第1章 堰塞湖与堰塞坝概述
　　1.1 堰塞湖的形成及其危害
　　河道因滑坡、崩塌、冰碛物、泥石流、火山熔岩流等自然作用堵塞而形成的湖泊，就是堰塞湖（dammed lake；barrier lake）（Costa，1985；刘宁等，2013；中华人民共和国水利部，2022）。
　　堰塞湖的形成主要有以下几种原因：
　　（1）地震。由于地震活动，山体发生滑坡、崩塌或泥石流，形成堰塞体。例如，2008年，汶川地震引发宝成铁路109号隧道段山体滑坡，滚落的四五万立方米山石堵塞嘉陵江，形成了嘉陵江堰塞湖。唐家山堰塞湖则是汶川地震引发山体滑坡所形成的最大堰塞湖，堰塞体长803m，宽611m，高82.65～124.4m，方量约为2037万m3。
　　（2）降水。降雨、降雪或冰雪融化造成河道两侧岸坡岩土体力学性质变化，导致发生滑坡、泥石流或塌方等地质灾害，从而形成堰塞体。例如，2010年8 月8日，甘肃舟*遭遇突发强降水，日降水量峰值达77.3mm，导致三眼峪沟和罗家峪沟发生了特大型泥石流，堵塞白龙江形成堰塞湖（赵成等，2011）。2007 年7月25日，江坪河水电站左岸梅家台山体因暴雨发生大面积滑坡，形成的堰塞体高30～50m，顺河床方向底宽约260m，方量约72万m3（王小波和向锋，2012）。
　　（3）冰川。冰川消退时，产生冰凌或冰碛堆积体，形成“冰坝”。例如，藏东南波密县古乡错，是1953年由冰川泥石流堵塞而成的。新疆天山天池，是古冰川运动形成了冻碛堆积体，堵塞了山谷的冰雪融水和高山降水，进而形成的。靠近北极的瑞士、加拿大、冰岛等国也常见这种堰塞湖。
　　（4）火山。火山爆发产生熔岩和固体喷出物（如火山弹、火山砾、火山砂和火山灰等），熔岩流或固体喷出物堵塞河谷或河床后形成堰塞体。例如，黑龙江东南部的镜泊湖，是由5次火山爆发的玄武岩熔岩流堵塞了牡丹江出口，形成了宽40m、高12m堰塞体。1719～1721年，黑龙江德都老黑山和火烧山两座火山喷发，熔岩堵塞了白龙河形成堰塞体，进而形成著名的五大连池。
　　（5）其他。由于加载、坡脚掏蚀或开挖、水位的骤然升降等原因，河谷岸坡发生滑坡或垮塌，形成堰塞体。
　　世界范围内1393个堰塞湖案例的统计数据（Shen et al.，2020）表明，形成堰塞湖的诱因依次是地震（50.5%）、降雨（39.3%）、融雪（2.4%）、人为原因（2.2%）、火山喷发（0.9%），其他未知原因占4.7%。由此可以看出，地震和降雨是形成堰塞湖的主导因素，两种成因的堰塞湖约占总数的90%。
　　堰塞湖在世界范围内广泛分布，大都位于亚洲、欧洲、美洲、大洋洲的高山峡谷及地震多发地带。全球大型堰塞湖中较为知名的有：1987年意大利Val Pola滑坡堵江堰塞湖，1993年厄瓜多尔La Josefina堰塞湖，1999年中国台湾南投堰塞湖，2005年巴基斯坦Hattian Bala堰塞湖，2008年中国唐家山堰塞湖等（Costa and Schuster，1991；钟启明等，2021）。
　　在我国，90%以上的堰塞湖分布于环青藏高原的边缘地带，尤其是西南山区和喜马拉雅山区等青藏高原的东缘。在这些地区，金沙江、澜沧江、怒江、大渡河、岷江、雅砻江等河流密集且强烈快速下切，形成山高谷深坡陡的地形，而且该处位于横贯欧亚大陆的地震活动带，地震活动频繁，仅21世纪以来发生7.0级以上强震就达23次，因此，河谷两侧山体容易发生大规模滑坡、崩塌等地质灾害，是堰塞湖的多发地带（王杨科等，2013）。
　　天然堰塞体高度可达几百米，主要由松散的土石混合物快速堆积形成，因而其结构较为松散，胶结不良，一般处于欠固结状态，整体稳定性差。与人工堆筑的坝体相比，堰塞体没有溢流设施来稳定堰塞湖的水位，也没有心墙或防渗墙等防渗结构，因此堰塞体容易由于漫顶溢流、潜蚀与管涌、边坡失稳而破坏。此外，由于地震原因形成的堰塞体，还常常由于后续地震和地震动水压力作用而破坏。漫顶溢流是堰塞体最主要的破坏模式，据Schuster（1995）的研究，在202个堰塞体的破坏案例中，有197个是漫顶溢流，4个是管涌破坏，1个是边坡失稳。漫顶溢流的成因分为两种：①库水上涨超过堰顶高程；②堰体破坏造成堰顶高度下降。
　　堰塞体存在的时间跨度从几分钟到几千年不等，根据其寿命长短，堰塞湖可分为即生即消型、高危型和稳态型三种。其中，1天或几天内溃决的堰塞湖为即生即消型，几天到100年溃决的堰塞湖为高危型，溃决时间超过100年的为稳态型。据不完全统计，80%以上的堰塞体都在1年内溃决（Costa and Schuster，1988；柴贺军等，2001；Ermini and Casagli，2003）。即生即消型的堰塞湖，其溃决破坏往往十分迅速，一般只有几小时到几天。当上游来水量较大或降水量较大时，堰塞体下游坡面容易受水流冲蚀而先局部破坏，洪水漫顶后局部破坏会迅速扩大，当冲坑发展到一定规模时，堰塞体就会出现局部失稳并溃决。
　　堰塞体一旦溃决，会导致堰塞湖湖水瞬间下泄，上游水位陡降容易造成河谷两侧出现塌岸等破坏，而塌岸造成的涌浪会进一步加剧对堰塞体的冲击；堰塞湖大量水体的突然下泄，会形成几米或几十米的突发性的洪水，给下游的生态环境和人民群众生命财产带来灾难性的破坏。例如，1933年10月9日，四川叠溪7.5级地震造成的海子堰塞湖坝体溃决，致使断流一个多月的岷江突发洪水，冲毁下游两岸农舍田地，造成约2500人丧生（聂高众等，2004）。2000年4月9日，西藏波密县易贡乡发生巨型山体滑坡，形成易贡堰塞湖，并于同年6月10日溃决，21亿m3洪水下泄，溃口峰值流量达到12.4万m3/s，导致我国墨脱、波密、林芝3县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（刘宁等，2016）。
　　1.2 堰塞坝及典型案例
　　1.2.1 堰塞坝及其特征
　　人们通过实践发现，一些经过应急处置后排除险情的堰塞体相对稳定。这类堰塞体不必拆除，可以直接进行资源化利用，实现“变废为宝”。将堰塞体进行合理改造和整治加固，使其成为永久拦蓄水建筑物，可实现堰塞湖的开发利用，具有重大的兴利效益。国内外已经有不少对堰塞体进行整治利用的案例，例如，1935～1950 年，新西兰利用怀卡里莫阿纳堰塞湖开发了3座梯级电站，总装机容量达124MW；1980年，重庆地震形成的小南海堰塞湖被改建为兼具发电、旅游、养殖的综合水利工程；2007年，第2届萨雷兹堰塞湖问题国际会议上，有学者提出将塔吉克斯坦1911年形成的萨雷兹堰塞湖开发为1座中等规模的水电站；2004年，四川叠溪小海子堰塞湖被改建为天龙湖水电站的调节水库；2019年，云南昭通鲁甸地震引发的红石岩堰塞体，已经完成了永久整治，成为一个集除险防洪、供水、灌溉、发电于一体的大型水利枢纽工程。这些经验告诉我们，实现堰塞体的“兴利除害”整治目标是可行的，对有潜在开发价值的堰塞体进行资源化利用，是今后堰塞体整治的发展趋势。
　　为了区别天然堰塞体，本书将经过人工整治后的堰塞体称为堰塞坝，即堰塞坝包括堰塞体、河谷岸坡残余滑坡体以及新施工的坝体和防渗体系等。堰塞坝与人工土石坝相比，两者在几何形态、材料性质及施工方式等方面存在明显的差异。
　　1）几何形态
　　堰塞体的形态复杂，不像人工土石坝具有十分规则的形态。堰塞体的规模大小与滑坡、崩塌、泥石流地质灾害的规模以及地形地貌等因素有关。统计结果表明，我国的堰塞体多由地震诱发，规模相对较大，高度从数十米至上百米，分布较分散（石振明等，2014），其中，大光包滑坡堰塞体高度可达690m（王云南等，2016），堰塞体体积的分布大都集中在106～107m3数量级；堰塞体沿河长度和跨河宽度可达为数十米至数千米，其中100～500m区间分布最多（叶华林，2018）；堰塞体与山谷地貌之间的关系复杂，包括完全堵江和不完全堵江等不同形式（Costa and Schuster，1988；柴贺军等，1995）。
　　2）材料性质
　　堰塞坝利用天然堰塞体筑坝，而堰塞体的材料特性主要表现为级配范围宽，岩性分层、均一性差，密实度较低，防渗性较弱等。
　　堰塞体的材料和人工堆筑的土石坝一样，也是土石料，但由于其是天然形成的，未经过人为筛选，因此堰塞体的粒径分布极为广泛（图1-1），其粒径范围可从几微米（如黏粒）到几米（如砾石），不均匀系数可达数百至上千，Castel dell’ Alpi地区堰塞体的不均匀系数更是达到了30000，而且呈现出了连续性差的特点（Casagli et al.，2003）。
　　
　　
　　图1-1 堰塞体土料级配*线
　　崩滑体在地震等因素作用下，往往快速下滑并在河床中堆积，结构体并不会完全解体破碎。因而堰塞体虽然空间结构复杂，但在很大程度上仍将保留原坡体岩体结构特点，且具有明显的分层现象（图1-2）。例如，唐家山滑坡堰塞体物质组成自上而下可分成四层：碎石土层、块碎石层、似层状结构巨石层、灰黑色含泥粉细砂（太薄可忽略）；红石岩堰塞体的地质结构也可以分为两层：堰塞体表层（Qcol-2）
　　
　　
　　图1-2 典型堰塞体地质剖面图
　　及堰塞体下部（Qcol？1），表层为孤石、块石夹碎石，有少量砂土，下部为块石、碎石混粉土或粉土夹碎块石。
　　由于岸坡基岩发生不规则的破碎和迁移，堰塞体材料往往表现出显著的不均匀性，不同部位的物理力学参数的离散性较大，例如，由室内试验确定的唐家山堰塞体的干密度范围为1.67～2.06g/cm3，而红石岩堰塞体的干密度范围为1.83～2.28g/cm3，孔隙率为19%～34%（汪志刚和杜奎，2015；罗刚，2012）。
　　此外，堰塞体一般是快速堆积形成的，没有经历过机械碾压，其密实度通常较低，局部存在土石颗粒架空现象，因而其压缩性往往较大，防渗性能相对较弱。
　　3）施工方式
　　由于堰塞坝需要保留天然堰塞体的大部分材料，其坝体无法采用传统土石坝的一些常见结构布置方式（如设置心墙、主次堆石等），因而无法按照传统土石坝的方式进行施工。对堰塞体进行整治时，一般需根据堰塞体的形态特征“量体裁衣”。
　　根据实际情况，可采取钢筋石笼网、抛石（砌石）、碾压等护坡工程措施，以及选用防渗墙、帷幕灌浆、固结灌浆、振冲（或强夯）密实、黏土垫层等防渗施工措施，或是在顶部或侧面新建坝等措施，对堰塞体进行加固处理，提高其整体稳定性，改善防渗性能（何宁等，2008）。同时，为防止两岸边坡再次发生滑坡失稳，往往还需对两岸的危岩体进行综合整治，可结合实际条件，选用清（削）坡、喷锚支护、锚索（杆、板）锚固、防护网（墙）等施工方式。
　　1.2.2 典型堰塞坝案例
　　国内外不乏把堰塞体或者滑坡体作为基础或者坝体的一部分来建坝的例子。Schuster（2006）统计了国际上254座直接与滑坡相互作用的大型坝体（高度至少为10m），其中，美国153座（60.2%），意大利11座（4.3%），澳大利亚7座（2.8%），印度、日本和英国共18座（7.1%），捷克和西班牙共10座（3.9%）。这些大坝的高度最低10m、最高170m，其中坝高10～50m的有153座（60.2%），51～100m的有62座（24.4%），101～150m的有29座（11.4%），151～170m的有9座（3.5%），1座大坝没有高度信息。就筑坝类型而言，这些坝中有165座为填土坝（65.0%），23座为堆石坝（9.1%），19座为土石坝（7.5%），24座为混凝土重力坝（9.4%），13座为混凝土拱坝（5.1%），7座为混凝土拱形重力坝，2座为砖石坝（0.8%），1座未知。