第一章 引言
1.1 选题依据与研究意义
我国幅员辽阔，自然灾害频发，灾害发生后常会伴随有其他次生灾害的发生，这种现象被称为灾害链效应。堰塞坝是一种由地震、降雨、火山喷发、冰雪融化等诱发的滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害堵塞河道而形成的具有一定蓄水能力的天然堆积物，多发生在狭窄陡峭的山谷地区，是十分常见的一种次生灾害（Hegan B，2001.D, 范建容等，2008；Chang D S, et al.，2010；王光谦等，2015）。堰塞坝的物质来源很多，根据堰塞坝的地质成因，可将堰塞坝分为滑坡型堰塞坝、崩塌型堰塞坝和泥石流堰塞坝（任强等，2011）。地球上 53%的堰塞坝位于中国，14%在日本，8%在美国，剩余的散落分布于世界各地。堰塞坝的形成和溃决不仅对我国造成巨大的生命财产损失，日本、美国等国家也饱受堰塞坝灾害之苦。堰塞坝溃决已成为一种极难控制和预防的世界性灾害，如何对堰塞坝溃决进行监测预警是当前全球地质灾害链防灾减灾的关键，已成为全球范围内的热点问题。
近年来，受气候变化和地质活动的影响，堰塞坝灾害在全球范围内频发，我国西部地区的大型堰塞坝灾害事件也时有发生（Xu Q, et al.，2009；魏洁，et al.，2015）。如 2008 年 5 月 12 日在汶川地震作用下，唐家山发生滑坡堵江事件，形成顺河向长 803.4m，横向宽度 611.8m，坝高 82m,体积为 20.37×106m³的唐家山堰塞坝，唐家山堰塞坝的存在对下游 130 万居民的生命财产安全造成威胁（胡卸文等，2010）；2010 年 8 月 8 日，在甘肃省舟曲三眼峪沟和罗家峪沟爆发大型泥石流灾害，此次灾害是在暴雨诱发下发生的，泥石流冲入县城并在白龙江河道形成泥石流堰塞坝。堰塞坝长约 1500m，宽约 100m，总体积约 140 万m³，堰塞坝的形成使近一半县城被淹没，对上下游人民生命和财产安全带来巨大威胁（刘汉东，2013；王文甫等，2019）。唐家山堰塞坝是典型的滑坡型堰塞坝，而舟曲形成的堰塞坝是典型的泥石流堰塞坝，不同成因的堰塞坝的溃决过程及演化规律不同，危害程度也不同。因此，深入了解堰塞坝整个溃决过程及坝体破坏规律，对预防此类灾害和减轻其造成的损失，保护上下游人民生命财产安全、交通道路和生态环境的威胁（朱兴华等，2020）十分必要。
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1.2 国内外研究现状
滑坡或泥石流堵塞河道形成的天然堰塞坝与人工坝有很大的差别（朱兴华，2020），对于堰塞坝来说，坝体孔隙率大，土质疏松，土体密度小且强度低，坝体容易发生溃决。坝体发生溃决后，溃决流量将迅速增大，造成洪水泛滥的现象，形成灾害链式效应，给下游人民的生命和财产带来巨大的损失。因此，必须对堰塞坝溃决过程及其危害有一个全面认识，加强人们对堰塞坝溃决的认知，引起更多人对此类灾害事件的重视，为防灾减灾工作奠定良好的基础。目前，国内外对堰塞坝灾害事件研究主要集中在以下两方面：一方面是堰塞坝的溃坝模式及过程的研究，另一方面是堰塞坝的溃决特征研究，堰塞坝的溃决特征包括溃决流量的演化特征和溃口形状的变化特征（蒋先刚，2019）等。具体概述如下：
1.2.1 堰塞坝的溃坝模式及过程研究
1.2.1.1 堰塞坝体溃决模式
天然堰塞坝不同于人工坝，不存在溢洪道和坝基渗流等人工坝破坏的相关问题（柴贺军等，2001）。堰塞坝的破坏模式一直是堰塞坝溃决研究的热点问题，研究溃坝模式对科学高效的预防堰塞坝溃决灾害具有重要意义。
Costa 等（1991）对已发生的堰塞坝溃决灾害进行统计分析，发现堰塞坝的溃决主要有漫顶、管涌和坝坡失稳三种形式。Peng 等（2012）也通过对已知溃决模式的堰塞坝破坏案例的分析，总结出堰塞坝的自然破坏模式主要为漫顶、管涌和坝坡失稳三种，其中漫顶破坏形式所占比例高达 91%，管涌破坏占 8%，坝坡失稳破坏占 1%。以上统计结果表明漫顶溃决是堰塞坝最为常见的一种溃坝模式。对堰塞坝破坏过程的描述（柴贺军等，2001）如下图 1-1：
图 1-1 堰塞坝破坏方式示意图
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第二章 研究区概况
2.1 构林坪流域概况
2.1.1 地理位置
研究区构林坪小流域位于陇南市武都区西北约 50km 处的角弓镇构林坪村，地理坐标为 103.6°E，33.5°N。构林坪流域属于白龙江一级支流，流域形状呈扇形，流域面积为 19.47km2。沟道由天然形成的主沟以及通过人工改道而形成的支沟组成，其中主沟长约 5km，相对高差 2070m，平均比降为 17%，沟道断面为“V”字形，主要走向为西南——东北向。
2.1.2 地质地貌
构林坪流域的地貌包括上游高山与中下游深狭的山谷，该泥石流沟道内上游岩性主要以坚硬的灰岩为主，中、下游坡度较缓分布有强风化千枚岩及黄土。沟道两侧为泥石流堆积台地，形成于不同历史时期，高度为 10-40m 不等。迭部-白龙江断裂带穿过构林坪流域的中上游（郭鹏等，2015），断裂构造造成沟内岩层褶皱、断层、节理极为发育，从而岩体破碎、软弱。沟道两侧为不同时期形成的高度不等的泥石流堆积台地。沟道内风化严重，沟床填充有数十米厚的以千枚岩为主的松散鳞片状松散堆积物，这种特殊的堆积物为泥石流提供了丰富的物源（赵岩等，2015；王思源，2017）。构林坪流域的泥石流活动十分频繁，是白龙江中游典型的沟谷泥石流。
2.1.3 气候水文
构林坪小流域地处亚热带北部边缘，是典型的干热河谷型气候，整个流域内降水量普遍不高，年均降雨量为 480-840mm 之间，但蒸发量却较大，呈现出较为明显的季节性干旱的特点。沟内多年平均降雨量为 487mm，区域内降水时空分布不均，降雨主要集中与 6 月-9 月，同时在这个时间段的降雨量占全年降雨量的 80%左右（Bai S, et al.，2014）。
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2.2 三眼峪流域概况
2.2.1 地理位置
三眼峪沟流域地处舟曲县城北侧，为白龙江流域一级支流，地理坐标为104°22′39.08″E，33°47′59.13″N，流域面积 24．1km2。三眼峪共发育沟谷 50 条，沟谷总长度为 48.3km，主沟、支沟以及次级支沟在流域内呈树枝状交叉分布，沟壑平均密度为 1.87km/km2，主要支沟大眼峪沟与小眼峪沟在主沟峪门口沟处交汇，形成“Y”字形展布于流域内。大眼峪主沟长 5.3km，沟床比降平均为 272‰，两岸山坡坡度平均 50°;小眼峪主沟长 3.6km，沟床比降平均为306‰，两岸山坡坡度平均 54°(张楠，2018)。
2.2.2 地质地貌
三眼峪沟流域为典型的高山峡谷地貌，山地占总面积的 87.7%。该流域处于舟曲县北部的叠山山脉和南部的岷山山脉之间，两山脉的走向均为东南-西北向，两山脉中间为自西向东展布的中部山脉。该流域被一条区域性构造活动断裂及该断裂的两条次级或从断裂穿过，该断裂带的走向为南东-北西。整个流域内第四系广泛分布，主要有黄土、残坡积、冲洪积和崩塌、滑坡等重力侵蚀堆积物（胡凯衡等，2010；胡向德等，2011；魏洁等，2015）。
2.2.3 气候水文
三眼峪沟流域位于舟曲县城后山，位于欧亚大陆的腹地，属典型的温带气候区。舟曲县的热量分布很不均匀，多年平均气温 12.9℃，最热月平均气温23.1℃，极端最高气温 35.2℃，极端最低气温－10.2℃。该区域年降雨量约为400 毫米，且多集中在夏季，夏季平均降雨量占全年的 1/2，春季占 1/4，秋季与冬季占 1/4，降雨常以连阴雨和暴雨形式出现，降雨多为集中区域降雨（唐兰等，2012），是滑坡和泥石流灾害频发的主要诱发原因。其中 2010 年 8 月 7 日22 时至 8 日 5 时的累积降雨量 96.3mm，小时降雨达 77.3mm（8 日 0 时前后），短时降雨强度之高非常罕见，达到当地有气象记录以来最大单峰记录的 1.9 倍，降雨频率达到 200 年一遇（朱立峰等，2011），引发了舟曲“8.8”特大泥石流灾害。
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第三章 堰塞坝溃决实验简介 ............................... 15
3.1 实验目的 ...................... 15
3.2 实验材料 ................................ 15
3.3 实验装置 ............................. 17
第四章 堰塞坝溃决模式及机理分析 ......................... 26
4.1 堰塞坝漫顶溃决............................................. 26
4.1.1 实验现象 ............................................. 26
4.1.2 堰塞坝溃口下切过程分析 ............................... 27
第五章 滑坡型堰塞坝溃决过程定量分析 ..................... 42
5.1 堰塞坝漫顶溃决过程中坝体内部关键物理参数变化特征 ........... 42
5.1.1 NO.4 组实验传感器数据分析 ............................ 43
5.1.2 NO.3 实验传感器数据分析 .............................. 49
第六章 堰塞坝溃决流量特征分析
6.1 堰塞坝溃决流量的放大效应
6.1.1 溃决水流的水文演化特征
由于滑坡型堰塞坝和泥石流型堰塞坝溃决时的溃决水流的水文演化特征相似，因此本节以滑坡型堰塞坝为例进行分析。
图 6-1 为单个滑坡坝溃决过程中的溃决流量过程线，现以坡度为 4°（即实验 NO.8）时的滑坡坝漫顶溃决过程为例进行分析。从图中可以看出，溃决流量曲线呈现先增大至峰值后再减小的趋势，且呈单峰趋势。
图 6-1 溃决流量过程线
第七章 结论与展望
7.1 结论
本文通过对白龙江流域典型的构林坪小流域和三眼峪沟的野外实地调查，将理论分析与水槽模型实验相结合，在甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所进行室内水槽实验，对堰塞坝溃决过程进行研究。研究了滑坡型堰塞坝和泥石流型堰塞坝的溃决过程变化，总结了堰塞坝溃决的主要过程，并对溃口演化机理进行了分析。研究了坝体颗粒级配、水槽坡度、上游来水流量及坝体初始含水率等对堰塞坝溃决的影响。对滑坡型堰塞坝溃口高程变化进行分析，并推算了高程变化公式。主要结论如下：
（1）通过对实验现象的分析，将堰塞坝溃决模式分为漫顶溃决和背水面坝坡失稳型溃决。滑坡型堰塞坝主要发生漫顶溃决，在坝体物质初始含水率较高时，发生背水面坝坡失稳型溃决；泥石流型堰塞坝则发生漫顶溃决。
（2）通过对漫顶溃决实验过程分析，将漫顶溃决溃口下切过程分为溃口缓慢发展至贯通阶段（阶段Ⅰ）、溃口加速侵蚀阶段（阶段Ⅱ）及水沙平衡阶段（阶段Ⅲ）；将漫顶溃决溃口横向展宽过程分为溃口贯通阶段（阶段Ⅰ）、溃口突变阶段（阶段Ⅱ）及溃口稳定阶段（阶段Ⅲ）。通过对比滑坡型堰塞坝和泥石流型堰塞坝的溃决过程，发现相同条件下泥石流型堰塞坝的溃决时间更长，水流对坝体的侵蚀作用较弱，这与坝体材料的物质组成有关，泥石流型堰塞坝的细颗粒含量较高，泥石流在堵塞河流形成堰塞坝前已经充分混掺细颗粒物质，因此坝体内部不存在明显的孔隙和渗流路径，坝体较稳定，抗侵蚀能力强。
参考文献（略）