電站廠房區域泥石流治理的土木工程措施研究

孫 亞 聯

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

泥石流是山區介于挾沙水流和滑坡之間的土(泛指固體松散物質)、水、氣的混合流，為山區特有的一種突發性的自然災害現象。它以含有大量固體物質(尤其是大尺寸顆粒)而著稱，進入河段后，在短時間內改變主河水沙組成及邊界條件，同時受到主河的阻力作用，流路發生改變，在入匯口附近發生淤積，如果主河水動力條件與泥石流對比較弱，則易發生堵河現象[1]。修建在河道周圍的水利、民用建筑、農田、公路等基礎設施往往受到泥石流的威脅。水電站工程往往多修建于深山峽谷區，受地形、地質條件的影響，時常伴有泥石流活動，倘若發生泥石流，不僅破壞生態環境，堵塞河道，而且影響水電站的安全運行以致造成重大經濟損失。因此，水電站區域的泥石流治理對電站的安全運行有著重要意義。本文詳細介紹了目前泥石流治理的一些土木工程措施，同時結合具體的水電站工程區域泥石流的基本特征，提出具體治理工程措施，希望對泥石流的工程治理分析理論上提供一些實踐支持。

1 泥石流治理的土木工程措施應用

目前國內外泥石流防治措施很多，總的來說主要有兩大類，即土木工程措施和生物措施。土木工程措施是在泥石流形成區、流通區、堆積區內采用相應的治理工程(如蓄水、引水、排水、截水等治水工程，攔擋、支護工程、排導、引渡工程、停淤工程等)，以控制泥石流的發生、減小其產生的危害，泥石流生物措施是一般采用喬、灌、草等植物進行科學地配置營造，充分發揮其滯留降水，保持水土，調節徑流等功能，從而達到防治和制止泥石流發生減輕其危害程度的目的[2]。目前泥石流的土木工程措施主要靠主動治理的減災新途徑來實現對泥石流的治理，具體工程技術措施主要有排導截流措施、攔擋措施、破壞起動面與減少驅動力措施[3]。

1.1 排導截流措施

在準泥石流體上游方修建排水溝或排導槽，攔蓄水流或把水流排到相鄰的非泥石流溝谷中或準泥石流體下游溝段，避免大量水分直接作用于準泥石流體，使水分條件保持在起動臨界值以下，不能起動形成泥石流。同時，由于泥石流對溝床的塑造大，比如局部侵蝕淤積,泥石流防治專家借用“以柔克剛”的思想提出軟基消能的有效措施，利用排導措施減少泥石流體與工程構筑物的接觸，減小泥石流對構筑物的沖擊載荷而讓泥石流與溝槽內的物質相互作用攪拌從而消耗泥石流的動能，通過合理的斷面型式、縱坡比降將泥石流在控制條件下安全順利地排泄到指定的區域[4]。

1.2 攔擋措施

在準泥石流體前緣或適當部位修建擋土墻、谷坊、攔擋壩等攔擋工程建筑物，增大準泥石流體的穩定性，減緩底床坡度，攔截水沙，改變輸水、輸沙條件，減緩泥石流流速，抑制上游河段縱橫向侵蝕，改變泥石流流向，從而減少泥石流對工程構筑物的接觸，達到保證工程構筑物的安全目的。

2 某電站廠區泥石流工程處理措施

2.1 工程布置

電站廠房區域內的阿克恰衣蘇溝和其干布拉克溝均為泥石流溝，其中阿克恰衣蘇溝為水石泥石流溝，其干布拉克溝為稀性泥石流溝，2條泥石流溝對廠房均沒有直接沖擊破壞作用，但是泥石流的淤積對廠房尾水有一定影響，為了降低泥石流溝對工程的危害，對該部位兩個泥石流溝進行排導處理，本文以其干布拉克溝泥石流溝為例，對廠區主要建筑物進行防護。

一級廠房對面其干布拉克溝泥石流為稀性泥石流，最大方量較小，出口形成的堆積物洪水期均能被主河道搬運走，無阻斷河道的可能，并不會危及一級廠房，但對一級廠房的尾水會產生一定淤積影響。因此，在其干布拉克溝與上壩路交匯處下方20 m處，設置攔擋壩以及泥石流排導槽，此處地形平緩，原溝槽深度約為3 m～4 m，設置攔擋壩為漿砌石重力壩，最大壩高為6 m，頂寬為1.5 m，長度90 m。泥石流排導槽斷面為梯形斷面，設計槽深3.5 m，底部寬度為6 m，兩側坡比為1∶2，總長度為194 m，通過攔擋壩以及泥石流排導槽將泥石流順向導入距廠房對岸上游400 m岸坡處，進一步減小其對水電站廠房的影響。

2.2 泥石流防護建筑物穩定計算分析

2.2.1泥石流防護堤與攔擋壩的穩定計算

1)其干布拉克溝攔擋壩的穩定分析。

采用重力式漿砌石壩對其干布拉克溝泥石流進行防護，防止泥石流夾帶巖石對攔擋壩產生磨損破壞，在攔擋壩迎水面與背水面都襯護30 cm厚C35抗沖耐磨混凝土。攔擋壩最大壩高6 m，壩頂長度為90 m，迎水坡采用1∶0.2，攔擋壩背水坡采用1∶0.7，頂部寬度按1.5 m設計。具體斷面見圖1。在對攔擋壩進行穩定、基底應力和抗傾覆計算時，荷載考慮：壩體自重、靜水壓力、泥石流壓力、堆積物的土壓力、沖擊力，計算結果見表1。經計算，攔擋壩滿足抗滑、抗傾要求，地基承載力也滿足要求。

表1 攔擋壩抗滑、抗傾覆安全系數計算結果表

2.2.2排導槽的體型的設計

1)排導槽的縱坡設計。

排導槽縱坡應略大于流通段縱坡，結合泥石流溝地形條件布置，其原則是在不增加開挖或不產生較大填方前提下盡量一坡到底。阿克恰衣蘇溝排導槽入口段高程為2 372.50 m，同時與軸線成15°偏角并成“八”字形，天然溝段流通縱坡為72‰，排導槽結合原地形條件采用一坡到底，從排導槽樁號縱0+000.00到末端縱0+318.00起縱坡調整為75‰，出口處高程為2 353.50 m，同時與軸線呈15°偏角并呈“八”字形。其干布拉克溝排導槽入口段高程為2 442.00 m，天然溝段流通縱坡為77‰，排導槽結合原地形條件采用一坡到底，從排導槽樁號縱0+000.00到末端縱0+194.00起縱坡調整為80‰，直接泄入鐵米爾蘇原河道。

2)排導槽的斷面尺寸計算。

排導槽常用斷面形狀有梯形、矩形和V形三種，也有復合型，本工程泥石流規模較小，排導槽斷面選定為梯形斷面。根據流通段溝道的特征，按式(1)類比法來計算排導槽的橫斷面積[5]。

(1)

式中：BX——排導槽的寬度,m；

BL——流通區溝道寬度,m；

IX——排導槽縱坡降，‰；

IL——流通區溝道縱坡降,‰；

HL——流通區溝道泥石流厚度;

HX——排導槽設計泥石流厚度。

根據已確定的縱坡值，以及現場泥石流調查流動區溝道寬度數據(阿克恰衣蘇溝流通區溝道寬度約為14 m，泥石流厚度為4.3 m，其干布拉克溝流通區溝道寬度約為5 m，厚度約為3 m)，經計算阿克恰衣蘇溝排導槽設計泥石流深度為3 m時，排導槽寬度BX=26 m；其干布拉克溝排導槽設計泥石流深度為3 m時，排導槽寬度BX=6 m。排導槽的深度H可按式(2)計算確定：

H=Hc+ΔH

(2)

式中：H——排導槽深度，m；

Hc——設計泥深,m；

ΔH——排導槽安全超高，一般取ΔH=0.5 m～1.0 m，本次計算取0.5 m。經計算2條泥石流溝排導槽深度為3.5 m。

廠房區域泥石流溝排導槽斷面尺寸見表2。

表2 排導槽設計斷面表

3 結論與建議

一級水電站發電廠房區域內存在兩條泥石流溝，阿克恰衣蘇溝泥石流為稀性泥石流類水石流，搬運能力差，對臨近的發電廠房區域沒有直接沖擊破壞作用；其干布拉克溝泥石流為稀性泥石流，雖然對面為一級電站地面廠房，但泥石流堆積物方量較小，僅堆積在部分河漫灘上，對廠房安全影響不大，主要影響位于溝谷中部的交通道路的安全。結合兩條主要泥石流溝的活動特征，采取以排導、攔擋為主的土木工程措施來對發電廠房區域的泥石流進行治理，減小泥石流溝對電站廠房的影響。

[1] 郭志學,曹叔尤.泥石流堵江影響因素試驗研究[J].水利學報,2004(11):39-45.

[2] Lien H P.Design of slit dams for donrtolling stony debris flows[J].International JournaI of Sediment Research,2003,18(1):74-87.

[3] 崔 鵬,藩曉清.風景區泥石流防治特點與技術[J].地學前緣,2007,14(6):172-180.

[4] 陳曉清,士 革.兩種主要泥石流排導槽的比較[J].災害學,2001,16(3):12-16.

[5] DZ/TO 239—2004,泥石流災害防治工程設計規范[S].