2018, Vol. 50引用本文 |
2. 四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065;
3. 南昌大学 建筑工程学院，江西 南昌 330031
2. College of Water Resource & Hydropower, Sichuan Univ., Chengdu 610065, China;
3. School of Civil Eng.and Architecture, Nanchang Univ., Nanchang 330031, China
近年来全球地质构造活跃，强震、暴雨事件多发，频繁诱发山体滑坡，尤其是在中国西南山区。山区大型滑坡极易堵塞河道而形成堰塞坝，这种由滑坡形成的天然堰塞坝在物质结构、几何形态、安全稳定、抗冲刷性能等方面差异较大，因此对上游（库区淹没）及下游（溃坝洪水）均会构成极大的安全危险。如1933年发生的四川叠溪地震堰塞湖溃坝，造成2 500余人被倾泻而下的洪水吞没。当前，不同国家和地区由地震和降雨触发的堰塞湖也常见于报道[1–5]。中国西南地区滑坡堵江事件最为频繁，近10年发生的强降雨、强震触发了大量的滑坡–堰塞湖，表1为部分典型案例。堰塞湖的形成过程受河谷形态、水流条件及滑坡特征参数（如滑坡类型、滑坡方量、滑坡物质结构、滑坡部位）等因素影响[6]，导致堰塞湖坝体物质结构、形态和规模具有较大的不确定性，从而增加了溃坝风险评估难度。因此，在堰塞湖形成后，采取及时有效的应急治理措施，往往是缓解或避免对下游社会和环境造成损害的首要任务。
| 表1 近10年来中国西南地区部分典型堰塞湖 Tab. 1 Some recent typical landslide-dammed lakes in southwestern China |
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近年来，国内外诸多学者对滑坡–堰塞湖开展了大量研究工作，并取得了丰硕的成果。实地考察和野外试验是研究堰塞坝稳定情况的有效手段[7–9]。由于堰塞坝原型观测难度较大，许多学者通过开展室内试验探究堰塞坝体失稳模式及其影响因素[10–14]。Korup等[15–16]采用不同的堰塞湖信息数据库和统计分析，提出影响堰塞坝稳定的主要参数和评价模型。堰塞湖风险评估主要包括坝体溃决危险性评估和造成的潜在损失评价。Cui等[3]依据坝体和水库特征参数对在汶川地震中形成的32个堰塞湖进行了溃决危险性评估。《堰塞湖风险等级划分标准》[17]采用溃决后导致的下游人口、城镇、设施等受灾严重性划分堰塞湖风险等级。Yang等[18]基于溃坝风险、上游淹没灾害、下游淹没灾害3方面评估，提出一种综合的堰塞湖风险评估模型。Xu等[13]采用模糊数学方法评估溃决危险性，根据溃决洪水演进过程，对鲁甸滑坡–堰塞湖进行了风险评价。石振明等[19]基于天然坝几何参数、河道三维地形信息、溃决模型与人口分布数据，提出一套定量风险评估方法。
工程应急治理措施是降低溃坝风险的常用方法，如西藏易贡堰塞湖、四川唐家山堰塞湖、云南鲁甸堰塞湖的排险处置等[20–22]，中国在这方面取得了丰富的经验。引流渠、泄水隧洞、排水涵洞（管）、爆破岩体、水泵和倒虹吸管抽排等是常用的工程除险措施[23–24]。然而，泄水隧洞造价高、施工耗时长，需要较好的成洞地质条件和施工道路；泄水涵洞（管）成本低、安装便捷，但排水能力偏小[23]；水泵和倒虹吸管抽排与泄水涵洞（管）的工作特点相似，可作为辅助措施限制库水位上涨[24]。一般来说，为实现库水位和蓄水量的快速降低，开挖泄水槽是滑坡–堰塞湖主要的应急治理措施[25]；开挖可采取人工、机械、爆破等模式，尤其对交通不便的山区堰塞湖，在施工上具有可操作性。由于应急泄水槽通常只需要一条，且过流泄水后，可借助水流的持续冲刷深切而加大过流能力，因而可称之为一种低成本、高效益的应急处理措施[26]。正是出于上述考虑，国内外堰塞湖的应急处理大多采用开挖或拓宽泄流槽的方式[23–24]。
应急泄水槽位置和形状的确定是整个应急抢险工作的关键，不同尺寸和形状的坝顶泄水槽漫顶溃决试验常用以分析溃口冲刷和溃决流量的变化过程，但这些仅针对泄水槽横断面，且尚停留在试验理论阶段[27–32]。曹永涛等[33]提出通过水泵抽水在堰塞坝体表面冲刷快速形成溢洪道的方法，但该方法对于庞大的大坝堆积体，特别是含石量高的坝体，其适用性还有待验证。
由于对滑坡–堰塞坝的形成过程、物质成分与架构、溃决机理等方面的认识仍存在较多不确定性，随着时间的增长，库容和水位都在增长（如唐家山堰塞湖一个月就可达到最高库水位），潜在溃决危险和下游受灾威胁在不断增大。因此，采用简便而有效的措施降低水位、排除险情，是堰塞湖应急处置的最主要手段，时间是其中的关键因素。结合2008年汶川地震30余座滑坡–堰塞湖应急排险与治理工作经验及后续的野外调查与研究，作者针对泄流槽这一最常用的堰塞湖应急处置措施，提出一套依靠三维激光扫描技术，根据点云数据快速找到工程量小、后期能有效依据自然力深切扩宽泄流槽的方法，具有较高的工程实用价值，可有效提高应急抢险效率。
1 滑坡–堰塞湖应对与挑战 1.1 地形地貌及地理交通陡峻狭窄河谷区的高速滑坡、崩塌是堰塞坝形成的一种主要原因[1,34]。坝址区往往对外交通不便，灾害发生后交通甚至中断，不仅增大了堰塞坝及时发现、考察勘探的难度，同时也给除险排危带来极大的挑战。如作者在白沙河流域堰塞湖串的调查中，手脚并用，历经两天山路才到达最靠下游的枷担湾堰塞坝（图1（a）、（b））。在唐家山堰塞湖应急抢险中，由于道路被毁，交通中断，包括35辆推土机、15辆挖掘机在内的80余件重型机械，无法开到坝顶，只能紧急开辟一条空中通道，采用米-26直升机运送前往堰塞湖坝址区（图1（c））。高山峡谷地形给堰塞湖除险加固的施工开展和弃渣处理带来极大不便。如位于牛栏江“V”型河谷区的红石岩堰塞体，初步计算规模达1.2
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| 图1 堰塞湖灾害区交通困难 Fig. 1 Poor accessibility and difficult transportation in landslide-dammed lake disaster areas |
1.2 几何形态及物质结构
堵江堰塞坝与滑坡类型、方量、物质组成、运动及供给沟道（河道）过程、沟谷形态和水流条件等密切相关。由于这些因素的多变性，使得堵江堰塞坝体积差异很大，形态多样，坝高几米到数百米、顺河长几十米到数千米不等。Costa[1]、柴贺军[34]、Dunning[6]等曾对堵江堰塞坝形态进行了分类；堵江堰塞坝物质结构多样，压实程度、物质成分与大小均有不同，甚至相差很大（图2）。堰塞坝几何形态和物质结构的多样性，使得不同堰塞坝寿命相差甚大，从数十分钟到数千年不等，坝体经受不同程度的表面冲刷与内部渗流侵蚀，反过来也进一步增加了坝体物质结构的多样性、复杂性和不确定性。由于短时间内获取坝体内部结构信息比较困难[35]，掌握坝体内部结构特点需借助相关先进的勘测技术手段[8]。Cui等[3]建议将坝体物质分为以土质为主、土含大块石、大块石含土和以大块石为主4类，这种分类方式对堰塞体的初步稳定性评价简单而实用。
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| 图2 不同堰塞坝物质组成与结构特征差异很大 Fig. 2 Considerable difference in material composition and structural properties of different landslide dams |
1.3 安全稳定及渗流特点
堰塞坝渗流特性主要受几何条件和水力条件影响，坝体物质组成与渗流模式对坝体失稳破坏形式起着关键作用[36]。水位上涨速度直接影响坝体内的水力条件，进而影响坝体渗流特点及稳定性。由于堰塞坝物质结构一般具有松散和不均匀的特点，内部形成渗流通道，当渗流作用使坝体内形成滑裂面或形成溯源冲刷并延伸至坝顶时，坝体将发生突然滑动溃决或渐进式破坏[37]。Wang等[35]通过野外考察，指出密实度大的堰塞坝体具有较低的渗透性和抑制管涌渗流破坏的能力。石振明等[38]对堰塞坝进行渗流稳定数值分析后认为：较小的坝顶宽度和下游边坡存在较大高渗透区的堰塞坝更容易发生渗透破坏，诱导形成管涌和连续破坏。
1.4 过流冲蚀特性堰塞坝体冲刷侵蚀是坝体与水流相互作用的必然结果，堰塞坝体的冲刷侵蚀特性与坝体物质组成密切相关[39]。柴贺军等[40]通过理论和实例分析，指出物质粒度控制坝体侵蚀性能，不均匀、粒径大的颗粒抗剪和抗侵蚀性能高，软弱、粒径小的颗粒则低；Chigira等[41]通过分析汶川地震中形成的堰塞坝也得出相同结论。Cao等[42]通过试验发现，含黏土成分的坝体相比不含黏土的非黏性材料坝体，可降低坝体失稳速率，增大溃坝历时。Wang等[7]通过野外考察和试验分析，认为块石有利于泄水道形成阶梯–深潭结构，消耗掉大部分水流能量，从而提高坝体抗侵蚀能力。因此，在水流条件相当的情况下，坝体的抗冲刷能力主要受坝体物质成分和粒径分布影响。
2 堰塞湖应急处置技术堰塞湖应急处置的基本原则是根据具体地形地质环境条件，迅速制定一套操作简单但又快速有效的措施；在较短的时间内，最大可能地降低和排出堰塞湖内拦蓄的大量湖水，保证堰塞湖的稳定与安全，确保施工人员和下游群众的生命安全[39]。根据堰塞湖坝高与库容、物质组成、危险等级等的不同，常用的处置方式有开挖泄流槽、开挖引水泄流隧洞、爆破拆除、临时加固、非工程应急避险措施等。值得注意的是，在实际工程中为满足应急抢险的需要，往往会采用多种处置技术相结合的方式，尽快排除险情。
2.1 开挖泄流槽开挖泄流槽是指对于坝体、库容较大的堰塞湖，自然条件无法过流，为降低风险，在堰塞坝顶垭口位置开挖出满足设计过流要求的泄流明渠，以此降低堰塞湖水位，并利用水流自身的冲蚀能力自然扩展泄流渠，实现堰塞坝体的逐步溃决或稳定，最终达到排除险情的目的。
在泄流槽设计开挖时应充分考虑堰塞湖所处的地质地形条件、堰塞坝物质结构特性、湖中水位等情况，充分考虑泄流槽的过流能力，选取适合的开口位置、大小、横断面形状。为防止下泄水流的过快掏刷和溯源侵蚀，确保堰塞坝安全稳定，控制下泄流量，在泄流槽的进口和出口要进行适当的防护，尤其是对于以土质或土含大块石为主的滑坡型堰塞湖，由于物质组成结构较为松散，下泄流量的过快增长可能导致整个堰塞坝的溃决。因此，对于自身稳定性差且抗冲刷能力弱的堰塞坝，应尽早开展引水泄流工作，避免溢流过程堰塞坝受剧烈冲刷作用而整体溃决。
2.2 开挖引水泄流隧洞对于地形条件好，可裁弯取直，堰塞湖坝体稳定性较好希望永久保留的，可考虑采用开挖引水泄流隧洞的处置方式。但这种方式对地形地质条件要求高，工期长，需要大型机械设备，一般适用于堰塞湖初期险情已排除，坝体基本稳定，希望堰塞湖长期保留，而为了避免突发山洪泥石流淤堵原有泄流槽，引发二次险情的情况。如唐家山堰塞湖在初期险情处置完成后，由于右岸存在大水沟和坡面泥石流爆发的可能性，采用截弯取直的方式，在左岸突出的山脊上修建了引水泄流隧洞，确保在遭遇突发大规模泥石流及明渠淤堵的情况下，为上游来水提供一个下泄通道，减缓库水位上升的速度，保证通口河唐家山下游的长期防洪安全。
对于有已建工程可利用，能够在较短时间内实现快速泄流过水的情况，也可采用引水泄流隧洞处置技术，或作为应急抢险的辅助手段。如在红石岩堰塞湖应急抢险阶段，针对堰塞坝正好处于红石岩水电站上游取水坝与下游发电厂房之间的情况，采取紧急措施，在红石岩水电站厂房下游侧，新建278 m长的隧洞与引水隧洞相接，形成应急引水泄流隧洞 （图3），控制上游水位上涨速度，为群众紧急避险和实施工程应急排险争取时间[43]。
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| 图3 红石岩堰塞湖引水泄流隧洞示意图 Fig. 3 Discharge tunnel in the emergency treatment for the Hongshiyan landslide dammed lake |
2.3 爆破拆除
滑坡–堰塞坝物质中在大块石较多，坝体渗流难以控制，且大型工程机械不便进场作业，短时间内难以开挖形成泄流槽的情况下，通常可采取逐层爆破拆除的处置方式降低坝前水位，排除风险。该方式尤其适用于高山峡谷区，地形狭窄交通不便，坝体以块石、大块石为主的崩塌型堰塞湖的应急处置，但应做好下游的预警避险措施[44]。
“5·12”汶川大地震中形成的老虎嘴堰塞湖为典型的崩塌型堰塞湖，崩塌体物质来源于原公路内侧相对高约20～300 m的山体，坝体表面堆积物粒径20～200 cm居多，其中可见近百吨的巨石。堰塞坝规模巨大，一度堵塞岷江，迫使岷江河道向右切入坡体内67 m之多，临时路基随时有被冲毁的风险，大型施工机械又难以开展工作。在这种危急的情况下，只能采用爆破大块石的方式，对堰塞坝进行爆破拆除处理（图4）[45]。
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| 图4 老虎嘴堰塞湖大块石爆破拆除示意图 Fig. 4 Blasting demolition in the Laohuzui landslide dammed lake |
2.4 临时加固
对于上游来水量不大，堰塞坝物质以块石为主，坝体规模较大且结构比较稳定的崩塌型堰塞湖，其风险等级一般较低。若采用开挖泄流槽的处置方式则施工工期较长，费用较高，在条件允许的情况下，可采用护坡、黏土防渗、加固注浆等临时加固手段，使堰塞体加固成坝，同时通过抽水、倒虹吸等方法降低坝前水位。
2009 年重庆武隆鸡尾山发生大规模岩体崩塌，堵塞了乌江支流的石梁河，形成堰塞湖。鸡尾山堰塞湖的堆积坝体规模巨大，坝高100多米，方量达1.2
堰塞湖所在区域多为山洪暴雨多发地区，尤其在汛期，上游来水量大，水位上涨快，而应急抢险工程措施需要一定的时间和条件；同时，堰塞湖在应急泄流时，冲刷侵蚀、渗透破坏等风险很大；另外周边地质环境在经历极端事件（强地震、强降雨）后，较脆弱，极易引发二次灾害。因此，非工程措施在应急抢险阶段显得尤为重要，应当贯穿于堰塞湖应急处置的整个过程。
非工程措施主要是指在堰塞湖应急处置过程中采取遥感测量、勘探、观测等多种手段，监测上游水情，堰前水位，堰塞体侵蚀冲刷、变形和渗流情况，以及堰塞体两岸边坡的稳定情况，建立监测预警预报系统。
对存在溃决危险的堰塞湖，要尽快制定和落实下游人员安全撤离转移的预案，包括堰塞湖溃决程度、影响的区域、人员疏散方案、疏散位置及相应措施，并在下游布置警示标牌，作为人员紧急疏散参考等。确定组织形式，明确责任人，一旦有险情征兆，及时向下游发布预警，确保人员安全疏散撤离，并得到妥善临时安置，确保人员生命安全[47]。
3 引流泄水优化技术堰塞湖的应急处理，应按照“科学、安全、主动、快速”的原则进行处置，在较短的时间内，最大可能地降低和排出堰塞湖内拦蓄的大量湖水，保证堰塞湖的稳定与安全。表2统计了西南地区12座典型的、不同性状的堰塞湖的应急处置方法。由表2可知，开挖泄流槽引流泄水的紧急处置堰塞湖的方法最简单、适用性最广、最常用，尤其对于高危、极高危的大型堰塞湖应急处置，发挥了关键作用，如唐家山极高危堰塞湖、鲁甸红石岩极高危堰塞湖、四川平武县文家坝高危堰塞湖均采用了这种应急处置方法。
| 表2 中国西南地区近10年部分典型堰塞湖应急处置方法 Tab. 2 Typical emergency treatments on the landslide dammed lake in southwestern China in the last ten years |
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在实际工程抢险过程中，由于所处地形地质条件及形成机理不同，各个堰塞湖表面形态、物质组成、结构特点各不相同，泄流槽的开口位置、大小、形状的确定很大程度上要依靠专家的现场调查和经验判断。然而，灾害现场往往情况复杂，一方面，短时间内难以全面掌握堰塞坝的特性，造成设计偏差；另一方面，应急抢险时间宝贵，大范围的现场调查会制约应急抢险时间。因此，选择有效合理的应急处理方式对于堰塞湖的抢险工作至关重要。
3.1 堰塞湖引流泄水的关键问题泄流槽作为应急抢险最常用的工程措施，应尽可能在短时间、小开挖量的情况下完成通水过流，并利用水流自身的冲蚀能力扩展泄流槽，降低堰塞湖水位，实现堰塞坝体逐步溃决和安全泄洪，达到排除险情的目的。
对于已经溢流的堰塞坝，泄流槽的进水口位置和纵向线路已基本确定，因为水流自身寻找的天然路径往往是最优的，其关键是横断面的设计。对于完全人工开挖形成的泄流槽，面临3个关键问题：
1）进水口位置的确定。进水口是泄流槽的首部，决定了库水何时开始下泄，因此通常选择坝顶高程最低的垭口作为泄流槽的进水口，多位于坝顶两岸（对于高速滑坡–堰塞坝，垭口一般在滑坡一侧；对于低速滑坡–堰塞坝，通常在对岸）。可见，依靠一定的技术手段快速寻找垭口位置是解决该问题的关键，特别对于坝顶横河向长度较大的堰塞坝。
2）横断面的选择。泄流槽横断面形式的选择直接关系到堰塞湖的泄水过流能力。受时间和施工条件限制，选取的泄水断面形式应尽可能在较小的开挖量下，具有一定的初始过流能力，提前降低库水位；也能在水流作用下不断深切拓宽，加快水位降低速度；同时防止后期流量失控、冲刷过大而导致溃坝。横断面设计主要根据具体的地质、地形等条件，如坝体物质组成与压实程度、坝体宽度。对于物质松散、横河向长度较大的情况，宜选择宽浅式断面；对于块石为主、横河向长度较小的情况，可选择窄深式断面。断面大小可按流域多年平均洪水设计[48]。
3）纵断面的选择。泄流槽的路径走向和坡降变化是影响坝体安全泄洪的另一主要因素，与横断面相辅相成。唐家山堰塞湖在应急治理初期，于渠身中上游处开挖了一条左侧支流，增大流量和降低水位的效果非常有限；沿着右岸自然形成的凹陷沟渠开挖的短直泄流槽，在去除参杂的大块石后，泄水流量在2 h后显著增大，最后完成唐家山安全泄洪的任务。泄流槽路径走向对过流能力影响很大，通过堰塞湖应急治理实践形成以下基本认识：即使在坝体上开挖若干条槽子，水流最终仍只沿自身选择的最合理的路径奔流而下，这也是一般只需要开挖一条泄流槽的道理。坡降大小直接影响流量大小和坝体冲蚀，泄流槽进口至出口的整个坡降变化要平稳过度，其设计原则与横断面相似[49]。
3.2 点云数据的获取及处理滑坡–堰塞坝的表面形态对泄流槽设计至关重要。如前所述，泄流槽应布置在堰塞坝地形较低处，并依地势借助水流的自然下泄冲刷，逐步扩展泄流槽，以减少土石方开挖量，加快施工速度，增大泄流能力，力争在尽可能短的时间内排除险情。故只有在准确获取堰塞坝三维地形信息的前提下，充分认识堰塞坝表面形态及物质组成，才能做出合理的泄流槽位置设计。以往堰塞湖应急抢险使用雷达航测或遥感数据得到的堰塞坝三维地形数据精度有限，尤其是设计中最关注的高程方向精度，最高只能精确到米级，不能精确地反映堰塞坝表面地势起伏（坡降）的情况，需要抢险人员前往堰塞坝进行现场踏勘。而堰塞坝主要由滑坡崩塌堵塞河道形成，物质组成复杂，结构稳定性难以判断，岸坡时有飞石滚落，现场踏勘具有一定危险性。因此，如何通过远程非接触式测量技术，高精度地获取堰塞坝及周围环境的三维空间信息（尤其是高程信息）非常重要。
三维激光扫描技术又称“实景复制”技术，是测绘领域继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术的新突破。作为一种精细化测绘的技术手段，三维激光扫描技术采用非接触主动测量的方式，能够高精度（毫米级）、高密度（点云间距5～10 mm）、快速（10 min/次）地获取扫描对象空间信息，且高程方向测量精度也完全不受限制，非常适合用于野外小区域地形的精确测绘与建模。
在堰塞湖应急抢险处置中，可以通过三维激光扫描技术，获取堰塞坝表面的高精度三维空间信息。使用长距离三维激光扫描仪（最远可达6 km），选取安全、通视条件好的位置，分多站扫描获取整个堰塞坝及周围环境的三维空间点云数据；通过点云拼接技术，将各站扫描点云拼合成一幅完整的堰塞坝表面三维点云模型，并通过坐标转换将堰塞坝三维模型转换为大地坐标；进一步地，通过点云三维重建技术建立堰塞坝及周围环境的高精度DEM 三维模型。
3.3 堰塞湖引流泄水方案制定及优化在理想条件下，水流总是沿坡降最陡的方向流动，这也是堰塞坝泄流槽设计的关键所在。因此，可通过模拟水流在堰塞坝上的流动状态，利用水流的流动轨迹，寻找最优的泄水路径。作者基于堰塞坝高精度DEM 三维模型，采用D8算法，提出一种新型堰塞湖泄流槽设计及优化技术。
D8算法是一种基于DEM 三维模型的流域水系提取方法，其根据水沿斜坡最陡的方向流动的原理，遍历DEM中的全部栅格单元，并将所有的栅格作为中心栅格，计算中心栅格与周围8个相邻栅格之间的坡降，取坡降最大的两个栅格间的连线为中心栅格的水流方向，进而提取出DEM中的水系河网。在堰塞坝DEM 三维模型中，为搜索到泄流快、工程量省的最优泄流槽位置，运用此算法，将三维激光扫描获得的堰塞坝DEM 三维模型视为一个小流域，模拟水流在该流域的流动状态，根据水流流动轨迹，提取出从堰塞坝上游到下游的“河道”，此“河道”即为最优的泄流槽位置。但此算法提取的“河道”曲线形状不规则，部分位置的“河道”曲线曲率过大，存在转角较大的情况，不符合实际工程设计中泄流槽的水力学原理，不能直接作为实际设计的泄流槽位置。因此，基于所提取的“河道”，使用分段线性插值曲线拟合“河道”，以使泄流槽尽量顺直为原则，用线性插值曲线代替提取的“河道”，将分段线性插值曲线作为泄流槽轴线，既能保证泄流顺畅、工程量较少，又方便泄流槽的实际施工。
此外，以上述分段插值曲线为泄流槽轴线，根据实际地质地形条件、堰塞坝堆积物材料类型、上游水文情势等情况，分别设计不同的泄流槽底宽、进口高程；依据设计断面的底宽和高，计算出水力最佳断面时的横断面坡比；在堰塞坝DEM 三维模型中生成泄流槽模型，提取其土石方开挖量，并计算出泄流能力，进行方案比选。实施时根据实际施工能力、水情及其他险情适时动态调整。
4 实例分析为验证本文提出的新型泄流槽设计及优化技术在堰塞湖应急处置中应用的可行性，以鲁甸红石岩堰塞湖为例进行相关分析。
如图5所示，红石岩滑坡–堰塞坝呈马鞍形，两侧高、中间低，堰顶鞍部高程1 222 m，堰塞坝高83～96 m，堆积物总方量达到 1.7
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| 图5 红石岩堰塞坝示意图 Fig. 5 Diagram of Hongshiyan landslide dam |
采用RIEGL VZ-2000 三维激光扫描仪，共分13站扫描获取红石岩堰塞湖及周边的三维空间点云数据，通过对三维点云数据的除噪、拼接、配准、三维重建等一系列操作后，建立堰塞坝的DEM 三维模型。采用本文提出的新型堰塞湖泄流槽设计及优化技术，对应急处置的泄流槽开挖设计进行模拟分析，具体实施步骤如下：
1）模拟水流状态，获取最佳泄流路径。将堰塞坝区域看成1个小型流域，采用D8算法模拟水流在堰塞坝DEM 三维模型中的流动情况，提取水流流动轨迹，根据汇水情况提取堰塞坝流域内的“河道”，如图6（a）所示。“河道”全长1 019.29 m，上游起点高程1 184.27 m，下游终点高程1 124.76 m。
2）设计泄流槽中心线。对提取的“河道”用分段线性插值曲线进行拟合，拟合线段共3段，第1段长256.55 m，第2段长229.79 m，第3段长399.92 m。
3）选择泄流槽横断面形状。根据三维激光扫描得到的点云数据，识别堰塞坝堆积物表面块体的粒径分布情况。粒径在0.5 m以上的约占50%，粒径为0.02～0.50 m的约占35%；堆积物较均匀且细颗粒较多，选择宽坦型泄流槽。
4）设计泄流槽。输入泄流槽进口高程1 185.27 m，底宽10 m，第1段纵坡降3%，第2段纵坡降12%，第3段纵坡降8%，水力最优断面边坡坡降为1∶1.78。结合施工实际，取坡降为1∶1.5，生成梯形断面泄流槽；进一步地，在梯形断面泄流槽底部设计一个三角形断面，三角形断面上顶宽取5 m，高取3 m；最后，在堰塞坝模型中生成复式三角形断面泄流槽模型。
5）根据生成的泄流槽模型，计算出泄流能力为2 730 m3/s，开挖方量为5.78
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| 图6 红石岩堰塞湖引水泄流隧洞示意图 Fig. 6 Discharge chute scheme for the Hongshiyan landslide-dammed lake designed by using the new optimization technology |
将本试验结果与红石岩现场应急处置采用的泄流槽对比分析，发现实际采用的泄流槽中心线位置、断面体型与本试验结果较为接近。本方法能够快速确定泄流槽开口位置、最佳泄水路径，且其更符合水力学原理，在堰塞湖应急处置中具有一定优势。
5 结 论堰塞湖应急处理的基本原则是结合具体地形地质环境条件，迅速制定一套操作简单、快速有效的措施，在较短的时间内，最大可能地降低和排出堰塞湖内拦蓄的大量湖水，保证堰塞湖的稳定与安全，确保施工人员和下游群众的生命安全。
根据堰塞湖坝高与库容、物质组成、危险等级等不同，常用的处置方式有开挖泄流槽、开挖引水泄流隧洞、爆破拆除、临时加固、非工程应急避险措施等。
开挖泄流槽引流泄水的紧急处置堰塞湖的方法适用性广、可操作实施性强。在实际工程抢险过程中开挖泄流槽面临3个关键问题：进水口位置的确定、横断面的确定、纵断面的确定。
基于堰塞湖溢流时水流总是沿坡降最陡方向流动的特性，提出一种行之有效的堰塞湖泄流槽设计及优化技术。该技术基于堰塞坝三维激光扫描高精度DEM模型，采用D8算法模拟水流在堰塞坝上的流动状态，从而寻找出堰塞湖的最优泄水路径。应用提出的方法对鲁甸红石岩堰塞湖泄流槽的设计开挖进行模拟分析，分析结果与实际采用的方案比较一致。
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