高山峽谷區棄渣泥石流彈性調控模式研究
——以牛棚溝棄渣場為例

王 政,陳寧生,劉麗紅,胡桂勝,張 勇

(1.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041;2.中國科學院大學，北京 100049)

在金沙江、雅礱江、大渡河流域等高山峽谷區興修水利工程是我國加快水利改革的重大戰略，目前在三大江流域峽谷區已投產、規劃和正在建設的大中型水電站中，中型水電站的分布已較為密集且數量眾多，而小型水電站更是不計其數。隨之而來的是修建水電站所產生的大量棄土棄渣問題。從水利工程的特殊性和經濟性方面考慮，高山峽谷干旱河谷地區所廣泛分布的泥石流溝不可避免地被選擇作為棄渣場。該類泥石流溝具有典型的高山峽谷特點，其自然坡大，溝內有大量松散物質堆積，自身具有較好的泥石流起動條件。

水電工程棄渣具有棄渣量較大、棄渣場選擇困難以及棄渣水土流失危害較大等特點[1-2]，同時未經合理堆放的棄渣會為泥石流的形成提供大量物源，此類由不合理堆放棄渣所引發的泥石流稱為棄渣泥石流，按照起動位置可分為溝谷型棄渣泥石流和坡面型棄渣泥石流兩類[3]。棄渣泥石流相較于一般泥石流具有不同的特征，其物質組成以中等以上顆粒為主，且在工程區內通常與其他地質災害相伴而生。傳統的棄渣治理大都采用“一坡到底”形式進行堆渣[4]，這種堆積方式易形成陡峭邊坡，其堆渣體整體穩定性和局部穩定性都較差。陳寧生等[5]依據我國礦山防治經驗，總結出穩攔排全面控制、截流排導和攔排結合3種棄渣泥石流防治模式；倪化勇等[3]提出了棄渣泥石流的防治措施包括防止棄渣亂堆、防止棄渣補給和防止棄渣侵蝕三個方面;呂釗等[6]對棄渣場的土壤侵蝕形式、機制進行了分類，并提出了棄渣場水土流失的各種防治措施；黃斌等[7]針對金沙水電站石家溝棄渣場，提出以“先攔后棄，以排為主，工程、植物、臨時措施相結合”為原則的棄渣場防護方案；胡桂勝等[8]針對金沙江白鶴灘水電站棄渣場，提出了“以排為主，適當攔擋”的水電工程泥石流治理模式；史小棟等[9]針對葉巴灘水電站俄德西溝棄渣場，總結出攔擋、減勢、排導清水、后期清淤、清障等綜合防護措施。

綜上所述，棄土棄渣的防治主要以擋渣墻、攔砂壩、攔渣堤等工程措施為主，直接攔截泥沙和間接穩溝固坡，從而減少泥石流物源，降低泥石流規模和頻率；同時，采取土體整治和植被恢復相結合等非工程措施，通過減少地表水土流失，從而減少泥石流土源，控制泥石流規模和頻率[10-11]。

目前已有的棄渣治理方式雖然取得了一定的泥石流防控效果，但是無法對泥石流起到消能作用，并且需要容量較大的攔砂壩以攔蓄溝內泥石流固體物質，而修建的攔砂壩越大，其施工難度和建設資金就越高。因此，有必要結合具有消能效果的跌坎類排導槽，采用新型治理模式對棄渣進行治理。該模式是從安全和經濟的角度出發，通過對牛棚溝棄渣場泥石流的治理，驗證所提出的具有逐級消能作用的新型彈性穩攔排綜合調控模式的可行性，以便推廣到高山峽谷區工程棄渣泥石流的綜合防控。

1 牛棚溝棄渣場泥石流特點

1.1 牛棚溝棄渣場概況

古瓦水電站位于四川省甘孜藏族自治州鄉城縣境內，是碩曲河干流鄉城、得榮段“一庫六級”梯級開發方案中的“龍頭水庫”電站，下游為娘擁水電站。牛棚溝棄渣場主要用于解決修建古瓦水電站蝶閥室交通洞所產生的約25萬m3工程棄渣問題。棄渣場選擇在泥石流的形成流通區，相比溝口堆積區，其擁有天然的三側邊坡，且滿足對于該棄渣場容量的要求，棄渣若堆積在溝口將會耗費大量的資金且工程量較大；若堆積在上游形成區，其坡度較高，危險系數較大，削坡護坡措施不能完全滿足安全性的要求。綜合成本、工程量和安全系數考慮，選擇泥石流的形成流通區作為棄渣堆積位置是最可取的。

牛棚溝流域位于四川省溪洪引發泥石流災害低易發區，因地勢高聳，相對高差懸殊，山體重力勢能大；新構造上升運動強烈，巖石破碎，自然災害頻發[12]。其地勢東高西低，距溝口約1.3 km處上游分為兩支，平面上呈“Y”形展布，溝內長年流水。牛棚溝溝口堆積沖洪積碎石土，順河長約140 m，前沿為陡坎，高出河水面約10 m；右岸谷坡在高程3 200 m以上基巖大多出露，自然坡度一般40°～50°，坡腳及谷坡凹槽分布崩坡積堆積體，自然坡度一般為30°～38°，植被發育。牛棚溝溝床比降較大，棄渣總量較多，主要威脅古瓦水電站及其附屬設施，其泥石流的治理情況直接關系到古瓦水電站工作的正常運行。牛棚溝泥石流溝主要特征見表1。

受地貌條件影響，干旱河谷區干燥指數較高。對研究區所處鄉城站的日降水量歷年各月發生日數做分級統計，統計結果表明：降水量在0.50～5 mm之間的降水日數，年平均為49 d；降水量在5～30 mm之間的降水日多發生于每年6～9月份，其中尤以7、8月份最多，均接近100 d；而降水量大于30 mm的降水日數最少，多年平均在7、8月份還不足1 d，屬典型的干旱河谷區氣候，在雨季和強降雨期為泥石流的形成提供了豐富的水源條件[13]。

表1 牛棚溝泥石流溝特征表Table 1 Characteristics table of Niupeng Gully debris flow

1.2 牛棚溝棄渣特征分析

經調查，古瓦水電站棄渣巖性主要為印支期斑狀黑云母花崗巖。該花崗巖呈灰白色，具粗粒似斑狀結構、塊狀構造，由鉀鈉長石、斜長石、石英、黑云母等組成，以斜長石為主。通過對古瓦水電站棄渣粗大顆粒粒度、巖性及磨圓度的統計發現，棄渣塊石粒徑最大為150 cm，幾乎全為棱角狀或次棱狀(見圖1)。表2為牛棚溝棄渣場堆積物顆粒組成。由顆粒分析試驗結果(見表2)可見，棄渣以礫石為主，礫粒的含量為78.46%，黏粒的含量為0.33%。

圖1 牛棚溝棄渣場堆積物及航拍影像Fig.1 Deposit and aerial images of Niupeng gully waste slag site

表2 牛棚溝棄渣顆粒組成(單位：%)Table 2 Particle composition of waste slag in Niupeng gully (unit:%)

1.3 牛棚溝棄渣體對泥石流的影響

綜合分析牛棚溝的地形地貌、地層巖性、地質構造和流域松散物源量，牛棚溝棄渣泥石流原為輕微易發，但在強震、森林火災和強降雨等偶然聯合作用下，牛棚溝還可能會暴發大規模的泥石流。牛棚溝棄渣場位于牛棚溝下游，泥石流不僅會對溝岸進行劇烈沖刷，而且也會對棄渣體造成強烈的撞擊，棄渣體將占據大部分溝道，堆渣區會形成束窄溝道段沖擊侵蝕，這會增強泥石流的沖刷和破壞能力[14]。

通過現場調查分析發現，牛棚溝棄渣體對溝內泥石流的影響主要有兩方面：一方面棄渣堆積體的破壞受渣體中粒徑為2 mm的礫粒含量的影響較大，棄渣體松散遇水即起動，但多以松散體參與泥石流起動[15]，而堆積的棄渣初期結構較為松散，暴露于泥石流中的坡腳棄渣物質易受泥石流體的不斷沖刷、掏蝕，造成堆渣體坡腳懸空，上部棄渣體在重力作用下發生失穩破壞，且在堆積的過程中形成較陡的坡面，其自然坡度約37°，為泥石流起動提供了較好的坡降條件，遇強降水可能會發生坡面整體滑移或垮塌，對棄渣場造成威脅(見圖1)；另一方面棄渣場堆渣后將使牛棚溝物源總量和不穩定物質顯著增多，這極大地增加了泥石流起動所需要的物源條件,且棄渣的堆積影響了泥石流通行，當泥石流起動后不斷沖刷淤積于溝道的棄渣，揭底啟動棄渣，放大了泥石流規模，可能釀成較重災害[7,16-17]。

2 牛棚溝棄渣場泥石流彈性調控模式

棄渣場的安全防護工程應以盡量減少泥沙塊石入河、不堵塞河道、不危害下游水電站建筑和設備為目標，而棄渣的防治則優先選擇穩溝、固坡、恢復生態等措施，通過防治溝道下切，避免棄渣進入溝床而形成新的泥石流物源。針對牛棚溝25萬m3棄渣的治理，本文提出了新型的彈性穩攔排綜合調控模式(見圖2)，該模式主要分為兩部分，即采用棄渣泥石流穩攔排防治方案解決18萬m3棄渣和采用分級堆積防治方案解決剩下的7萬m3棄渣。

圖2 牛棚溝棄渣場泥石流新型的彈性穩攔排綜合調控模式Fig.2 New elastic integrated control model for debris flow of Niupeng gully waste slag site

傳統的穩攔排防治方案主要是通過泥石流溝道治理工程對棄渣進行治理，其工程措施主要包括攔砂壩、排導槽、賓格石籠、八字墻等[見圖3(a)]，即棄渣整體沿溝道按照14.8%的坡比進行堆放，兩側則以57.14%的坡比進行固坡。而分級堆積防治方案則是在傳統的穩攔排防治方案上采用8%的坡比進行重新分級堆積[見圖3(b)]，同時需對全部25萬m3棄渣進行壓實處理，保證其有較好的穩定性。經重新堆積后的棄渣場所需的攔砂壩較傳統方案中的更小，且梯級排導槽對泥石流具有逐級消能作用。該堆積方式的不足之處則在于不能完全使棄渣都處于穩定狀態，經估算，按傳統方案堆積的近18萬m3棄渣是相對穩定的，而剩余的7萬m3棄渣則處于欠穩定狀態。針對這7萬m3欠穩定棄渣，首先應加固排導槽以防止泥石流對槽底的侵蝕以及渣體對排導槽的撞擊，并且應加強渣場后期的管理。采用這種分級堆積治理的彈性模式，是在結合了工程防治的安全性及災害的可控性之后進行方案優化的選擇。

圖3 牛棚溝棄渣場防治工程布置圖(a)和新型彈性調控模式改變溝道縱坡比降示意圖(b)Fig.3 Arrangement plan of controlling engineering of Niupeng gully waste slag site (a) and schematic diagram of changingthe slope gradient of the channel of the new elastic control model

3 模式驗證與分析

3.1 攔砂壩抗滑穩定性計算

根據《泥石流防治指南》，作用于攔砂壩上的基本荷載有：壩體自重、泥石流壓力、堆積物的土壓力、水壓力、揚應力、沖擊力等[18]。針對牛棚溝棄渣場的泥石流類型、庫內堆積物特征，以及泥石流攔砂壩過流方式，其在滿庫過流狀態下時，下層為非泥石流堆積物，上層為稀性泥石流堆積物，攔砂壩荷載組合有：壩體自重Wd，堆積物重Ws，整個壩體設計高度的稀性泥石流堆積物水平壓力Fdl，水平水壓力Fwl以及揚壓力Fy。取單寬計算，其結果見表3。

泥石流沖擊力Fc根據《泥石流防治工程技術》中“表3-30泥石流大石塊對圓形橋墩沖擊力F值表”[19]插值取199.5 kN。攔砂壩抗滑穩定性安全系數按以下公式計算：

(1)

式中：Kc為沿壩基面按照抗剪強度計算的抗滑穩定性安全系數；f為壩體同壩基間的摩擦系數，此處取1.05；∑W為作用于單位壩寬各垂直力的總和(kN)；∑Q為作用于單位壩寬各水平力的總和(kN)。

代入各項估算結果,按公式(1)計算可得攔砂壩抗滑穩定性安全系數Kc為1.58，滿足滿庫過流條件下攔砂壩的抗滑穩定性安全系數Kc≥1.30的要求。

表3 牛棚溝棄渣場在滿庫過流狀態下攔砂壩的荷載組合Table 3 Load combinations of check dam of Niupeng gully waste slag site under full reservoir condition

注：Vb為單寬壩體體積(m3)；γb為筑壩材料容量(kN/m3);Vs為堆積物體積(m3);γs為堆積物容重(kN/m3);hs為稀性泥石流厚度(m);n為孔隙率；φys為浮沙內摩擦角(°);γw為水體容重(kN/m3);Hw為迎水面水深(m)。

牛棚溝棄渣場邊坡局部穩定性計算采用商業軟件GeoStudio中的Slope/W模塊進行驗算，選取自然狀態下最不穩定的梯級邊坡上部區域，通過Morgenster-Price法得出該邊坡的局部穩定性安全系數見表4。

表4 牛棚溝棄渣場梯級邊坡局部穩定性安全系數計算結果Table 4 Calculation result of local stability safety factor of step slope of Niupeng gully waste slag site

由表4可見，在天然工況下牛棚溝棄渣場穩定性安全系數在1.15以上，滿足標準要求；而在暴雨工況下渣場邊坡穩定性安全系數略小于1.15，處于基本穩定狀態，為保證渣場安全需增設雨季巡查排查；地震對棄渣場堆積體穩定性影響較為顯著，在該工況下渣場邊坡穩定性安全系數較低，該渣場邊坡具有失穩破壞的可能。

3.2 減沙效益

經實地勘察發現牛棚溝內原松散堆積物表面積約為0.145 km2，不穩定物源總量約為15.7萬m3，棄渣總量為25萬m3。堆渣期間，棄渣呈自然堆置狀態，最高棄渣高度約為150 m，棄渣體的堆積坡度約為37°～38°，坡度較陡，易發生垮塌。本方案中兩側采用57.14%的坡比設計堆渣坡比，結合攔砂壩能夠有效固坡約18萬m3，剩余7萬m3棄渣的穩定性相對較差，易發生垮塌。再經分級堆積治理后，可穩固不穩定棄渣約3～4萬m3，剩余的不穩定棄渣則另尋渣場堆置。因此，通過彈性穩攔排綜合防控模式能夠大大降低泥石流起動所需要的物源總量。

3.3 減災效益

(1) 棄渣體泥石流容重的計算。由表2棄渣顆粒組成試驗結果可見，棄渣體的黏粒含量約為0.33%，參照文獻[20]，給出泥石流容重關于黏粒含量的多項式如下：

γc=-1.32×103x7-5.13×102x6+8.91×102x5-55x4+34.6x3-67x2+12.5x+1.55

(2)

式中：γc為泥石流的容重(g/cm3)；x為泥石流中黏粒的含量(%)。

由公式(2)計算得到牛棚溝棄渣體的容重為1.59 g/cm3，該溝若發生泥石流而其主要物源為棄渣，參照附近泥石流爆發歷史，可以得出泥石流以低頻稀性為主。

(2) 分級堆積治理后泥石流流速的變化。參照文獻[21]所推薦的稀性泥石流公式計算，泥石流流速的計算公式為

(3)

式中：Mc為溝床糙率系數(1/nc)；Ic為泥石流流面縱坡比降(‰)；a為阻力系數；Rc為泥位深度(m)。

上式中溝床糙率系數Mc在牛棚溝棄渣場泥石流分級堆積治理前分別選定為9、11，治理后選定為10.8、12.9，泥石流流速的計算結果見表5。

表5 牛棚溝棄渣場泥石流流速的計算結果(治理前/治理后)Table 5 Calculation of debris flow velocity and discharge of Niupeng gully waste slag site (before/after the control)

由表5可知，牛棚溝棄渣場泥石流流速在不同的溝段由于縱坡比降和溝床糙率系數以及沿途支溝的匯入、補給量的不同而有所變化。牛棚溝原溝道坡度比降為25%，計算得到泥石流流速變化在4.11～4.35 m/s之間，而按分級堆積治理后其坡度比降為8%，泥石流流速降低為2.94～3.03 m/s。

(3) 分級堆積治理后泥石流峰值流量的變化。目前泥石流峰值流量計算的基本方法主要采用配方法，其計算步驟是先按照水文方法計算出不同頻率下小流域的清水流量，然后再考慮溝道堵塞系數按下式計算泥石流峰值流量：

Qc=(1+φ)+QpDc

φ=(γc-γw)/(γs-γc)

(4)

式中：Qc表示頻率為P的泥石流峰值流量(m3/s)；φ為泥石流泥沙修正系數；Qp表示頻率為P的清水流量(m3/s)；Dc為泥石流堵塞系數；ψ為洪峰徑流系數，ψ=f(u，τn)，其中u為入滲強度(mm/h)，τn=f(m，s，J，L)，τ為匯流時間(h)，n為暴雨指數，m為匯流參數,s為暴雨雨力(mm/h),J為河道平均坡度(‰),L為溝道長度(km)；F為流域面積(km2);γc為泥石流重度(g/cm3)；γw為清水重度(g/cm3)；γs為泥石流中固體物質比重(g/cm3)。

假設牛棚溝棄渣場不同頻率下暴發泥石流(頻率P分別為0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%、5%、10%)，按分級堆積治理前、后不同情況計算泥石流峰值流量，其計算結果見表6。

表6 不同頻率下牛棚溝棄渣場泥石流峰值流量計算結果(治理前/治理后)Table 6 Calculation of peak flow of debris flow of Niupeng gully waste slag site (before/after control)

由表6可知，牛棚溝棄渣場泥石流治理前、后的清水流量和峰值流量都有較明顯的下降，治理前100年一遇頻率下的泥石流峰值流量為60.18 m3/s，治理后則其降為43.93 m3/s。牛棚溝棄渣場泥石流治理工程排導槽斷面面積為12.5 m2，其過流能力約為37.5 m3/s，因此能夠基本滿足100年一遇泥石流的過流要求。

3.4 經濟性

牛棚溝棄渣場泥石流治理工程通過對比傳統治理方案和新型彈性治理方案，充分考慮經濟性原則，在滿足棄渣能夠被安全治理的前提下，采用相對經濟的治理方案是毋庸置疑的。表7列出了傳統方案和新型方案下攔砂壩尺寸的對比。

表7 兩種方案下攔砂壩尺寸比較Table 7 Comparison of check damsizesin two projects

由表7可知，采用新型方案的攔砂壩較傳統方案下的攔砂壩尺寸及體積相比相差甚大,這也就意味著修筑新型方案的攔砂壩需要的建筑材料更少，且修建該壩的難度也會大大降低。兩種方案下建設排導槽、擋渣墻和八字墻等附屬設施所需的經費差別不大，在此則不做過多論述。因此，在結合工程防治的安全性、投資合理性及災害可控性進行方案的優化選擇后，本文提出該新型彈性綜合調控模式，且可廣泛推廣于高山峽谷區工程棄渣泥石流的綜合治理。

4 結論與建議

將高山峽谷區遍布的泥石流溝作為棄渣場是當前水電工程用于解決棄渣堆積的趨勢，而工程棄渣堆積于溝道內易加劇泥石流規模從而釀成較嚴重的災害，因此對水電工程棄渣場進行治理是水電站正常運行的重大保障，必須把棄渣場泥石流的防治工作放在重要位置。本文針對牛棚溝棄渣場泥石流治理工程的研究，得到以下結論：

(1) 本文提出新型的彈性“穩攔排”綜合調控模式，該模式將棄渣分為兩部分分別采用傳統穩攔排治理和彈性分級堆積防治，與傳統穩攔排治理模式相比，新增彈性防控方案，可最大限度地利用攔擋工程的效益，并能對泥石流起到逐級消能作用，在經濟性和安全性間找到平衡點。該模式可為高山峽谷區后續的水電站棄渣泥石流工程治理提供借鑒。

(2) 該工程案例中總棄渣量約為25萬m3，采用傳統方案包括攔砂壩、擋渣墻等治理18萬m3棄渣，彈性分級堆積則采用8%分級比降堆積壓實治理剩余的7萬m3棄渣。應用分級堆積治理后泥石流流速從4.11～4.35 m/s降低為2.94～3.03 m/s，百年一遇泥石流峰值流量則從60.18 m3/s 降低至43.93 m3/s，治理效果明顯。

基于以上結論，本文就高山峽谷區棄渣場泥石流治理提出以下建議：

采用該新型治理方案能有效降低棄渣堆積的高坡比，但攔砂壩在此只能起到穩坡作用，一旦溝內棄渣體被侵蝕則不能起到攔渣作用，因此必須對排導槽進行加固，以防止被泥石流損毀。此外，還需結合監測預警和生態防護方法共同對棄渣場進行防治，才能有效將該模式推廣于高山峽谷地區工程棄渣泥石流的綜合治理。同時，要加強渣場管理，在雨季及雨季之前應加大巡查排查力度，加強對渣場泥石流的監測預警。