山區單溝泥石流演化歷程分析及防治措施探討
——以紅楓水力發電廠紅林電站庫首左岸沖溝為例

鄭飛舟 付鑫

（貴州省地質礦產勘查開發局114地質大隊，貴州遵義 563000）

0 研究區概況

國家能源集團貴州電力有限公司紅楓水力發電廠紅林電站庫首左岸沖溝位于紅楓水力發電廠紅林水電站庫首左岸，距離電站水庫大壩水平距離約100m。近年來大氣降雨誘發該沖溝發生泥石流，且呈不斷加劇趨勢。該沖溝前緣正對紅林水電站引水隧洞進口，泥石流災害已對紅林水電站引水隧洞進口造成潛在威脅，將影響紅林水電站正常發電生產活動。

1 溝域基本特征及泥石流形成條件分析

1.1 地形地貌特征

沖溝區屬構造侵蝕-溶蝕中低山河谷斜坡地貌，泥石流沖溝地形大致分為崖頂平緩臺地地形、陡崖區陡坡地形、緩斜坡區沖溝地形、河床岸坡堆積臺地地形四級地形，各種地形特征描述如下：①崖頂平緩臺地地形：位于貓跳河岸坡坡頂，地勢平坦，多呈階梯狀耕地，坡度5°～8°，為下部沖溝主要水源補給區，匯水面積0.22km2；②崖區陡坡地形：位于泥石流沖溝頂部，高約120m 左右，因歷史崩塌原因，該區域形成天然豁口，呈“漏斗”狀，平均坡度約40°，上部地表水在該區匯集對底部斜坡進行集中沖刷；③沖溝緩斜坡地形：位于陡崖陡坡至河床堆積臺地一帶，平均地形坡度28°左右；斜坡堆積大量古崩塌堆積塊碎石，結構松散，易被地表水沖刷；因受崖區陡坡地表水集中沖刷形成天然沖溝，按變形情況分為上下游兩段：上游段地形平緩，平均地形坡度18°，下游段平均地形坡度約27°，受暴雨洪水沖刷發生局部滑塌后表層松散滑塌體已被沖入庫區或堆積到河床堆積扇區；上下游交接處形成高約14m 的高陡臨空面，臨空面平均坡度約70°；④河床岸坡堆積臺地地形：位于沖溝底部河床岸坡平緩處，為沖積物主要堆積區，溝口具有明顯的扇形堆積地形特征。

1.2 地層巖性特征

沖溝區出露的巖土層自上而下分布為第四系全新統（Q4ml）耕植土、第四系全新統崩坡積層（Q4dl+col）塊碎石、寒武系中上統婁山關群（∈2-3ls）白云巖，特征描述如下：①耕植土：黃褐色～黑褐色，含少量碎石角礫，結構松散，夾雜植物根系；區內廣泛分布，厚度0.3～1.0m；②塊碎石：廣泛分布于陡崖底部斜坡及沖溝區，以塊石為主，塊徑一般0.2～2m，少量碎石，厚度2.1～11.3m 間，平均厚度為4.0m；③白云巖：灰褐色，巖體較破碎。

1.3 水源特征

該沖溝為雨源性沖溝，大氣降雨在崖頂平緩臺地區匯集后，匯流于陡崖“豁口”處，對崖頂斜坡進行集中沖刷，補給沖溝水源，因此沖溝水源完全受大氣降雨補給。根據收集紅林電站水庫庫區氣象水文站2017 年1 月1 日 至2021 年12 月20 日 全 時段各小時內實測降雨值，近5年來月最大降雨發生在2017年6月，月最大降雨量達451.5mm，其次為2021 年6 月、2020 年7 月、2020 年6 月，月降雨量分別為392.5mm、370.5mm、327.5mm，均大于300mm；每年5 月～9 月為降雨集中期，月平均降雨量基本大于100mm（2019年8 月、2020 年8 月降雨量相對偏少）；2017 年6 月、2019 年9 月、2020 年7 月、2021 年6 月均存在降雨量大于40mm/h的集中強降雨，其中雨強最大為2020年07 月09 日19 時，降雨雨強達51.0mm/h；集中強降雨持續時間最長為2020 年07 月09 日19 時～10 日12時，持續時長18小時。

2 溝域泥石流歷史演化特征分析

2.1 沖溝泥石流變形演化歷史遙感影像特征

根據不同時期沖溝區遙感影像對比分析：①2017年02月27日前沖溝區植被全覆蓋，溝口前緣未見沖洪積堆積體，沖溝未見變形特征；②2019 年05月15日衛星影像圖顯示沖溝中部局部出現裸露巖土體，溝口前緣見少量沖洪積堆積體，但沖溝崩塌堆積體裸露區至溝口沖洪積堆積體之間植被發育，未見溝域裸露；③2020年08月16日衛星影像圖顯示原沖溝中部局部出現裸露崩坡積堆積體至溝口之間巖土體裸露，前緣沖洪積堆積扇地形特征明顯，原變形區域向沖溝后緣延伸；④根據2021年11月26日航測影像圖對比2020 年06 月16 日衛星影像圖沖溝內堆積塊石明顯減少，溝口沖洪積堆積扇范圍顯著增大，沖溝原變形后緣變形規模增大。

圖1 2017.02.27衛星影像圖

圖2 2019.05.15衛星影像圖

圖3 2020.8.16衛星影像圖

圖4 2021.11.26航測影像圖

2.2 泥石流歷史演化時空分析

根據沖溝區遙感影像可知2017年2月27日以前沖溝植被全覆蓋，無巖土體裸露，沖溝前緣無扇形堆積體，說明此前沖溝未變形，結合紅林電站水庫庫區2017 年1 月1 日至2022 年12 月20 日 實 測 降雨資料分析：①2017 年2 月27 日～2019 年5 月15 日之間沖溝中部局部出現裸露巖土體，且前緣存在沖洪積扇形堆積體，在此期間出現強度大且持續時間長兩場強降雨時間段分別為2017年06月12日02時～12日09 時（持續時長8h、最大雨強43.5mm/h、平均雨強12.5mm/h）和2017 年06 月23 日06 時～23 日12 時（持續時長7h、最大雨強40.5mm/h、平均雨強12.2mm/h），其余發生過3 場雨強相對較大的強降雨，但最大雨強均小于30mm/h，說明泥石流沖溝初始變形時間位 于2017 年06 月12 日02 時～12 日09 時 或2017 年06 月23 日06 時～23 日12 時時間段；②2020 年08 月16 日衛星影像圖顯示泥石流沖溝已基本成型，從收集實測降雨資料來看2019 年5 月15 日～2020 年08月16 日區內共發生7 次降雨雨強大于20mm/h 的持續強降雨，其中規模最大一次為2020 年07 月09 日19 時～10 日12 時，最大降雨雨強為51.0mm/h，持續時間達18h，該次降雨期為泥石流主要成型期；③根據收集降雨資料自2020 年08 月16 日至今區內僅發生過6 次降雨雨強大于20mm/h 的持續強降雨，從2020 年08 月16 日衛星影像對比航測正射影像對比來看，泥石流溝域前緣堆積體面積增大，沖溝區巖土裸露面積亦增大，表現出泥石流沖溝受到側向侵蝕及溯源侵蝕，在區內正常雨強下，泥石流沖溝正處于不斷壯大發展過程中。

2.3 泥石流發展趨勢及危害性預測

根據不同時期遙感影像分析該沖溝泥石流自2019 年5月至2021年12月時間約30個月，沖溝泥石流堆積體增加長度約15m，增加堆積體面積約260m2，河床平均深度按14m 計算，則泥石流沖出物約3500m3，則泥石流堆積體每年增加長度為6m，泥石流沖出物每年堆積方量為1400m3；目前堆積體前緣距離引水隧洞進口距離約60m，沖溝前緣斷面面積830m2，泥石流堆積扇幅度角為60°，則按此估算泥石流沖出物堆積至引水隧洞進口需要60m÷6m/年=10 年，泥石流沖出物堆積滿水庫需要830m2×10m×2tan60°÷1400m3/年≈20 年。由于該泥石流正處于形成期，其發生規模正不斷增大，泥石流啟動的降雨雨強也將不斷減小，泥石流沖出物堆積至引水隧洞進口及泥石流沖出物堆積滿水庫所需時間相對于估算計算結果更短。

2.4 泥石流成因機制分析

通過前述泥石流形成條件分析及泥石流歷史演化分析，紅楓水力發電廠紅林電站庫首左岸沖溝泥石流形成機制如下：①沖溝斜坡地形有利于松散對他堆積體在外力作用下沿斜坡發生位移；②沖溝上游匯水面積較大且在陡崖處形成集中匯流，陡崖高度大坡度陡，地表水對坡體沖刷能力強；③2019年05月15 日左右沖溝中部局部陡坎開始出現變形，失去植被有效保護的變形區在地表水強力沖刷作用下變形加劇，逐步演化為泥石流。

圖5 紅楓水力發電廠紅林電站庫首左岸沖溝泥石流形成機理

3 單溝泥石流防治措施探討

單溝泥石流防治方案選擇應根據泥石流成因機制、防治目的、變形發展趨勢等進行綜合考慮，以紅楓水力發電廠紅林電站庫首左岸沖溝泥石流治理為例：

①從治理目的來看：沖溝治理目的為防止泥石流固體沖出物沖入庫區，可在在溝域設置攔渣結構，使泥石流在運動過程中實現水渣分離，從而達到避免固體沖出物沖入庫區的目的；

②從泥石流成因機制來看：物源、水源、斜坡共同作用為泥石流形成的必要條件，在物源區外圍設置截排水溝防止地表水與物源接觸可直接消除沖溝發生泥石流的潛在危害；

③從泥石流變形發展趨勢來看：沖溝中后緣已經形成穩定性較差的高陡臨空面，為泥石流主要物源區，對該臨空面加固進行處理，避免坡面土體發生位移可避免泥石流發生；

④從沖溝地質環境來看：沖溝中下游溝底及兩側溝壁侵蝕沖刷嚴重，在沖溝兩側形成臨空面，已經發生多處滑塌且處于變形加劇，若不處理勢必將對溝域造成堵塞，因此對沖溝進行治理在沖溝中下游設置排導工程必不可少。

雖紅楓水力發電廠紅林電站庫首左岸沖溝泥石流治理工程方案有多種選擇，但還應從泥石流發生與活動可控程度、泥石流危害的控制程度、治理措施的可行性、方案投資比較、方案經濟效益比較、方案的社會和環境效益比較等多因素綜合對比選擇最優治理方案。

4 結語

山區單溝泥石流難以直接記錄其變形演化歷程，可收集各時期遙感影像、區內降雨資料對單溝泥石流歷史演化進行分析，結合現場調查結果，反演泥石流沖溝不同時期變形情況，分析泥石流沖溝變形速率，對泥石流沖溝發展趨勢及危害性做出科學預測，為泥石流防治工程提供科學依據。泥石流防治方案選擇具有多樣性，但在泥石流防治方案選擇應根據泥石流形成機制、泥石流發展趨勢及具體項目泥石流防治目的，從泥石流發生與活動可控程度、泥石流危害的控制程度、治理措施的可行性、方案投資比較、方案經濟效益比較、方案的社會和環境效益比較等多因素綜合對比選擇最優治理方案。