金沙江白鶴灘水電站壩址近場區(qū)泥石流運動特征與發(fā)展趨勢分析

胡桂勝，陳寧生，李 俊，賀 拿，2，朱云華

（1.中國科學(xué)院 山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都610041；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.西南石油大學(xué)，成都610041）

2012年6月28日，受連續(xù)降雨影響，金沙江白鶴灘水電站壩址近場區(qū)9條溝暴發(fā)了泥石流，其中矮子溝發(fā)生了特大型泥石流，導(dǎo)致41人死亡和失蹤、1 276人受災(zāi)，沖毀了民房17戶80余間、鄉(xiāng)村公路30 km、便橋5座、大堰20km、農(nóng)田133hm2、汽車1輛[1]。水電站壩址近場區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，極端氣候突出，河流水系發(fā)達(dá)，大多數(shù)溝道在地質(zhì)歷史上都曾發(fā)生過泥石流，部分溝道在近期泥石流活動依舊十分活躍，頻繁的泥石流災(zāi)害對當(dāng)?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，并制約著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。調(diào)查發(fā)現(xiàn)水電站壩址近場區(qū)主要災(zāi)害性泥石流溝共有9條，分別是左岸的矮子溝、大涼水溝、延吉溝、牛路溝、大石垴溝、蔡家坪溝，右岸的海子溝、大寨溝和白鶴灘溝。這些溝道在歷史上都曾發(fā)生過泥石流，在2012年6月28日前后均暴發(fā)過規(guī)模不等的泥石流。筆者于2012年7月22日趕到災(zāi)害現(xiàn)場，歷經(jīng)20余天對9條泥石流溝進(jìn)行了勘查與分析，據(jù)此進(jìn)一步對其泥石流運動特征與發(fā)展趨勢進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然條件

（1）地理位置。白鶴灘水電站位于云南省巧家縣大寨鄉(xiāng)與四川省涼山彝族自治州寧南縣白鶴灘交界的白鶴灘，上游與烏東德梯級電站相接，下游尾水與溪洛渡梯級電站相連，是金沙江下游（雅礱江口—宜賓）河段烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4個梯級開發(fā)的第二級，建成后將僅次于三峽水電站，成為中國第二大水電站。壩址左岸屬四川省涼山彝族自治州寧南縣，右岸屬云南省昭通市巧家縣，距寧南縣城75km，距巧家縣城45km。白鶴灘水電站壩址近場區(qū)共分布有9條主要的災(zāi)害性泥石流溝（圖1），分別為左岸的矮子溝、大涼水溝、延吉溝和荒田區(qū)泥石流溝（牛路溝、大石垴溝、蔡家坪溝），右岸的海子溝、大寨溝和白鶴灘溝。

圖1 研究區(qū)泥石流溝地理位置示意圖

（2）地形地貌。研究區(qū)屬高山峽谷地貌，地勢北高南低，向東側(cè)傾斜，左岸為魯南山脈，山峰高程在2 000m以上，900～1 100m高程以下為陡崖區(qū)，以上呈緩坡地形；右岸為藥山山脈，山峰高程在3 000m以上，高程1 000～1 400m以下為陡崖區(qū)，以上呈臺地緩坡。

白鶴灘水電站近場區(qū)從上游矮子溝至下游衣補河溝口，全長約12km，兩岸為單斜山。左岸有石門坎—新建村、華東院基地一帶（高程650～1 100m）及人民灣共三級緩坡，呈北西向斜列；右岸三灘村至大寨溝一帶，高程700～900m以上山坡較緩，沿江一帶為陡壁地形，大寨溝下游沿江兩岸岸坡由一系列北西向陡崖、緩坡平臺構(gòu)成，呈臺階狀，左岸臺階較寬緩，主要有三級階面，右岸較狹窄，主要有五級。

白鶴灘水電站近場區(qū)沖溝受構(gòu)造控制，多呈北西—北西西向，少量呈北東向。左岸沖溝相對短淺，多發(fā)育于覆蓋層中；右岸沖溝切割深，溯源侵蝕強，坡降大，較大的有大寨溝及白鶴灘溝，區(qū)域階地不太發(fā)育，下游右岸的白鶴灘村分布為Ⅰ級階地。由于河流劇烈下切，截彎取直，在上游右岸三灘形成由玄武巖滾（塊）石構(gòu)成的崩積臺地。

（3）氣象水文。研究區(qū)地處中亞熱帶，屬西南季風(fēng)氣候區(qū)，干濕季節(jié)分明。多年平均降水量為715.9 mm，最大一日降水量為95.9mm，最大1h降雨量為30.5mm；多年平均蒸發(fā)量2 306.7mm；多年平均氣溫21.7℃，歷年最高氣溫42.2℃，歷年最低氣溫2.1℃；多年平均風(fēng)速2.1m／s，最大風(fēng)速13m／s。區(qū)域內(nèi)降水年內(nèi)分配不均，5—10月為雨季，降雨充沛，降雨量占全年的85%以上；11月—次年4月為旱季，降水稀少，氣候溫暖干燥。

白鶴灘水電站壩址處控制流域面積430 308 km2，多年平均來水量4 140m3／s。水庫正常蓄水位825m，總庫容206億m3，調(diào)節(jié)庫容104.36億m3，防洪庫容58.38億m3。據(jù)巧家站62a實測資料統(tǒng)計，金沙江多年平均流量4 110m3／s，一年中11月至翌年5月為枯水期，6—10月為洪水期，年最大洪峰最早出現(xiàn)在6月28日，最遲出現(xiàn)在10月8日，主要發(fā)生在7—9月份，占總數(shù)的95%以上，其中又以8月份洪水發(fā)生次數(shù)最多。實測歷年最大洪峰流量為25 800m3／s（1966年），歷年最小洪峰流量為8 570 m3／s（1967年）。

1.2 地質(zhì)環(huán)境

（1）地質(zhì)構(gòu)造。研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造十分發(fā)育，由背斜、向斜、斷裂和斷層組成，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育不但對流域內(nèi)地貌格局的形成，不良地質(zhì)現(xiàn)象的產(chǎn)生（滑坡、崩塌）起控制作用，而且對區(qū)內(nèi)泥石流的形成和發(fā)展提供了大量的物源。區(qū)域內(nèi)主要地質(zhì)構(gòu)造有六鐵鄉(xiāng)向斜、騎騾溝背斜、跑馬斷裂、回龍塆斷裂、東坪斷層、小田壩斷層。

（2）地層巖性。研究區(qū)出露地層較為齊全，除缺失古生界的石炭和中生界的侏羅系外，古生界至新生界地層均有出露。從老到新出露為：震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系、三疊系、白堊系及第四系地層。不同年代地層的巖性主要有玄武巖、白云巖、灰?guī)r、砂巖、泥巖及第四系崩坡積碎石土、殘坡積礫石土和沖洪積礫石土及粉質(zhì)黏土。

（3）地震活動。區(qū)域內(nèi)主要的地震構(gòu)造帶主要包括鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶、小江斷裂帶等，有歷史記載以來，在這些主要強烈活動的斷裂帶上發(fā)生了多次7級及以上地震。近場區(qū)范圍內(nèi)主要斷裂活動水平不高，除四開—交際河斷裂帶可能引發(fā)6級左右地震外，總體地震潛能不大，未來白鶴灘水電站工程所遭受的地震影響，仍將主要來自近場區(qū)西側(cè)區(qū)域主要發(fā)震構(gòu)造帶，尤其是則木河斷裂帶和小江斷裂帶等活動的控制。

1.3 人類活動

研究區(qū)范圍內(nèi)主要的人類活動表現(xiàn)為村民房屋修建、道路開挖、農(nóng)作物種植等。公路邊坡因開挖多形成崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，破壞了原始地質(zhì)環(huán)境狀況，同時還形成了大量的人工棄渣，部分棄渣進(jìn)入溝道，為泥石流的形成提供了一定的物源。此外，由于不合理的毀林開荒，大量的坡耕地造成區(qū)域植被覆蓋率低，水土流失嚴(yán)重，從而也加劇了崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的形成。

2 泥石流運動參數(shù)計算與分析

2.1 泥石流容重

泥石流容重確定方法主要有實測法、配樣法和統(tǒng)計分析方法。在所有泥石流溝中只有矮子溝有現(xiàn)場目擊者，根據(jù)現(xiàn)場目擊者的描述和判識，采用配樣法確定泥石流容重。通過現(xiàn)場所取得泥石流原樣進(jìn)行配置，用半徑為11.5cm，高度為25.3cm的鐵桶裝置并現(xiàn)場稱取配置漿體的重量，測量漿體的體積，獲得泥石流容重。配置泥石流體的體積為6 931.82 cm3，相應(yīng)的漿體重量為12.7kg，測得矮子溝泥石流容重為18.3kN／m3。

圖2 矮子溝泥石流容重現(xiàn)場配樣法

由于泥石流溝暴發(fā)時目擊者較少，采用實測法和配樣法條件也不成熟，因此本研究主要是通過統(tǒng)計分析確定泥石流容重。陳寧生等[2]通過對我國西南地區(qū)大量泥石流溝的統(tǒng)計資料，泥石流黏土顆粒（＜0.005mm）含量與泥石流容重存在以下關(guān)系：

式中：γc——泥 石 流 容 重 （kN／m3）；g——9.8m／s2；x——泥石流堆積物中黏粒占粒徑小于60mm的含量。

通過對研究區(qū)典型泥石流原狀堆積物進(jìn)行樣品采集并進(jìn)行室內(nèi)顆粒分析試驗，依據(jù)式（1），各溝黏粒含量及泥石流容重計算結(jié)果見表1。

表1 泥石流容重計算結(jié)果

泥石流的容重通常隨著其規(guī)模的變化而變化，因而泥石流的性質(zhì)也會隨著規(guī)模的變化而變化，泥石流容重與暴發(fā)頻率的關(guān)系，目前研究較少，也沒有相應(yīng)的規(guī)范。查閱有關(guān)資料發(fā)現(xiàn)[3－4]，據(jù)不完全統(tǒng)計，100年一遇以內(nèi)的泥石流容重與頻率有一定的關(guān)系[5]，即：

式中：rc′——不同頻率泥石流的容重（g／cm3）；rc——百年一遇泥石流容重（kN／m3）；p′——暴發(fā)頻率系數(shù)；p——泥石流暴發(fā)周期（年）。依據(jù)公式（2）推算出各溝不同頻率泥石流的容重值見表2。

表2 不同頻率泥石流容重值

2.2 泥石流流速

結(jié)合我國西南山區(qū)泥石流的特征，采用下面泥石流流速計算公式計算泥石流流速：

（1）稀性泥石流[6－7]。

其中：

式中：Mc——稀性泥石流溝床的糙率系數(shù)；a——阻力系數(shù)；Hc——泥石流水力半徑（m），通常用泥深來代替；Ic——泥石流水力坡度；γc——泥石流流體容重（kN／m3）；γw——水的容重，取10kN／m3；γs——泥石流固體物質(zhì)的容重，取26.5～27.0kN／m3。

（2）黏性泥石流[6－7]

式中：nc——泥石流溝糙率；Hc——泥石流水力半徑（m），通常用泥深來代替；Ic——泥石流水力坡度；

根據(jù)各溝勘測的泥石流洪痕斷面，選取相關(guān)參數(shù)，計算出各溝不同斷面流速，結(jié)果見表3。

表3 泥石流流速計算結(jié)果

2.3 泥石流流量

泥石流流量是泥石流工程治理最為重要的參數(shù)之一[8]。對于非觀測泥石流，其計算方法主要有形態(tài)調(diào)查法和模擬計算法。

（1）形態(tài)調(diào)查法。根據(jù)泥石流暴發(fā)時留下的痕跡（泥痕）確定該次泥石流的最高泥位，并通過調(diào)訪了解在最高泥位的泥石流通過后斷面變化的情況，盡可能以調(diào)查時的斷面為基礎(chǔ)，恢復(fù)過流時的斷面，獲得斷面面積 ，以計算其流量（式5），其計算結(jié)果見表4。

式中：ASC——調(diào)查斷面的過流面積（m2）；VC——通過調(diào)查斷面的泥石流平均流速（m／s）。

（2）配方法。配方法是目前泥石流流量計算的基本方法，其計算步驟是先按水文方法計算出不同頻率下小流域暴雨洪峰流量，然后考慮溝道堵塞情況，按式（6），（7）[9]計算泥石流流量，其結(jié)果見表5。

式中：QC——頻率為P的泥石流峰值流量（m3／s）；QP——頻率為P的暴雨洪水設(shè)計流量（m3／s）；φ——泥石流泥沙修正系數(shù)；γC——泥石流重度（kN／m3）；γW——清水的重度（kN／m3）；γs——泥石流中固體物質(zhì)比重（kN／m3）；DC——泥石流堵塞系數(shù)，取值見表6。

暴雨洪峰流量以目前公用的小流域設(shè)計洪水的推理公式來進(jìn)行計算，其計算公式為：

其中：ψ＝f（μ，τn）；τn＝f（m，s，J，L）

式中：QP——頻率為P的暴雨洪水設(shè)計流量（m3／s）；ψ——洪峰徑流系數(shù)；s——暴雨雨力（mm／h）；n——暴雨指數(shù)；F——流域面積（km2）；J——河道平均坡度（‰）；L——溝道長度（km）；τ——流域匯流時間（h）；μ——入滲強度（mm／h）；m——匯流參數(shù)。

式（8）中參數(shù)ψ，τ均為互為函數(shù)關(guān)系，由《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》中提供試算法確定。

表4 形態(tài)調(diào)查法泥石流流量計算結(jié)果

表5 配方法泥石流流量計算結(jié)果

表6 泥石流堵塞系數(shù)取值

2.4 泥石流總量

根據(jù)泥石流歷時T和最大流量QC，通過斷面的一次泥石流漿體總量WC由下式計算[6－7]：

式中：WC——一次泥石流漿體總量（m3）；QC——泥石流峰值流量（m3／s）；TC——泥石流持續(xù)時間（s）。

研究發(fā)現(xiàn)[9]，一次泥石流漿體總量與一次泥石流固體物質(zhì)的總量存在一定的關(guān)系。對于連續(xù)性的泥石流，一次泥石流固體物質(zhì)總量（WS）與漿體總量（WC）的關(guān)系如下：

式中：WS——泥石流固體物質(zhì)總量（m3）；γw——水的容 重 （kN／m3）；γC——泥 石 流 的 容 重 （kN／m3）；γS——固體物質(zhì)的容重（kN／m3）；CV——泥石流中土體的體積濃度，計算結(jié)果見表7。

表7 泥石流總量與一次固體物質(zhì)總量計算結(jié)果

2.5 泥石流沖擊力

泥石流沖擊力是泥石流治理工程設(shè)計的重要參數(shù)，包括泥石流流體動壓力和泥石流最大顆粒的沖擊力。

（1）泥石流流體動壓力計算。泥石流流體是非均勻流體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和沖擊過程十分復(fù)雜，這里從理論公式出發(fā)，選取根據(jù)實測資料而進(jìn)行修正的理論公式[10]：

式中：σ——泥石流流體動壓力（pa）；g——重力加速度（m／s2），取g＝9.8m／s2；γc——泥石流流體容重（kN／m3）；V——泥石流平均流速（m／s）；K——泥石流流體不均勻系數(shù)，K＝2.4～4。

（2）泥石流最大顆粒的沖擊力計算。目前泥石流大顆粒沖擊力的確定還沒有形成系統(tǒng)的計算方法，這里選取應(yīng)用較廣泛的彈性碰撞法來計算大石塊的沖擊力[11]。

式中：K——修正系數(shù)，一般取0.1；Rs2——大顆粒半徑（m）；v1，v2——材料和球體 （石塊）的泊松 比；m2——石塊的質(zhì)量（kg）；E1，E2——材料和石塊的楊氏模數(shù)（kg／m2）；V——石塊的相對速度（m／s）。

通過對各泥石流溝進(jìn)行全面調(diào)查，測量溝床中泥石流搬運最大石塊的平均直徑，石塊相對流速取泥石流漿體流速的70%，采用彈性撞擊法進(jìn)行泥石流流體中最大石塊的沖擊力計算。泥石流沖擊力計算結(jié)果如表8所示。

表8 泥石流沖擊力計算結(jié)果

3 泥石流發(fā)展趨勢分析

3.1 泥石流形成的基本條件分析

泥石流的發(fā)展趨勢是多個因素綜合影響的結(jié)果[5]，其中影響泥石流發(fā)展最基本的因素就是地形地貌、松散固體物源條件和水源條件。（1）白鶴灘水電站位于金沙江干旱河谷地帶，屬高山峽谷區(qū)。區(qū)域內(nèi)水系發(fā)達(dá)，各溝流域內(nèi)沖切溝發(fā)育，溝道坡降大，嶺谷高差大，山體陡峭，植被覆蓋率低，山洪泥石流的產(chǎn)流、匯流條件好，地形地貌因素十分利于泥石流的發(fā)展；（2）經(jīng)過實地調(diào)查，區(qū)域松散固體物質(zhì)儲量十分豐富，其種類有坡積物、溝道堆積物、溝岸崩滑物、老泥石流堆積物等，在各泥石流流域內(nèi)分布面積達(dá)60%以上，數(shù)量巨大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出各泥石流流域一次泥石流物質(zhì)總量；（3）研究區(qū)地處中亞熱帶，屬西南季風(fēng)氣候區(qū)，降雨充沛且集中，多年平均降水量為715.9 mm，最大一日降水量為95.9mm，最大1h降雨量為30.5mm。同時，受地形高差影響，區(qū)域降雨隨著海拔增高而增大，在流域源區(qū)，年降雨量可達(dá)1 600mm以上。此外，區(qū)域點暴雨集中，極端氣候時有發(fā)生，泥石流發(fā)生的水源條件十分有利。根據(jù)上述分析可知，研究區(qū)內(nèi)不論是地形地貌、土源條件還是水源條件，均能滿足泥石流的形成條件，但由于各流域自身條件的差異，泥石流在活躍程度、暴發(fā)規(guī)模等方面都不盡相同。

3.2 泥石流主控因素分析

通過對我國西南山區(qū)大量泥石流的統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，泥石流與地震活動、氣候變化及人類活動關(guān)系最為密切，也正是這些因素，控制著區(qū)內(nèi)泥石流的活動規(guī)律，并對泥石流的性質(zhì)和規(guī)模起著決定性作用。

（1）地震活動對泥石流的影響。據(jù)記載，區(qū)域無6級以上地震發(fā)生，但中小地震頻繁，場地地震危險性主要來自周邊強震的影響。據(jù)統(tǒng)計，自1905年以來，區(qū)域范圍內(nèi)有震感地震74次，其中6級以上地震33次，區(qū)域地震有效峰值加速度（EPA）序列圖見圖3。

圖3 區(qū)域地震有效峰值加速度（EPA）序列

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，一般地震過后，地震區(qū)泥石流溝進(jìn)入活動期，其規(guī)模和頻率都得到增強，且泥石流暴發(fā)所需的臨界雨量條件降低。地震以后引發(fā)的泥石流規(guī)模通常超大，具體見表9。

表9 地震次生泥石流流量變化統(tǒng)計

根據(jù)表9可知，地震次生泥石流其流量可以達(dá)到非地震條件下的2.2～15倍，同時綜合泥石流與地震活動的關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，地震對次生泥石流活動的影響期可長達(dá)20a之久，而活動最為頻繁、規(guī)模最大多出現(xiàn)在震后5～6a內(nèi)。

在地震活動的影響下，促進(jìn)了區(qū)域基巖裂隙的張開，加速了巖體的風(fēng)化速度，降低了流域內(nèi)土體的強度，促進(jìn)崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展，因此，地震作用是區(qū)域泥石流產(chǎn)生和起動的重要外因之一，尤其是在地震和暴雨同時發(fā)生時，暴發(fā)泥石流的概率將大大增加。

（2）干濕交替氣候?qū)δ嗍鞯挠绊?。干濕交替氣候?qū)δ嗍鞯挠绊懸草^為明顯：干旱使得土體更容易被侵蝕、開裂，產(chǎn)生較多的細(xì)顆粒物質(zhì)，并改變坡面的徑流條件和流域匯流條件；干旱能造成土體長期處于失水狀態(tài)，并出現(xiàn)明顯的干燥收縮現(xiàn)象，常伴隨表層裂縫的生成和增長，土體會出現(xiàn)崩解現(xiàn)象；土體存在最佳含水量，當(dāng)土體含水量小于最佳含水量時，其強度隨著含水量的增加而增大；當(dāng)土體含水量大于最佳含水量時，其強度隨著土體含水量的增加而減少。因此，干旱使得土體崩解加強，風(fēng)化作用加劇，強度降低，較小強度的降雨就可能引發(fā)泥石流。

（3）人類活動對泥石流的影響。人為因素是使山地災(zāi)害損失加重的不可忽視的因素。人為的不合理經(jīng)濟(jì)活動，如過度放牧、陡坡耕作、毀林開荒等，都將導(dǎo)致環(huán)境惡化，水土流失加劇。此外，大量的工程建設(shè)如房屋修建、道路開挖等，形成大量的廢土廢渣，也是引發(fā)災(zāi)害的不可忽視的重要因素。目前，區(qū)域大多數(shù)泥石流流域內(nèi)都規(guī)劃了渣場，大量的棄渣將直接為泥石流的形成提供固體物質(zhì)來源，因此，確保渣場的安全是減少泥石流危害不容忽視的工作。

綜合上述分析可知，白鶴灘水電站壩址近場區(qū)泥石流活動歷史長，目前，各流域地形地貌、土源條件及水源條件依然滿足泥石流的形成，在今后較長一段時間內(nèi)，區(qū)域仍會發(fā)生泥石流，但是隨著松散固物質(zhì)的不斷消減，部分溝道泥石流的暴發(fā)頻率和規(guī)模將逐漸降低和減小，然而，在強地震、干濕循環(huán)變化氣候的偶然聯(lián)合作用下，仍可能會發(fā)生超過百年一遇規(guī)模的泥石流。

4 結(jié)語

金沙江白鶴灘水電站壩址近場區(qū)共有9條災(zāi)害性泥石流溝，這些泥石流溝在歷史上都曾發(fā)生過不同規(guī)模的泥石流，在近代也不同程度地出現(xiàn)過泥石流活動。各流域松散固體物質(zhì)儲量豐富，區(qū)域降水充沛，極端氣候突出，加之有利的地形地貌，泥石流暴發(fā)的基本條件依然十分充足，具有再次發(fā)生泥石流的可能。特別在強震、干濕循環(huán)的氣候變化環(huán)境、不合理的人類活動等因素耦合作用下，仍可能會發(fā)生超過百年一遇的泥石流。泥石流活動直接對電站大壩、進(jìn)水口、營地、居民安置點、排水隧洞、渣場、料場、纜機(jī)平臺、出場線、施工道路、加油站等基礎(chǔ)建設(shè)或設(shè)施構(gòu)成威脅，嚴(yán)重影響電站的建設(shè)和運行，因此進(jìn)行泥石流預(yù)測預(yù)警工作十分必要，其中以矮子溝和大寨溝泥石流最為嚴(yán)重，應(yīng)進(jìn)行重點監(jiān)測。

[1]高寒.四川寧南泥石流沖毀民房80間失蹤40余人[N／OL].中國新聞網(wǎng)，[2012－06－28].http：∥news.eastday.com／c／20120628／u1a6661292.html.

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