西藏某電站廠房區(qū)泥石流成因及其對(duì)工程影響評(píng)價(jià)

鐵永波,唐川,余斌

(1.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,成都 610081;2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059)

西藏某電站廠房區(qū)泥石流成因及其對(duì)工程影響評(píng)價(jià)

鐵永波1,唐川2,余斌2

(1.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,成都 610081;2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059)

泥石流是水電站建設(shè)中常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一,研究泥石流的活動(dòng)特征及評(píng)價(jià)其危險(xiǎn)性對(duì)電站的施工及運(yùn)行都具有重要的作用。根據(jù)對(duì)某水電站廠址區(qū)勘查所獲取的第一手資料,對(duì)廠址區(qū)后山5條泥石流溝的成因進(jìn)行分析,并在此基礎(chǔ)上分別對(duì)5條泥石流溝的危險(xiǎn)性及其可能在不同階段對(duì)工程的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià),研究結(jié)果可為廠房的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行提供可靠的依據(jù)。

泥石流;發(fā)育條件;危險(xiǎn)性評(píng)價(jià);發(fā)展趨勢(shì);工程影響分析

泥石流是發(fā)生在山區(qū)一種常見(jiàn)的自然災(zāi)害,具有極強(qiáng)的破壞性,往往給當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳?cái)產(chǎn)造成極大威脅,同時(shí)也給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞,嚴(yán)重阻礙著山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)。開(kāi)發(fā)水能資源是山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一條重要途徑,對(duì)山區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義,但由于水電站利用水力勢(shì)能發(fā)電,需要有較大的高差,對(duì)地形的要求較為特殊,而符合水電站要求的地形地貌區(qū)往往又是泥石流孕育和活動(dòng)的主要場(chǎng)所,因此,泥石流成為水電站建設(shè)中不可避免的一大問(wèn)題。某電站的建設(shè)不但可以解決該地區(qū)的能源缺乏問(wèn)題,還可以為周邊地區(qū)輸送電能,能在很大程度上減少當(dāng)?shù)鼐用褚蛉剂先狈Χ鴮?duì)環(huán)境的破壞,因此,該電站的建設(shè)將發(fā)揮較大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

該電站的廠房建設(shè)區(qū)初步選定在山前河流的Ⅰ級(jí)階地和泥石流等的堆積扇上,地勢(shì)較為平坦,后山共發(fā)育了5條泥石流溝(圖1)。各溝并排分布在廠址后山,雖然流域面積都不大,但溝道坡降較大,溝道內(nèi)不良地質(zhì)體較為發(fā)育,有足夠的固體物質(zhì)補(bǔ)給源,在強(qiáng)降水作用下極易暴發(fā)泥石流,任何一條溝暴發(fā)泥石流都將會(huì)對(duì)廠房的各個(gè)建筑造成不同程度的危害。廠址區(qū)泥石流活動(dòng)是否會(huì)對(duì)廠房的施工及運(yùn)行產(chǎn)生顛覆性的破壞將直接影響到廠房是否需要重新選址的問(wèn)題,因此,分析該電站廠址區(qū)泥石流的成因即危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)對(duì)廠房的建設(shè)具有重要意義。

圖1 研究區(qū)泥石流發(fā)育特征的立體遙感影像圖Fig.1 The dimension remo te sensing image of debris flow in study area

1 泥石流形成條件分析

1.1 地質(zhì)地貌條件

地質(zhì)地貌條件是泥石流發(fā)育的主要條件之一,不穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造和陡峭的地形條件可為泥石流松散固體物質(zhì)的孕育和運(yùn)動(dòng)提供條件。電站廠址區(qū)位于山前河流階地與泥石流的沖積扇上,后山總體地勢(shì)起伏相對(duì)較大,相對(duì)高差約800 m,區(qū)內(nèi)山脈延伸方向、主河流流向與構(gòu)造線展布方向基本一致,總體近EW向。廠址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以中新世的構(gòu)造變動(dòng)最為強(qiáng)烈,斷裂發(fā)育,地震強(qiáng)度較高,巖石主要分布有較軟弱的砂巖、板巖和頁(yè)巖,局部還有少量輝綠輝長(zhǎng)巖出露,在強(qiáng)風(fēng)化作用下較為破碎。第四系覆蓋層主要由坡殘積、崩積、沖洪積等組成,主要分布在河谷、溝谷及斜坡坡腳地帶。陡峭的地形不但為地表徑流提供了足夠的勢(shì)能,還為溝道兩岸不穩(wěn)定松散堆積體的坍塌與滑動(dòng)提供了足夠的臨空面,有利于泥石流固體物質(zhì)的補(bǔ)給。各條泥石流溝的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 廠址區(qū)5條泥石流溝流域特征參數(shù)Table 1 The characteristics of five debris flow gullies in study area

1.2 降水

降水是引發(fā)泥石流的主要?jiǎng)恿σ蛩?絕大部分泥石流都是由于暴雨而引發(fā)的,這種現(xiàn)象在大陸型氣候區(qū)顯得特別突出。在強(qiáng)降水的作用下,雨水迅速匯集,形成地表徑流沖下,帶走坡面松散固體物質(zhì)并掏蝕溝道兩岸的坡角,使得溝道兩岸的松散堆積體不斷坍塌,為泥石流提供足夠的固體物質(zhì)。廠址區(qū)屬于高原溫帶半干旱區(qū),是典型的大陸型氣候,干季和雨季分明,由于該地區(qū)缺乏詳細(xì)的降水觀測(cè)資料,距離最近的兩個(gè)氣象觀測(cè)站距研究區(qū)分別有31 km和45 km。根據(jù)其中一個(gè)與研究區(qū)氣象背景最接近的一個(gè)氣象觀測(cè)站氣象要素統(tǒng)計(jì),該地區(qū)降雨多集中在6～9月4個(gè)月,占年降雨量的90%左右,年際變化小。多年平均年降雨量408.6 mm,歷年最大年降雨量為651.2 mm,最大日降雨量50.1 mm,≥50.0 mm降水日數(shù)主要集中在7、8兩個(gè)月。通過(guò)對(duì)該地區(qū)的降水資料統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦脑L問(wèn),該地區(qū)的降水具有暴雨頻率大、降水集中及降水多發(fā)生在夜間的特點(diǎn),短時(shí)強(qiáng)降水是引發(fā)該地區(qū)泥石流的主要原因。

1.3 松散固體物質(zhì)補(bǔ)給

松散固體物質(zhì)是泥石流形成的主要條件之一,一般在松散固體物質(zhì)含量較少的情況下,都不稱(chēng)之為泥石流,而是稱(chēng)為洪水,因此,松散固體物質(zhì)的含量是區(qū)分泥石流和洪水的主要依據(jù)之一,同時(shí)也是決定泥石流流體性質(zhì)的主要條件。據(jù)調(diào)查滑坡、坡面松散堆積體及溝道內(nèi)的松散堆積物是廠址后山5條泥石流溝的主要固體物質(zhì)來(lái)源。通過(guò)調(diào)查,1#溝和2#溝流域面積較小,沒(méi)有明顯的支溝發(fā)育,固體物質(zhì)補(bǔ)給源主要是溝道松散堆積物和坡面松散堆積物。3#溝的固體物質(zhì)補(bǔ)給主要來(lái)源于物源區(qū)內(nèi)分布的6個(gè)滑坡,滑坡體總方量約2.4×104m3。4#溝內(nèi)共發(fā)育有6條支溝,流域內(nèi)共分布有10個(gè)滑坡,方量約4.2×104m3,約占該溝固體物質(zhì)總量的1/3。5#溝流域面積相對(duì)較大,約1.6 km2,流域內(nèi)共發(fā)育有4條支溝,分布有19個(gè)不同規(guī)模的滑坡,其固體物質(zhì)主要來(lái)源于形成區(qū)和流通區(qū),流域內(nèi)松散固體物質(zhì)總儲(chǔ)量約47.2×104m3,其中形成區(qū)為43.95×104m3,占總固體物質(zhì)儲(chǔ)量的90%以上(表2)。

表2 廠址區(qū)各泥石流溝的物源統(tǒng)計(jì)情況Table 2 The loosematerialmagnitude of each debris flow gully in study area

從各條泥石流溝的固體物質(zhì)補(bǔ)給方式上看,流域內(nèi)的滑坡體和坡面松散堆積體是該區(qū)泥石流的主要物源補(bǔ)給方式;從固體物源的補(bǔ)給量看,任何一條溝都具備了充足的松散固體物質(zhì),只要降水條件滿足泥石流的啟動(dòng)需求,就會(huì)發(fā)生泥石流。

2 泥石流溝的流域特征

2.1 泥石流溝發(fā)育的完整系數(shù)

流域完整系數(shù)反映了流域地表徑流的匯流條件和水動(dòng)力特征,在流域形態(tài)上,若其長(zhǎng)、寬比越接近1,則表明其匯流條件較好;而流域的完整系數(shù)越大,溝道中洪峰流量越大,越有利于溝道內(nèi)松散的固體物質(zhì)啟動(dòng)形成泥石流[7]。流域完整系數(shù)的計(jì)算方法如下:

式中,δ為流域完整系數(shù)(無(wú)量綱);A為流域面積(km2);L為主溝長(zhǎng)度(km)。若δ值較大,說(shuō)明流域的主溝和支溝發(fā)育較完整,具有較好的匯流條件,對(duì)泥石流的形成有利,反之則不利于泥石流的發(fā)育。通過(guò)廠址區(qū)5條泥石流溝的流域完整系數(shù)計(jì)算可以得出:1#溝的流域完整系數(shù)最大,雖然該溝流域面積相對(duì)較小,但其發(fā)育較為完整,匯水條件較好,有利于泥石流的發(fā)育。5#溝雖然流域完整系數(shù)最小,不利于匯流作用,但由于該溝流域面積大,在強(qiáng)降水的作用下也很容易達(dá)到泥石流啟動(dòng)所需的匯流條件(表3)。

表3 廠址區(qū)5條泥石流溝的發(fā)育完整系數(shù)Table 3 The evolve integrity index of five debris flow gullies

2.2 泥石流溝的發(fā)育程度

流域發(fā)育程度反映了流域地貌的演化階段,可以用流域的相對(duì)切割程度對(duì)流域的發(fā)育程度進(jìn)行判別。相對(duì)切割程度值越小,流域發(fā)育成熟度越高;反之,相對(duì)切割程度值越大,則流域發(fā)育成熟度越低[7]。流域的相對(duì)切割程度值由下式確定:

式中,h′為流域相對(duì)切割程度(以小數(shù)表示,無(wú)量綱);h最大為流域最大相對(duì)高度(m);L周為流域周界長(zhǎng)度(m)。

通過(guò)在1∶5000地形圖上量測(cè),計(jì)算得到廠址區(qū)5條泥石流溝的流域發(fā)育程度(表4)。從表中可以看出,5#溝的發(fā)育程度最小,說(shuō)明該溝正處于流域強(qiáng)烈侵蝕的階段,而那些因侵蝕作用而產(chǎn)生的松散固體物質(zhì)都會(huì)成為泥石流的固體物質(zhì)補(bǔ)給來(lái)源。相比之下,1#、2#溝的發(fā)育程度相對(duì)較大,說(shuō)明溝道的切割相對(duì)較弱,松散固體物質(zhì)的量也就相對(duì)較小(表4)。

表4 廠址區(qū)5條泥石流溝的發(fā)育程度Table 4 The evolve degree of five debris flow gullies in study area

通過(guò)以上分析可以判斷出,5#溝、1#溝和2#溝的流域發(fā)育特征有利于泥石流的形成,為泥石流的孕育提供了較好的地貌條件,相比之下,3#溝和4#溝的發(fā)育條件不利于泥石流的發(fā)育和形成,這與實(shí)際調(diào)查所得到的情況基本一致。

3 廠址區(qū)泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

泥石流危險(xiǎn)度計(jì)算是危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要內(nèi)容,它是危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的定量表達(dá)。由于泥石流自身的復(fù)雜性和影響因子的不確定性使得泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)較為困難,加之不同區(qū)域泥石流的成因差異使得對(duì)區(qū)域泥石流危險(xiǎn)度的評(píng)價(jià)研究更為復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外學(xué)者都開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究,隨著對(duì)泥石流這一學(xué)科的不斷認(rèn)識(shí),泥石流危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)方法在逐步得以完善,評(píng)價(jià)的方法和手段都趨于綜合化和多元化[3～6]。單溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子包括泥石流規(guī)模M、頻率F、流域面積S1、主溝長(zhǎng)度S2、流域相對(duì)高差S3、流域切割密度S6及不穩(wěn)定溝床比例S9。單溝泥石流危險(xiǎn)度的計(jì)算采用劉希林等推薦的公式,其計(jì)算公式為[8]:

式中,M、F、S1、S2、S3、S6、S9分別按照單溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子的轉(zhuǎn)換函數(shù)表計(jì)算可得相應(yīng)的轉(zhuǎn)換值并帶入公式進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行分級(jí)判定。若計(jì)算值(H單)<0.2,為極低危險(xiǎn);計(jì)算值在0.2～0.4之間為低度危險(xiǎn);計(jì)算值在0.4～0.6之間為中度危險(xiǎn);計(jì)算值在0.6～0.8之間為高度危險(xiǎn);計(jì)算值在0.8～1.0之間為極高危險(xiǎn)(表5)。

表5 廠址區(qū)5條泥石流溝危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 The hazard assessment result of five debris flow gullies in study area

從評(píng)價(jià)結(jié)果可以得出,5#溝屬于極高危險(xiǎn)的泥石流溝;1#溝和4#溝屬于高度危險(xiǎn);2#、3#溝屬于中度危險(xiǎn)。從各條溝的現(xiàn)狀看,流域內(nèi)都具備有大量的松散固體物質(zhì),在受到該地區(qū)特殊地質(zhì)和地形條件的作用下,松散固體物質(zhì)的儲(chǔ)量還將會(huì)繼續(xù)加大,但由于受降水條件的影響,雖然降水具有強(qiáng)度大的特征,但其歷時(shí)相對(duì)較短,這就決定了泥石流的規(guī)模不會(huì)很大。

4 泥石流對(duì)工程區(qū)的影響評(píng)價(jià)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)廠區(qū)各條泥石流溝在不同設(shè)計(jì)頻率下是否對(duì)廠區(qū)的廠房、尾水水渠、沉沙池和引流管道等電站設(shè)施作出影響評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)過(guò)程中主要應(yīng)用泥石流屈服應(yīng)力與可能淤積厚度的計(jì)算共識(shí),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的13個(gè)洪痕斷面數(shù)據(jù)而進(jìn)行。相對(duì)其他防治工程而言,水電站運(yùn)營(yíng)是一個(gè)較長(zhǎng)期的過(guò)程,為此,分別對(duì)相對(duì)較高頻率條件下(50 a一遇、200 a一遇、500 a一遇)各泥石流溝可能的危險(xiǎn)區(qū)范圍圖進(jìn)行評(píng)價(jià)(圖2)。在泥石流危險(xiǎn)區(qū)劃中,因?yàn)槟嗍髟趶S區(qū)的堆積扇上散開(kāi),在堆積扇上無(wú)主流溝道,因此泥石流在堆積扇的左右來(lái)回?cái)[動(dòng)的特點(diǎn)決定了泥石流的危險(xiǎn)范圍充滿整個(gè)堆積扇。泥石流的淤埋范圍是以泥石流的總徑流量和淤積厚度相結(jié)合來(lái)確定泥石流的淤埋范圍。鑒于泥石流的危害主要以淤埋堆積為主,因此泥石流的危險(xiǎn)區(qū)即是泥石流的淤埋堆積區(qū)。

圖2 廠址區(qū)不同頻率下泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)圖Fig.2 The sub-area of debris flow hazard under different frequency in study area

4.1 施工期間泥石流對(duì)工程的影響

在廠房施工期間,工程活動(dòng)強(qiáng)度較大,施工時(shí)的開(kāi)挖會(huì)產(chǎn)生大量的棄渣,為泥石流提供更多的松散固體物質(zhì),會(huì)在一定程度上增大泥石流的規(guī)模。在這期間,1#、2#溝泥石流會(huì)對(duì)廠址區(qū)東北角廠房的施工和尾水水渠開(kāi)挖產(chǎn)生影響,主要表現(xiàn)在對(duì)開(kāi)挖區(qū)的淤埋、沖擊等破壞作用較弱。由于溝口海拔相對(duì)高于廠房的主要布置區(qū),3#溝泥石流會(huì)對(duì)廠址區(qū)西北角的施工設(shè)施及建筑造成較大的沖擊和淤埋,同時(shí)還對(duì)整個(gè)廠房區(qū)的施工和下游的料場(chǎng)、簡(jiǎn)易通道等造成較大程度的影響。4#及5#溝的右支溝的堆積區(qū)主要在廠房的西北角,會(huì)對(duì)尾水渠、料場(chǎng)、廠房圍墻造成淤埋和沖擊,由于水渠和料場(chǎng)施工區(qū)離兩條溝的出口較遠(yuǎn),沖擊作用不會(huì)很強(qiáng)烈,主要表現(xiàn)為淤積。

4.2 廠房運(yùn)行期間泥石流對(duì)工程的影響

相對(duì)施工期來(lái)說(shuō),廠房運(yùn)行期的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),尤其是在低頻暴雨的情況下,泥石流的沖擊力、淤積厚度、淤積范圍等都會(huì)相對(duì)較大。其中1#溝、2#溝在電站運(yùn)行期間可能暴發(fā)規(guī)模較大的泥石流,會(huì)對(duì)廠房、尾水渠等造成較大程度的影響。在泥石流規(guī)模較大的情況下,廠房的西北角和西側(cè)是3#、4#、5#溝的主要危險(xiǎn)區(qū),3#溝主要影響到廠區(qū)的西側(cè), 4#、5#溝若發(fā)生泥石流,可能會(huì)直接沖擊到廠房的西側(cè)并造成破壞,會(huì)直接危害到廠房的安全。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)某電站廠址區(qū)泥石流的氣象條件分析可以判定,廠址區(qū)后山發(fā)育的5條泥石流溝都屬于暴雨型泥石流,流域內(nèi)固體松散物質(zhì)儲(chǔ)量較大,在強(qiáng)降水作用下很容易暴發(fā)泥石流。

(2)通過(guò)對(duì)廠址區(qū)5條泥石流溝的危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)可以看出,5#溝泥石流危險(xiǎn)度最高;1#溝、4#溝危險(xiǎn)度次之;2#溝和3#溝相對(duì)較低。從該地區(qū)流域的發(fā)育特征來(lái)看,5#溝、1#溝和2#溝的流域發(fā)育特征有利于泥石流的形成,3#溝和4#溝的發(fā)育條件則不利于泥石流的發(fā)育和形成。

(3)從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,由于受到特殊地質(zhì)、地貌條件的影響,流域內(nèi)不良地質(zhì)體較為發(fā)育,5條泥石流溝的地表松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量會(huì)不斷增加,只要降水條件達(dá)到泥石流啟動(dòng)的要求,就會(huì)暴發(fā)泥石流。但由于受該地區(qū)降水條件的影響,雖然流域內(nèi)具備了充足的松散固體物質(zhì)且降水強(qiáng)度較大,但其歷時(shí)往往較短,即沒(méi)有足夠的降水讓溝道內(nèi)的松散固體物質(zhì)一次性全部啟動(dòng),因此,即使松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量較大,但由于受到降水的限制,泥石流暴發(fā)的規(guī)模不會(huì)太大。

(4)泥石流對(duì)廠址區(qū)工程的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)階段:即施工階段和廠房運(yùn)行階段。對(duì)于前者,施工時(shí)間相對(duì)較短,泥石流的危害可以通過(guò)一些簡(jiǎn)單的排導(dǎo)或引流工程措施得以解決;但對(duì)廠房的運(yùn)行期而言,由于電站運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)低頻泥石流發(fā)生的可能性相對(duì)較大,從長(zhǎng)期考慮,需要通過(guò)一系列導(dǎo)流、護(hù)堤等工程措施才能將泥石流的危害降低到最小。

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DEBRIS FLOW GENESIS ITS EFFECTON A HYDROPOWER STATION FACTORY

TIE Yong-bo1,TANG Chuan2,YU Bin2
(1.Chengdu Institute of Geology and M ineral Resources,Chengdu 610081,China; 2.State Key Laborato ry of Geological Hazard and Geological Environment Protection, Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

Debris flow is oneof the geologic hazard w hich can often seen in hydropower station construction,and analyzing the cause formation and hazard assessmentof debris flow is impo rtant for station construction.Based on the field investigation data in the station area,the paper analysed the cause of fo rmation and assessment the hazard of five debris flow gulliesw hich threaten the station factory,and the evolution trend of debris flow and its effect in different engineering stages.The results can p rovide reasonable suggestions fo r decision making during the design,construction and wo rking of station construction.

debris flow;cause formation;hazard assessment;evolution trend;impaction analysis

P642;P642.23

:A

1006-4362(2010)02-0019-05

鐵永波(1979-),男,云南大關(guān)人,博士,助理研究員,主要從事環(huán)境地質(zhì)及地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)研究。

2009-10-19改回日期:2010-02-08