Attabad滑坡堵江次生灾害对中巴公路的影响*

陈华勇,陈晓清,赵万玉,罗志刚

(1．中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室/中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都610041；2.中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心，北京100101；3. 中国科学院大学，北京 100000；4.中国路桥工程有限责任公司，北京100000)

中巴喀喇昆仑公路( Karakoram Highway，简称KKH)，位于帕米尔高原腹地，是世界上海拔最高的山区公路[1]。它北起中国新疆喀什，翻越喀喇昆仑山红其拉甫口岸( Khunjerab Pass)进入巴基斯坦，南到巴基斯坦北部城市塔科特(Thakot)，全长1 036.0 km。中巴公路穿越世界最高的三大山脉兴都库什、喀喇昆仑和喜马拉雅山脉的交汇处，该区新构造运动活跃、地震活动频繁、地形地貌多变、气候复杂、侵蚀剧烈，加之冰川作用强烈[2-4]，区域内发育着流砂坡[5]、崩塌滑坡[6-8]、泥石流[9]等山地灾害及其次生灾害(滑坡堰塞湖、泥石流堰塞湖)。滑坡堵江形成堰塞坝，坝前壅水形成堰塞湖，造成回水淹没，同时水流携带的大量泥沙淤积于上游河段，加速河道淤积[10-14]；当堰塞坝溃决时，溃决洪水导致下游河水位迅速抬升，形成的溃决洪水将对下游地区人民的生命财产构成严重威胁[15-17]。巴基斯坦北部洪扎河(Hunza River)河谷喀喇昆仑公路对岸的阿塔巴德村(Attabad)边发生滑坡后，堵河形成堰塞湖，摧毁、淹没房屋54座，造成60座房屋部分破坏、1所学校完全被毁、20人遇难和失踪，破坏和掩埋KKH公路近16 km以及连接Gulmit和Shaskat两座城镇的桥梁1座[1],[18]。

受地震、极端降雨、人工开挖等内外因素激发作用下，国内外滑坡堵江形成堰塞湖的事件很多。杨霞等结合三峡水库蓄水后大部分支流河口段淤积现象，以香溪河河口段为例，在分析其河口泥沙淤积特点的基础上，阐述了三峡水库蓄水、来水来沙条件及口门河势等因素对于其河口泥沙淤积的影响，探讨了泥沙淤积的发展趋势[19]。李孟洋等采用Brune 模型计算梯级水库拦沙率，综合考虑出入库输沙量与上下游水库的拦沙量，分析了小湾电站的库区淤积量[20]，但是专门针对堰塞湖库区回水淹没、泥沙淤积规律以及河道演变规律的研究并不多见。本文将重点分析Attabad滑坡堰塞湖的泥沙淤积和溃决洪水对中巴公路安全运营的影响，以期相关研究成果为类似研究提供技术支撑。

1 Attabad堰塞坝的基本特征

1.1 Attabad滑坡堰塞坝

2010年1月4日11:30，巴基斯坦北部洪扎河(Hunza River)河谷喀喇昆仑公路对岸的阿塔巴德村(Attabad)边发生一次规模巨大的滑坡(N36°18′ 26.6″, E 74° 48′54.9″)。滑坡堆积体堵塞了洪扎河谷形成堰塞坝，Attabad堰塞坝平面形态为长条形，顺河长约1100.0 m，坝顶宽约600.0 m，坝高118.0～200.0 m，体积约2 500万m3。堰塞坝上游坝坡水上部分长约200.0 m，坡较陡，坡度约25～30°。下游坝坡长约500.0 m，坡度约12～18°，滑坡体剖面及滑坡全貌如图1、图2所示。

1.2 坝体颗粒级配

根据堰塞坝粒径组成现场测量分析，坝体主要由以粉砂、粉质粘土含块碎石组成，块碎石岩性主要为混合质花岗岩、花岗闪长岩。块石含量较高，约占35%～55%，块石最大粒径可超过10.0 m(图3)。在滑坡的中前部表层普遍分布深灰至灰黑色粉质粘土，大部分已与块碎石混杂，仅中部分布集中且块石含量少，可见厚度超过15.0 m(图4)。

2 Attabad堰塞湖对中巴公路的影响

2.1 上流来流与库容分析

根据洪扎河水文站观测资料统计分析(水文站距堰塞湖下游88.6 km)，洪扎河上游年来水量分配很不均匀，主要集中在6～9月份的雨季，占全年的80%以上。3-4 月份进入枯季，上游来水量仅占全年来水量的20%左右，枯水期流量在20.0～30.0 m3/s，到6月份，上游来水量为140.0 m3/s，7月份的来水量最大，达到280.0 m3/s(典型年内流量变化)，9月份以后，随着气温降低和降雨减少，流量逐渐减小(图5，红色虚线所示)。2018年5月，笔者调查Attabad堰塞湖时，其水位高程仍在2379.3m左右(堰塞湖水深81.3m)。根据已有的水位-库容关系曲线可知(图6)，Attabad堰塞湖仍然存在约1.92亿m3的库容，如果发生溃决将对下游地区民众的生命财产安全构成严重威胁。

图1 Attabad滑坡体剖面图图2 Attabad滑坡堰塞坝全貌图3 堆积体中的大石块图4 表层粉质粘土图5 堰塞湖上游来流年内分配图6 堰塞湖水位库容关系曲线图7 水样采集点分布图8 Attabad堰塞湖泥沙淤积示意图

表1 各采样点水体含沙率测量结果

表2 各水样颗粒级配分布

2.2 Attabad堰塞湖上游来沙特点

通过对洪扎河上游主河及三大冰川融水悬移质采样发现：Hunza主河含沙量平均为2.28g/L， Batura冰川下游入汇平均流量40.1m3/s[26]，含沙量平均为1.00g/L；Passu 冰川和Ghulkin 冰川入汇流量较小，经现场测量，平均流量分别约为15 m3/s、10m3/s，平均含沙量为0.41g/L和0.73g/L，如表1所示。由此可知：Attabad堰塞湖上游来流中泥沙平均含量约为1.63g/L。就各水样颗粒级配变化规律而言，在三大冰川融水补给和主河水样中，其0.01～0.05mm的粉砂含量均最大，几乎占库区淤积物质总量的一半(平均为42.01%)，如表2所示。

2.3 库区泥沙淤积对堰塞坝上游段公路的影响

山区河流一般坡降较大，水流流速大、携沙能力强。当堰塞坝上游水位抬高，库区水力坡降变小，上游来流的过水断面面积增加，流速降低，导致水流的携沙能力减弱，使得水流中携带的泥沙发生沉降、淤积，并逐渐向坝前发展。随着淤积高度的不断增加，库尾泥沙“翘尾巴”的情形不可避免，导致库尾水位抬升，淹没范围增加(图8)，进而扩大了堰塞湖对中巴公路的影响范围。为定量评估堰塞湖库区淤积对中巴公路的影响，本文借用人工大坝库区淤积的分析计算方法，结合Attabad堰塞湖上游地形及来水来沙特征，估算库尾泥沙“翘尾巴”现象对中巴公路的影响距离。

设最高水位平交于原河床的交点E，至坝址的长度为Lw+Lb，由于迎水坡面为滑坡松散堆积体的自然休止角(约为42°)，堰塞坝上游最大水深H与Lb为同一量级，且远小于Lw，则：

(1)

式中：Lb+Lw为堰塞湖回水长度。对于Attabad堰塞湖而言，库区水位达到65.0 m时，上游回水达到11.0 km，可以得到河道的原始沟道比降约为0.006。

假定淤积末端点A到坝址的水平长度Ls，根据三角形相似原理，可以得到：

(2)

针对库区淤积达到终极状态时因为翘尾巴对淹没范围增加的影响，并认为翘尾巴高度为：

(3)

式中：H为堰塞坝坝前水深(m)，γ′为浑水容重(kg/m3)，qs为多年平均单宽输沙率(kg/(s·m))，q为多年平均单宽流量(m3/(s·m))。根据已有的人工大坝库区泥沙淤积实测数据分析，得到a=0.93，b=0.064，公式适用于坝前水深H=12.0～89.0 m，含沙率S=0.16～286.0 kg/m3。本文中坝前水深81.3 m，含沙率1.63 kg/m3。

Attabad堰塞湖库区水深及来流泥沙含量满足式(3)的条件，由式(2)-式(3)可以得到

(4)

通过现场调查与水样分析发现，主河及各支流含有大量的悬移质，而堰塞坝下游下泄水流基本则比较清澈，这个现象也说明堰塞坝的拦蓄作用对悬移质的停淤起了很大的作用。通过2010-2012年的3年时间大量的泥沙在Attadbad堰塞湖库尾沉积来看，泥沙淤积严重威胁中巴公路的运营安全。而库区淤积泥沙主要源于丰水期洪水作用，而从图6可以看出，Hunza河的丰水期主要集中在6-9月。因此，可以根据6-9月的平均流量计算主河的单宽流量：6-9月的平均流量约为207.5 m3/s，平均河道宽度80.0m，单宽流量为2.59 m3/s，以堰塞坝库区现有水深81.3m，平均单宽输沙率4.22 kg/(s·m)为例，由式(4)可以得到Ls=18.03 km，即因为泥沙淤积而导致回水上延4.48 km。

2.4 溃决洪水对堰塞坝下游段公路的影响

2010年Attabad堰塞坝形成后，通过人工处置湖区水位下降了约30.0 m，堰塞坝基本处置稳定泄流状态。但是在一些特殊的内外因素作用下，Attabad堰塞坝仍然可能发生溃决：①突发震级较大的地震(如2005年克什米尔7.0级地震)导致坝体稳定性的破坏；②极端降雨、冰湖溃决洪水、冰滑坡涌浪作用下导致溢流水头突然增加，改变了溢流通道的临界水力平衡条件，使得溢流水量大幅增加，溢流通道底部的粗化层再次起动、搬运，溢流口不断扩大，从而导致坝体失稳溃决；③缺乏滑坡堆积体内部钻探资料，无法确定坝体内部物质基本组成，倘若滑坡堆积体底部仍然存在类似堆积体表面粉质粘土的软弱夹层，则滑坡堆积体的整体性将受影响，可能发生溃决。基于上述原因，仍然有必要对Attabad堰塞坝溃决危险性进行进一步分析。

溃口坝址最大流量根据肖克列奇(Schoklitsch)经验公式估算

(5)

式中：Qb-max为溃口坝址最大流量(m3/s)；B溃坝决口宽度(m)；b溃坝决口宽度(m)；H0溃坝前上游水深(m)。

溃坝址最大流量向下游演进距坝址L(m)流程处断面的最大流量可采用李斯特万公式估算：

(6)

式中：QL-max为距坝址L(m)流程处断面的最大流量(m3/s)；W为滑坡堰塞湖水体体积(m3)；L为计算断面距水库坝址的距离(m)；Vmax为河道洪水期断面最大平均流速(m/s)，在有资料地区可采用实测最大值，无资料时，一般山区可取3.0～5.0 m/s，半山区可取2.0～3.0m/s，平原区可取1.0～2.0 m/s；K2为经验系数，山区取1.1～1.5，丘陵区取1.0，平原区取0.8～0.9，考虑Attabad堰塞湖下游为山区河道形态，本文中取Vmax=4.0m/s、K2=1.25。

表3 Attabad堰塞湖溃决洪峰流量的计算(坝高80 m)

表4 Attabad堰塞坝洪水演进计算(坝高80 m)

3 结论与讨论

3.1 结论

滑坡堰塞湖是高区常见的次生山地灾害之一。本文以巴基斯坦境内中巴公路交通干线上典型的Attabad滑坡堰塞湖为例，结合Attabad堰塞坝坝体物质组成，堰塞湖上游河道比降，堰塞湖上游来水特点，以及堰塞湖下游河道地形特征，分析了上游来流输沙率及泥沙颗粒级配，揭示了堰塞湖泥沙淤积规律，评估了堰塞湖溃决洪水对下游中巴公路的影响，得到以下结论。

(1)Attabad堰塞湖水源主要来自主河Hunza河及Batura冰川融水、Pasu冰川融水和Ghulkin冰川融水等三条支流，各干支流贡献率分别为55.50%、27.41%、10.25%、6.84%；Attabad堰塞湖上游来流中泥沙平均含量约为1.63 g/L，干流Hunza河携带的固体颗粒物质是Attabad堰塞湖淤积的主要物质来源，占整个淤积量的77.64%；泥沙颗粒级配中0.01-0.05 mm的粉砂含量约占库区淤积物质总量的42.01%；

(2)Hunza河的丰水期主要集中在6-9月，6-9月的平均流量约为207.5 m3/s，利用人工大坝库区泥沙淤积平衡法，分析得到Attabad堰塞湖的回水长度约为18.03 km，因泥沙淤积而导致回水上延4.48 km，在泥沙淤积过程中可能威胁既有中巴公路(沿河段)；

(3)Attabad堰塞坝中大块石，可以在一定程度上提高堰塞坝的抗冲蚀能力，增强堰塞坝的稳定性，加之较长的沿河堆积坝体，大大降低了堰塞坝发生全溃的机率，但是受Attabad堰塞坝底部特有的软弱淤泥夹层，潜在地震、极端降雨、冰湖溃决洪水、冰滑坡涌浪等因素的影响，仍然可能导致堰塞坝溃决；

(4)本文借助于较为成熟溃决峰值流量计算公式及溃决洪水演进公式，结合Attabad堰塞坝上下游实际地形地貌，分析了堰塞坝发生1/4溃决、1/3溃决、1/2溃决情景模式下，Attabad堰塞坝的溃决峰值流量和流量沿程变化规律，为下游地区溃决洪水的应急避险及风险评估提供数据支撑。

3.2 讨论

本文在已有监测数据基础之上，尝试将人工水库泥沙淤积预测经验公式用于分析滑坡堰塞湖泥沙回淤长度及上延距离，从计算结果看上延距离占回淤长度的26.44%，说明泥沙淤积上延对公路的影响作用不可忽视。由于山区地形地貌、沟床比降、上游来流中的泥沙颗粒物质组成和颗粒级配等，与平原区人工水库都存在很大的差异性，目前对堰塞湖库区泥沙淤积特征、库区泥沙淤积演化规律、库区泥沙淤积对沿河交通工程的影响等问的研究仍不深入，尚需要开展大量的研究工作，进一步揭示堰塞湖库区泥沙淤积-演化发展规律，为山区沿河交通工程的设计与选线提供参考。

针对滑坡堰塞湖溃决研究，本文利用目前较为成熟溃决峰值流量计算公式及溃决洪水演进公式，分析了不同溃决情景模式下，Attabad堰塞坝的溃决峰值流量和流量沿程变化规律。溃决洪水演进公式主要考虑一定堰塞湖库容在溃决坝发生后溃决洪水流量沿程演进规律，溃决洪水一般是清水，没有考虑库区泥沙随着溃决洪水的运动规律。由于Attabad堰塞湖已形成多年，库区已淤积了大量泥沙，如果发生溃决，库区泥沙在溃决洪水作用下如何运动？这种高固体颗粒含量的固-液两相流(高含沙水流或者泥流)沿程演进规律？溃决峰值流量如何计算？仍然需要进一步开展深入的研究。