西藏中波水電站庫(kù)區(qū)泥石流對(duì)工程影響研究

, , ，

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心， 成都 610081；

2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 探礦工藝研究所，成都 610081；

3.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610059；

4.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 杭州 310014)

泥石流的發(fā)生、發(fā)展與山地的形成演化過(guò)程息息相關(guān)，是山地環(huán)境退化、地表結(jié)構(gòu)惡變、生態(tài)平衡失調(diào)的產(chǎn)物[1]。其暴發(fā)屬于山區(qū)地表重力地質(zhì)過(guò)程災(zāi)變演化的一種自然現(xiàn)象，往往具有突發(fā)性、歷時(shí)短、致災(zāi)毀滅性強(qiáng)等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅到廣大山區(qū)居民生存和工程建設(shè)的安全[2]。

中波水電站位于西藏自治區(qū)昌都地區(qū)玉曲河下游河段，最大壩高170 m，水庫(kù)正常蓄水位高程3 220 m，相應(yīng)庫(kù)容為2.682億m3，死庫(kù)容1.001億m3，總裝機(jī)容量185 MW。經(jīng)過(guò)詳細(xì)排查，庫(kù)區(qū)共發(fā)育8條泥石流溝谷，是影響水電站施工與運(yùn)營(yíng)安全的地質(zhì)隱患之一[3]。本文旨在通過(guò)評(píng)價(jià)工程區(qū)泥石流的發(fā)育分布特征和危險(xiǎn)性，從入?yún)R堵江、沖擊淤埋能力和水庫(kù)淤積3個(gè)方面研究泥石流對(duì)水電工程的影響，對(duì)水工設(shè)計(jì)方案的確定和防災(zāi)減災(zāi)都具有實(shí)際的工程意義。

1 泥石流發(fā)育背景及分布特征

研究區(qū)地處青藏高原東部橫斷山地地貌區(qū)，谷坡陡峻，河谷深切，為典型的高山深切峽谷地貌，首先為泥石流產(chǎn)生奠定了地形基礎(chǔ)。其次，區(qū)內(nèi)主要出露地層主要為二疊系下統(tǒng)納錯(cuò)群(P1nc1)下部組的板巖、變質(zhì)砂巖夾大理巖，三疊系上統(tǒng)瓦浦組(T3wp)的結(jié)晶灰?guī)r、板巖和變質(zhì)砂巖，侏羅系中統(tǒng)柳灣組(J2l)的變質(zhì)砂巖、板巖等易風(fēng)化巖石，加之地質(zhì)歷史時(shí)期構(gòu)造作用、冰川和凍融作用較為強(qiáng)烈，巖體完整性較差，為泥石流暴發(fā)提供了較豐富的松散固體物源。最后，研究區(qū)屬喜馬拉雅山南翼亞熱帶濕潤(rùn)氣候，氣候瞬息萬(wàn)變，氣象水文條件復(fù)雜，降雨的集中性和突發(fā)性，以及氣候突變引起的冰雪融水為泥石流暴發(fā)提供了充沛的水動(dòng)力條件。因此，區(qū)內(nèi)較大溝谷基本均具備產(chǎn)生泥石流的3個(gè)必要條件。

遙感解譯和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明庫(kù)區(qū)共發(fā)育8條典型的泥石流溝谷(表1，圖1)，研究區(qū)左岸位于陽(yáng)坡，加之軟硬巖差異性風(fēng)化，左岸表生巖體質(zhì)量較差，且地形更緩，從而發(fā)育成熟高、相對(duì)寬緩的溝谷，而右岸的溝谷相對(duì)狹窄、陡峭。

其中，僅有扎拉溝和瓜腳弄巴溝位于距壩址1 km的重大影響范圍內(nèi)。這2條溝谷發(fā)育特征類(lèi)似，具有如下特點(diǎn)：①均位于右岸，溝道狹長(zhǎng)、陡峭，降雨豐寡對(duì)溝水量起支配作用，具有典型的陡漲陡落山溪性水流特征，汛期往往呈現(xiàn)多峰陣流的特點(diǎn)；②泥砂補(bǔ)給主要來(lái)源于中上游納錯(cuò)群組地層分布區(qū)松散崩塌碎屑物，細(xì)顆粒含量極少；③扇地測(cè)繪和勘探表明歷史泥石流流體特征呈稀性，規(guī)模屬中小型；④出山口徑流段陡峻，加速搬運(yùn)功能顯著。

表1 庫(kù)區(qū)泥石流基本屬性統(tǒng)計(jì)

圖1 庫(kù)區(qū)泥石流溝谷分布

表3 泥石流致災(zāi)能力與受災(zāi)體抗災(zāi)能力分級(jí)量化表

這些溝谷歷史上曾暴發(fā)過(guò)規(guī)模不等的泥石流，現(xiàn)今仍存在暴發(fā)致災(zāi)性泥石流的危險(xiǎn)性，與施工安全和電站正常運(yùn)營(yíng)關(guān)系密切。

2 庫(kù)區(qū)泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

泥石流危險(xiǎn)性分析具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義：認(rèn)識(shí)泥石流活動(dòng)的發(fā)展階段和威脅對(duì)象抗災(zāi)能力，預(yù)測(cè)未來(lái)泥石流活動(dòng)強(qiáng)度與頻率，為決策是否需要防治以及采取什么措施進(jìn)行防治提供直接依據(jù)[1]。本文選用規(guī)范推薦的暴雨泥石流危險(xiǎn)程度或?yàn)?zāi)害發(fā)生機(jī)率判別式[4]，即

D=F/E。

(1)

式中：D為危險(xiǎn)程度或?yàn)?zāi)害發(fā)生機(jī)率；F為泥石流致災(zāi)能力；E為受災(zāi)體的抗災(zāi)能力。泥石流危險(xiǎn)程度分級(jí)見(jiàn)表2。

表2 泥石流危險(xiǎn)程度分級(jí)

泥石流致災(zāi)能力(F)和受災(zāi)體抗災(zāi)能力(E)各評(píng)價(jià)因子與得分見(jiàn)表3，將庫(kù)區(qū)8條典型泥石流溝按此標(biāo)準(zhǔn)量化得到各溝危險(xiǎn)程度見(jiàn)表4。

表4 庫(kù)區(qū)泥石流危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)

由結(jié)果可知，距離壩址僅500 m左右的扎拉溝危險(xiǎn)程度最為突出，D>1，受災(zāi)體處于危險(xiǎn)狀況，成災(zāi)可能性大；莫拉溝屬近期活動(dòng)性最強(qiáng)的泥石流溝谷，D≈1處于災(zāi)變的臨界狀態(tài)，由于遠(yuǎn)離樞紐區(qū)，工程危脅較小，可能對(duì)水工附屬設(shè)施有一定影響；庫(kù)區(qū)其余6條溝谷D<1，受災(zāi)體處于安全狀態(tài)，成災(zāi)可能性小。

3 庫(kù)區(qū)泥石流工程影響研究

3.1 泥石流入?yún)R堵江分析

水電站選壩一般選擇在深切峽谷河段，由于主河道束窄，上游溝谷泥石流暴發(fā)沖出的石塊、泥砂相對(duì)易堵塞主河道形成“堰塞壩”，若“壩體”堵塞持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，主河蓄積的水流潰決形成巨型洪流傾瀉而下，直接沖擊水工樞紐建筑，可釀成災(zāi)難性后果。因此，泥石流入?yún)R堵江是水電工程重大地質(zhì)問(wèn)題之一。

目前對(duì)泥石流入?yún)R堵江的研究主要包括室內(nèi)試驗(yàn)和工程類(lèi)比2類(lèi)。前者通過(guò)改變泥石流入?yún)R主河道關(guān)鍵影響因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)[5]，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論或數(shù)學(xué)模型建立泥石流堵江判別公式，但由于缺乏大量工程實(shí)踐，可靠性有待檢驗(yàn)；后者是通過(guò)分析區(qū)內(nèi)有堵江歷史的溝谷[6]，歸納出單溝泥石流的堵江特點(diǎn)，類(lèi)比評(píng)價(jià)類(lèi)似溝谷發(fā)生泥石流堵江的可能性，朱平一等[7]、韋方強(qiáng)等[8]學(xué)者做了有益的嘗試，然而該方法理論依據(jù)不足，合理性尚待論證。

表5 100 a一遇設(shè)計(jì)條件下泥石流堵江可能性判別計(jì)算結(jié)果

崔鵬等[9]通過(guò)長(zhǎng)年觀測(cè)蔣家溝入?yún)R小江的淤積資料，并由水槽試驗(yàn)提取相關(guān)影響因子回歸分析的數(shù)學(xué)表達(dá)式(式2)。經(jīng)過(guò)大量工程應(yīng)用，該式適用于窄谷河段泥石流堵江可能性分析。因此，本文采用該式進(jìn)行庫(kù)區(qū)泥石流堵江判別。

CF=lnFR-0.883(1-cosθ)2-2.587γ。

(2)

式中：FR=QM/QC(QM為主河單寬流量；QC為支槽泥石流單寬流量)；γ=γC/γM(γC為支溝泥石流重度；γM為主河水流重度)；θ為主支槽夾角。若CF<-8.572，則存在堵江的可能性。

計(jì)算結(jié)果表明(表5)，現(xiàn)階段庫(kù)區(qū)各泥石流溝谷暴發(fā)100 a一遇的泥石流堵江可能性較低，水庫(kù)蓄水后，河道加寬，堵江危險(xiǎn)性甚微。

3.2 泥石流對(duì)水工建筑的影響

在深切峽谷區(qū)水電開(kāi)發(fā)，由于場(chǎng)區(qū)缺乏平緩有利地形，較多水工建筑設(shè)置在泥石流溝谷兩岸或堆積扇上。特別是水工樞紐區(qū)附近的溝谷，一旦發(fā)生泥石流對(duì)其影響最為直接，泥石流流體和攜帶的巨石直接沖擊水工建筑，其主要破壞性表現(xiàn)在沖擊和淤埋能力上[10-11]。本文對(duì)樞紐區(qū)建筑有重要安全影響的扎拉溝和瓜腳弄巴溝泥石流分析如下：

(1) 扎拉溝溝口距大壩下游約500 m，緊臨上游圍堰和導(dǎo)流洞進(jìn)口，各種頻率下的泥石流淤積均侵占河道，影響范圍波及對(duì)岸。雖然該溝匯水形態(tài)呈柳葉形，溝道狹長(zhǎng)，不利于支溝洪峰疊加，呈多峰陣流狀，致使單峰流量不大，但泥石流流體和單塊巨石沖壓力偏大(表6)。因此其工程潛在影響突出，危險(xiǎn)性大，建議增加截水疏導(dǎo)或格柵攔擋壩等防治措施，并加強(qiáng)汛期巡查，確保施工場(chǎng)地的人身財(cái)產(chǎn)安全。

表6 出山口處泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)(1%)統(tǒng)計(jì)

(2) 瓜腳弄巴溝位于大壩下游1 km處，該河段順直，現(xiàn)今泥石流堆積扇體呈疊瓦后退式，溝谷處于衰退期，各種頻率下的泥石流自然淤積，僅100 a一遇泥石流侵占部分河道，雖泛濫影響范圍已達(dá)對(duì)岸，但附近沒(méi)有水工建筑分布，工程影響較小，建議不設(shè)防。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)需強(qiáng)調(diào)的是，尤其進(jìn)入施工期后，物資供給趨緊，人地矛盾突出，不可避免存在亂砍亂伐、填溝造地、削坡建房、工程堆渣等不合理的人類(lèi)活動(dòng)。許多災(zāi)害事件表明，這些工程活動(dòng)不僅持續(xù)惡化生態(tài)環(huán)境，而且改變了溝道原有的溝道排導(dǎo)條件和物源補(bǔ)給條件，若不得到合理地控制，不排除由于人工物源陡增而暴發(fā)災(zāi)難性泥石流的可能。

3.3 泥石流對(duì)水庫(kù)淤積的影響

庫(kù)區(qū)泥石流對(duì)水電工程的淤積影響主要表現(xiàn)在水庫(kù)蓄水運(yùn)行后[3]。在運(yùn)行期，雖然溝內(nèi)不合理人類(lèi)活動(dòng)會(huì)逐步下降，但生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)需要較長(zhǎng)周期，因此泥石流的活動(dòng)性也不會(huì)迅速地衰減。工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在山區(qū)泥石流暴發(fā)輸送的固體砂石是水庫(kù)淤積泥砂的重要來(lái)源之一[12]。一旦庫(kù)區(qū)蓄水后岸坡坍塌和泥石流暴發(fā)蓄積的泥砂體積接近，甚至超過(guò)死水位庫(kù)容后，水庫(kù)將失去調(diào)節(jié)和發(fā)電功能，直接影響到水庫(kù)的安全運(yùn)行。

假如水庫(kù)蓄水后，堆積區(qū)完全被淹沒(méi)，則泥石流入庫(kù)量取各設(shè)計(jì)頻率下泥石流輸砂量總和即可；但通常情況下，在水庫(kù)蓄水后，泥石流溝口堆積區(qū)被淹沒(méi)一部分，泥石流大部分依舊在堆積區(qū)上發(fā)生堆積，僅少部分進(jìn)入主河，因而對(duì)于庫(kù)區(qū)泥石流入庫(kù)量的分析按照式(3)計(jì)算[13]。

Vs0=ap×Vs。

(3)

式中：Vs0為某設(shè)計(jì)頻率下泥石流入庫(kù)量(m3)；Vs為某設(shè)計(jì)頻率下泥石流輸砂量(m3)；ap為某設(shè)計(jì)頻率下泥石流入庫(kù)系數(shù)。

出于水工設(shè)計(jì)保守，在工程運(yùn)營(yíng)期間(按100 a計(jì))，各設(shè)計(jì)頻率下泥石流暴發(fā)次數(shù)按不利情況(100 a內(nèi)分別暴發(fā)10，5，2，1次)估算得到(表7)：庫(kù)區(qū)主要有8條泥石流溝對(duì)于壩址而言累積總輸砂量約為301.77萬(wàn)m3，僅占水庫(kù)總庫(kù)容的1.125%，死庫(kù)存容的3.018%，對(duì)水庫(kù)正常運(yùn)營(yíng)較小，因此泥石流對(duì)水庫(kù)淤積不構(gòu)成控制性影響。

表7 庫(kù)區(qū)泥石流100 a內(nèi)輸砂量統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

本文從入?yún)R堵江、沖擊淤埋能力和水庫(kù)淤積3個(gè)方面分析了中波水電站泥石流工程影響，得到主要結(jié)論如下：

(1) 目前庫(kù)區(qū)8條泥石流溝谷不會(huì)造成嚴(yán)重的堵江問(wèn)題，水庫(kù)蓄水后，水位抬升，河道加寬，堵江機(jī)率極小。

(2) 根據(jù)泥石流危險(xiǎn)程度判別，距離壩址最近的扎拉溝危險(xiǎn)性大，且計(jì)算100 a一遇泥石流整體沖壓力和單塊巨石沖壓力較大，需增加泥石流專項(xiàng)治理并加強(qiáng)汛期巡查，減少災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。雖然其余溝谷危險(xiǎn)性較小，但水工附屬設(shè)施布置盡量避免在活動(dòng)性較強(qiáng)的泥石流溝口，以確保生產(chǎn)安全。

(3) 在工程運(yùn)營(yíng)期間(按100 a計(jì))，經(jīng)保守估算，庫(kù)區(qū)泥石流總輸砂量為301.77萬(wàn)m3，僅占水庫(kù)總庫(kù)容的1.125%，死庫(kù)存容的3.018%，不影響水庫(kù)正常運(yùn)營(yíng)。

需要強(qiáng)調(diào)地是，進(jìn)入施工期后，應(yīng)嚴(yán)格控制溝域內(nèi)不合理的人類(lèi)工程活動(dòng)，不排除由于物源陡增而暴發(fā)災(zāi)難性泥石流的可能。

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