金沙江白鶴灘水電站小紅巖溝泥石流危險性評價

宋慶滔，李思佳

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江華東巖土勘察設計研究院有限公司,浙江 杭州 310014)

泥石流災害是山區城鎮常見的一種地質災害,規模較大,造成人員傷亡和財產損失較高[1-2]。在我國西南地區,特別是金沙江流域,由于地震、降雨等因素,泥石流災害頻發,嚴重威脅水電工程的安全穩定。為確保水電站及轄區內居民的生命和財產安全,進行泥石流危險性評價至關重要。

金沙江位于長江上游,該區域是中國水電開發的重點區域,是“西電東送”主力。由于金沙江流域深切河谷發育,地震、降雨頻發,誘發地質災害頻發,尤其是泥石流災害一直威脅這一區域水電工程在建設期和運營期的安全穩定,群死群傷事件時有發生[3-4]。例如,甘孜州一水電站施工區2009年7月暴發泥石流災害,造成多人罹難;2012年6月,在建白鶴灘水電站壩址近場區9條溝暴發泥石流,其中矮子溝發生了特大型泥石流,導致多人罹難[5]。金沙江流域是我國災害性泥石流最為頻繁的地區,已查明7 290條泥石流溝,我國50%以上的泥石流災害發生在該區域[6]。

為了減輕泥石流災害對水電工程的威脅,保障水電站及轄區居民的安全,進行泥石流危險性評價非常重要[7]。特別是在白鶴灘水電站壩址區,許多溝道在地質歷史上都經歷過泥石流事件,部分溝道近期泥石流活動仍然十分活躍。由于松散物質結構較原始狀態更松散且內部孔隙度更大,使得松散物質更加不穩定,泥石流的臨界水力條件更低,因此泥石流活動更加強烈[8-10]。然而,頻繁的泥石流災害區域還缺乏詳細的工程地質調查,因此需要針對典型泥石流溝道提出危險性評價方法[11]。

本文選取了金沙江白鶴灘水電站小紅巖溝泥石流為研究對象,系統分析了泥石流形成的地形和物源條件,并通過室內試驗提出了小紅巖溝泥石流堆積物的特征。隨后,從泥石流流速、流量和沖擊力三個方面對小紅巖溝泥石流進行了危險性評價,旨在為該地區的工程建設和安全運營提供參考依據。

1 工程概況

金沙江白鶴灘水電站位于金沙江下游河段,是金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩四個梯級水電站中的第二級。壩址距離上游巧家縣城45 km,距上游烏東德水電站壩址約182 km,距離下游溪洛渡水電站195 km。壩址位于四川省寧南縣六城鎮的左岸,云南省巧家縣大寨鎮的右岸。旱谷地料場位于壩址上游、金沙江右岸、巧家縣城東北面山坡,距壩址約31 km,公路里程約55 km,是白鶴灘水電站大壩工程的骨料場。工程地質調查發現,該料場北側發育一條降雨型溝谷低頻大型稀性泥石流溝——小紅巖溝,對工程施工期及運行期安全構成潛在威脅。

小紅巖溝的流域面積約為16.32 km2,最高海拔為3 250 m,匯入白龍溝的高程790 m。溝谷高差約2 460 m,主溝長約10.37 km,整體縱坡降為237‰。該流域地形為構造侵蝕高中山地貌,屬于藥山山脈南麓轎頂山西坡。主溝總體走向近東西向,流域平面呈長條形,寬度上上寬下窄。植被覆蓋率約為50%,主要由喬木和灌木組成。溝谷自上而下可分為三段:

上段高程3 250 m～2 700 m,地形陡峭,坡度50°～70°,有發達的樹枝狀水系。

中段高程2 700 m～1 100 m,其中2 200 m以上為陡坡地形,部分區域為斜坡,高程2 200 m～1 100 m為斜坡地形,坡度約18°～25°;下段高程1 100 m～790 m,地形為緩臺與陡坡相間,大坪子緩臺坡度5°～8°,分布有大量民居,陡坡坡度約30°～40°。箐門口溝在高程1 100 m附近匯入小紅巖溝,而在高程790 m處,小紅巖溝匯入白龍溝。在高程1 100 m附近的北側,分布有羅盤山崩塌體。

2 小紅巖溝泥石流形成條件分析

泥石流的形成受到地形條件、物源條件和降雨激發條件等多方面的影響。根據對小紅巖溝的實際勘測與調查結果,我們對該地區泥石流形成的各項條件進行了分析。

1)地形條件。小紅巖溝流域東部地勢較高,西部地勢較低,水流走向大致自東向西流動。流域最高點位于海拔3 250 m處,于海拔790 m處匯入白龍溝,而在海拔690 m處匯入水碾河溝。整個溝床縱坡大約為237‰。主溝海拔1 400 m以上,長約6.03 km,流域面積約為8.54 km2,總體縱坡降為307‰(詳見圖1)。局部地區存在陡坎,整體溝床坡度約為17°。主溝寬度在20 m～30 m之間,溝深介于15 m～20 m之間。以上地形特征滿足泥石流形成的地形條件。

2)物源條件。小紅巖溝流域的崩滑堆積物源總量為24.01×104m3,主要分布在高程2 500 m以上的三處地點,整體穩定性較好,不會導致大規模滑坡形成集中物源。此外,部分沖溝兩側出現小范圍的滑塌體,范圍較小,未單獨進行計算。崩滑堆積物中參與泥石流活動的不穩定物源量為7.06×104m3。小紅巖溝溝內公路泥石流堆積物如圖2所示。

侵蝕物源量由式(1)估算[12]:

Vs=Mr·Me·Ab

(1)

其中,Vs為每年侵蝕物源量,m3;Mr為降雨系數,小紅巖溝年降水量800 mm～1 400 mm,故Mr取2;Me為侵蝕模數,小紅巖溝流域泥石流區域按一般劣地考慮,取1.0萬m3/(km2·年);Ab為流域內松散堆積物源總面積,取2.116 km2。

由式(1)計算得出小紅巖溝流域每年提供的侵蝕物源量為4.23萬m3,考慮坡面侵蝕可能參與泥石流活動的不穩定物源量按總儲量的10%計算,為18.29×104m3。綜上所述,流域內共計有218.14×104m3的松散固體物源量,其中可能參與泥石流活動的不穩定物源量為26.46×104m3。

3 泥石流危險性定量評價

小紅巖溝泥石流危險性定量評價包括三個方面:泥石流流速評估、泥石流流量評估和泥石流沖擊力評價。

3.1 泥石流流速

采用鐵道科學研究院西南科學研究所推薦的流速改進公式計算小紅巖溝泥石流流速(見式(2)):

(2)

小紅巖溝高程1 400 m以上地形較為狹窄陡峭,溝段大部分呈窄V形谷,切割較深,植被發育,溝道兩側植被以草本植物和灌木為主,溝道內有少量高大喬木。該區溝道順直,阻塞輕微,有階梯跌水陡坎。糙率系數按文獻[12]建議取平均值8.8。其他參數取值及計算結果列于表1。

表1 參數取值及計算結果

小紅巖溝泥石流容重不超過1.6 t/m3,說明其所含固體物質占比較低,即Cv指數較低,屬于稀性泥石流,經計算得不同爆發頻率下流速為3 m/s～4 m/s,百年一遇的泥石流流速為4.03 m/s,相比于蔣家溝泥石流流速為5.5 m/s～11 m/s,小紅巖溝泥石流流速較低。

3.2 泥石流流量

采用雨洪法東川公式(如式(3)所示)進行計算小紅巖溝泥石流流量[13]:

QC=Qp(1+φ)DC

(3)

其中,QC為泥石流流量,m3/s;Qp為泥石流溝的洪水流量,m3/s;φ為泥沙修正數;DC為泥石流堵塞系數,根據工程地質情況按DZ/T 0220泥石流災害防治工程勘察規范附表I.1確定,小紅巖溝取1.5。參數取值及泥石流流量計算結果見表2。

表2 參數取值及泥石流流量計算結果

3.3 泥石流沖擊力

泥石流整體沖壓力按式(4)計算[14]:

(4)

其中,δ為泥石流沖壓力,kPa;λ為建筑物形狀系數,按矩形建筑取1.33;γC為泥石流重度,t/m3;Vc為泥石流平均流速,m/s;α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角,(°),可按最不利夾角90°取值。

根據現場調查,小紅巖溝泥石流整體沖壓力計算參數及計算結果列于表3。

表3 小紅巖溝泥石流整體沖壓力計算結果

根據研究結果可見,當P>1%時,即低于百年一遇的泥石流沖壓力小于3 kPa;當P=1%時,小紅巖溝泥石流的沖擊力達到3.53 kPa。上述計算結果明顯低于蔣家溝泥石流的沖擊力,說明小紅巖溝泥石流沖擊力相對較低。泥石流的沖擊力主要與粗顆粒含量及其粒徑相關,小紅巖溝泥石流速度較低,所能啟動的粗顆粒和其他固體物質有限,其沖擊力較低。針對上述計算結果,建議可對小紅巖溝泥石流進行局部攔擋壩和導流渠治理。當然,泥石流的沖擊力具有很強的隨機性,需要后續進行進一步深入研究。

4 結論

基于工程地質調查,對金沙江白鶴灘水電站壩址區小紅巖泥石流溝進行了全面剖析,從泥石流流速、流量、爆發規模和沖擊力等四個方面評價了小紅巖泥石流溝的危險性,得出以下主要結論:

1)小紅巖溝高程1 400 m以上發生的泥石流屬于溝谷降雨型低頻大型稀性泥石流。在強降雨條件下,小紅巖溝具備泥石流形成的三大條件,因此極有可能暴發泥石流。

2)小紅巖溝流域面積約16.32 km2,主溝長約10.37 km,主溝總體縱坡降為237‰。高程1 400 m以上流域面積為8.54 km2,主溝長6.03 km,總體縱坡降307‰。在該流域內,松散固體物源總量約為218.14×104m3,可能參與泥石流活動的不穩定物源量為26.46×104m3。

3)在小紅巖溝高程1 400 m處斷面,50年一遇的泥石流主要參數為:泥石流容重為1.52 t/m3,泥石流流速為3.71 m/s,泥石流峰值流量為173.63 m3/s,一次泥石流總量和固體物質含量分別為5.50萬m3,其中固體物質含量為1.72萬m3,流體整體的沖擊力為2.83 kPa。