1 绪论
1.1 堰塞湖分类、分布与灾害
堰塞湖是在一定地质和地貌条件下，由地震、降雨或火山喷发等引起的山崩、滑坡、泥石流、燦岩流等堵塞山谷、河道，造成上游段壅水而形成的天然湖泊。阻塞山谷、河道的堆积体称为堰塞体（Costa and Schuster，1988；刘宁等，2016)。堰塞湖在世界范围内广泛分布，依据成因，堰塞湖可分为溶岩堰塞湖、滑坡堰塞湖、崩塌堰塞湖、泥石流堰塞湖和冰碛堰塞湖五类（刘宁等，2013)。一项基于世界范围内1393个堰塞湖案例的统计数据表明（Shen et al.，2020a)，形成堰塞湖的诱因依次是地震（占50.5%)、降雨（占39.3%)、融雪（占2.4%)、人为原因（占2.2%)、火山喷发（占0.9%)，其他未知原因的占4.7%。由此可以看出，地震和降雨是堰塞湖形成的主导因素，两种成因的堰塞湖占总数的89.8%。
堰塞湖作为重大水旱自然灾害，具有集雨面积广、蓄水量大等特点，作者收集了全球范围内有文献记载的堰塞湖案例共计1760个，我国有851个，国内外典型的堰塞湖如表1.1所示(Ermini and Casagli，2003；刘宁等，2016)。近年来，受地形地貌、地质构造及气象水文等条件综合作用，我国堰塞湖呈多发、频发态势。
表1.1全球堰塞湖库容超过1亿m3的典型案例
与人工填筑的土石坝不同，堰塞体一般由崩滑土石料快速堆积而成，结构较为复杂、组成物质杂乱，少量堰塞体局部存在由大颗粒骨架组成的高渗透区域，渗流和力学稳定性较差（石振明等，2015)。由于堰塞湖缺乏必要的洪水溢流设施，容易发生溃决造成严重的洪水灾害，对下游公众生命财产和基础设施构成巨大烕胁。1933年，我国叠溪堰塞湖溃决，导致下游河道两岸235 km范围内被淹没，伤亡9300人（刘宁等，2016)；2000年，易贡堰塞湖溃决，21.00亿m3洪水下泄，导致我国墨脱、波密、林芝三县（市）90余乡近万人受灾，印度布拉马普特拉河沿岸7个邦94人死亡，250万人无家可归(Wang et al.，2016)；2008年，“5 12”汶川地震形成了257处滑坡堰塞体（Cuietal.，2009)，其中唐家山是集雨面积*广、蓄水量*大、烕胁*严重的堰塞湖，在人工干预下于2008年6月7日应急泄流，共转移下游风险人口约25万人，所幸未造成人员伤亡（图1.1)(Liuetal.，2010)；2018年10？11月，我国金沙江和雅鲁藏布江各接连发生两次滑坡事件，形成了白格和加拉堰塞湖(Fan et al.，2019； Chen et al.，2020a)，并在短期内发生溃决，对人民群众生命财产安全构成巨大烕胁（图1.2)。
图1.1 唐家山堰塞体溃决过程
图1.2 “11 03”白格堰塞体溃决过程
由于灾害后果的严重性，堰塞湖的致灾风险评估一直是国内外研究者关注的焦点，主要表现在以下几个方面：①作为自然力作用的产物，堰塞湖一般瞬间形成，堰塞体由天然宽级配堆石料构成，在上游水动力条件下的作用下，对其稳定性的评价是开展堰塞湖致灾风险评估的基础。②堰塞湖缺乏必要的洪水溢流设施，容易发生漫顶溃决，且溃决水流冲蚀过程呈明显的非线性特点，宽级配堆石料的冲蚀特性、堰塞体溃决机理和溃决过程的研究是合理评估堰塞湖致灾风险的关键。③堰塞湖溃决洪水的演进模拟技术是探究溃决洪水演进特征（洪峰流量、洪水流速、淹没水深、淹没面积、洪峰到达时间）及其致灾后果的核心。④利用遥感数据、地理信息系统（geographic information system， GIS)分析处理技术和数值分析结果，从生命损失、经济损失、生态损失3个方面构建损失评估指标体系，建立相应的损失评估模型，定量评估河道堰塞和堰塞湖溃决的损失是堰塞湖致灾后果评价和应急抢险的依据。
我国历来高度重视自然灾害防治，《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二？三五年远景目标的建议》中强调：“坚持人民至上、生命至上，把保护人民生命安全摆在首位，全面提高公共安全保障能力。”“提升洪漠干旱、森林草原火灾、地质灾害、地震等自然灾害防御工程标准，加快江河控制性工程建设，加快病险水库除险加固，全面推进堤防和蓄滞洪区建设。完善国家应急管理体系，加强应急物资保障体系建设，发展巨灾保险，提高防灾、减灾、抗灾、救灾能力。”
综上所述，堰塞湖致灾风险大，破坏力强，严重威胁人们的生命财产和公共安全，亟须开展堰塞湖（堰塞体）稳定性评价、灾变机理、灾害预测、致灾后果评价的基础理论与关键技术研究，为堰塞湖应急抢险和防灾减灾提供科学依据和技术支撑。
1.2 堰塞湖致灾风险评估技术的发展
风险评估是指在风险事件发生之前或之后（但还没有结束)，量化测评某一事件带来的影响或损失的可能程度。对于堰塞湖致灾风险评估，可以理解为在风险识别和估计的基础上，综合考虑溃决发生的概率和溃决洪水导致的损失程度，可分解为堰塞体稳定性的评价、非均匀材料冲蚀特性与堰塞体溃决机理研究、土石坝和堰塞体溃决过程数值模拟、溃决洪水演进数值模拟、溃坝洪水灾害损失评估。
国内外学者围绕上述内容开展了大量的研究，取得了系列的成果，本节对目前的研究现状和存在的问题进行综述。
1.2.1 堰塞体稳定性评价方法
堰塞湖形成后，合理评价堰塞体的稳定性对应急抢险或综合治理意义重大。
職湖致灾风险评估技术及应用
总地来说，堰塞体的稳定性与其堆积形态、物质组成和结构特征、堰塞湖水动力条件以及次生地质灾害相关。堰塞体的堆积形态影响其内部应力状态分布，对堰塞体的稳定性具有重要影响（Korup，2004； Stefanelli et al.，2016)；不同物质组成的堰塞体的弹性模量、黏聚力和颗粒级配等参数均不同，这些参数直接或间接影响堰塞体的稳定性（Casagli andErmini，1999； Casagli et al.，2003);堰塞体的内部经常发育不同的结构形态，如堆积体中存在河床沉积物，结构的强度对堰塞体的稳定性也存在影响（刘怀湘等，2011; Wang et al.，2013)；堰塞湖的水动力条件对堰塞体的稳定性也具有重要影响，水位的抬升造成堰塞体上、下游的水力梯度增大，当水力梯度达到临界值时，堰塞体内部可能发生渗透破坏，影响堰塞体的稳定性（石振明等，2014a，2015)；次生地质灾害对堰塞体的稳定性也会产生巨大威胁，如地震（周亦良等，2017)或堰塞湖区内滑坡导致的涌浪（彭铭等，2017)。
围绕上述影响因素，国内外研究者针对堰塞体稳定性的评价方法开展了系列研究，按其特性可分为定性评价方法和定量评价方法。
1.2.1.1 定性评价方法
定性评价方法主要分为工程类比法和历史分析法。前者是根据形成条件和地质条件与同类堰塞体进行类比分析，后者是针对某一堰塞体的形成历史和发育过程进行推测分析，以此评价堰塞体当前的稳定性情况。定性评价中，常借助InSAR监测技术、无人机航拍、地面变形监测等技术手段，主要以堰塞体的形成机制、物质组成和结构特征为基础，判断堰塞体的抗冲蚀性能，*终评价堰塞体的整体稳定性(崔鹏等，2009;何秉顺等，2009;李守定等，2010;许强等，2018)。该方法的特点是不通过数学计算，而是利用收集的资料，通过类比分析得出结论。定性评价综合考虑了多方面因素的影响，其分析结果可作为堰塞体稳定性定量评价的基础。
1.2.1.2 定量评价方法
定量评价方法可概括为统计学法、物理模拟法和数值模拟法三种方法。统计学法基于收集获取的大量已溃和未溃堰塞体的资料，从中提取参数，采用统计学的方法提出判别准则，并据此评价堰塞体的稳定性（Casagli andErmini，1999； Ermini and Casagli，2003； Korup>2004； Dong et al.，2011a； Stefanelli et al.，2016)，这些评价方法考虑的参数主要包括：堰塞体体积、高度、长度、宽度，堰塞湖的体积，流域面积，被堵塞河道比降，以及来流量等地貌学和水动力学参数。该类方法的优点是避免复杂的计算，缺点是未考虑堰塞体内部的应力应变关系和材料的颗粒组成，可用于堰塞体稳定性初步评价。Shan等（2020)基于国内外已溃与未溃堰塞体的基础资料，采用逻辑回归的方法建立了一套新的堰塞体稳定性快速评价方法，该方法可以考虑堰塞体的形态特征、颗粒组成及上游堰塞湖的水动力条件，并根据可获取的物质组成信息的多寡，提出了精细化快速评价方法和简化快速评价方法。
物理模拟法是评价某一特定堰塞体*直观的方法。在搜集堰塞体的地质资料之后，利用相似的物理材料制成模型来模拟原型坝体的变形失稳过程，通过改变影响堰塞体稳定性的因素，得出不同因素影响下的坝体稳定性（常东升等，2009；彭铭等，2017)。该方法避免了现场实验操作周期长且易受到外界多种因素干扰等缺点，也优化了利用统计学方法得出的结果。物理模拟从不同的角度可分为不同类别：根据模型精度可以分为简化和原型模型，根据堰塞体的性状可分为整体和分体模型，根据试验目的可分为预测和验证模型。但由于堰塞体内部结构复杂，物理模型不能完全模拟其真实状态，再加上模拟试验的尺寸效应等影响，其结果往往也是不全面的。
数值模拟法能够考虑坝体的力学特性和不同级别结构面的影响，分析滑坡堰塞体的变形过程，对坝体的稳定性做出评价。其中应力应变分析又分为连续介质分析和不连续介质分析。连续介质分析包括有限单元法和边界单元法两大类。不连续介质分析方法引入不连续分块刚体模型，主要包括离散单元法、不连续变形分析和块体单元法。上述方法均为确定性方法，近年来，人们逐渐认识到岩土工程和水利水电工程中存在大量材料参数不确定和荷载不确定的问题，有学者将不确定性方法如可靠度理论、模糊数学、灰色理论等数学方法应用在结构稳定性评价中（刘宁，2001; Fenton and Griffiths，2008； Zhang etal.，2016)，取得了较好的成效，但对于堰塞体的稳定性采用不确定性方法的报道较少。
1.2.2 非均匀材料冲蚀特性与堰塞体溃决机理
1.2.2.1 土石材料冲蚀特性试验方法
堰塞体的破坏绝大多数由漫顶水流冲蚀引起，部分由渗透破坏导致，因此水流的冲蚀特性对堰塞体的溃决至关重要。土石材料的冲蚀过程实质上是水流与土石颗粒之间的耦合作用过程，运动水流所产生的径流冲刷力作用于土石颗粒团，引起颗粒团的分散，并将部分分散颗粒或小颗粒团挟带于水流本身之中，不断地对堰塞体造成侵蚀*终导致其失稳。土石材料的冲蚀特性一般通过其起动流速(或临界剪应力）和冲蚀速率表征。目前，常用的测定土石材料冲蚀的方法包括：旋转圆柱试验、孔洞侵蚀试验、喷射冲刷试验、水槽试验等。
旋转圆柱测量装置是通过旋转外层透明的圆柱体带动水流产生作用于圆柱体试样的剪应力测量材料抗冲流速。Moore和Masch (1962)首次提出旋转圆柱测试法，采用旋转水流对圆柱体试样产生的剪切力来测量表面侵蚀。随后，众学者对旋转圆柱测量设备进行了改进，与原来的设计相比，新设备能够测定重塑、原状土（Arulanandan et al.，1975； Chapius and Gatien，1986； Lim，2006)。旋转圆柱测量装置的局限性在于不能估计试样在饱和状态下的侵蚀率，且冲刷掉的土颗粒仍在圆柱体内进而影响侵蚀率的结果。
澳大利亚新南威尔士大学的Wan和Fell (2004)研制了孔洞侵蚀试验设备，主要用于研究土体内部侵蚀特征，此设备可研究土体各个参数与侵蚀率的关系，但侵蚀率结果可能受试验过程中孔洞的堵塞、洞直径变化不均匀等因素影响而相差很远。
Hanson (1991)改进了原有的喷射冲刷试验，提出了将侵蚀系数转换为土体抗力，提出了喷射指数的概念并
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