堰塞湖作为一种典型山区地质灾害链类型，具有堰塞体结构松散、几何形态各异、上游淹没范围广、堰塞体溃决风险高、溃决致灾影响距离远等特点。堰塞湖应急抢险极易受基础资料薄弱、水陆交通不便或完全中断、周边环境危险、施工时间紧迫等因素制约，排险处置难度非常大，且极有可能因应急处置不及时或处置不当造成灾难性后果。例如，1933年四川叠溪地震滑坡堰塞湖群溃决事件导致下游2 500余人丧生^[1]。2008年以来，中国西南山区因强降雨或地震作用诱发了数量众多的滑坡堰塞湖灾害，部分典型案例如表1所示^[1]。2008年汶川地震诱发了上百座滑坡堰塞湖，其中，85.6%的堰塞湖主要沿地震主破裂带呈条带状分布，沿河流呈梯级分布，堰塞湖群溃风险极高，一旦溃决将对下游城镇和村庄造成毁灭性的影响^[2]。例如，汶川地震在四川省绵竹市绵远河流域诱发的堰塞湖群如图1所示，堰塞湖群对下游绵竹城区的安全构成了极大威胁。2018年，金沙江白格堰塞湖堰塞体体积达到2.795×10⁴ m³，堰塞湖上游受威胁范围达20多公里，下游多座公路干线、桥梁被毁，国道G214和G318断道，如图2所示^[3]。近些年，受地震活动频发、全球气候变化及人类活动影响，堰塞湖灾害呈高发态势，中国堰塞湖应急处置能力与国家堰塞湖防灾、减灾、救灾需求之间的矛盾日益突出。鉴于此，亟需针对堰塞湖风险评估及应急处置开展科学研究，以降低堰塞湖灾害对上下游人民生命及财产的影响。

表1(Tab. 1)

表1 2008年以来中国西南地区部分典型堰塞湖 Tab. 1 Typical dammed lakes in southwestern China since 2008

表1 2008年以来中国西南地区部分典型堰塞湖 Tab. 1 Typical dammed lakes in southwestern China since 2008 序号 堰塞湖名称 地点 所在河流 成因 堰高/m 最大库容/m3 1 唐家山 四川北川县 通口河 2008年汶川地震 103 3.15×108 2 马鞍石 四川平武县 石坎河 2008年汶川地震 67 9.90×106 3 文家坝 四川平武县 石坎河 2008年汶川地震 38 1.50×107 4 灌滩 四川安县 睢水河 2008年汶川地震 70 1.00×107 5 小岗剑上 四川绵竹市 绵远河 2008年汶川地震 67 8.50×106 6 石板沟 四川青川县 清江河 2008年汶川地震 75 1.10×107 7 老鹰岩 四川安县 黄洞子沟 2008年汶川地震 118 5.30×106 8 鸡尾山 重庆鸡尾山 乌江石梁河 2009年鸡尾山滑坡 100 4.90×105 9 红石岩 云南鲁甸县 牛栏江 2014年云南鲁甸地震 83 2.60×108 10 永定桥 四川汉源县 流沙河 2013年雅安地震 40 2.00×106 11 白格 西藏江达县 金沙江 滑坡 约120 5.78×108 12 加拉 西藏米林县 雅鲁藏布江 泥石流 95 5.80×108

图1(Fig. 1)

图1 2008年汶川地震诱发的绵竹市绵远河流域堰塞湖群 Fig. 1 Dammed lake group induced by the 2008 Wenchuan earthquake in Mianyuan River basin in Mianzhu

图2(Fig. 2)

图2 2018年白格堰塞湖导致的交通设施损坏 Fig. 2 Damages of transport facilities induced by the 2018 Baige dammed lake

中国在堰塞湖关键技术领域的研究尚处于起步和技术探索阶段，尤其是在堰塞湖风险快速评估及应急抢险方面缺乏先进、实用的技术支撑，现阶段仍以既有经验、常规设备为主（图3），远不能满足当前堰塞湖风险快速评估及应急抢险的实际需求。此外，堰塞湖风险评估的准确性和应急抢险的快速高效性难以确保，亟需在堰塞湖成灾机理、监测预警、应急抢险关键技术与装备等方面开展系统研究，提高堰塞湖应急抢险决策水平和能力，为促进中国防灾、减灾、救灾能力提升，保障人民生命财产安全和国家社会经济可持续发展提供技术支撑。

图3(Fig. 3)

图3 金沙江白格堰塞湖2019年应急抢险现场 Fig. 3 Emergency rescue scene of the Jinsha River Baige dammed lake in 2019

堰塞体是由于固体物质阻塞河道形成的具有一定库容的天然土石坝。目前，堰塞湖溃决机理研究主要采用物理模拟和数值模拟。物理模拟的难点和关键点在于堰塞体结构的精准获取及模拟；数值模拟仍停留在清水条件，未能考虑携砂水流的互馈影响。欧盟的CADAM项目^[4]和IMPACT项目试验^[5]、南京水科院的滁州现场试验^[6]、四川大学的堰塞坝溃决模型试验^[7-8]在揭示溃决机理、验证计算成果方面起到了较好的效果，但与实际堰塞坝相比，试验坝体尺度偏小。为克服这一弊端，中国水科院^[9]和南京水科院^[10]利用离心机模型试验，借助重力场相似原理模拟堰塞坝的溃决过程。但是，目前堰塞体离心机模型试验技术尚不够成熟，试验模型与原型之间的相似准则有待进一步研究和验证。Xu等^[11]建立了包含56个国家1 609个溃坝案例的溃坝数据库，并利用统计分析方法，提出不同材料土石坝的溃坝过程。伴随着计算机的发展，数值模拟逐渐成为模拟堰塞湖溃决机理的重要手段。20世纪60年代以来，多国学者提出多个模拟土石坝溃决的数学模型，如1维Cristofano模型^[12]、H–W模型^[13]、BREACH模型^[14]、BEED模型^[15]等。Cao等^[16]通过求解圣维南方程组提出溃决模拟的2维模型及方法。也有部分学者建立了溃坝3维模拟方法，但是普遍存在建模困难、计算效率低等问题。近些年，李相南等^[17]采用双曲线冲刷率模型改进了溃口洪水分析计算，但与实测值仍存在差距。由于堰塞体溃决是一个复杂的溃口冲刷、崩塌耦合和裹挟阻滞的快速演变过程，涉及水力学和土力学两大领域，现有分析理论尚无法反映高速水流条件下的脉动作用及掺杂砂石条件下的洪水冲切作用。

以往因为基础数据匮乏、信息快速获取和多源数据融合困难等问题，给堰塞湖应急处置及后期科学治理带来了极大挑战，往往导致堰塞湖应急处置不及时或处置不当，进而引发更加严重的次生灾害。汶川地震中唐家山堰塞湖的成功处置证明了准确获取堰塞体多源信息对于堰塞湖应急处置的重要性。快速感知堰塞湖影响范围内的物源信息是堰塞湖应急处置的前提条件和基础。近些年，国内外研究者对堰塞湖多源信息的快速感知进行了有益尝试。中国水科院等机构采用卫星遥感、无人机、无线视频、3维激光扫描、物探等手段获取堰塞湖信息，开发了一些水文水情数据采集监测系统^[18-20]。国外部分学者综合利用遥感、数字地形数据和光学图像对滑坡堰塞湖及溃决洪水信息进行感知^[21-22]。然而，现有研究仍难以满足堰塞湖多源数据的透彻感知识别，无法实现信息的全面互通与动态可视化表达，对应急抢险决策支持不足。建立集堰塞湖遥感影像、地理地形、水文水情、地质及堰塞体结构等信息的3维智慧应用与管理平台，是提高堰塞湖应急抢险管理与决策水平的发展方向。

堰塞湖险情应急监测预警方面，过去仅限于堰塞湖水位监测、边坡稳定监测等方面，尚未建立针对堰塞体和泄流渠的监测方法和技术体系，缺乏安全评估与预警技术。堰塞湖区往往通讯与交通不便，现有监测技术和手段难以适用。美国、意大利等国学者已开展星（机）载、陆基遥感与分布式技术监测研究。中国学者的研究虽已起步，但关于堰塞湖区的研究较少，综合运用多种监测技术，建立多维、多源信息快速解译方法，是实现堰塞湖险情应急监测预警的发展趋势。

堰塞湖风险评估方面，汶川地震后，地震滑坡堰塞湖引起了众多研究者的关注，在滑坡堰塞湖风险评估方面取得了一些研究成果^[2,23-25]。2009年，中国颁布实施了 《堰塞湖风险等级划分标准》^[26]，为堰塞湖风险评估提供了依据，但该标准未充分考虑堰塞体结构形态、抗冲蚀特性及湖区次生灾害等要素的影响，堰塞湖影响区的灾损也缺乏科学的评估方法。欧美学者基于堰塞湖库容和流域水文及堰塞体形态特征等指标，提出风险评估方法^[27-30]。通过研究堰塞体物质组成与结构、堰塞体形态对冲刷过程和溃决机理的影响，可进一步提高堰塞体风险评估的科学性和准确性。

唐家山等堰塞湖应急抢险后，在充分总结处置经验的基础上，中国颁布了《堰塞湖应急处置技术导则》。目前，国内外堰塞湖应急处置工程措施主要包括开挖泄流渠、抽排水及开挖泄水洞等，抢险过程中采用了直升机、长臂挖掘机等大型设备^[1]。金兴平^[31]对2018年金沙江白格和雅鲁藏布江米林先后发生的4次重大堰塞湖灾情处置情况进行了回顾，总结了主要经验和启示。日本国土交通省通过对中越地震后地质灾害的应对方针进行经验总结，于2005年2月提出《近期泥沙灾害问题的对应方针》，规定了堰塞湖形成后采取相应措施的流程，其中包括防止次生灾害对策的流程、应急排险施工法研究的流程等^[32]。堰塞湖应急处置经验表明，抢险的关键在于科学决策、快速设计、高效施工与有效控制，为此，需要在堰塞湖快速排水疏导、堰塞体溃决过程控制、下游应急避险等方面开展针对性研究。

鉴于中国在堰塞湖应急处置与救援方面的不足，期望通过针对性的研究，揭示堰塞湖形成演变机制及其与溃决模式的内在联系，提升堰塞湖信息快速获取、堰塞体结构快速探测和险情快速监控预警的能力，建立堰塞湖致灾风险快速评价技术，研发应急抢险成套关键技术和装备，显著提升中国堰塞湖应急抢险决策水平和能力。

堰塞湖的成生机制和溃决机理是堰塞湖风险快速评估和应急抢险的前提和基础，这是本研究需要解决的两个关键科学问题。目前，中国在堰塞湖信息快速感知、携砂水流模拟、堰塞湖致灾风险评估及堰塞体流道控制等方面的技术尚不够成熟，未成体系，这是本研究需要突破的4个关键技术问题。

1）基于岸坡地质和运动过程分析的堰塞体形成机理

深入研究堰塞体物质来源和运动堆积过程及其与高危堰塞体物质组成和结构之间的物理关系；分析失稳岸坡失稳启动—高速运动—停歇堆积过程的能量耗散和转换机制；基于失稳岩土运动过程，深入剖析土石料堆积分选机制，提出基于岸坡地质和失稳岩土运动过程分析的堰塞体物质组成和结构快速识别方法。

2）不同结构及变化环境下的堰塞体溃决机理

堰塞体冲蚀溃决过程呈明显的非均衡性（非线性），溃口水力要素指标呈强非恒定流特征，溃口流量过程峰高尖瘦，模拟预测难度极大。堰塞体逐层均匀冲蚀、多级跌坎冲蚀和陡坎冲蚀形成的内在机制不明。堰塞体物质组成、结构和形态对堰塞体溃决机理的影响尚不明确，不同粒径级配单一与组合条件下堰塞体溃口冲蚀发展过程、坝体溃决不同阶段的溃决历时与致灾影响，以及水流漫顶和管涌破坏两种溃决模式下水土耦合作用机制有待进一步探究。

1）堰塞湖多源信息快速感知、动态识别与结构探测技术

堰塞湖抢险救灾需要实时快速获取从地面到水下全方位的地理、地质和水文气象等信息。首先，需要解决空天地水下多设备联合监测数据的实时获取与互联存储问题，保证快速、准确、全面地获取数据；其次，需要突破多源数据快速融合识别和堰塞体内部结构探测技术，以实现数据的一致性和智能识别应用；最后，突破3维模型一体化重构技术，研发堰塞湖信息3维可视化与智能管理平台，解决快速决策分析数据源和对外提供数据服务的关键技术问题。

2）基于携砂水流的堰塞体溃决过程模拟技术

现有堰塞体溃决模拟均未能考虑携砂水流的影响，建立携砂水流流固耦合本构方程及基于这一本构方程的堰塞体3维溃决数值分析模型是研究需要突破的关键技术问题。建立携砂水流的流固耦合本构方程时，需要明确携砂水流能量损耗、携砂浓度、水深、流速等变量之间的内在关系，揭示携砂水流对堰塞体的非线性冲刷机理，并最终开发包含携砂水流流固耦合本构模型的堰塞体3维溃决数值分析平台。

3）考虑结构形态要素的堰塞湖致灾风险评估技术

提出包含结构形态、湖区次生灾害等多要素的堰塞体危险性评价技术，考虑堰塞体危险性级别和溃决损失的堰塞湖风险等级评估技术；基于虚拟地理环境的溃决洪水演进数值模拟技术，考虑洪水影响区域社会经济指标的灾害损失评估技术、开放式堰塞湖溃决洪水致灾预警与风险评估技术。

4）堰塞湖高效排水疏通及堰塞体流道控制技术

系统提出考虑不同来水情况、地形地质条件，以及堰塞体不同风险等级、规模、物质结构形态特征的堰塞湖成套快速排水疏通技术，包括定向钻进快速成洞排水疏通技术、开渠导流快速排水疏通技术；针对开渠导流，研发土方连续开挖掘进装备与连续转运输送装备，研发边坡冲刷变形保护和随底板下切的柔性防护体系及配套装备。

本研究共设置6个课题，课题间的逻辑关系见图4。

图4(Fig. 4)

图4 本研究的6个课题之间的逻辑关系 Fig. 4 Logical relationship among the 6 sub-topics in this research

课题1开展堰塞体形成和溃决机理研究，建立考虑携砂水流的堰塞体溃决过程模拟技术和溃决洪水演进模拟；其研究成果直接支撑课题4。课题2和3主要研究堰塞湖多源异构信息的快速获取、融合及管理技术。课题2和3共同为课题4和5提供支撑信息和数据。课题4主要研究堰塞湖致灾风险评估技术，是前3个课题研究成果的集中运用，同时为课题5和6提供基础研究条件。课题5开展高风险堰塞湖应急处置技术研究，提出堰塞湖应急抢险决策标准、应急抢险预案及下游应急避险技术，形成堰塞湖快速疏通排水成套技术及泄流渠柔性防护关键技术。课题6针对课题5中的工程措施，研发相应配套装备。

课题1“堰塞体形成与溃决机理及溃决过程研究”从堰塞体成因、物源、堰塞体形成的运动学特征等角度出发，探究堰塞体物质组成、结构及形态的形成规律与识别方法，研究基于成生关系的堰塞体形成演化机制；研究复杂物质结构特征堰塞体的溃决机理，探索不同致灾因子作用下堰塞体的溃决模式；开发携砂水流流固耦合本构模型，建立堰塞体溃决数值模拟理论，开发堰塞体溃决过程模拟技术和高效技术方法，搭建考虑携砂水流作用的堰塞体溃决过程数值模拟平台；研究不同溃决情形下溃决洪水的演进模拟技术，探究溃决洪水演进特征及其致灾机理。

课题2“堰塞湖多源信息快速感知与探测技术研究”构建空、天、地、水下一体化的动态立体信息感知体系，获取地理环境、气象、水文、致灾因子、生境等相关地理空间数据和堰塞体结构、岩土地质等工程数据，完成多源异构空间数据的快速融合和空间一致化；研究基于大数据量遥感影像与利用机器学习的实时图像方法，进行堰塞体等目标的自动识别；研究基于3维模型重构技术的3维堰塞湖智慧应用平台。

课题3“堰塞湖险情应急监控与预警技术研究”研发堰塞湖湖区不稳定地质体、堰塞体变形及堰塞体渗流的应急监测设备，建立多尺度一体化监测技术体系；结合国内外堰塞湖险情表现形式和应急监测信息特点，研究基于多源数据的高精度DEM 应急构建方法，提出堰塞湖险情应急预警技术；建立基于监测信息的安全评估及预警模型，开发堰塞湖应急监测信息云智慧管理平台。

课题4“堰塞湖致灾风险评估技术研究”建立考虑堰塞湖多指标综合风险评价体系；研究持续渗流、洪水、地震及湖区滑坡等因素对堰塞体安全稳定的影响规律，建立包含结构形态、湖区次生灾害等多要素的堰塞体危险性评价量化模型；研究河道堰塞致灾与堰塞湖溃决致灾的淹没分析方法，构建灾害损失评估体系；对堰塞湖风险因子进行识别和排序，提出堰塞湖风险等级评估模型；通过高性能软件研发与系统集成，开发基于虚拟地理环境技术的开放式堰塞湖溃决洪水预警与风险评估系统平台，并在2处以上典型堰塞湖开展示范应用。

课题5“高风险堰塞湖应急处置技术研究”开展多风险等级、考虑堰塞体特征及缺乏信息状态下的堰塞湖应急抢险预案研究；构建融入应急处置方案的堰塞湖情景推演方法及模型，研究堰塞湖应急处置决策机制，提出决策方案效果评估模型，提出受限制条件下的堰塞湖应急抢险快速决策标准；研究提出定向钻进快速成洞排水疏通技术、堰塞体开渠导流快速排水疏通技术及堰塞湖快速抽排水技术，形成堰塞湖成套快速排水疏通技术；提出泄流渠边坡崩塌控制及抗冲刷柔性防护技术；提出下游影响区精细化识别技术，建立下游应急避险预警响应机制，提出下游人员应急避险措施及重要设施应急防护措施。

课题6“堰塞湖应急抢险关键装备研发”提出堰塞湖抢险关键装备的作业条件、主要工况和技术性能指标；针对堰塞湖泄流通道开挖抢险作业时间紧、工程量大的问题，开展连续开挖掘进与快速输送技术研究，研发机动性强、可适应复杂工况的专用挖掘与输送装备；研发高效、便捷、环境适应性强的挂壁式柔性防崩塌装备；针对泄流通道下切控制难题，基于泄流通道底板防护技术研究，研发振桩锚链设备。

本研究综合采用物理模型试验、3维数值虚拟与仿真、空天地多维数据获取、数据挖掘与反演等多种技术手段，开展堰塞湖风险评估快速检测与应急抢险技术和装备研究。

1）多尺度物理模型试验与数值模拟

利用物理模型试验，揭示堰塞体的形成演化机制。利用大尺度堰塞体溃决物理模型，模拟不同粒径级配单一与组合条件下堰塞体溃口冲蚀发展过程，分析坝体溃决演化与致灾影响，研究水流漫顶和管涌破坏模式下水土耦合过程与差异，揭示逐层均匀冲蚀、多级跌坎冲蚀和陡坎冲蚀的内在机制。通过大型冲蚀试验，验证所建立的流固耦合本构方程，揭示携砂水流对堰塞体的非线性冲刷机理。开发堰塞体3维溃决数值分析平台，实现大规模数值高速计算，与物理模型试验相互验证，完善数值模拟方法。结合自主研发的振桩锚链抗冲刷设备及挂壁式柔性防崩塌设备，开展堰塞体泄流渠崩塌控制和抗冲刷防护设计关键技术模型试验研究，验证在不同防护措施下的流道下切控制效果。

2）水文气象多途径施测及预报

利用热带降雨测量任务（tropical rainfall measuring mission，TRMM）降雨数据，完善气象数据的遥感遥测和数据同化技术。结合天气雷达、空间卫星、地面测站等技术快速获取实时气象信息。利用H–ADCP、浮标测流等方式获取堰塞湖入库流量。在堰塞体上、下游建设自记水位计采集湖（河）水位。应用数字化河网流域模型对堰塞湖汇水区域的产、汇流过程进行模拟，形成入库流量、来水过程及湖区水位变化与雨情联动的模拟预报体系。

3）3维数字虚拟环境

通过多传感器获取的海量空间数据和结构化数据为2维图像、表格、计算数据、遥感图像和点云数据等形式。利用地上下一体化的3维模型重构方法构建堰塞湖3维数字虚拟环境，实现将多分辨率、多源异构的堰塞湖数据转换为矢量可视化的虚拟环境，作为整个堰塞湖信息管理和快速决策的基础。

4）空天地多元、多维监测

集成GNSS、卫星遥感和3维激光扫描等技术，结合传统与新材料光纤及无人机多元、多维视觉技术，通过室内外试验，研发湖区不稳定地质体、堰塞体及泄流渠洪水动态的应急监测设备，建立多尺度空天地一体化监测技术体系。应用多尺度信息融合理论，通过数值仿真模拟不稳定岸坡和堰塞体变形过程的外表响应特征，提出险情预测方法和预警技术。

5）数据挖掘与反馈计算

通过堰塞湖调查数据、堰塞体结构形态特征及堰塞湖水文观测资料挖掘和反馈分析，建立堰塞湖风险评价指标体系及风险等级评估模型。基于虚拟地理环境技术，设计堰塞湖溃决风险评估基本流程，给出堰塞体危险性判别、溃决洪水演进模拟、堰塞湖风险等级划分等关键步骤及实现方法，建立堰塞湖溃决洪水预警与风险评估技术及系统平台，并示范应用。

6）抢险装备数字化设计与仿真

分析泄流通道开挖作业条件，提出装备关键技术性能指标，并通过数字化设计和虚拟仿真，研制泄流通道开挖专用装备和转运输送设备；采用数值模拟分析泄流通道崩塌抢险与抗冲刷防护作业条件，提出技术方案，并通过虚拟样机仿真与原理性试验验证进行优化，研制泄流通道边坡防崩塌装备和振桩锚链抗冲刷设备。

研究的技术路线如图5所示。

图5(Fig. 5)

图5 技术路线 Fig. 5 Flowchart of technical route

课题1利用物理模型试验研究堰塞体形成演化机制及溃决机理，为后续研究奠定基础；利用数值分析方法，建立携砂水流模拟及堰塞体溃决过程模拟技术，开展堰塞湖溃决洪水演进模拟。课题2综合利用卫星、无人机、车船、单兵、测站等机动性强、灵活性高、全天候的信息采集系统，开展堰塞湖多源异构信息的快速获取、融合及管理研究，提出堰塞湖多源信息快速感知与探测技术、堰塞湖险情应急监测及预警技术，为堰塞湖风险评估及应急处置提供全方位信息数据支撑。基于课题2～4开展堰塞湖风险评估技术研究，综合考虑水文、地质、堰塞体危险性与溃决风险，提出河道堰塞、溃决致灾风险评估技术及堰塞体危险性评价方法，构建风险等级评估模型，为堰塞湖应急处置提供科学依据，并形成溃决洪水致灾预警及风险评估系统平台。课题5在上述研究的基础上，提出堰塞湖应急抢险决策标准，建立基于情景推演的决策方案效果评估模型，科学指导堰塞湖应急处置措施的选择。在上述课题1～5研究成果的基础上，课题6基于多元信息采集、理论分析与数值模拟，开展堰塞湖应急处置工程措施与非工程措施研究，提出堰塞湖高效排水疏通、开渠泄流过程控制的成套技术方案及装备。

围绕目前中国堰塞湖成灾机理揭示深度不足，监测预警信息互通与动态可视化程度低，应急抢险关键技术与装备落后等方面的关键科学问题和技术问题开展攻关，以期在堰塞湖形成与溃决机理及溃决过程、风险评估快速检测、应急抢险技术和装备研发方面取得突破和创新。提出抢险决策标准与应急预案，研发应急抢险关键技术与设备，开展溃决洪水预警与风险评估系统平台应用示范。

研究成果将揭示不同结构特征堰塞体的形成演变机制和溃决机理，实现携砂水流作用下的堰塞体溃决过程模拟，形成堰塞湖应急信息快速获取、堰塞体结构快速探测和险情快速监控预警能力，建立考虑结构形态要素的堰塞湖致灾风险评估技术，揭示堰塞体与工程防护体系协同作用机理，极大提高对堰塞体溃决的认识深度，推动堰塞湖相关学科理论发展，提升堰塞湖应急处置科学决策水平与效率，显著促进中国堰塞湖减灾、防灾学科基础理论和技术发展。