浙西某抽水蓄能電站下水庫主溝泥石流特征及對工程影響分析

摘 要：【目的】分析泥石流對浙西某抽水蓄能電站工程下水庫的影響。【方法】基于地形地貌、物源條件、水系分布和人類工程活動等，對下水庫主溝泥石流形成條件進行分析，調查泥石流堆積物情況，并對主溝泥石流形成臨界條件與過程進行研究。【結果】研究結果表明：根據泥石流運動-動力學特征分析主溝泥石流為輕度易發，泥石流類型為溝谷降雨型低頻大型稀性泥石流，堵河可能性極低，危害性較小，以預防為主。【結論】研究成果對該抽水蓄能電站下水庫庫址選擇及水工工程設計具有重要意義，可為開展抽蓄電站泥石流調查提供借鑒和指導。

關鍵詞：抽水蓄能電站；地質災害；泥石流特征；運動及動力學

中圖分類號：P642.23" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）04-0098-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.04.019

Characteristics and Engineering Impact of Debris Flow in the Main Channel of the Lower Reservoir of Pumped Storage Power Station in Western Zhejiang Province

ZHANG Yifei1 CHANG Xiaona1 YUAN Qingsong 2 JI Yindong3" LI Cong2

（1. Henan Geology Mineral College， Zhengzhou 450001，China; 2. Henan Academy of Geology， Zhengzhou 450001， China;3.Henan Institute of Geological Sciences Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001，China）

Abstract：[Purposes] To analyse the impact of mudslides on the reservoir under a pumped storage power station project in western Zhejiang.[Methods] The formation conditions of debris flow in the main channel of the lower reservoir were analyzed based on topography， provenance conditions， water system distribution， and human engineering activities. The debris flow deposits were investigated and analyzed， and the critical conditions and process of debris flow formation in the main channel were studied. [Findings]The results showed that， based on the motion-dynamic characteristics analysis， the debris flow in the main gully was classified as low-frequency， large-scale， rare gully rainfall-type flows The possibility of blocking the river was very low， the harm was small， and preventive measures should be prioritized. [Conclusions] The research results are significant for the site selection and hydraulic engineering design of the lower reservoir of the pumped storage power station， and could provide reference and guidance for the investigation of debris flow in the pumped storage power station.

Keywords：pumped storage power station;geological disasters;debris flow characteristics;motion and dynamics

0 引言

抽水蓄能電站作為一種重要的能源儲存和發電設施，其運行是通過相鄰海拔具有差異的兩個水庫之間的水流來實現的。抽水蓄能電站通常修建在封閉性較強的山區，其安全性對于能源系統的可靠性和穩定性至關重要［1］。黃成家等［2］在對白鶴灘水電站地質災害研究中發現大寨溝泥石流會對進水口和基坑安全造成威脅。王飛等［3］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方面分析泥石流對布爾津抽水蓄能電站的影響。鄒根［4］在對西藏地區水電站工程地質條件研究中指出，泥石流災害對藏區水利水電工程建設影響較為嚴重。泥石流受地形影響較大，其形成環境與水利水電設施建設條件具有一定重合性，往往會對抽水蓄能電站建設及運營造成嚴重威脅和風險［5］。庫區范圍內泥石流危險性評價和工程影響評價是抽水蓄能電站工程地質勘察的重要內容之一，這些評價可以有效反映庫區溝谷泥石流的現狀和發展趨勢，并對泥石流的預測和防治提供重要參考。

浙西某抽蓄電站下水庫庫區內共發育4條潛在泥石流溝谷，一旦發生較大規模的泥石流地質災害，將直接影響下水庫各構筑物安全及發電穩定性。本研究基于浙西某抽水蓄能電站下水庫主溝泥石流發育特征，對其形成條件及危險性進行評價，并分析泥石流對抽蓄電站下水庫的影響。

1 泥石流形成條件分析

1.1 地形地貌情況

主溝調查區段總流域面積約為5.462 km2，調查區段溝道總長約2.318 km，高差約110 m，兩側山坡較陡，溝底坡、洪積的滾石、漂（碎）礫石發育。流域地形總體上屬于構造剝蝕低山地貌，溝岸兩側山坡坡度在20°～40°。主溝兩側植被覆蓋率較高（達90%以上），小部分面積屬于裸露地面，整體上土地穩定狀態好，對巖體裸露風化形成的松散破碎物有一定的阻礙作用，一定程度上減緩了泥石流的發生概率。

1.2 物源條件

下水庫泥石流發生的物源類型主要有兩大類：坡面堆積型物源和溝道堆積型物源。其中坡面堆積型物源總量約為19 016.6 m3，溝道堆積型物源總量約為1 414.9 m3。

1.3 水系分布情況

主溝常年流水，流域范圍內多支溝和小型沖溝，沿主溝溝道兩側共發育有11條較大的一級支溝，受花崗斑巖地貌特征的影響，各支溝流域范圍都發育有小型沖溝。流域范圍內的水網密度約為2.08 km/km2，徑流較大。

2 泥石流基本特征

2.1 泥石流堆積物情況

堆積物位于主溝溝道高程205 m處，主要為旁側山體的崩坡積物和河流的沖洪積物，平均厚度1.5 m，堆積體較松散，多為次棱角和次圓狀塊石，塊石含量為30%～40%。對主溝坡積物及溝內堆積物進行室內顆粒分析試驗可知，主溝堆積體礫粒含量最高，占比達93.26%～99.57%，砂粒所占比例次之，為0.42%～6.70%。粒度方面，礫石（20～200 cm）比例最大占比為89%，巨礫（gt;200 cm）占比為11%。

2.2 泥石流形成臨界條件與過程分析

泥石流形成的臨界條件包括臨界地形坡度條件、臨界土源條件和臨界降雨激發條件［6］。根據現場勘查資料，主溝兩側岸坡坡度為15°～35°，溝床坡度為5°～18°，滿足泥石流發生地形坡度條件。主溝土源平均厚度為20～80 cm，主溝堆積體粉粒和黏粒含量較少，砂粒所占比例稍大，為0.42%～6.70%，其級配不利于泥石流的形成，主溝床堆積物松散土體厚度滿足泥石流啟動臨界厚度。

3 泥石流運動及動力學特征

3.1 泥石流容重分析

泥石流容重是決定泥石流性質的重要參數，也是泥石流防治工程設計的必要參數［3］。常見的方法有規范查表法和經驗公式法。

3.1.1 規范查表法。按照《泥石流災害防治工程勘查規范》（試行）（T/CAGHP 006—2018）附錄E填寫泥石流調查表，并按附錄I表I.1進行泥石流溝易發程度數量化評分，并查表I.2得出主溝泥石流流體容重和泥砂修正系數，其容重[γc]為1.516 t/m3，泥砂修正系數φ為0.475。

3.1.2 經驗公式法。本研究依據中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所研究成果“黏粒與容重的關系”模擬計算泥石流容重。其經驗公式為式（1）。

[γc=-1.32×103x7-5.13×102x6+8.19×102x5-55x4+34.6x3-67x2+12.5x+1.55] （1）

式中：[γc]為泥石流容重，t/m3；[x]為泥石流中黏粒含量。

基于式（1），對泥石流堆積物開展黏粒含量試驗，得到主溝泥石流的容重為1.551 t/m3。對比發現，規范查表法與經驗公式法所確定的泥石流容重值有一定的偏差，出于安全角度考慮，最終容重[γc]取[γc]經驗公式法確定值1.551 t/m3。

3.1.3 不同頻率泥石流容重計算。泥石流的容重和性質通常隨著泥石流規模的變化而變化，一般泥石流的規模大小與其容重呈線性關系。據不完全統計，百年一遇泥石流的容重與其他頻率泥石流容重存在一定的關系，在確定某次泥石流的容重和頻率后，就可以計算其他頻率下泥石流的容重，計算公式為式（2）。

[γ'c=γc+0.122lnp'] （2）

式中：[γ'c]為不同頻率泥石流的容重，t/m3；[γc]為百年一遇泥石流容重，t/m3；[p']為暴發頻率系數；[p]為泥石流暴發周期（年）。

主溝泥石流綜合取值確定的容重為百年一遇泥石流容重值，對于大于百年一遇的泥石流，其容重參照百年一遇泥石流的數值。將其代入式（2）可計算主溝不同頻率泥石流的容重值，計算結果見表1。

3.1.4 泥石流中固體物質重度計算。通過對主溝泥石流堆積區進行現場容重試驗，得出主溝泥石流固體物質平均容重為2.545 t/m3。

3.2 泥石流流速分析

泥石流流速是計算泥石流流量和沖擊力的基礎，也是分析泥石流沖淤變化的基本參數。主溝段泥石流流體容重為1.551 t/m3，屬于稀性泥石流。泥石流流速計算公式為式（3）。

[Vc=1γHφ+11nR23I12]" （3）

式中：[Vc]為泥石流斷面平均流速，m/s；[γH]為泥石流中固體物質容重，t/m3；[φ]為泥石流重度修正系數；[1n]為泥石流清水溝床的糙率系數；[R]為水力半徑，m，一般可用平均水深H代替；[I]為泥石流水力坡度，‰，一般可用溝床縱坡代替。

其中，泥石流修正系數[φ]計算公式為式（4）。

[φ=（γc-γw）/（γH-γc）] （4）

式中：[γc]為百年一遇泥石流容重，t/m3；[γw]為清水的重度，t/m3；[γH]為泥石流中固體物質重度，t/m3，取2.65 t/m3。水力半徑R由式（5）求得。

[R=W/P]" （5）

式中：[W]為過流截面面積；[P]為濕周。

在主溝溝道轉折處和支溝交匯處選取了12個斷面，各個斷面的泥石流流速計算結果見表2。

3.3 泥石流流量計算

泥石流流量計算實則計算泥石流的峰值流量，是水電站泥石流防治工程和研究的一個重要參數。目前，其計算方法多采用形態調查法和配方法。經調查未發現歷史泥石流泥痕，故采用配方法計算泥石流流量。

3.3.1 暴雨洪峰流量計算。依據四川省水利電力廳編《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》中小流域暴雨洪水流量的推理公式為式（6）。

Qw=0.278[ψ][stnF] （6）

其中：

[μ]=1-[ψtnsp] （7）

[τ]=3.6F-0.19 （8）

t=[0.278LmJ1/3Q1/4w] （9）

[m=0.221LJ1/3F1/4] （10）

式中：Qw為設計洪水峰值流量，m3/s；[ψ]為洪峰徑流系數；Sp為暴雨雨力，mm/h；n為暴雨指數；F為流域面積，km2；J為溝道平均坡度，‰；L為溝道長度，km；τ為流域匯流時間，h；μ為入滲強度，mm/h；m為匯流參數。

3.3.2 泥石流流量計算。泥石流流量計算方法有很多，本研究對比不同專家學者計算方法后，按照雨洪修正法原理，泥石流流量計算公式為式（11）。

Qc=Qw（1+[φ]）Du （11）

式中：Qc為泥石流流量，m3/s ；Qw為設計洪水峰值流量，m3/s ；[φ]為泥石流修正系數；Du為泥石流堵塞系數。

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（12）、式（13）可計算庫區主溝不同斷面在4種頻率下的一次泥石流流體總量及沖出固體物質總量。

[Q=KTQc] （12）

[QH=Qγc-γw/γH-γw] （13）

式中：Q為一次泥石流流體總量，m3；K為取值系數，當Flt;5 km2，K=0.202，當F=5～10 km2，K= 0.113 0，當F=10～100 km2，K=0.037 8，當Fgt;100 km2，K=0.025 2；T為泥石流歷時，s；QH為一次泥石流固體物質總量，m3。

4 泥石流易發程度判別及發展趨勢

本研究采用中國地質災害防治工程行業協會發布的《泥石流防治工程設計規范》（試行）（T/CAGHP 021—2018）及《泥石流災害防治工程勘查規范》（試行）（T/CAGHP 006—2018）的判別系統進行判別，泥石流易發程度為輕度易發。參照《中國泥石流》《泥石流防治指南》等進行類型劃分，綜合分析主溝泥石流為溝谷降雨型極低頻大型稀性泥石流。

通過對主溝地形地貌、物源及水源條件分析可知，主溝泥石流發展階段為衰退期，發生大型泥石流的頻率低。從泥石流危害程度來看，主溝以形成區最為嚴重。通過前文分析可知，主溝溝段泥石流為輕度易發。各擬建建筑物和人工構造物距離主溝和支溝泥石流發生處水平或垂直距離較遠，無直接影響，故即使發生泥石流，其危害性也很低。綜合以上可知，主溝泥石流危險區分布于上游物源區，位于主溝上游，對流域內的建筑物和構筑物危害性較小。

5 結論

①本研究對浙西某抽水蓄能電站下水庫主溝泥石流情況進行了調查研究，通過對泥石流基本特征、運動、動力參數等的分析，主溝泥石流屬輕度易發，綜合評價為溝谷降雨型極低頻大型稀性泥石流。

②從地形地貌、土源條件和水源條件分析，主溝泥石流發展階段為衰退期，發生大型泥石流的頻率低，從泥石流對工程影響的計算結果來看，發生泥石流時堵河的可能性極低，危害性小。

③通過泥石流對工程影響計算結果表明，主溝發生泥石流的可能性很低，治理措施以預防為主，建議在主溝流域內建立泥石流預警監測網，監測內容主要包括泥石流固體物源監測、泥石流運動要素監測和宏觀地質巡查。

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