布爾津抽水蓄能電站庫區泥石流特征及其對工程的影響分析

王飛 云海浪 曹寶寶

摘要：為分析泥石流對布爾津抽水蓄能電站工程的影響，基于庫區泥石流發育分布特征，對影響較大的3條泥石流溝的容重、峰值流量、沖出固體物質總量等工程參數進行計算，評價了庫區泥石流的危險性，從水庫淤積、沖擊能力及庫區水質3個方面討論了泥石流對工程安全的影響。結果表明：① 水庫運營期間庫容淤積總量為36.914萬m3，下水庫死庫容僅16萬m3，長期積累將減小庫容，超過死水位庫容后將失去調節和發電功能；② 庫區泥石流整體及單塊最大沖擊力較大，對壩址區水工建筑及工程施工有直接影響，需設置必要的防治措施。研究成果對庫址選擇及水工設計具有參考價值。

關鍵詞：泥石流； 危險性評價； 工程影響； 布爾津抽水蓄能電站

中圖法分類號：P642.23；TV743

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.007

文章編號：1006-0081（2023）07-0045-05

0 引 言

抽水蓄能電站受地形、距高比等因素限制，多修建在山區。泥石流作為一種山區自然災害，其攜帶大量泥沙、塊石，具有突發性、破壞力強等特點，是影響電站安全運營的地質隱患之一。隨著抽水蓄能規劃項目實施，不少學者針對泥石流對抽水蓄能電站的影響展開研究。高翔等［1］基于工程地質勘察資料，對泥石流危險性等級及其對抽蓄電站的工程影響進行研究；程英建等［2］通過分析泥石流發育地質環境，對泥石流溝危險性進行評價，討論了泥石流對工程的影響；孫長瑞［3］結合金沙江奔子欄水電站壩址區各溝谷發育特征，選取危險性評價因子進行泥石流危險性評價，系統分析了泥石流對電站的工程影響并提出相應防治建議。分析抽水蓄能電站庫區溝谷泥石流危險性評價及其對工程的影響，是電站工程地質勘察與評價中的重要環節。通過對泥石流危險性評價，可有效反映出泥石流溝谷現狀及發展趨勢，對庫區泥石流預防和治理具有重要意義［4-5］。

本文基于新疆布爾津抽水蓄能電站庫區泥石流溝發育分布特征，對其動力學特征及危險性進行評價，并從3個方面分析泥石流對布爾津抽水蓄能電站的影響。相關成果可供抽水蓄能電站庫址選擇及水工設計參考。

1 工程概況

新疆布爾津抽水蓄能電站位于阿勒泰地區布爾津縣境內，總裝機容量為140萬kW，為純抽水蓄能電站Ⅰ等大（1）型工程。工程初擬上水庫調節庫容647萬m3，下水庫調節庫容652萬m3。經過詳細排查，庫區共發育5條泥石流溝谷，其中3條位于下水庫庫盆上游。由于抽水蓄能電站有效庫容相對較小，一旦發生較大規模的泥石流災害，將直接影響水工建筑物的安全運行和發電效益［1］。

2 庫區泥石流發育分布特征

布爾津抽水蓄能電站工程區溝谷較發育，溝谷內表部巖體風化、卸荷作用強烈，沖溝、岸坡表部覆蓋層厚度大。在暴雨作用下，坡表碎屑物質裹挾而下，易爆發一定規模的泥石流［6］，部分沖溝溝口泥石流堆積扇形態清晰，堆積物質疊置痕跡清晰，有明顯的泥石流活動痕跡。工程區上水庫為山頂夷平面，地形較平緩，無大的沖溝發育。下水庫庫壩北側山體發育3條沖溝，自西向東依次為2號、3號、4號溝，其中2號溝規模相對較大，3號溝及4號溝規模相對較小，即下水庫位于3條沖溝匯合處（圖1），溝底及兩側坡腳覆蓋層發育，物源豐富，比降均較大（表1）。

2號、3號、4號泥石流溝為布爾津抽水蓄能電站上庫區至下庫之間的溝谷，所處地貌部位基本相同，均由中低山區向南側丘陵、平原區延伸。工程區內氣溫相差較大，巖體表部強風化較發育，使大量的松散固體物質易于形成和聚積，為溝谷山洪、泥石流固體物源的形成提供了有利條件。工程研究區內年降雨量可達200～400 mm，區域地下水類型為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水，地下水主要靠北部基巖裂隙水側向徑流及河水補給。

2號泥石流溝堆積區內溝口洪積扇完整度較差，地形平緩，沖溝較發育，沖蝕深度多為1～2 m，局部地段受下部山前低矮丘陵阻滯分割，呈多個小型洪積扇；3號泥石流溝位于工程區中部，西側緊鄰2號泥石流溝，與其近似平行分布，溝口堆積區與2號溝堆積區相交匯，其堆積物質相同，主要以粒徑2～15 cm的碎石為主；4號泥石流溝堆積區經歷多次不同程度和方向的洪沖積堆積，扇形特征不明顯，完整度較差。堆積區前緣地段受山前低矮丘陵切割分流，呈兩個東西向洪積扇。

綜上所述，布爾津抽水蓄能電站工程區主要溝谷所處的地貌部位、海拔高程具有發生山洪、泥石流的降水條件，有形成一定規模暴雨型泥石流的可能。

3 泥石流運動特征及動力學特征

3.1 泥石流物質狀態

通過對顆分試驗后粒徑小于2 mm的堆積物細顆粒物質進行比重試驗，并采用水土比法換算泥石流容重（rc），如式（1）所示。計算結果見表2。

3.2 泥石流峰值流量

假設泥石流與暴雨同頻同步發生，根據水文方法計算各頻率下暴雨洪峰流量，并選取堵塞系數，按式（2）計算泥石流流量。

式中：Qc，Qp分別為頻率為P的泥石流峰值流量和暴雨洪水設計流量，m3/s；ψ為泥石流泥砂修正系數；Dc為泥石流堵塞系數。

由式（2）計算出庫區2號、3號、4號3條泥石流溝在5%，2%，1% 3種頻率下的泥石流峰值流量，結果見表3。

3.3 一次泥石流過程總量計算

由于一次泥石流過程總量取決于暴雨頻率及暴雨激發泥石流后泥石流持續的時間，泥石流持續時間直接影響泥石流量及固體物質的估算［7］。根據該工程研究區現場調查堆積扇面積和近期泥石流堆積物厚度，計算得到近期泥石流在溝口形成的堆積扇方量和1%暴雨頻率下持續30 min至2 h的泥石流活動固體物質總量相近。根據泥石流歷時和最大流量以及泥石流暴漲暴落特點，由式（3）～（4）計算庫區2號、3號、4號3條泥石流溝在5%，2%，1%三種頻率下的一次泥石流過程總量及沖出固體物質總量，結果見表4。

Q=KTQc（3）

QH=Q（γC-γW）/（γH-γW）（4）

式中：Q為一次泥石流總量，m3；K為取值系數，與匯水面積有關；T為泥石流歷時時間，s；Qc為泥石流峰值流量；γc，γw，γH分別為泥石流、水及泥石流固體物質的重度；QH為一次泥石流沖出固體物質總量，m3。

泥石流峰值流量及一次泥石流過程總量計算結果表明：在洪水作用下，庫區3條泥石流溝部分不穩定物體將被沖走，但由于峰值洪水流量低于洪水流量，所以不穩定物體移動方量及移動距離有限，形成小規模泥石流。泥石流溝谷下部坡度變緩，使運動過程中不穩定物體停積在河床上，成為下次泥石流的物源。

4 泥石流危險性評價

通過泥石流危險性評價，可以分析泥石流活動的發展階段和受威脅對象的抗災能力，預測未來泥石流活動強度與頻率，為防治措施提供依據。本文采用劉希林危險度評價模型，按1%暴雨頻率下泥石流一次持續1 h對庫區泥石流危險度進行計算和分析。各評價因子的權重及權重系數見表5。

根據上述對泥石流危險性評價因子的分析和確定的因子權重［8-9］，按式（5）計算單溝泥石流危險度。計算結果見表6。計算結果表明：布爾津抽水蓄能電站下庫壩址區2號泥石流溝危險度為0.218，屬于低度危險；3號和4號泥石流溝危險度H分別為0.150和0.161，屬于極低危險。

H=0.29M+0.29F+0.14S1+0.11S2+0.09S3+0.06S4+0.03S5（5）

式中：M，F，S1，S2，S3，S4，S5分別為m，f，s1，s2，s3，s4，s5的轉換值，由轉換函數獲取。

5 泥石流對工程的影響分析

泥石流對抽水蓄能電站水庫的影響主要表現在泥石流攜帶的固體物質減少有效庫容、泥石流活動對水庫建筑物的沖擊破壞、泥石流活動造成的庫水水質變差，影響發電機組安全運行。

5.1 泥石流淤積方量對水庫庫容的影響

由于抽水蓄能電站庫容較小，泥石流造成的庫容淤積直接關系到電站的發電效益［10］。水庫運營按100 a計，在運營期內，庫區各個泥石流溝暴發泥石流的次數、規模尚無精確的定量計算方法。出于安全考慮，本文假定：在水庫運營期內，庫區泥石流溝可以參與泥石流活動的潛在不穩定物源全部入庫。經現場調查，3條溝的不穩定物源量分別為21.240萬m3、5.708萬m3、9.966萬m3，由此可計算出水庫運營期間庫容淤積總量為36.914萬m3。布爾津抽水蓄能電站下水庫庫容僅約669萬m3，死庫容僅16萬m3，同時由于抽水蓄能電站庫容多為開挖形成，為節省工程造價，一般不預留多余庫容。因此，在泥石流固體物質長期積累下，水庫庫容逐漸減小，當超過死水位庫容后，水庫將失去調節和發電功能。

5.2 泥石流對庫水水質的影響

抽蓄電站機組對水質要求較高，對水的含砂量有一定的要求，一般需要控制其小于30 g/m3。泥石流活動帶入的泥砂含量較高，對庫水水質有明顯的影響。

5.3 泥石流對水庫建筑物的影響

泥石流活動的沖擊力和泥石流特征密切相關，對于出現黏性泥石流活動且溝谷坡降大的地區，泥石流沖擊力越大，泥石流流體和攜帶的巨石可能直接沖擊水工建筑。布爾津抽水蓄能電站下水庫工程區場址位于2號、3號、4號泥石流堆積區內，屬泥石流危害活動危險區，3條泥石流溝對下庫區主體建筑物具有一定的沖擊破壞，威脅較大（表7）。因此應設置必要的防治措施，可采用設置主動防護工程并結合監測預警的方式。

6 結 論

布爾津抽水蓄能電站庫區發育5條泥石流溝，均為稀性泥石流，處于發展期泥石流溝。其中下水庫所在的2號、3號、4號三條溝谷都具備形成一定規模山洪泥石流的地形地貌和松散固體物源條件，有再次發生泥石流災害的可能性，對水電站工程安全有較大的影響。

（1） 綜合考慮各溝谷的物源條件、地形地貌特征，得到3條溝谷的泥石流易發程度：2號溝泥石流屬中等易發，3號、4號溝泥石流屬輕度易發。按頻率為1%的暴雨持續1 h的條件計算，2號、3號、4號3條泥石流溝一次泥石流沖出固體物質總量分別為1 888.6 m3、558.7 m3、1 105.1 m3。

（2） 根據劉希林危險度評價模型，對庫區3條泥石流溝危險度進行計算，得出2號泥石流溝危險度為0.218，屬于低度危險，3號和4號泥石流溝危險度分別為0.150和0.161，屬于極低危險。

（3） 在工程運營期間（按100 a計），經計算水庫運營期間庫容淤積總量為36.914萬m3，布爾津抽水蓄能電站下水庫庫容約669萬m3，死庫容僅16萬m3，泥石流形成的固體物質淤積將嚴重影響水庫正常運營。

（4） 100 a一遇泥石流整體沖擊壓力和單塊巨石沖擊壓力較大，應重點防范巨石對壩址區水工建筑及工程施工的影響，建議對2，3，4號3條泥石流溝修建多級攔擋工程，設置引水渠、截水渠、排導堤等，并結合崩塌整治，清除危巖修建擋石墻和護坡，同時加強監測預警。

參考文獻：

［1］ 高翔，王永彬，李宗華，等.河北某抽水蓄能電站下水庫泥石流研究［C］∥中國水力發電工程學會電網調峰與抽水蓄能專業委員會.抽水蓄能電站工程建設文集2018.北京：中國電力出版社，2018：452-456.

［2］ 程英建，石豫川，石勝偉，等.西藏中波水電站庫區泥石流對工程影響研究［J］.長江科學院院報，2014，31（12）：54-58.

［3］ 孫長瑞.金沙江奔子欄水電站壩址區泥石流危險性評價及工程影響研究［D］.成都：成都理工大學，2019.

［4］ 胡富杭，熊朝正，石豫川，等.基于可拓灰色模型的臺風暴雨型泥石流易發性評價［J］.人民長江，2021，52（10）：26-32.

［5］ 金連才，劉沖平.旭龍水電站茂頂河泥石流活動特征分析與危險性評價［J］.水利水電快報，2022，43（7）：44-49.

［6］ 劉超，李良東，郭小帥，等.永定橋水庫庫區關溝泥石流地質災害分析［J］.資源環境與工程，2017，31（3）：300-303，309.

［7］ 李寶幸，蔡強，宋軍，等.基于FLO-2D的泥石流災害風險評價——以麥多溝泥石流為例［J］.自然災害學報，2022，31（4）：256-265.

［8］ 李文強.西藏街需水電站工程區泥石流發育特征及工程影響研究［D］.成都：成都理工大學，2013.

［9］ 董招勝.西藏大古水電站工程區泥石流發育特征及工程影響研究［D］.成都：成都理工大學，2013.

［10］ 李文強，石豫川，王敬勇.雅魯藏布江中游某水電站庫區泥石流工程影響分析［J］.水文地質工程地質，2013，40（1）：89-92，128.

（編輯：江 燾，高小雲）