電站廠房區(qū)域泥石流治理的土木工程措施研究

孫 亞 聯(lián)

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

泥石流是山區(qū)介于挾沙水流和滑坡之間的土(泛指固體松散物質(zhì))、水、氣的混合流，為山區(qū)特有的一種突發(fā)性的自然災(zāi)害現(xiàn)象。它以含有大量固體物質(zhì)(尤其是大尺寸顆粒)而著稱，進(jìn)入河段后，在短時(shí)間內(nèi)改變主河水沙組成及邊界條件，同時(shí)受到主河的阻力作用，流路發(fā)生改變，在入?yún)R口附近發(fā)生淤積，如果主河水動(dòng)力條件與泥石流對比較弱，則易發(fā)生堵河現(xiàn)象[1]。修建在河道周圍的水利、民用建筑、農(nóng)田、公路等基礎(chǔ)設(shè)施往往受到泥石流的威脅。水電站工程往往多修建于深山峽谷區(qū)，受地形、地質(zhì)條件的影響，時(shí)常伴有泥石流活動(dòng)，倘若發(fā)生泥石流，不僅破壞生態(tài)環(huán)境，堵塞河道，而且影響水電站的安全運(yùn)行以致造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，水電站區(qū)域的泥石流治理對電站的安全運(yùn)行有著重要意義。本文詳細(xì)介紹了目前泥石流治理的一些土木工程措施，同時(shí)結(jié)合具體的水電站工程區(qū)域泥石流的基本特征，提出具體治理工程措施，希望對泥石流的工程治理分析理論上提供一些實(shí)踐支持。

1 泥石流治理的土木工程措施應(yīng)用

目前國內(nèi)外泥石流防治措施很多，總的來說主要有兩大類，即土木工程措施和生物措施。土木工程措施是在泥石流形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)內(nèi)采用相應(yīng)的治理工程(如蓄水、引水、排水、截水等治水工程，攔擋、支護(hù)工程、排導(dǎo)、引渡工程、停淤工程等)，以控制泥石流的發(fā)生、減小其產(chǎn)生的危害，泥石流生物措施是一般采用喬、灌、草等植物進(jìn)行科學(xué)地配置營造，充分發(fā)揮其滯留降水，保持水土，調(diào)節(jié)徑流等功能，從而達(dá)到防治和制止泥石流發(fā)生減輕其危害程度的目的[2]。目前泥石流的土木工程措施主要靠主動(dòng)治理的減災(zāi)新途徑來實(shí)現(xiàn)對泥石流的治理，具體工程技術(shù)措施主要有排導(dǎo)截流措施、攔擋措施、破壞起動(dòng)面與減少驅(qū)動(dòng)力措施[3]。

1.1 排導(dǎo)截流措施

在準(zhǔn)泥石流體上游方修建排水溝或排導(dǎo)槽，攔蓄水流或把水流排到相鄰的非泥石流溝谷中或準(zhǔn)泥石流體下游溝段，避免大量水分直接作用于準(zhǔn)泥石流體，使水分條件保持在起動(dòng)臨界值以下，不能起動(dòng)形成泥石流。同時(shí)，由于泥石流對溝床的塑造大，比如局部侵蝕淤積,泥石流防治專家借用“以柔克剛”的思想提出軟基消能的有效措施，利用排導(dǎo)措施減少泥石流體與工程構(gòu)筑物的接觸，減小泥石流對構(gòu)筑物的沖擊載荷而讓泥石流與溝槽內(nèi)的物質(zhì)相互作用攪拌從而消耗泥石流的動(dòng)能，通過合理的斷面型式、縱坡比降將泥石流在控制條件下安全順利地排泄到指定的區(qū)域[4]。

1.2 攔擋措施

在準(zhǔn)泥石流體前緣或適當(dāng)部位修建擋土墻、谷坊、攔擋壩等攔擋工程建筑物，增大準(zhǔn)泥石流體的穩(wěn)定性，減緩底床坡度，攔截水沙，改變輸水、輸沙條件，減緩泥石流流速，抑制上游河段縱橫向侵蝕，改變泥石流流向，從而減少泥石流對工程構(gòu)筑物的接觸，達(dá)到保證工程構(gòu)筑物的安全目的。

2 某電站廠區(qū)泥石流工程處理措施

2.1 工程布置

電站廠房區(qū)域內(nèi)的阿克恰衣蘇溝和其干布拉克溝均為泥石流溝，其中阿克恰衣蘇溝為水石泥石流溝，其干布拉克溝為稀性泥石流溝，2條泥石流溝對廠房均沒有直接沖擊破壞作用，但是泥石流的淤積對廠房尾水有一定影響，為了降低泥石流溝對工程的危害，對該部位兩個(gè)泥石流溝進(jìn)行排導(dǎo)處理，本文以其干布拉克溝泥石流溝為例，對廠區(qū)主要建筑物進(jìn)行防護(hù)。

一級廠房對面其干布拉克溝泥石流為稀性泥石流，最大方量較小，出口形成的堆積物洪水期均能被主河道搬運(yùn)走，無阻斷河道的可能，并不會(huì)危及一級廠房，但對一級廠房的尾水會(huì)產(chǎn)生一定淤積影響。因此，在其干布拉克溝與上壩路交匯處下方20 m處，設(shè)置攔擋壩以及泥石流排導(dǎo)槽，此處地形平緩，原溝槽深度約為3 m～4 m，設(shè)置攔擋壩為漿砌石重力壩，最大壩高為6 m，頂寬為1.5 m，長度90 m。泥石流排導(dǎo)槽斷面為梯形斷面，設(shè)計(jì)槽深3.5 m，底部寬度為6 m，兩側(cè)坡比為1∶2，總長度為194 m，通過攔擋壩以及泥石流排導(dǎo)槽將泥石流順向?qū)刖鄰S房對岸上游400 m岸坡處，進(jìn)一步減小其對水電站廠房的影響。

2.2 泥石流防護(hù)建筑物穩(wěn)定計(jì)算分析

2.2.1泥石流防護(hù)堤與攔擋壩的穩(wěn)定計(jì)算

1)其干布拉克溝攔擋壩的穩(wěn)定分析。

采用重力式漿砌石壩對其干布拉克溝泥石流進(jìn)行防護(hù)，防止泥石流夾帶巖石對攔擋壩產(chǎn)生磨損破壞，在攔擋壩迎水面與背水面都襯護(hù)30 cm厚C35抗沖耐磨混凝土。攔擋壩最大壩高6 m，壩頂長度為90 m，迎水坡采用1∶0.2，攔擋壩背水坡采用1∶0.7，頂部寬度按1.5 m設(shè)計(jì)。具體斷面見圖1。在對攔擋壩進(jìn)行穩(wěn)定、基底應(yīng)力和抗傾覆計(jì)算時(shí)，荷載考慮：壩體自重、靜水壓力、泥石流壓力、堆積物的土壓力、沖擊力，計(jì)算結(jié)果見表1。經(jīng)計(jì)算，攔擋壩滿足抗滑、抗傾要求，地基承載力也滿足要求。

表1 攔擋壩抗滑、抗傾覆安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

2.2.2排導(dǎo)槽的體型的設(shè)計(jì)

1)排導(dǎo)槽的縱坡設(shè)計(jì)。

排導(dǎo)槽縱坡應(yīng)略大于流通段縱坡，結(jié)合泥石流溝地形條件布置，其原則是在不增加開挖或不產(chǎn)生較大填方前提下盡量一坡到底。阿克恰衣蘇溝排導(dǎo)槽入口段高程為2 372.50 m，同時(shí)與軸線成15°偏角并成“八”字形，天然溝段流通縱坡為72‰，排導(dǎo)槽結(jié)合原地形條件采用一坡到底，從排導(dǎo)槽樁號縱0+000.00到末端縱0+318.00起縱坡調(diào)整為75‰，出口處高程為2 353.50 m，同時(shí)與軸線呈15°偏角并呈“八”字形。其干布拉克溝排導(dǎo)槽入口段高程為2 442.00 m，天然溝段流通縱坡為77‰，排導(dǎo)槽結(jié)合原地形條件采用一坡到底，從排導(dǎo)槽樁號縱0+000.00到末端縱0+194.00起縱坡調(diào)整為80‰，直接泄入鐵米爾蘇原河道。

2)排導(dǎo)槽的斷面尺寸計(jì)算。

排導(dǎo)槽常用斷面形狀有梯形、矩形和V形三種，也有復(fù)合型，本工程泥石流規(guī)模較小，排導(dǎo)槽斷面選定為梯形斷面。根據(jù)流通段溝道的特征，按式(1)類比法來計(jì)算排導(dǎo)槽的橫斷面積[5]。

(1)

式中：BX——排導(dǎo)槽的寬度,m；

BL——流通區(qū)溝道寬度,m；

IX——排導(dǎo)槽縱坡降，‰；

IL——流通區(qū)溝道縱坡降,‰；

HL——流通區(qū)溝道泥石流厚度;

HX——排導(dǎo)槽設(shè)計(jì)泥石流厚度。

根據(jù)已確定的縱坡值，以及現(xiàn)場泥石流調(diào)查流動(dòng)區(qū)溝道寬度數(shù)據(jù)(阿克恰衣蘇溝流通區(qū)溝道寬度約為14 m，泥石流厚度為4.3 m，其干布拉克溝流通區(qū)溝道寬度約為5 m，厚度約為3 m)，經(jīng)計(jì)算阿克恰衣蘇溝排導(dǎo)槽設(shè)計(jì)泥石流深度為3 m時(shí)，排導(dǎo)槽寬度BX=26 m；其干布拉克溝排導(dǎo)槽設(shè)計(jì)泥石流深度為3 m時(shí)，排導(dǎo)槽寬度BX=6 m。排導(dǎo)槽的深度H可按式(2)計(jì)算確定：

H=Hc+ΔH

(2)

式中：H——排導(dǎo)槽深度，m；

Hc——設(shè)計(jì)泥深,m；

ΔH——排導(dǎo)槽安全超高，一般取ΔH=0.5 m～1.0 m，本次計(jì)算取0.5 m。經(jīng)計(jì)算2條泥石流溝排導(dǎo)槽深度為3.5 m。

廠房區(qū)域泥石流溝排導(dǎo)槽斷面尺寸見表2。

表2 排導(dǎo)槽設(shè)計(jì)斷面表

3 結(jié)論與建議

一級水電站發(fā)電廠房區(qū)域內(nèi)存在兩條泥石流溝，阿克恰衣蘇溝泥石流為稀性泥石流類水石流，搬運(yùn)能力差，對臨近的發(fā)電廠房區(qū)域沒有直接沖擊破壞作用；其干布拉克溝泥石流為稀性泥石流，雖然對面為一級電站地面廠房，但泥石流堆積物方量較小，僅堆積在部分河漫灘上，對廠房安全影響不大，主要影響位于溝谷中部的交通道路的安全。結(jié)合兩條主要泥石流溝的活動(dòng)特征，采取以排導(dǎo)、攔擋為主的土木工程措施來對發(fā)電廠房區(qū)域的泥石流進(jìn)行治理，減小泥石流溝對電站廠房的影響。

[1] 郭志學(xué),曹叔尤.泥石流堵江影響因素試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),2004(11):39-45.

[2] Lien H P.Design of slit dams for donrtolling stony debris flows[J].International JournaI of Sediment Research,2003,18(1):74-87.

[3] 崔 鵬,藩曉清.風(fēng)景區(qū)泥石流防治特點(diǎn)與技術(shù)[J].地學(xué)前緣,2007,14(6):172-180.

[4] 陳曉清,士 革.兩種主要泥石流排導(dǎo)槽的比較[J].災(zāi)害學(xué),2001,16(3):12-16.

[5] DZ/TO 239—2004,泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].