后形成的新河道,金沙江再次断流。
  第二次堰塞湖形成时,堰塞体上游水位2892.84m,来水量约700m3/s。11月6日15:00,坝前水位累计.上涨33.88m,蓄水量约2.12亿m3。11月8日,抢险简易道路打通,堰塞体引流槽开始施工;11日,上午11:00,引流槽平均开挖深度约11.5m,最大开挖深15m,底宽3m,抢险施工人员开始撤离。12日04:45,湖水涨至泄流槽进口底坎,10:50引流槽全线过流。13日13:40,波罗站水位2957.65m达到最高值,坝前水位达到最高2956.40m,累计涨幅64.04m,水位超过泄流底坎(高程2952.52m)3.88m,蓄水量5.78亿m3。人工干预措施减少了堰塞湖库容约2.00亿m3。13日18:00,堰塞体溃口流量达到峰值31000m3/s。14日上午,溃口下泄流量与上游来水量持平,水流基本恢复常态。
  2 堰塞体结构与形态
  2.1 “10·10”堰塞体
  2.1.1 滑坡基本特征
  白格岸坡位于金沙江右岸,江水面高程约为2880m。金沙江在白格上游流向约为194°,在白格转为153°方向,见图1。
  白格边坡高程3400m以下较陡,为34°~50°,平均约39°;高程3400m以,上至后缘为25°~38°,平均约31°。滑坡后缘外侧为缓坡地形,坡度5°~12°。边坡基岩为元古界雄松群片麻岩组(Ptxna),岩性为浅灰、深灰色黑云斜长片麻岩、角闪片岩、灰绿色蛇纹岩,夹白云石英片岩,片理产状变化较大,滑坡上下游总体陡倾SWW,倾角40°左右。
  区内构造强烈,坡体所在区域构造主要发育NNW向断裂(图2),受波罗-木协断裂及里塘-仁达断裂影响,岩体破碎,完整性差,其中,倾向NE及倾向SE的中倾角结构面最为发育。区内地震多发,昌都境内在2013年曾发生6.1级地震。滑坡平面形态呈长舌状(图3),主滑方向约85°滑坡后缘高程约3680m,前缘高程约2900m,高差达780m。滑坡纵向长约1300m,高程3400m以下横向宽约690~720m,高程3400m以,上横向宽约470~560m,平面面积约76.7万m2。滑体厚度在中上部较厚(图4),约25~45m,中部偏下的高程3160m一带最厚达55m,滑体厚度在下部稍薄,约15~35m。在顺河方向上,中部最厚,下游侧其次,上游侧较薄。滑坡平均厚度约31m,总方量2380万m3。
  2.1.2 岸坡失稳原因
  白格岸坡失稳原因是多方面的:①滑坡所在岸坡为凹型河谷段,金沙江对滑坡所在的右岸形成强烈的冲刷掏脚作用;②滑坡所在岸坡高陡,受坡脚掏刷而长期处于应力释放调整阶段,从多期卫星影像上可看到斜坡长期存在崩塌现象,表明白格斜坡长期处于卸荷-蠕滑-表部崩塌变形中;③組成斜坡的岩石为强度低、抗风化能力弱的斜长角闪片岩及蛇纹岩,一组倾上游偏坡外和一组倾下游偏坡外的构造结构面发育;④区域构造复杂,地震多发,岩石破碎。长期的风化作用和蠕动变形,最终导致斜坡上部发生崩塌滑坡。据白玉县绒盖乡降雨观测资料,滑坡前8月1日至10月10日累计降雨214.7mm,除了9月上旬单日降水达到23mm外,滑坡前一个月的单日降水量均未超过10mm,因此降水不是直接诱发因素。在成因机制上,白格岸坡失稳属于风化破碎岩体迁就长大结构面、以整体形成快速滑动入江的高速滑坡,失稳岩土底界面主要受结构面控制(图4)。
  2.1.3 堰塞体几何形态
  白格堰塞体总体积约2795万m3。堰塞体地形起伏较大,总体左侧高,右侧低(图5)。堰体顶宽约270~320m。顺河长约1330m,分为4个区:上游主堆积1区地面高程2998~3005m,顺河向长约410m;中部堆积2区,地面高程约2973~2977m,顺河长约220m;中部堆积3区,地面高程2977m,顺河长约250m,地面分布厚约1m的块石;下游堆积4区,地面高程2948~2951m,顺河长约450m。堰塞体上游面中上部较陡,中部见缓平台,缓平台以下坡度较缓,平均坡度约38°   堰塞体右侧垭口一带为右岸后续失稳岩土堆积而成,地面最大高程2960~2980m,宽约280m,长约450m。地面不规整,总体中部高,上下游两侧低,上游坡平均坡度约36°,下游坡度约20°。中部垭口宽约80m,高程2932m。
  失稳岩土撞击河床后,铲刮河床砂砾石,在I区左侧下游方向形成砂砾石堆积。在II、II区左侧凹槽及下游见到泥流堆积。
  高速入江岩土撞击河床后,在左岸形成长度约1500m、面积约37.6万m2、最大高程约3065m的浪蚀区,浪蚀区普遍覆盖一层厚度2~10cm灰色或灰黑色砂砾石。
  2.1.4 堰塞体堆积特征
  堰塞体物质分布及形态明显受失稳岩土运动特征的控制。①岩土失稳呈现分期和不同方向特征,其中IV区可能最早形成,源自右岸上游侧,受倾下游偏坡外结构面控制,向坡外偏下游滑动,堆积在堰塞体最下游主河槽部位,岩体解体较充分,以斜长角闪片岩为主;随后形成I区,物质源自右岸下游侧,受NW向长大结构面控制,向NE向滑动,越过右岸凹槽上游的铲刮区,堆积在堰塞体最上游,以斜长角闪片岩、花岗片麻岩、蛇纹岩为主,岩性分区明显;然后形成1I、川区,物质源自右岸边坡后缘,堆积在I、IV区之间的主河槽部位,地表分布厚度2~3m的原边坡残坡积物,下部以斜长角闪片岩为主,少量花岗片麻岩;最后右岸边坡局部失稳堆积在堰塞体右侧凹槽部位。②及运动特征共同控制了堆积体的空间分布格局,失稳岩土包括坡表面残坡积及其下伏的风化岩石,其中黑色斜长角闪片岩占68%、肉红色花岗片麻岩占15%、灰绿色蛇纹岩占12%,其他岩性占5%。主体源自3100m高程以上,高速滑坡过程中,在振动分选作用下,粗粒物质向表面运动,从而在堆积体表面形成直径20~50cm、最大达3~5m块石富集现象(见图6),块石含量在上游端及下游中3区地表最为集中。③由于高位岩土失稳产生的强大势能,在惯性作用下,入江岩土大量堆积于河道左侧及主河槽,使堆积体右侧形成天然凹槽。④堰塞体物质结构及地貌形态显示右岸边坡失稳以整体滑动形式为主,运动过程中没有出现碎屑流转化现象。
  根据堰塞体堆积过程和物质组成的不同,平面上分为5个区,见图7。
  I区:为右岸失稳岩土在河床的主堆积区,由花岗片麻岩、蛇纹岩、黑色斜长角闪片岩组成,物质分区明显,位于河谷左侧及主河槽位置,呈NEE向展布,堆积地面高程2998~3005m。横河向宽约320m,顺河向长约410m,厚约35~130m,方量约1200万m3。由碎石土组成,黏粒含量3%左右,砂粒含量31%左右,砾石含量44%左右,碎石含量约18%,块石含量约4%,最大可达3~5m。上游面堆积大量花岗片麻岩块石。左侧靠下游侧,地表分布长约50m、宽约20m的河床砂砾石。
  I区:位于I区下游,地面高程2973~2977m,较I区低20~25m。地表分布一层厚约2~3m的灰黄色原边坡残坡积碎石土,下部为片理面较陡的黑色斜长角闪片岩,最大厚度约100m,体积约500万m3。
  I区:位于堰塞体II区的下游,地面高程2977m,地表分布厚度2~3m的灰黄色块石土,下部为灰绿色蛇纹岩和黑色斜长角闪片岩,夹浅灰黄色云母石英片岩。最大厚度约100m,体积约450万m3。
  IV区:位于I区下游,地形相对平坦,间夹数个隆起3~5m的碎块石土包,地面高程一般2948m左右,堆积厚度30~70m,岩性以黑色斜长角闪片岩为主,夹有蛇纹岩、石英片岩、大理岩,体积约500万m3。IV区与上游II区之间分布大片“泥流”,超覆于IV区边,界一带,泥流成分为灰黄色含泥砂砾石,显示IV区形成在先,II区堆积过程中挤压河床物质覆盖于先前形成的堆积体上。
  V区:位于堰塞体右侧,为右岸后续失稳堆积而成,灰褐色为主。地形较低,垭口高程约2932m。横河向宽约280m,顺河向长约450m,厚约25~50m,体积约145万m',该区堆积的颗粒物质较I区稍细,土石比约为8:2。
  2.1.5 堰塞湖漫顶溃决后残留体形态
  10月13日堰塞体溃决后形成新的流道,新流道位于堰塞体右侧凹槽部位,紧贴右岸坡脚,宽约80~120m(见图8)。
  流道右侧壁高40~55m,坡度60°~70°;左侧壁高50~80m,坡度50°~60°。左岸残留体宽约300m,体积约1800万m3.
  2.2 “11·3”堰塞体
  2.2.1“11·3”堰塞体基本特征
  白格斜坡在10月10日发生第一次垮塌后,后缘卸荷拉张,出现新的不稳定体。10月13日,变形体宽20~30m,裂缝断续延伸长约300m,张开宽50cm左右,下错1.2m,见图9。
  11月3日17:21,变形体发生崩塌,方量约160万m3,崩塌运动过程中沿途裹挟约140万m3的坡面残留碎屑和风化岩石高速下滑,堵塞“10·10”堰塞湖溃决形成的新流道,造成二次堵江。“11·3”堆积物平面上呈舌状(图10),横河向最大宽度约300m,顶部顺河向长约195m,底部顺河向长度近300m,主体位于之前形成的流道中,局部覆盖于原II区。本次堆积形成的堰塞体,地面仍比左侧“10·10”堆积体低,垭口高程约2966.5m,较“10·10”堆积体垭口高程2932m高34m。“11·3"堆积物颜色斑杂,主要为灰绿、灰黄色杂灰白色,颗粒总体较细,与第一次堆积物接近,土石比例约7:3(见图11)。
  2.2.2 泄流槽开挖
  针对堰塞体高度、溃决方式及,上游水位上涨速度,长江防总于11月4日下午制订了人工干预方案。设计的引流槽布置于“11·3”堆积体内部偏左侧,平面位置较“10·10”流道稍偏左。泄流槽于11月8日开始施工,11日11:00结束,开挖长度220m,最大顶宽42m,底宽3m,平均深度11.5m,最大开挖深度近15m,两侧坡比1:1.3,完成开挖量約26000m2,翻渣工程量约59000m',累计完成土石方85000m3。根据水位-库容曲线,开挖引流槽可减少库容约2.0亿3,降低溃口峰值流量18000m3/s。图11为堰塞体颗粒组成。   2.2.3 “11·3”堰塞湖溃决后残留体
  11月13日堰塞湖溃决后,在引流槽基础上形成了新的河道。新河道顶宽200~230m,水面宽100~130m,两侧坡比1:0.5~1:1。2018年11月13日20:00,堰塞体上游水位2905m;12月30日,堰塞体上游水位2900.3m。残留体横河向宽250~280m,顺河向长约1400km,顶面最大高程约3000m,残留体积约1650万m3。
  3 白格堰塞体过流溃决特征
  3.1 “10·10”堰塞体漫顶过流溃决
  2018年10月12日17:15堰塞体右侧凹槽自然漫顶过流,当时,上游来水量约1700m3/s,18:40流量20~30m3/s。晚上20:00左右,流量明显增大,现场人员在左岸山坡上根据水流声音估计流量80~100m3/s。
  13日0:45,上游水位达到最大值2932.69m,库容2.9亿m3;02:45,上游水位下降0.88m。
  13日06:00,溃口达峰值流量10000m3/s(见图12),06:30,上游水位累计下降8.51m;08:00水位累计下降12.26m,09:00水位累计下降20m,14:00水位累计下降28.49m,上游来水量与溃口下泄流量持平。
  3.2 “11·3”白格堰塞体溃流过程
  堰塞体引流槽进口底坎于11月12日04:45开始进水,10:50分引流槽全线过流(图13),流量约1~3m3/s。此后,随着过流量增大,流速缓慢加快,12日白天流速基本在1~1.5m/s之间,冲刷物质以粉细砂颗粒为主,15:50侧壁出现坍塌(图14)。推测12日晚间流速为1.5~2.4m/s,砂砾受到冲刷。至13日10:00,流速逐步增加至3.0m/s左右,碎石开始受到冲刷。13:45,上游水位达到最高值2956.4m,库容5.78亿m3。14:30,流速增至5.5~6.5m/s,块石受到冲刷。18:00,溃口流量达到峰值31000m3/s,最大流速10m/s左右。20:00,溃口流量退至7700m'/s。14日08:00,溃口流量与基流持平。“11·3"堰塞体溃流发展过程见表1。
  从堰塞湖湖水开始进入引流槽进口底坎,至溃口达到峰值流量后消退至基流,可以分为5个阶段。
  (1) 过流孕育阶段。12日04:45~10:50,用时6h5min。
  (2) 引流槽均匀冲刷阶段。12日10:50至13日10:00,用时23h10min,水流速度逐步增加至3m/s左右;流量从0逐步增加到约100m3/s;水流冲刷能力从起始的粉细砂、中粗砂,发展到砂砾石;引流槽侧向及底面总体呈均匀冲刷态势,流道扩展缓慢。至本阶段末,槽宽约15m、水深约3m。根据流速、总体冲刷量及溃决流量过程,推算该阶段槽内水流比重1.0~1.1。
  13日07:50,泄流槽前半段过水断面宽9~12m,平均宽约10.5m,水深约2.8~3.5m,水流平均速度约2.48m3/s,流量约63m3/s;泄流渠后半段侧璧坍塌较严重,泄流渠平面上呈宽窄不一的辫状,底宽达18~25m。
  (3) 溯源侵蚀阶段。从13日10:00到14:30,用时4h30min,水流速度逐步增加到5.5m/s,流量从100m3/s快速增加到1000m3/s。流道下游形成5m左右的跌坎,并快速向上游推进(见图15),且跌坎落差不断增大,至龙口附近目测达8~10m。跌坎下游,水流呈复杂的湍流形式,冲刷能力已经能够搬运块石土,侧壁一次塌方数百方,岩土几乎被瞬间带走(见图16);跌坎上游,水流速度相对较小,估测3~5m/s,流态较稳定。至本阶段末,槽宽平均30m,水深约7m,推算本阶段槽内水流比重1.1~1.2(图17)。该阶段是堰塞体溃流发展的关键时期,是流道拓宽、下切的重要形成期。13日13:45,溃口过流量达到上游来水量,库水位达最高值2956.40m,库容5.78亿m3,库水累计涨幅64.04m。
  13日14:20,溯源侵蚀接近引流槽进口。过水断面宽25.3m,平均水深6.4m,平均流速5.22m/s,流量718m'/s,之前位于进口左侧的一块直径3~4m巨石也被水流裹挟而下(图18左)。同时,引流槽尾部弯曲的流道也逐步被裁弯取直(图18右),冲刷发展迅速。
  (4) 溃决发展阶段。13日14:30~18:00,用时3.5h。13日14:30,溯源侵蚀到达口门,流量大于1000m3/s,并急速增长,堰塞体进入溃决阶段。15:00,龙口宽92m,水深10m,流速6.5m/s,流量5980m3/s;15:40,龙口宽约135m(见图19),水深15m,流速7.0m/s,流量14170m3/s;16:30,龙口宽约180m,水深约16m,流速8.0m/s,流量23000m3/s,流道快速拓宽(图20);18:00,溃口流量约31000m'/s,达到峰值。图20为相关流量过程。
  (5) 溃后消退阶段。洪峰过后,水位及流量快速回落,2h后退至7700m3/s,上游水位累计降幅39m;14日07:40退至基流(见图20),上游水位降至2905.55m,流量约700m3/s。堰塞体过流后形成新河道(见图21),平面,上呈向右岸凸出的弧形,开口宽180~240m,水面宽130~160m,坡高20~75m。12月31日,上游水位2900.31m。
  3.3 白格堰塞湖两次溃决特征值比较分析
  白格堰塞湖两次溃决特征值见表2,为了进行分析对比,还增加了加拉、易贡和唐家山相关数据
  (1) 与加拉堰塞湖两次溃决特征值比较。堰塞體物质相同,“10·17”堰塞湖的水头、来水量、库容更大,溃决峰值流量也大。“10·29"堰塞湖溃流段长度小,溃决过程持续时间也短。本文溃决时长是指堰塞体开始过流至达到峰值流量的用时。   (2) 白格堰塞湖兩次溃决特征值比较。堰塞体物质基本相同,“11·3”堰塞湖的水头、库容更大,溃决峰值流量也大。“10·10"堰塞湖来水量大,溃决时长短。
  (3)“10.29”加拉堰塞湖与“10·10”白格堰塞湖比较。两个堰塞湖的上游来水量相同,加拉堰塞湖库容和水头更大,溃决峰值流量也大。即使加拉堰塞湖溃决段比白格堰塞湖长,但由于其结构更松散,抗冲性差,溃决时长更短。
  (4) “10·17”加拉堰塞湖与“11·3”白格堰塞湖比较。加拉堰塞湖的堰塞体长度、高度、来水量较白格堰塞湖大,库容小0.9亿m3,溃决段长度更大,但加拉堰塞体抗冲性更差,两者的溃决峰值流量接近,加拉堰塞湖溃决时长则小很多。
  (5) 6次溃决峰值流量及溃决过程持续时间横向比较。6次溃决峰值流量排序与库容关系最密切,其次为来水量。溃决时长与来水量、堰塞体抗冲性关系最密切,其次为堰塞体长度。
  (6) “10·10”白格堰塞湖与唐家山堰塞湖比较。两者库容相近,唐家山堰塞湖水头更大,但来水量小、堰塞体粗颗粒比例更大,导致白格堰塞湖溃决峰值流量明显大于唐家山,而溃决时长则比唐家山短很多。
  上述比较显示,库容、来水量、堰塞体抗冲刷性能是影响溃决峰值流量最重要的因素,堰塞体抗冲性能、来水量、堰塞体长度则是影响溃决时长的最重要因素。
  4 结论与讨论
  (1) “10·10”白格堰塞体主要堆积于河道左侧及下游,河道右侧形成天然垭口,在43h后自然漫顶溃流,并形成宽80~120m的新河道。堰塞体物质总体由细颗粒组成,上游面及下游侧粗颗粒增加,总体抗冲性较差。
  (2) “11·3”岸坡入江体积仅300万m3,但全部堆积在“10·10”堰塞湖溃决后形成的新流道内,两次堰塞体堆积后的垭口地面更高,危害更大。
  (3) 堰塞湖溃决会经历均匀冲刷、溯源冲刷、溃决发展等不同阶段,各阶段时长受来水量、库容、堰塞体物质组成(颗粒大小)、溃决段长度、引流槽形态等因素影响。
  (4) 溃决峰值流量主要受库容、来水量、堰塞体抗冲性控制,溃决时长主要受来水量、堰塞体抗冲性、溃决段长度控制。
  (5) 除了水文条件及库容因素,堰塞体物质组成、颗粒大小、密实度等直接影响溃口冲刷扩展进程,也影响溃流计算预测的准确性。堰塞体过流后,流道冲刷发展过程十分复杂,冲刷机理、流道扩展阶段性、高含砂水流对冲刷能力的影响、如何使引流槽更好地适应流道早期快速扩展等,需要通过现场原型观测和室内物理模型试验来揭示其规律性。
  (6) 除了白格“11·3”堰塞湖开展了较为详细的流道冲刷发展进程观测研究外,流道冲刷发展的阶段性及水力学特征数据、溃决时间等数据需要在今后的堰塞湖研究中不断加以积累,以探索其规律性。
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  Study on structural morphology and dam-break characteristics
  of Baige barrier dam on Jinsha River
  CAI Yaojun,LUAN Yuesheng,YANG Qigui,XU Fuxing,ZHANG Shengjun,SHI Yu,YI Duliangzi
  (1. Changiang Instiute of Survey,Planning,Design and Research,Wuhan 430010,China;2. Changjiang Survey Institute ofMWR,Wuhan 430011,China;3. Engineering Center for Mountain Torrent Geological Disaster of MWR,Wuhan 430010,China)
  Abstract:2 barrier lakes formed on the Jinsha River in Tibet due to twice landslides of bank slope at Baige village in Oct. andNov. of 2018. Firstly we analyze the landslide cause and the formation process of the barrier lake,then we study some characteristic values of the barrier lake such as structure,morphology,development of dam breaking and dam breaking stages,and these characteristic values were compared with the ones of previous dams. The investigation shows that the barrier body is mainly com-posed of fine particles,and proportion of coarse particles is larger on the surface and downstream of the barrier body. The poor erosion-resistant,storage volume,incoming flow and material composition are the main factors influencing the peak flow,and the incoming flow,erosion resistant of dam material and path length of the break section are the key factors for dam breaking duration.
  Key words:structural morphology;collapse of bank slope;dam break;barrier body;Baige barrier lake
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