西藏某水電站壩前支溝泥石流發育特征及危險性評價

包 健,趙中強,王有林

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

中國水能資源主要分布在西部地區，又以西南地區最為富集，四川、云南、西藏三省(區)技術可開量約占到全國技術可開發量的64.3%。其中西藏自治區總裝機規模160萬kW，已建常規水電裝機技術可開發比例約為0.9%，水電開發潛力巨大，是今后我國水電開發的重點地區[1]。西藏在建及規劃水電工程集中分布的高山峽谷地區往往也是泥石流頻發地區。近年來國內水電工程工地發生多起泥石流災害，造成了重大的人員傷亡和經濟損失[2]。

泥石流是水電工程前期勘察中常見的不良物理地質現象之一，作為水電站工程建設和運營的重大危險源，是勘察中必須查明的重點工程地質問題[3]。西藏某水電站壩前約500 m發育1條規模較大泥石流溝—索否溝，溝口及溝內均有泥石流活動痕跡，其發育特征和危險性制約水電工程壩址選擇和樞紐布置；同時該溝在施工及運營期存在暴發泥石流的可能，威脅施工及大壩等水工建筑物的安全[4]。因此，正確認識壩前索否溝泥石流的發育特征及危險性，并提出針對性防治措施，對水電工程建設具有重要實踐意義。

本文以壩前支溝索否溝泥石流為研究對象，對其形成條件、發育特征和危險性進行研究，評價其對擬建工程的影響，以期為工程設計、施工和運營提供理論依據。

1 泥石流形成條件分析

1.1 地形條件

索否溝位于河道左岸，流域整體呈NE-SW向延伸(圖1)，主溝道長約7.8 km，流域面積約15.4 km2。溝谷下切較深，溝道多呈不對稱的“V”型，左側斜坡地形較陡，坡度55°左右；右側斜坡坡度較緩，坡度40°左右。溝口發育泥石流洪積扇，溝口兩側分布有古泥石流堆積物。流域內地勢北高南低，前、后相對高差為1 374 m，主溝溝道平均縱比降約176.2‰。溝內發育7條支溝，均分布在溝道右岸，支溝縱坡降為238.5‰～488.2‰。流域溝床比降整體呈現出主溝較平緩、支溝較陡的特點。

圖1 索否溝流域地質圖

根據對我國泥石流溝谷比降統計的結果分析，流域支溝溝床比降條件對泥石流的形成和運動最為有利[5-6]，泥石流溝溝床縱比降愈大，則越有利于泥石流的發生。該溝的縱比降利于支溝物源匯集，有利于泥石流的形成。

1.2 地質條件

索否溝流域內地層巖性主要為侏羅系砂質板巖夾變質砂巖，巖體中結構面較發育。流域后緣發育一規模較大的斷層，受其影響，后緣一帶巖體破碎，巖體完整性較差；同時，研究區屬高寒高海拔地區，在凍融、流水(雨水與冰雪融水)、風力等風化營力的作用下，流域內產生了大量的、不同成因的第四系松散崩積、坡積、滑坡堆積物源。

1.3 物源條件

豐富的松散固體物質是形成泥石流的基本條件之一[7]。流域內松散固體物質來源與多種因素密切相關，包括區域構造運動、地層巖性、巖體遭受風化作用程度、植被發育情況以及人類工程活動等。根據遙感解譯、現場調查統計，索否溝流域內主要松散固體物源有以下部分：① 溝谷兩岸局部地段分布的崩塌或滑坡堆積物；② 主溝及支溝溝床堆積物；③ 坡體表面分布的坡面侵蝕物源，以及人工棄碴?？傮w流域松散固體物源分布廣泛，總方量約584.4萬m3，動儲量約172.6萬m3。

1.4 水源條件

在泥石流形成的4個條件中，水源條件是激發因子，松散固體物質在大量充水達到飽和狀態后，結構破壞，固體顆粒間的摩擦力降低，滑動力增大，從而產生流動[8]。對某一地域而言，在一定時間尺度內地形和松散固體物質變化不大，激發泥石流的重要條件是降雨[9]，泥石流的形成與降水密切相關。

研究區內氣象資料顯示，區內年降雨量500～600 mm，且主要集中在7—9月。根據資料統計，年降雨量最多出現在2003年，達775.5 mm；年降雨量最少出現在1994年，僅438.1 mm。降雨量時間上分布極不均勻，春季雨量占全年總雨量的14.6%，夏季雨量占全年總雨量的60.4%，秋季雨量占全年總雨量的21.9%，冬季雨量僅占全年總雨量的2.9%；區內最大的一次暴雨是2010年8月29日，日降雨量最大達54.1 mm。此外，區內降水的另一個顯著特點是晝晴夜雨，夜雨率在60%以上。高強度降雨為泥石流的形成提供了足夠的水動力條件，且暴雨主要發生在夜間，使泥石流的爆發具有很強的突然性。

2 泥石流發育特征

2.1 分區特征

根據對索否溝溝谷形態、支溝及其溝道的發育特征、溝床縱比降變化特征、溝內松散固體物源分布及活動特征的調查和分析，將索否溝泥石流劃分為形成流通區和堆積區(見圖1)。其中后緣分水嶺至溝口(溝底高程3 740.00 m)為形成流通區，溝口以下至河岸邊為堆積區。

(1) 形成流通區

形成流通區內根據溝谷形態、物源的分布等分為上、下兩段。上段位于溝底高程4 300.00 m以上到后緣分水嶺段，匯水面積約8.54 km2，長度約為4.68 km，溝床平均縱比降170.94‰，溝谷呈“U”型，谷底較寬闊平緩，岸坡較陡，發育4條沖溝，左岸局部基巖裸露。溝谷兩岸基巖為砂質板巖，巖體風化強烈，植被覆蓋差，主要為草地和灌木。該溝床段最大沖刷深度1.0～1.1 m，松散固體物質占總物源量80%以上。

下段位于溝底高程4 300.00～3 740.00 m段，地貌類型為深切“V”型，縱向溝谷比降178.91‰。該段溝床寬10～15 m，長約3.13 km，兩岸坡度較陡，植被覆蓋較好。該段局部溝道堵塞較為嚴重，松散固體物質主要為溝道內沖積物、兩側斜坡部位的崩滑物源，溝床堆積物厚度可達20～25 m。

(2) 堆積區

因溝口總體呈凹岸，受河水沖刷，溝口堆積扇保留不完整。堆積扇前緣順河長約70 m，溝口至河道約30 m，豐水期堆積扇面積約0.0014 km2。堆積物為塊碎石土，最大塊徑達2.5 m，母巖成分以砂質板巖、砂巖為主，溝道左側有較完整的泥石流堆積物(見圖2)。

圖2 現今泥石流堆積物

2.2 沖淤特征

以溝底高程4 400.00 m處發育的古滑坡為界，索否溝流域可劃分為上下兩段。上游段溝床相對寬緩，溝道順直，部分為泥石流淤積的區段，泥石流堆積物多分布于溝道及兩側(見圖3)。溝道內局部可見明顯的沖刷現象，沿主溝溝槽沖刷深度達1.2 m。受古滑坡堵塞影響，滑坡堵塞點以上部分區域有利于泥石流的堆積。

圖3 上游段溝道堆積物

下游段溝谷較上段狹窄，寬度10～15 m，溝道平均縱比降總體較上段稍大。在溝底高程4 000.00 m處出現約800 m長的平緩段是該段內主要淤積區段。調查發現該段溝道內還存在部分小規模的平緩開闊地段，可形成局部淤積區域。該段溝道右岸發育2條較大支溝，歷史上曾發生過堵塞主溝的較大泥石流，溝口有一定規模的泥石流堆積扇、且擠占主溝溝道，導致溝道變窄，最窄位置僅2～3 m。在堆積扇上游，溝床比降變緩，形成較開闊的淤積區，可見近期泥石流堆積(見圖4)，堆積物以松散碎塊石為主，泥砂含量少，具明顯的水石流特征。自7號溝與索否溝主溝交匯部位以下，由于溝床縱坡比降較大，泥石流流速大，主要以沖刷為主，局部存在小規模淤積。

圖4 下游段溝道堆積物

2.3 堆積物特征

泥石流堆積物的粒度組成，不僅可以反映泥石流堆積的分散度，同時還反映了泥石流的形成機制與動力學、運動學特征[10]。現場對溝內不同時期發育的泥石流堆積物(包括支溝堆積扇)進行了顆粒級配試驗(見圖5)。根據試驗結果，溝內泥石流堆積物以塊、碎石為主，顆粒級配較好。

圖5 泥石流顆粒分布級配曲線

2.4 動力學特征

(1) 重 度

泥石流的重度是反映泥石流流體特征的一個重要參數指標。根據程尊蘭[11]提出的泥石流容重的經驗計算公式，計算的泥石流重度1.655 t/m3。依據規范泥石流數量評分與重度關系對照表，泥石流重度為1.648 t/m3。其中，較大值1.665 t/m3比較接近實際情況，屬稀性泥石流。

(2) 流 速

采用T/CAGHP 006-2018《泥石流災害防治工程勘察規范(試行)》中推薦的稀性泥石流流速計算公式計算泥石流流速：

(1)

公式(1)中：Vc為泥石流平均流速，m/s；Ic為水力坡降 (用小數表示)；g為重力加速度，取值9.8 m/s2；R為水力半徑，m。

而對于泥石流流體水力半徑R可按下式計算：

(2)

公式(2)中：w為過流斷面面積，m2；P為濕周，m。

利用上述的公式，索否溝泥石流流速計算參數及結果見表1。從計算結果可以看出該溝早期泥石流的流速大于近期泥石流流速。

表1 泥石流流速計算結果

(3) 流 量

假設泥石流與暴雨同頻率、同步發生，計算斷面的暴雨洪水全部轉化為泥石流[14]，采用規范[13]推薦的修正雨洪法計算泥石流峰值流量，計算公式如下：

QC=(1+φ)QBDC

(3)

公式(3)中：QC為頻率為P的泥石流洪峰值流量，m3/s；QB為頻率為P的暴雨洪水設計流量，m3/s；φ為泥石流泥沙修正系數；DC為溝道堵塞系數。

對于泥石流泥沙修正系數φ可按下式計算：

(4)

公式(4)中：γC為泥石流重度，t /m3；γH為泥石流中固體顆粒容重，t /m3；γW為水的重度，t /m3。

根據《中小流域暴雨洪水計算手冊》中的推理公式求出最大洪水流量QB，計算公式如下：

(5)

公式(5)中：SP為某頻率的雨力，mm/h；n為暴雨衰減指數；τ為匯流時間，h；F為流域面積，km2；ψ為徑流洪峰系數。

根據工程區氣象資料、水文手冊及其他相關資料[14-15]，計算結果見表2。

表2 洪水及泥石流流量計算結果

(4) 一次過程總量及固體物質沖出量

降雨激發的泥石流過程可按照泥石流暴漲暴落的特點，將其過程線概化為五邊形進行計算。根據規范[13]，泥石流一次過程總量及固體物質沖出量計算公式如下：

Q=0.264TQC

(6)

(7)

公式(6)～(7)中：Q為泥石流一次過程總量，m3；T為泥石流歷時，s；QH為一次泥石流沖出固體物質總量，m3。計算結果見表3。

表3 泥石流一次過程總量及固體物質總量計算結果

(5) 沖擊力

根據泥石流整體沖壓力的特點，依據規范[13]中推薦的泥石流體整體沖壓力計算公式(8)進行計算：

(8)

公式(8)中：F為泥石流整體沖壓力，Pa；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向所夾的角，(°)；λ為建筑物形狀系數，取1.33。

根據計算結果，斷面1、2、3的泥石流沖擊力分別為29.14、35.04、35.80 kPa。

3 泥石流危險性及對工程影響評價

3.1 泥石流危險性評價

泥石流的形成受到多種因素的共同作用，這些因素錯綜復雜，每個因素的影響程度又受到不同的時間、空間等其它因素的影響。因此，可將泥石流系統看成是一個具有某種混亂程度的非線性的開放系統，借助熵理論表達系統因子的效用價值,評價泥石流的危險性。

本文在劉希林[16]提出的泥石流危險性評價方法的基礎上，選擇泥石流規模(103m3)、頻率(%)、流域面積(km2)、主溝長度(km)、流域相對高差(km)、流域切割密度(km/km2)和不穩定溝床比例(%)7個因素作為評價因子，索否溝泥石流各評價因子見表4，泥石流規模按100年一遇泥石流持續時間1 h取值。

表4 索否溝泥石流危險性評價因子及其取值

采用熵值法對索否溝泥石流的危險性做出評價，具體步驟如下：

(1) 評價指標標準

將原始數據進行標準化處理，消除量綱影響，

(9)

公式(9)中：γij為量綱化處理后的數據；min(j)為某項因子中最小值；max(j)為某項因子中的最大值；xij為原始數據。

(2) 熵值計算

(10)

(11)

公式(10)～(11)中：Ej為第j項因子熵值；Pij為第i項指標在泥石流災害中出現的頻率；m為樣本的個數；n為因子的個數。

(3) 評價指標權重W(j)計算

(12)

(4) 危險性值F(j)計算

(13)

選取鄰近地區相似泥石流樣本，確定各因子權重值：{0.14，0.22，0.11，0.12，0.09，0.18，0.14}，最終計算得泥石流危險性值為0.42，按泥石流危險性分級標準見表5，索否溝泥石流屬中度危險。

表5 泥石流危險性分級

3.2 泥石流對工程影響評價

泥石流溝口距離壩軸線約500 m，且大壩填筑料場及部分臨時建筑物擬布置于溝內1～3 km范圍，泥石流是制約、影響溝道內相關設施布置的重要因素。利用FLO-2D數值模擬方法研究泥石流運動全過程，從泥石流在運動過程中泥石流堆積物的分布、泥深特征為溝道內相關場地的布置提供依據。分析結果表明，7號溝堆積扇附近溝段、溝底高程3 900.00 m以下寬闊溝道段泥石流的泥深較淺、流速低，泥石流危險性呈中-低危險區范圍(見圖6)，對大壩安全影響較小。但泥石流對溝內料場開采、臨時建筑物及施工期人員和設備安全均影響較大，建議進行防治處理。

圖6 泥石流危險性分區圖(P=5%)

4 結論與建議

(1) 索否溝流域面積15.4 km2，平均縱比降約176.2‰，松散固體物源較豐富，具備發生泥石流的地形、地質、物源及水源條件。

(2) 根據索否溝泥石流發育的基本特征，溝內曾多次爆發泥石流，泥石流重度為1.655 t/m3，為稀性泥石流；泥石流流速3.64 ～4.03 m/s，10%～1%降雨頻率下的泥石流流量36.13～67.27 m3/s、1次泥石流的過程總量3.43 ～6.39萬m3、1次沖出固體物質1.35 ～2.51萬m3，屬中型泥石流。

(3) 基于熵值法對索否溝泥石流危險度的計算結果表明，其處于中度危險，對區內擬建工程、人員和設備安全均影響較大。

(4) 建議在溝底高程4 300.00 m附近布置攔擋壩，在下游擬建施工臨時場地以及場內交通段的溝谷布置單邊防護堤等工程措施。同時，在施工期加強對流域內滑坡進行監測、巡視，并結合變形特征，提前做好相關的應急預案措施。