川西高原大中型水電站工程區(qū)泥石流溝的基本特征及影響

袁國慶,高建祥，李　靜

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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川西高原大中型水電站工程區(qū)泥石流溝的基本特征及影響

袁國慶,高建祥，李靜

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都610072)

本文通過對川西高原地區(qū)大中型水電站工程區(qū)泥石流溝基本特征的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了這些工程區(qū)泥石流溝在氣象植被、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、物理地質(zhì)現(xiàn)象和人類活動方面的共性特征。各溝都具備泥石流發(fā)生的氣象、地形、地質(zhì)等基本環(huán)境條件；絕大部分溝內(nèi)的不穩(wěn)定物源均十分豐富，具備啟動泥石流的基本要素；總體上處于衰退期，在極端氣候條件下有可能暴發(fā)泥石流。本文介紹了常用的泥石流評價與分析方法，評價了泥石流溝對水電工程的影響。

川西高原;大中型水電工程;泥石流;災(zāi)害;評價

0　前　　言

隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，川西高原地區(qū)水電資源的開發(fā)也進(jìn)行得如火如荼，然而水電工程集中分布的高山地區(qū)往往也是泥石流頻發(fā)的地區(qū)，近年來國內(nèi)水電工程工地也發(fā)生了多起泥石流災(zāi)害，造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此開展工程場地及附近地區(qū)泥石流發(fā)育特征的調(diào)查，并通過對其流量、流速乃至不同降雨條件下暴發(fā)概率等的動力學(xué)特性進(jìn)行深入分析計算，預(yù)測其暴發(fā)規(guī)模，對泥石流危險性進(jìn)行評價，為工程設(shè)計和施工提出合理的建議，從而盡量避免泥石流災(zāi)害的發(fā)生。目前我國針對泥石流勘察發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)性文件只有國土資源部在2006年發(fā)布的地礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范[1](DZ/T0220-2006)，該規(guī)范對泥石流發(fā)育的基本特征進(jìn)行了詳細(xì)的描述和分類，對我們認(rèn)識泥石流提供了很好的幫助。但由于水電工程涉及到的場地范圍廣、類型多、而且往往需要利用一些不良場地，因此針對水電行業(yè)泥石流的勘察方法與評價標(biāo)準(zhǔn)也會有所不同。下面將根據(jù)筆者在川西高原地區(qū)大中型水電工程中參與詳細(xì)調(diào)查的近20條泥石流溝的基本特征進(jìn)行總結(jié)，介紹其基本的評價與分析方法，評價其對水電工程的影響。

1　泥石流溝的基本特征

川西高原地區(qū)大中型水電站的工程選址大都位于水流落差較大、河谷相對狹窄、巖石相對堅硬、構(gòu)造相對穩(wěn)定、人煙相對稀少的地區(qū)，這些地區(qū)往往具有相似的地理及地質(zhì)特征，因此其場地附近發(fā)育的沖溝也往往具有相似的特征。

1.1溝流域的基本環(huán)境條件

溝流域內(nèi)的氣候特征受川西高原大氣候環(huán)境的影響，屬高原季風(fēng)氣候，四季分明，立體氣候特征表現(xiàn)明顯，主要特點(diǎn)是：雨熱同季，降雨集中，干濕季分明，多年平均年降雨量300～800 mm，最大1日降水量30～60 mm。雖然總體上降雨量偏少，但局部范圍內(nèi)的短期集中暴雨，成為不可預(yù)知的因素。

溝流域內(nèi)森林植被茂盛，一般能達(dá)到80%以上，海拔4 500 m以上主要為高山草甸，中上游兩岸主要為高大喬木，溝口岸坡以灌木覆蓋為主。

在地形地貌上，溝流域在平面上大體呈 “斗”、“扇”、“樹杈”狀等，主溝兩岸一般會發(fā)育多條季節(jié)性流水的小支溝，溝源及兩側(cè)分水嶺一般為地形較緩的高山草甸。上游基本為開闊的寬谷，溝床縱坡較緩，兩岸坡度一般小于30°；中下游一般呈現(xiàn)“U”或“V”型峽谷，溝床縱坡較陡，兩岸坡度一般大于30°；在溝口主河邊的河漫灘上形成堆積扇，一級階地以上一般會發(fā)育有較大規(guī)模的古泥石流堆積扇。

部分溝流域內(nèi)會有區(qū)域斷裂帶穿過，但在晚更新世以來無活動，不屬于活動斷裂。根據(jù)各水電站地震安全性評價的結(jié)論，樞紐區(qū)地震主要受外圍影響，一般烈度為7～8度。

溝流域內(nèi)物理地質(zhì)現(xiàn)象主要有風(fēng)化卸荷、崩塌、滑坡、坡面泥石流及支溝泥石流，但大都是普遍發(fā)育，規(guī)模較小為特征。

溝流域內(nèi)一般有少量的鄉(xiāng)村分布，人類活動主要為農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)及少量的林木砍伐。牧區(qū)分布于溝源草地，村莊及耕地分布于中上游的緩坡地帶，少量的林木砍伐主要用于房屋修建及生活燃料，部分村莊在近年來沿溝道修筑了通村的機(jī)耕道。

1.2沖溝的泥石流特征

這些沖溝均位于高山峽谷地區(qū)，從溝口至分水嶺的落差達(dá)1 000 m以上，大部分人煙罕至，無氣象資料，其局部范圍內(nèi)的氣候變化十分復(fù)雜，局部范圍內(nèi)的短期集中暴雨成為泥石流暴發(fā)的主要影響因素。

在地形地貌上均具備泥石流溝的發(fā)育特征，總體上可以將流域分為形成區(qū)、物源及流通區(qū)和堆積區(qū)。上游寬緩的形成區(qū)具備良好的水源與物源的富集條件；中下游狹窄的流通區(qū)坡腳堆積大量的松散崩坡積體，為泥石流物源的沿程補(bǔ)給和加速運(yùn)動提供了良好條件；溝口堆積扇為泥石流堆積區(qū)。部分沖溝溝床縱坡降變化不大，僅局部微地貌的有區(qū)別，形成區(qū)與流通區(qū)在提供物源及流通的同時又均能沿溝床產(chǎn)生堆積，因此這些泥石流的實際發(fā)生情況與理論上的典型特征會有所差異。

溝域內(nèi)普遍發(fā)育的崩塌、滑坡、坡面泥石流及支溝泥石流及其堆積物，人類活動沿溝道產(chǎn)生的大量棄渣，以及溝道內(nèi)的枯樹朽木成為引發(fā)泥石流的主要物源。根據(jù)物源穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行分類統(tǒng)計，可以按以下三類進(jìn)行劃分：

(1)穩(wěn)定物源。系指溝谷流域內(nèi)早期堆積的冰水堆積、崩塌堆積和坡殘積堆積的塊碎石土，表現(xiàn)為固結(jié)好、密實程度高，且具一定膠結(jié)，現(xiàn)狀條件下穩(wěn)定性好，就是在流水沖刷作用下，其整體仍保持穩(wěn)定。

(2)潛在不穩(wěn)定物源。系指溝谷流域內(nèi)兩岸堆積的崩坡積和部分溝床內(nèi)堆積的沖洪積、泥石流堆積塊(漂)碎(卵)石土，這些堆積物現(xiàn)狀條件下穩(wěn)定性較好，但在暴雨和溝水沖刷下，其穩(wěn)定性變差，局部會失穩(wěn)，是泥石流的主要補(bǔ)給物源。

(3)不穩(wěn)定物源。系指溝谷流域內(nèi)堆積的部分崩塌或滑坍堆積塊碎石土、人工開挖形成的棄渣，這些堆積物現(xiàn)狀條件下已表現(xiàn)出失穩(wěn)下滑的變形跡象，若結(jié)合暴雨和溝水沖刷，其穩(wěn)定性更差，直接失穩(wěn)堆積于溝谷中，是泥石流的最主要補(bǔ)給物源。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分物源堆積部位遠(yuǎn)高于河床，不易受溝谷水流沖刷影響，僅地表部位分布的細(xì)顆粒物質(zhì)易被暴雨、洪水沖刷，而沿溝兩側(cè)的不穩(wěn)定物源和潛在不穩(wěn)定物源在暴雨、洪水影響下易突然垮塌堵溝然后啟動泥石流。調(diào)查發(fā)現(xiàn)個別沖溝內(nèi)在天然狀態(tài)下均為穩(wěn)定物源，如大渡河上游雙江口電站的飛水巖溝，其兩岸基巖裸露，溝內(nèi)及溝岸邊松散堆積物主要為崩塌堆積的巨大塊石，架空嚴(yán)重，互相咬合，穩(wěn)定性與透水性均較好，無法啟動成為泥石流的物源。

1.3泥石流溝的發(fā)展趨勢分析

根據(jù)泥石流的形成條件與發(fā)育特性分析，從較長歷史時期來看，大部分泥石流溝在總體上呈現(xiàn)衰退趨勢，這主要表現(xiàn)在：

(1)從溝口堆積形態(tài)來看，部分溝口一級階地及兩側(cè)殘留有較厚的早期泥石流堆積體，目前在堆積體上已經(jīng)沖刷出新的溝槽，溝口靠近主河漫灘部位一般僅有沖洪積堆積的砂卵礫石層，說明歷史上曾經(jīng)發(fā)生過規(guī)模較大的泥石流，而近幾十年來未曾爆發(fā)過泥石流。

(2)溝流域內(nèi)植被覆蓋率較高，覆蓋率在80%以上，當(dāng)?shù)匦∫?guī)模的滿足居民生活需求的砍伐樹木活動對森林影響輕微，良好的植被對松散物源的穩(wěn)定起到了很好的防護(hù)作用，很大程度上減低了兩岸山體坡面泥石流爆發(fā)的可能。

(3)溝流域內(nèi)的大部分不穩(wěn)定物源均為山體坡腳處的小規(guī)模淺表層滑塌。這種狀況使溝內(nèi)和兩岸山坡的松散固體物質(zhì)持續(xù)大規(guī)模補(bǔ)給能力受限，尤其是持續(xù)提供大規(guī)模堵塞型固體物質(zhì)來源的能力受限，部分固體物質(zhì)即使被洪流啟動，也難以長時期持續(xù)暴發(fā)歷時很長、規(guī)模很大、破壞性極強(qiáng)的泥石流災(zāi)害。

(4)大部分溝域內(nèi)人類活動輕微，但仍有部分溝內(nèi)由于礦山、小水電的開發(fā)和村村通公路的修筑，在溝道內(nèi)堆積有大量的松散棄碴，極大的增加了近期暴發(fā)泥石流的可能性。

個別沖溝仍處于形成期和發(fā)展期，如革什扎河上游的兩河口水電站壩址附近的進(jìn)水口溝仍處于形成期，其主要判斷依據(jù)是：

(1)溝口堆積扇扇體上部溝槽多次改道，有新近淤積痕跡，未形成穩(wěn)定溝槽；

(2)該溝新近發(fā)生的泥石流與近年來部分溝段恢復(fù)林木砍伐造成的水土流失有關(guān)；

(3)溝床狹窄，基巖裸露，坡降較陡，說明該溝仍以縱向切蝕為主，將產(chǎn)生溯源沖刷，在較長的地質(zhì)時期內(nèi)溝床將進(jìn)一步的加深、加寬和變緩。如雅礱江上游甲西電站附近的木拉溝仍處于發(fā)展期，其主要判斷依據(jù)是：

(1)溝口泥石流堆積扇的扇緣和扇高均在增長中，新老扇體疊置；

(2)近溝口的兩岸可見明顯的泥石流擦痕、泥痕；

(3)溝床及兩岸坡的不穩(wěn)定松散物源十分豐富；

(4)現(xiàn)場走訪得知，近幾年來已發(fā)生過多次泥石流。

綜上所述，川西高原地區(qū)大中型水電站場址及附近的沖溝幾乎都具備泥石流發(fā)生的氣象、地形、地質(zhì)等基本環(huán)境條件。除個別沖溝內(nèi)無不穩(wěn)定和潛在不穩(wěn)定物源外，其他沖溝的不穩(wěn)定物源均十分豐富，具備啟動泥石流的基本要素。個別泥石流溝處于形成期、發(fā)展期以及人類活動影響強(qiáng)烈，在常年雨季也能發(fā)生泥石流，大部分泥石流溝總體上均為衰退期，只有在極端氣候條件下發(fā)生局地強(qiáng)降雨才有可能暴發(fā)泥石流。

2　泥石流評價與分析的主要方法

泥石流溝的評價與分析最重要的是定性與定量，定性評價可幫助我們進(jìn)一步加深對泥石流溝各項基本特征的了解，定量分析是進(jìn)行驗證和預(yù)測，為泥石流防治工程設(shè)計提供基本依據(jù)。

常用的定性評價方法有：

(1)暴雨強(qiáng)度指標(biāo)評價，根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(DZ/T0220-2006)》附錄B，將該溝多年24 h、1 h、10 min最大短歷時暴雨量代入相關(guān)公式，可以計算出暴雨強(qiáng)度指標(biāo)R，通過計算表明川西高原地區(qū)R值一般處于4.2～10之間，說明發(fā)生機(jī)率0.2～0.8，評價其泥石流發(fā)生幾率均較大；

(2)易發(fā)程度評價，通過對泥石流溝基本特征的調(diào)查，根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘測規(guī)范(DZ/T0220-2006)》附錄G.1泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化評分表進(jìn)行逐一評分，各溝的總分值一般位于70～114之間，均屬于輕度易發(fā)～易發(fā)泥石流溝；

(3)危險性指數(shù)評價，根據(jù)張梁、張業(yè)成等編著的《地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評估理論與實踐》[2]，采用地質(zhì)災(zāi)害危險性分析的方法，分析研究區(qū)泥石流危險性指數(shù)構(gòu)成，建立危險性分析結(jié)構(gòu)模型；

(4)危險度評價，成都山地所劉希林在其編著《泥石流危險性評價》[3]中提出的單溝泥石流危險度評價方法，采用7個評價因子按權(quán)重進(jìn)行計算。這些評價方法的共同特征是僅通過資料收集和現(xiàn)場調(diào)查就能得到基本指標(biāo)，可操作性強(qiáng)并且易于掌握，其評價指標(biāo)基本涵蓋了泥石流的各項重要特征。

定量分析計算主要包括泥石流流量、流速、沖擊力等指標(biāo)。具體的計算方法和公式在《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(DZ/T0220-2006)》附錄I中已經(jīng)有詳細(xì)的說明，在此不再贅述。由于泥石流特征值的計算都是總體概化后的經(jīng)驗和半經(jīng)驗的公式，參數(shù)取值也有較大的隨意性，泥石流暴發(fā)的規(guī)模與頻率要做到精確計算十分困難，因此在計算和取值時盡量以安全和保守為原則。

3　泥石流溝對工程的影響

大中型水電工程是一項十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其營地及施工場地圍繞樞紐建筑物，在河谷兩岸分布范圍達(dá)幾公里至幾十公里，其中分布的沖溝也大都為泥石流溝。擋水壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪系統(tǒng)等重要樞紐建筑物均充分考慮了泥石流溝的不利影響，一般采取了避讓措施。但由于工程場址大多位于峽谷地區(qū)，土地資源十分有限，一些輔助設(shè)施、臨時施工場地和營地就只能在一些相對較安全的地段進(jìn)行布置。而兩岸沖溝溝口寬緩的堆積臺地及溝內(nèi)部分寬谷也就成為一些施工場地甚至營地的首選場地，這就導(dǎo)致了工程的施工大都要受到泥石流的威脅。

由于工程場地附近大都存在不同類型的沖溝，因此主要按照不同概率降雨條件下一次性沖出松散固體物質(zhì)方量，結(jié)合溝口地形地貌特點(diǎn)調(diào)查，分析其在溝口的泛濫范圍，從而預(yù)測出不同降雨條件下泥石流泛濫區(qū)對工程場地的影響，畫出危險區(qū)并建議采取避讓或適當(dāng)?shù)臄r擋排導(dǎo)措施。少量溝內(nèi)可能布置有料場、碴場及砂石加工系統(tǒng)等輔助設(shè)施，會直接面臨泥石流的威脅甚至誘發(fā)泥石流活動，建議按一定的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)對泥石流溝和場地進(jìn)行綜合治理，包括在修建攔渣壩、導(dǎo)流槽或排水洞、疏通溝道和對場地坡腳進(jìn)行防護(hù)等措施。對于有些位于電站尾水下游的泥石流溝，有可能產(chǎn)生堵江或抬高尾水，對電站運(yùn)行影響較大，必須充分論證其發(fā)生堵江的可能性，提醒設(shè)計要采取相應(yīng)的工程處理措施。

對于這些影響到場地的泥石流溝，除采取工程措施外，同時要求施工期間對溝內(nèi)進(jìn)行降雨量觀測，加強(qiáng)檢查巡視，如遇滑坡阻塞溝道，及時進(jìn)行疏通，避免泥石流發(fā)生，并制定應(yīng)急預(yù)案，預(yù)防泥石流災(zāi)害。

4　結(jié)　　語

泥石流是一種經(jīng)常發(fā)生的自然現(xiàn)象，其發(fā)生條件有一定的客觀規(guī)律可循，人類不合理的生產(chǎn)活動有可能誘發(fā)和加劇泥石流發(fā)生的頻率和規(guī)模，但只要認(rèn)清其基本規(guī)律和特征，科學(xué)合理地選擇場地和安排生產(chǎn)活動，加強(qiáng)防范意識，采取一定的工程防范治理措施，是可以將泥石流災(zāi)害減小到最低的。隨著國家對安全生產(chǎn)的要求更加嚴(yán)格，川西高原地區(qū)各大中型水電工程開發(fā)對泥石流災(zāi)害的防治也開始更加重視，在場地布置和設(shè)計中對泥石流溝的防治基本原則是首先考慮避讓，對確實不能避讓的泥石流均要求進(jìn)行專門論證并采取相應(yīng)的防范處理措施。對于大中型水電工程主要需考慮以下四種因素：

(1)擋水壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪系統(tǒng)等重要樞紐建筑物和人員密集的營地必須避讓場地內(nèi)的所有具備泥石流發(fā)生條件的沖溝；

(2)輔助設(shè)施、臨時施工場地及交通線路在溝內(nèi)及溝口布置時，必須進(jìn)行泥石流危險性評價，并按一定的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)對泥石流溝和場地進(jìn)行綜合治理；

(3)一般不宜在溝道內(nèi)設(shè)置棄碴場，如有設(shè)置則必須進(jìn)行泥石流溝的治理及碴場的防護(hù)，同時施工管理過程中必須嚴(yán)禁隨意棄碴；

(4)對于位于廠房下游有可能產(chǎn)生堵江的泥石流溝，須采取相應(yīng)的工程處理措施。

[1]葛文彬,等.泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范DZ/T0220-2006[S].中華人民共和國國土資源部，2006.

[2]張梁,等.《地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評估理論與實踐》[M].地質(zhì)出版社,1998.

[3]劉希林,等.《泥石流危險性評價》[M].科學(xué)出版社，2004.

2015-03-10

袁國慶(1979-)，男，湖北黃岡人，高級工程師，從事水電站工程地質(zhì)勘測工作。

P642.23

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1003-9805(2016)03-0052-04