堰塞湖群的级联溃决机理与应急风险管控

Crowded landslide dams are easily formed along rivers in mountainous areas during strong earthquakes or rainstorms. For instance, most of the 256 landslide dams triggered by the 2008 Wenchuan earthquake were of this category. The cascade breach mechanisms of landslide dams are quite different from that of a single landslide dam. The dam breaching flood upstream may cause flood amplification effect through cascade breach, which may lead to more damages downstream. Moreover, multi-flood peaks, which may be caused by the cascade dam breach, would incur multi-impacts to the areas downstream. The program aims to systematically study the mechanism, risk assessment and emergency risk mitigation of the cascade breach of landslide dams. First, a cascade dam breach model is built through the study of coupled water-soil interaction. Theoretical analysis, model tests and numerical analysis are conducted for this purpose. Then, a dynamic risk assessment model is built by considering the complex hydraulic parameters (the effects of flood delay, multi-flood peaks and flood amplification) caused by cascade dam breach. Finally, both the dam breach model and the risk assessment model are applied for risk mitigation of the cascade breach of crowded landslide dams. The program is meaningful in both academic and practical phases to reveal the cascade breach mechanisms and assess and mitigate the cascade breach flood risks of landslide dams.

强烈地震和暴雨容易在山区深谷沿河流形成串珠状堰塞湖群，如汶川地震导致的256个堰塞湖大部分都属于串珠状堰塞湖群。堰塞湖群的级联溃决机理与单一堰塞湖的溃决差别巨大。上游堰塞湖的溃决引发连锁反应从而逐级放大溃决流量，更有可能形成多个洪峰对下游城镇造成多次冲击。本课题以堰塞湖群为研究对象，从溃决规律、风险评估和风险管控方面进行系统研究。首先，通过理论分析、模型试验和数值模拟，研究堰塞湖群的级联溃决的机理，充分考虑堰塞坝群溃决非稳定流冲蚀的水土耦合作用机理，建立级联溃决的分析模型；再次，考虑堰塞湖群的复杂溃决洪水参数（洪峰延迟、多洪峰以及洪峰放大效应引起），提出动态风险评估模型；最后，将溃决机理和风险评估的研究应用于堰塞湖群的风险管控体系。本课题的研究对揭示堰塞湖群的级联溃决机理，评估堰塞湖群的溃决风险，提高堰塞湖群溃决的应对能力，以及正确处置堰塞湖群灾害具有重要的理论及现实意义。

本世纪以来，强烈地震和暴雨在山区深谷河流形成了大量串珠状堰塞湖群，堰塞湖群的级联溃决可能引发连锁反应从而逐级放大溃决流量，更有可能形成相隔时间较长的多个洪水波峰，从而对下游城镇造成多次冲击。本项目针对堰塞坝和堰塞坝群的级联溃决机理及风险规律进行了相关研究并得到如下结果：（1）建立了一个汇总了国内外1298个案例的大型数据库，基于案例数据库提出了堰塞坝溃决参数的快速评估模型，发现将人工坝溃坝模型用于分析堰塞坝将显著高估溃决尺寸0.8-1.1倍，高估峰值流量1倍，低估溃决时间3/4。（2）进行了存在高渗透区域的堰塞坝渗流稳定性分析，发现堰塞坝松散的结构容易发生局部渗透破坏，但由于其坝宽坡缓的特点，很难发生管涌破坏。（3）开展了基于大型振动台的余震作用下堰塞坝动力稳定性分析，发现余震通常不会导致堰塞坝直接失稳，而通过将松散土石材料振密从而损失高程10%-15%，提前发生漫顶溃决。（4）进行了堰塞坝单坝溃决和两坝级联溃决模型试验，发现堰塞坝材料显著影响其溃决模式、溃决程度和峰值流量，级联溃决时上游溃决洪水会显著加剧造成下游坝的溃决，并发生洪水放大效应。（5）在已有单坝溃决模型DABA 的基础上充分考虑堰塞坝群溃决的机理，建立级联溃决的分析模型，成功地模拟了唐家山堰塞坝及下游2个小型堰塞坝的级联溃决过程，并发现了堰塞坝溃决洪水放大效应的临界条件。（6）提出了堰塞坝群溃决风险评估方法并应用于唐家山堰塞坝群风险评估，发现堰塞坝群溃决的多洪峰效应可能造成下游人们对是否完成溃决的误判，而溃决洪水叠峰的流量显著大于单个溃坝洪水从而造成更大的风险。（7）结合工程措施（泄流槽）和非工程措施（预警疏散）提出了堰塞坝溃决风险管控体系，可以量化分析泄流槽开挖对溃决洪水及风险的影响，并基于最小风险期望损失提出最佳预警决策准则，从而实现了基于工程措施和非工程措施的堰塞坝风险管控。（8）采用三维离散元软件PFC成功模拟了堰塞坝材料潜蚀后的三轴剪切试验，从微观的角度解释了细颗粒流失对土体剪切强度和变形特征的影响，发现细颗粒接触数(包括细-细和细-粗接触)对土体的抗剪强度和变形曲线起着关键作用。