泥石流溝溝口部位的巨型渣場防護(hù)及泥石流溝綜合治理研究

黃成家，彭 育，徐建榮，薛 陽，汪 振

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

0 引言

高山峽谷地區(qū)的水電站開發(fā)工程中，大壩及廠房建筑的開挖料棄渣量一般都非常大。受場地限制，渣場往往只能布置在樞紐工程區(qū)附近支溝溝口的平緩臺地之上。這些支溝普遍都是泥石流溝，渣場的防護(hù)難度高，且必須和泥石流溝治理結(jié)合進(jìn)行。以白鶴灘水電站工程的矮子溝渣場為例，介紹此類渣場的防護(hù)及泥石流溝的典型綜合治理措施及研究，可為類似工程提供參考和借鑒。

1 矮子溝渣場規(guī)模及布置范圍

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，是金沙江下游河段（攀枝花至宜賓）4個(gè)巨型水電站中的第二級，電站裝機(jī)容量16 000 MW。電站工程量巨大，主要樞紐建筑物土方明挖約1 900 萬m3，石方明挖約4 500 萬m3，石方洞（井）挖約2 100萬m3，混凝土約1 900萬m3。

工程地處高山峽谷地區(qū)，工程區(qū)適合進(jìn)行施工設(shè)施布置的場地主要集中在壩址上、下游各5 km范圍內(nèi)。矮子溝位于電站大壩上游約4.5 km，溝口約2 km范圍內(nèi)為開闊的沖積臺地，地形平緩，是較為理想的棄渣場地。根據(jù)施工總布置規(guī)劃，矮子溝溝口為白鶴灘工程主要的棄渣場地，堆渣布置于矮子溝溝口約2 km范圍內(nèi)，堆渣高程為860～700 m，渣場容量達(dá)4 100萬m3。

矮子溝溝口地形地貌及堆渣范圍見圖1。

圖1 矮子溝溝口地形地貌及堆渣范圍Fig.1 Terrain of the Aizi gully and the area of slag site

2 矮子溝流域水文條件

矮子溝平面上呈“U”型彎曲，溝長約18.5 km，溝源高程在3 120 m左右，溝源由北向南發(fā)育，至中游與黃家溝匯合轉(zhuǎn)至近東西向延伸匯入金沙江，入江口處高程604 m。全流域集水面積65.9 km2，谷底平均比降7.9%左右。黃家溝呈“V”字形，在金江滑坡區(qū)內(nèi)北東方向延伸長約2 400 m，切割深度20～25 m，局部出現(xiàn)跌水，在沖洪積臺地上匯入矮子溝。矮子溝重現(xiàn)期100年洪水流量328.0 m3/s，重現(xiàn)期50年洪水流量292.0 m3/s，重現(xiàn)期20年洪水流量245 m3/s。

3 渣場區(qū)地形地質(zhì)條件

以矮子溝為界，南側(cè)（上游）為金江滑坡堆積區(qū)，地勢西高東低，總體坡度20°～25°。北側(cè)（下游）為六城壩臺地，臺面地形平緩，坡度約10°，臨金沙江為陡坡，坡度約40°左右。

渣場區(qū)表面以第四系地層的滑坡堆積物、沖洪積物及冰磧物為主。滑坡堆積物厚度一般大于150 m，最厚可達(dá)240 m；沖洪積物分布于金沙江沿岸，為松散卵礫石、礫砂、粉土等，厚度不均；冰磧物分布于矮子溝左岸山坡及山頂，厚度10～85 m。

4 矮子溝流域泥石流特性

4.1 形成條件

4.1.1 地形條件

矮子溝流域地勢由西向東傾斜，其水流走向由西流向東。在不同區(qū)域，整個(gè)流域的主溝道和支溝道溝谷特征也不同：流域上游為中山峽谷，下游為寬谷；支溝則主要為中山峽谷。

矮子溝中游端溝床比降較大，比降在176‰～363‰，溝谷深切，陡峭的河谷為泥石流的形成和運(yùn)動提供了良好的地形條件。

4.1.2 物源條件

矮子溝流域松散物源總量4 812.54萬m3，其中殘坡積物2 388.1 萬m3、崩坡積物1 158.34 萬m3、滑坡855.1 萬m3、老泥石流堆積物411 萬m3。分布面積有6.707 km2，占流域總面積的10.6%。物源滿足泥石流產(chǎn)生條件。

4.1.3 降雨條件

根據(jù)降雨觀測資料，矮子溝所在區(qū)域內(nèi)，年內(nèi)一日最大降雨量15.2～138.0 mm，暴雨時(shí)最大的日降雨可達(dá)24.9～78.3 mm。

4.2 泥石流運(yùn)動參數(shù)

經(jīng)地質(zhì)調(diào)查、勘察及計(jì)算分析：矮子溝泥石流容重1.6～1.8 g/cm3、流速4.76～7.54 m/s；溝口部位重現(xiàn)期50年泥石流流量為875.31 m3/s，一次泥石流總量51.7 萬m3，固體物質(zhì)23.4 萬m3；搬運(yùn)的最大塊石幾何尺寸為7 m×4 m×4 m。

5 渣場防護(hù)及泥石流防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)渣場堆渣規(guī)劃，參照DL/T 5419-2009《水電建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)規(guī)范》，矮子溝棄渣場施工期采用重現(xiàn)期50 年洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，永久運(yùn)行期采用重現(xiàn)期100年洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)防治對象的重要性，參照DZ/T 0329-2004《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，矮子溝泥石流防治工程安全等級為二級，泥石流防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按重現(xiàn)期50年降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

6 渣場防護(hù)及泥石流防治方案

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，矮子溝渣場防護(hù)及泥石流防治方案如下。

施工期利用矮子溝左側(cè)排水洞將渣場溝水排至渣場下游側(cè)瓦窯溝，排水洞出口接排水斜井及下平洞將溝水排至金沙江，排水洞過流能力按重現(xiàn)期20 年洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。同時(shí)在溝道內(nèi)渣場端部設(shè)置擋水壩，右側(cè)布置排泄通道，排泄重現(xiàn)期50年設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的洪水。

矮子溝排水洞縱坡及斷面尺寸較小，不具備排導(dǎo)泥石流的條件。根據(jù)矮子溝溝道地形地質(zhì)條件及矮子溝渣場布置，矮子溝泥石流采用攔擋停淤的防治方案，渣場擋水壩淤沙庫容可達(dá)260 萬m3，能夠滿足重現(xiàn)期50年泥石流的停淤要求。同時(shí)利用渣場擋水壩右岸設(shè)置排泄通道，當(dāng)溝道發(fā)生泥石流或排水洞淤堵時(shí)，洪水由排泄通道排至金沙江。

同時(shí)，為降低排水洞淤堵的風(fēng)險(xiǎn)，在矮子溝排水洞上游建壩條件較好的位置設(shè)置多級攔擋壩，攔擋一定規(guī)模的泥石流。運(yùn)行期則通過非常排泄通道連通矮子溝溝內(nèi)與庫區(qū)的水體。矮子溝渣場防護(hù)及泥石流防治工程平面布置見圖2。

圖2 矮子溝渣場防護(hù)及泥石流防治工程平面布置圖Fig.2 Plan of protection of slag site at Aizi gully and the treat?ment of the debris flow

7 渣場防護(hù)及泥石流防治建筑物設(shè)計(jì)

渣場防護(hù)及泥石流防治建筑物主要包括：矮子溝排水洞、渣場擋水壩、非常排泄通道、矮子溝上游梯級攔擋壩。

7.1 矮子溝排水洞

矮子溝排水洞布置在矮子溝左側(cè)山體，出口與瓦窯溝相接，溝水順瓦窯溝排至金沙江。為防止排水洞進(jìn)口於積，排水洞進(jìn)口設(shè)置高低進(jìn)洞口。低進(jìn)洞口高程767.50 m，出口765.50 m，全長約933 m；排水斜井進(jìn)口高程764.56 m、底部高程696.69 m，斜井傾角60°，下平洞出口高程667.74 m。排水洞、斜井及下平洞斷面尺寸均為6 m×5 m 城門洞型。高進(jìn)洞口進(jìn)口高程776.0 m，洞長約97.56 m，斷面尺寸均為6 m×5 m城門洞型，在矮子溝排水主洞約樁號排0+090.00 m處與主洞相交。

為防止局部大塊石、樹木及推移質(zhì)進(jìn)入排水洞造成排水洞淤積、降低排水洞的過流能力，在排水洞進(jìn)口布置攔石坎進(jìn)行攔截。攔石坎距洞口約7 m布置，坎頂高程低于排水洞洞頂，按771.0 m 設(shè)置，墻高3.5 m。采用重力式結(jié)構(gòu)體型，壩頂寬1 m，迎水面?zhèn)冗吰轮绷ⅲ纯趥?cè)邊坡1∶0.5。攔石坎側(cè)面預(yù)留缺口，缺口布置間距30 cm格柵條，確保小流量情況小粒徑固體物質(zhì)不進(jìn)入洞內(nèi)。大流量情況下水流翻越攔石坎進(jìn)入排水洞。

7.2 渣場擋水壩

擋水壩布置在矮子溝排水洞進(jìn)口下游約500 m（溝道距離）處，采用噴混凝土面板堆石壩，壩頂高程795.0 m。擋水壩上游采用噴混凝土護(hù)面防護(hù)，最大壩高約85 m，壩頂長245.2 m，壩頂寬10 m，上游壩坡1∶1.6，下游壩坡1∶1.4。

7.3 非常排泄通道

排泄通道布置在擋水壩右岸，在遭遇超過排水洞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水或排水洞堵塞等特殊情況下啟用。非常排泄通道按重現(xiàn)期50 年洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用開敞式自由溢流。進(jìn)口堰頂高程既要滿足壩前泥石流停淤庫容的要求，同時(shí)又要滿足排水洞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下過流的擋水要求。排泄通道進(jìn)口堰頂高程為785.0 m，宣泄重現(xiàn)期50年設(shè)計(jì)洪水時(shí)，庫前水位為791.40 m。排泄通道由進(jìn)水渠、控制段、泄槽組成。進(jìn)水渠為喇叭形進(jìn)水口，首端寬30 m，末端寬15.0 m?？刂贫螢閷掜斞?，長30 m，溢流凈寬15.0 m，無閘門控制，采用混凝土結(jié)構(gòu)，堰體高度23 m；控制段與堆石壩之間通過混凝土側(cè)墻聯(lián)接；泄槽寬15 m、深5 m、長400 m，縱向底坡6%，底板和邊墻均采用鋼筋石籠結(jié)構(gòu)，在鋼筋石籠表面掛網(wǎng)噴20 cm厚的C25混凝土防滲和防銹。出口處黃家溝溝底和兩岸采用鋼筋石籠和噴混凝土保護(hù)，泄槽后期與布置在渣體上的預(yù)留排水通道相接，預(yù)留排水通道采用鋼筋石籠防護(hù)。

7.4 矮子溝上游梯級攔擋壩

為保證矮子溝排水洞在設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下能正常運(yùn)行，需在排水洞上游設(shè)置多級攔擋壩，攔截泥石流固體物質(zhì)，避免排水洞淤堵。通過對矮子溝泥石流流通區(qū)的多次現(xiàn)場踏勘，溝底高程1 080～1 140 m 范圍內(nèi)地形開闊，具備形成較大淤積庫容的條件，其他溝道段溝谷地形相對狹窄，形成的淤積庫容較為有限。矮子溝溝道兩側(cè)大部分區(qū)域?yàn)楦采w層，僅有局部溝道段基巖出露，經(jīng)分析比較，選擇在1 192 m、1 110 m 和790 m 高程處分級設(shè)置攔擋壩，攔擋壩采用混凝土壩，壩高10.5～13 m，3級攔擋壩總共可形成約13.5萬m3的淤積庫容。

圖3 矮子溝渣場防護(hù)及泥石流防治工程竣工面貌Fig.3 Completion of protection of slag site at Aizi gully and the treatment of the debris flow

8 結(jié)語

根據(jù)矮子溝泥石流特性及渣場布置要求，采用排水洞+擋水壩+非常排泄通道+上游梯級攔擋壩的方案進(jìn)行綜合治理。排水洞排泄重現(xiàn)期20年及以下的洪水，當(dāng)遭遇到超過重現(xiàn)期20年的洪水時(shí)，超標(biāo)洪水從非常排泄通道排泄，同時(shí)，擋水壩壩前形成的庫容可容納一次重現(xiàn)期50 年以內(nèi)的泥石流。以上設(shè)施可在施工期（6～7 年）內(nèi)保障渣場的安全，且有效節(jié)省了工程投資。該工程自2013年初開始施工，2016 年初全部完工并順利通過驗(yàn)收，至今已安全運(yùn)行4 年并成功通過了4 個(gè)汛期的檢驗(yàn)，有效保護(hù)了渣場及鄰近建筑物的安全。