考慮大型棄渣場的泥石流災(zāi)害綜合防治研究

摘要：

針對天然溝道中布置大型棄渣場的泥石流災(zāi)害防治問題，以金沙江上游旭龍水電站茂頂河泥石流溝為例，探討天然溝道中大型棄渣場阻斷下的泥石流災(zāi)害防范治理體系構(gòu)建。從泥石流的形成條件、泥石流洪峰流量和泥石流規(guī)模入手，提出了“上攔+中停+下排”的綜合治理方案，并基于OpenLISEM軟件反演不同工況下泥石流運動-堆積演變規(guī)律，綜合評估泥石流防治工程的合理性，形成了天然溝道中布置大型棄渣場的泥石流災(zāi)害防治方案。結(jié)果表明：空庫條件下，攔淤壩排導(dǎo)槽進口底板高程以下庫容可以攔截100 a一遇泥石流；初始滿庫洪水條件下，若發(fā)生100 a一遇和200 a一遇的泥石流事件，部分稀性泥石流和洪水混合體將進入排導(dǎo)槽內(nèi)。研究成果可為天然溝道大型棄渣場阻斷下的泥石流防治提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：泥石流； 大型棄渣場； 災(zāi)害防治； OpenLISEM； 綜合治理； 旭龍水電站

中圖法分類號：P642.23""文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.08.004

文章編號：1006-0081（2024）08-0028-07

0 引 言

中國西南地區(qū)高山峽谷發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜，泥石流溝遍布［1-2］，在工程區(qū)附近泥石流溝內(nèi)布置大型棄渣場越來越普遍，泥石流的防治問題成為了天然溝道中布置大型棄渣場的防護焦點。針對泥石流的防治問題，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對泥石流分類、形成過程、特征、動力特性及防治措施等進行了研究，并對其綜合治理方案進行了探討。黃成家等［3］基于白鶴灘水電站大寨溝泥石流提出了“排導(dǎo)明渠（槽）+堆渣壓坡+局部抗滑樁”的綜合治理方案。呂小波等［4］基于Tamotsu Takahashi模型的泥石流降雨閾值預(yù)測方法，研究了板子溝泥石流的動力學(xué)特征并提出了“防護堤+攔砂壩”的綜合治理方案。黃洪等［5］采用數(shù)值模擬與物理模型試驗相結(jié)合的方法探討了大流域泥石流災(zāi)變特性與形成機制，并闡明了攔擋是治理泥石流溝的重要措施。楊麒麟［6］根據(jù)動態(tài)監(jiān)測結(jié)果，分析了貴州省沖門口泥石流治理效果。廖桂英［7］針對城鎮(zhèn)泥石流問題，構(gòu)建了“固源+攔擋”的綜合治理體系。

由于目前的泥石流研究大多著眼于天然沖溝狀態(tài)下的分布、預(yù)測和治理等方面，而對天然溝道中布置大型棄渣場的泥石流防治方案研究相對較少。并且，在泥石流溝內(nèi)布置大型棄渣場的泥石流防治方案大多僅適用于特定的溝道［8］，現(xiàn)行以“疏導(dǎo)”為主的常規(guī)泥石流防治原則不適用于大型棄渣場阻斷下的泥石流防治，應(yīng)用不廣泛，難以推廣形成系統(tǒng)可靠的治理方案。本文以旭龍水電站茂頂河棄渣場為例，針對茂頂河泥石流溝道威脅棄渣場安全穩(wěn)定的問題，為消除泥石流影響、確保棄渣場安全，對該處泥石流特性及綜合治理方案開展研究，以最大程度減輕棄渣場安全隱患，為天然溝道中大型棄渣場泥石流災(zāi)害防治方案提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

旭龍水電站位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段，工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，水電站裝機容量2 400 MW，是西電東送骨干電源點之一。旭龍壩址位于茂頂河溝口下游附近的金沙江河段上，河床布置混凝土雙曲拱壩，右岸布置引水發(fā)電建筑物與過魚設(shè)施，左岸布置導(dǎo)流隧洞，為Ⅰ等大（1）型水電站（圖1）。茂頂河棄渣場（圖2）距壩址約5 km，為溝道型棄渣場，其中棄渣場規(guī)模為1 670萬m3，棄渣場最大堆渣高度為225 m，屬于特大型棄渣場。

2 茂頂河泥石流形成條件

2.1 地形地貌

茂頂河流域地處橫斷山脈地段，呈明顯臺階狀下降，屬峽谷地貌類型。受地質(zhì)構(gòu)造的影響，流域支溝發(fā)育不對稱，左側(cè)分布較多且支溝流域面積較大，右側(cè)分布較少且支溝流域面積也較?。▓D3）。茂頂河流域岸坡以陡坡地貌為主，一般坡度為35°～60°，海拔3 200 m以下斜坡坡面植被不發(fā)育，多以荊棘類植物為主，海拔3 200 m以上喬、灌類植物較發(fā)育。

2.2 流域特性

流域形狀系數(shù)F反映了流域地表徑流的匯流條件和水動力特征。在流域形態(tài)上，若其長寬比越接近于1，則表明其匯流條件較好；同時溝床縱比降越大，越有利于松散固體物質(zhì)的起動。由表1可知，茂頂河流域主溝較平緩，各支溝溝床縱比降稍陡，但其形狀系數(shù)均較大，匯流條件良好，有利于暴雨的快速匯集，從而突發(fā)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

2.3 松散物源因素

茂頂河流域下游的老滑坡體組成物質(zhì)主要為碎塊石土、大塊石、散裂巖體等，受流水侵蝕作用強烈（圖4），在水流沖刷下極易被掏蝕，為泥石流的形成提供大量的固體物質(zhì)。由于地質(zhì)條件原因，流域新構(gòu)造運動強烈，溝道下切較深，兩岸坡度均較陡，為崩塌和滑坡提供了足夠的臨空面，再加上開辟公路等人類活動對山體的切坡影響，公路沿線形成了許多大小各異的崩滑體。

2.4 降雨因素

茂頂河流域降雨季節(jié)相對集中，6～8月雨季的降水量可達全年降水量的70%以上，再加上高山上豐富的冰雪融水及其本身有利的匯水條件，從而使該流域具備發(fā)生泥石流的水源條件。

3 茂頂河泥石流特征及規(guī)模

3.1 茂頂河泥石流洪峰流量

目前，國內(nèi)外研究者均采用配方法計算泥石流峰值流量，即假定泥石流的活動頻率（P）與洪水同步，以清水洪峰流量進行配方，按比例加上泥石流所挾帶的固體物質(zhì)體積來計算泥石流流量，同時結(jié)合泥石流堵塞系數(shù)，計算出泥石流峰值流量（表2），其計算公式如下：

Qc=（1+φc）DuQB（1）

φc=（γc-γw）/（γs-γc）（2）

式中：Qc為泥石流峰值流量，m3/s；

QB為清水峰值流量，m3/s；

φc為泥石流流量增加系數(shù)；

γc為泥石流密度，kg/m3；

γw為水密度，kg/m3；

γs為泥沙密度，kg/m3；

Du為堵塞系數(shù)。

3.2 茂頂河泥石流規(guī)模

根據(jù)設(shè)計工況泥石流洪峰流量和泥石流持續(xù)時間，計算設(shè)計工況的泥石流總量：

W=0.264×QcT（3）

式中：W為設(shè)計泥石流總量，m3；

T為泥石流持續(xù)時間，即茂頂河20～200 a一遇泥石流持續(xù)時間，s。

茂頂河泥石流不同頻率設(shè)計工況的泥石流總量計算結(jié)果見表3。

4 泥石流綜合治理方案設(shè)計

經(jīng)調(diào)查研究，茂頂河溝的泥石流活動已接近棄渣場，對棄渣場施工期和運行期構(gòu)成威脅［9］。根據(jù)NB/T 10139-2019《水電工程泥石流勘察與防治設(shè)計規(guī)程》規(guī)定，泥石流治理工程方案設(shè)計應(yīng)以排導(dǎo)為主，固源、攔擋、停淤、排導(dǎo)等工程措施相結(jié)合。在進行具體泥石流防治時，應(yīng)根據(jù)治理目標采取山體兩側(cè)與溝道內(nèi)部互相兼顧、多種土建工程相結(jié)合、上下游統(tǒng)一規(guī)劃的綜合治理方案。為減少茂頂河泥石流溝棄渣場的運行風(fēng)險，本文對茂頂河泥石流提出了“上攔+中停+下排”的綜合防治方案，如圖5所示。

“上攔”即在茂頂河主溝及各支溝內(nèi)設(shè)置5座攔擋壩，攔擋壩均采用樁林式格柵壩，格柵壩采用兩排2 m×2 m的方樁，樁之間采用2 m×1 m×0.5 m（長×寬×厚）的鋼筋混凝土橫梁連接，橫梁共兩層，上下間距取為2 m，使樁和梁形成整體，形成攔擋結(jié)構(gòu)。攔擋上游滾落的大石塊和樹木，減弱泥石流的威力和破壞力。攔擋壩穩(wěn)定分析參照雙排樁對前趾的抗傾覆穩(wěn)定進行計算，計算荷載假定樁上游側(cè)淤滿承受土壓力，并在樁頂部疊加泥石流塊石最大沖擊力，采用土水分算，不同基礎(chǔ)條件抗傾覆穩(wěn)定計算結(jié)果見表4，攔擋壩穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

“中停”即在茂頂河流域泥石流堆積區(qū)布置攔淤壩攔擋泥石流，使攔淤壩上游形成停淤場。攔淤壩頂高程按以下原則選?。孩? 上游停淤場庫容至少容納一次校核標準200 a一遇泥石流總量；②" 滿足排導(dǎo)槽泄流要求，并具有一定安全超高；③ 滿足渣場棄渣容量要求。攔淤壩采用可充分利用當(dāng)?shù)夭牧?、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便的土石壩，防滲形式采用上游壩面防滲+壩基透水方式設(shè)計。本文攔淤壩壩頂高程2 355 m，壩頂寬10 m，大壩軸線長約251 m，最大壩高約45 m。

攔淤壩在渣場施工期存在背水側(cè)沒有填筑渣體的工況，此時為攔淤壩下游壩坡穩(wěn)定最不利工況；渣場運行期間，由于攔淤壩背水側(cè)已填筑渣體，因此主要復(fù)核迎水側(cè)邊坡穩(wěn)定。采用簡化畢肖普法進行攔淤壩穩(wěn)定分析計算。壩坡穩(wěn)定計算成果見表5，攔淤壩壩坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

“下排”即在茂頂河泥石流堆積區(qū)下游側(cè)布置排導(dǎo)槽，排導(dǎo)洪水和泥石流。排導(dǎo)槽沿右岸山體開挖布置，起點在攔淤壩右側(cè)岸坡上，終點在茂頂河溝口下游，線路長約1 212.5 m，全線最大底坡坡度為23.4%，最小底坡坡度為13.4%。排導(dǎo)槽采用平底槽斷面，底板左右兩半部分的橫向坡比均為1∶10，排導(dǎo)槽進口漸變段寬15 m，進口漸變段邊墻高度由10.0 m漸變?yōu)?.0 m；排導(dǎo)槽槽身段寬12 m，高8 m。排導(dǎo)槽出口接消力池，采用平底漸擴式結(jié)構(gòu)，底板厚2 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。消力池首端寬12 m，末端寬23.2 m，深40 m，長40 m。消力池后為海漫段，采用兩層2 m×2 m×1 m的鋼筋石籠護底，長70 m。

由于排導(dǎo)槽右側(cè)局部為高邊坡，故對排導(dǎo)槽的高邊坡進行穩(wěn)定驗算。計算采用強度折減法，邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表6，排導(dǎo)槽高邊坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

通過對茂頂河泥石流溝采用“上攔實現(xiàn)穩(wěn)源、中停固源停淤，下游排導(dǎo)”等工程措施，形成了天然溝道中布置大型棄渣場的泥石流災(zāi)害防治方案。

5 泥石流數(shù)值模擬

為驗證茂頂河泥石流防治工程設(shè)計方案的合理性，本文基于OpenLISEM軟件探究了不同工況的泥石流運動-堆積演變規(guī)律，見表7。

圖6為控制工況1的泥石流運動-堆積全過程。如圖6所示，所有溝發(fā)生泥石流，其沖出物全部堆積于攔擋壩庫內(nèi)（圖6（a）），壩后泥石流堆積量為21.1萬m3，主溝、1號溝、1-1號溝泥石流主要堆積于壩后右側(cè)，1-2號溝泥石流主要堆積于壩后左側(cè)，泥石流未進入排導(dǎo)槽內(nèi)，泥石流最大堆積厚度23 m（圖6（b））。

圖7為控制工況2的泥石流運動-堆積全過程。如圖7所示，所有溝發(fā)生泥石流，泥石流大部分堆積在攔擋壩后（圖7（a）），壩后泥石流堆積量為24萬m3，主溝、1號溝、1-1號溝泥石流主要堆積在攔擋壩的右側(cè)，泥石流最大堆積厚度為15.3 m，壩后泥石流表面最大高程為2 345 m，少量泥石流進入排導(dǎo)槽內(nèi)。

圖8為控制工況3的泥石流運動-堆積全過程。如圖8所示，所有溝發(fā)生泥石流，沖出流體大部分堆積在攔擋壩后（圖8（a）），壩后泥石流堆積量為63.8萬m3，主溝、1號溝、1-1號溝泥石流主要堆積于壩后右側(cè)，1-2號溝泥石流主要堆積于壩后左側(cè)，泥石流最大堆積厚度31 m（圖8（b））。攔淤壩內(nèi)滿庫洪水，所有溝同時發(fā)生泥石流后，庫內(nèi)水位急劇上升，開始進入排導(dǎo)槽，其最大流體深度達到6.3 m（圖8（c）～（d）），但泥石流和洪水未溢出排導(dǎo)槽。

圖9為控制工況4的泥石流運動-堆積全過程。如圖9所示，所有溝發(fā)生泥石流，沖出流體大部分堆積在攔擋壩后（圖9（a）），壩后泥石流堆積量為83.8萬m3，主溝、1號溝、1-1號溝泥石流主要堆積于壩后右側(cè)，1-2號溝泥石流主要堆積于壩后左側(cè)，泥石流最大堆積厚度32 m，壩后泥石流堆積表面高程值為2 352 m（圖9（b））。攔淤壩內(nèi)滿庫洪水，所有溝同時發(fā)生泥石流后，庫內(nèi)水位急劇上升，開始進入排導(dǎo)槽，其最大流體深度達到69 m（圖9（c）～（d）），但泥石流和洪水未溢出排導(dǎo)槽。

泥石流運動-堆積規(guī)律研究結(jié)果表明：空庫條件下，攔淤壩排導(dǎo)槽進口底板高程以下庫容可以攔截100 a一遇泥石流，淤積1次100 a一遇泥石流條件下，若再發(fā)生200 a一遇的泥石流，少量泥石流將進入排導(dǎo)槽；初始滿庫洪水條件下，若發(fā)生100 a一遇和200 a一遇的泥石流事件，泥石流進入攔擋壩后，與壩后洪水混合，部分稀性泥石流和洪水混合體將進入排導(dǎo)槽內(nèi)，排導(dǎo)槽內(nèi)流體最大深度為6.9 m，但未有泥石流或洪水溢出，驗證了茂頂河泥石流溝采用“上攔+中停+下排”綜合防治方案的合理性。

6 結(jié) 論

本文以金沙江上游旭龍水電站茂頂河泥石流溝為研究對象，系統(tǒng)分析了泥石流的形成條件、泥石流洪峰流量和泥石流規(guī)模，提出了“上攔+中停+下排”的綜合防治方案，有效降低了棄渣場施工期和運行期的安全風(fēng)險，遏制了泥石流災(zāi)害；基于OpenLISEM 軟件，探討了不同工況下泥石流動態(tài)過程和綜合評估泥石流防治工程的合理性，可為天然溝道大型棄渣場阻斷下的泥石流災(zāi)害綜合治理提供一定的技術(shù)支撐。但是，本次研究僅集中在泥石流的運動過程及泥石流防治工程的合理性評價，后續(xù)需對茂頂河泥石流綜合治理方案的建筑物安全監(jiān)測做進一步研究。

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編輯：高小雲(yún)

Research on comprehensive prevention and control of debris flows disaster considering large slag dump

JIN Liancai1，CUI Jinpeng2，LI Huaiguo3，DING Yanan2，HU Yichuan1

（1.CHN ENERGY Jinshajiang Xulong Hydropower Co.， Ltd.，Ganzi 627950，China；

2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

3.Sinohydro No.1 Engineering Bureau Co.，Ltd.，Changchun 130033，China）

Abstract：

Aiming at the prevention and control of debris flow disasters for the layout of large slag dump on natural channel，the study took the debris flow channel in Maoding River of Xulong Hydropower Station in the upper reaches of Jinsha River as an example，to discuss the construction of debris flow disaster prevention and control system under the blocking of large slag dump on natural channel. The comprehensive control scheme of \"upper block plus middle stop plus lower discharge\" was put forward based on the formation conditions，peak flow and scale of debris flow. Based on OpenLISEM software，the law of debris flow motion-accumulation evolution under different working conditions was reversed，and the rationality of debris flow prevention and control project was comprehensively evaluated. Thus，the prevention and control scheme of debris flow disaster under the blocking of large-scale spoil fields was formed. The results showed that under the condition of empty reservoir，the storage capacity below the bottom floor of drainage channel inlet of the silting dam can meet the requirements of intercepting the debris flow event once in 100 years. Under the condition of initial full reservoir flood，if the debris flow event occurs once in 100 years and once in 200 years，some dilute debris flow and flood mixture will enter the drainage channel. The research results can provide a technical support for the prevention and control of debris flows under the blocking of large slag dump on natural channel.

Key words：

debris flow； large slag dump； disaster prevention； OpenLISEM； comprehensive control； Xulong Hydropower Station

基金項目：長江設(shè)計集團自主創(chuàng)新項目（CX2020Z14）

作者簡介：金連才，男，高級工程師，碩士，主要從事水電建設(shè)與施工技術(shù)管理工作。 E-mail：2607685041@qq.com

通信作者：崔金鵬，男，工程師，碩士，主要從事施工導(dǎo)流工作。E-mail： 511017155@qq.com

引用格式：金連才，崔金鵬，李懷國，等.考慮大型棄渣場的泥石流災(zāi)害綜合防治研究［J］.水利水電快報，2024，45（8）：28-34.