葉巴灘水電站俄德西溝泥石流防護(hù)工程設(shè)計(jì)

周 順 文， 相 昆 山， 張 永 清， 楊 玉 川

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

1 工程概況及地質(zhì)情況

1.1 工程概況

葉巴灘水電站位于四川與西藏界河金沙江上游，系金沙江上游13個(gè)梯級(jí)水電站的第7級(jí)。電站樞紐布置方案由混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2 894 m，最大壩高217 m，水庫正常蓄水位2 889.00 m，相應(yīng)庫容10.80億m3，死水位

2 855.00 m，調(diào)節(jié)庫容5.37億m3，電 站 裝 機(jī) 容 量2 285 MW，為一等大(1)型工程。

俄德西溝位于葉巴灘水電站壩址下游金沙江左岸，溝口1.5 km范圍內(nèi)規(guī)劃為葉巴灘水電站工程的主要棄渣場(chǎng)，分為Ⅰ、Ⅱ區(qū)，俄德西溝渣場(chǎng)最終堆渣量600萬m3，最大堆渣高度為285 m，為攔溝型渣場(chǎng)。

1.2 俄德西溝泥石流基本特征

俄德西溝水系較簡(jiǎn)單，距離俄德西溝溝口1.5 km處有右支溝匯入主溝。主溝溝谷狹窄、順直、坡降大，兩岸地形陡峻，常年流水。兩岸岸坡崩坡積、滑坡體發(fā)育，松散物源豐富，穩(wěn)定性較差。根據(jù)遙感調(diào)查和野外勘察，俄德西溝內(nèi)的松散固體物質(zhì)非常豐富，但分布較為分散，主要物源類型包括崩滑體和溝道堆積物源。

俄德西溝(右支溝匯口前)在20年、50年和100年一遇的條件下的泥石流為稀性。20年一遇、50年一遇、100年一遇的泥石流固體物質(zhì)一次沖出量分別為0.48萬m3、1.0萬m3、1.68萬m3，20年一遇泥石流規(guī)模較小，50年一遇中等，100年一遇的泥石流規(guī)模中等。

俄德西溝右支溝20年一遇、50年一遇、100年一遇的泥石流固體物質(zhì)一次沖出量分別為0.40萬m3、1.27萬m3、3.40萬m3，50年、100年一遇泥石流為中等規(guī)模。

在施工期內(nèi)，俄德西溝及右支溝存在爆發(fā)較大規(guī)模泥石流的可能性，對(duì)溝道內(nèi)棄渣場(chǎng)、砂石加工系統(tǒng)及溝水處理建筑物產(chǎn)生威脅。因此，需要對(duì)俄德西溝泥石流進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)；同時(shí)由于溝道常年有水，還需要進(jìn)行溝水處理[2]。

2 俄德西溝泥石流防護(hù)工程設(shè)計(jì)

2.1 防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本渣場(chǎng)位于葉巴灘電站壩址下游，周邊無城鎮(zhèn)、大型工礦企業(yè)、干線交通等設(shè)施，根據(jù)渣場(chǎng)的堆渣量及堆渣高度、失事后果、水土保持設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等綜合分析，選擇俄德西溝棄渣場(chǎng)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，相應(yīng)洪水流量為64.8 m3/s。

2.1.2 泥石流防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

俄德西溝泥石流防護(hù)工程的保護(hù)對(duì)象為俄德西溝永久渣場(chǎng)、電站施工期渣場(chǎng)頂面布置的3#砂石加工系統(tǒng)。防護(hù)工程設(shè)計(jì)時(shí)水電行業(yè)尚無泥石流防護(hù)工程相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，參照地礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范(DZ/T0239-2004)》，綜合考慮泥石流災(zāi)害的受災(zāi)對(duì)象、死亡人數(shù)、直接經(jīng)濟(jì)損失、期望經(jīng)濟(jì)損失和防治工程投資等因素，確定泥石流防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇，對(duì)應(yīng)降雨強(qiáng)度取50年一遇。在50年一遇情況下，該工程泥石流特征參數(shù)見表1。

表1

2.2 設(shè)計(jì)方案

本著“因害設(shè)防、經(jīng)濟(jì)適用”的原則，本工程推薦采用預(yù)警、預(yù)報(bào)，攔擋、減勢(shì)，排導(dǎo)清水，后期清淤、清障等綜合防護(hù)措施。根據(jù)泥石流攔擋、停淤方式不同，研究了兩個(gè)布置方案。

2.2.1 方案一

設(shè)置兩道攔擋壩停淤減勢(shì)，擋水壩擋水，排水洞宣泄水流。攔擋壩庫容按照50年一遇一次泥石流固體物質(zhì)量2.27萬m3考慮?？紤]到泥石流一旦發(fā)生則來勢(shì)兇猛，兩道攔擋壩的總庫容按照攔截泥石流中的固體物質(zhì)設(shè)計(jì)，對(duì)泥石流僅能起到一定減勢(shì)作用，攔擋壩攔蓄的固體物質(zhì)流量在泥石流總流量中占比較小，消減泥石流洪峰的作用有限，且難以量化計(jì)算，因此，排水洞按照泥石流洪峰水體流量206.83 m3/s設(shè)計(jì)。

排水洞按無壓洞設(shè)計(jì)，排水洞長(zhǎng)1.1 km，進(jìn)口高程為3 016.00 m，出口高程2 940 m，隧洞底坡6.8%。排水洞過水?dāng)嗝鏋? m×8 m～6 m×5.5 m(城門洞)。

布置2道混凝土重力式攔擋壩，位于右支溝匯口以下、排水洞進(jìn)口之間。第一道壩距右支溝匯口約60 m，距排水洞進(jìn)口約240 m攔擋壩高18 m，庫容為1.9萬m3；第二道攔擋距壩右支溝匯口約150 m，距排水洞進(jìn)口約145 m，攔擋壩高17 m，庫容為0.9萬m3。

擋水壩采用可利用工程棄渣的堆石壩壩型，壩軸線距排水洞進(jìn)口60 m，壩前水位為3 025.48 m，壩頂高程為3 028 m。擋水壩最大壩高約為26 m，壩頂寬10 m，壩頂軸線長(zhǎng)約為81.53 m。對(duì)壩體與壩基設(shè)置水平內(nèi)鋪蓋和心墻進(jìn)行防滲處理。

2.2.2 方案二

排水洞進(jìn)口設(shè)分層過流進(jìn)水塔攔渣排水，擋水壩適當(dāng)增大高度，在壩前形成停淤庫容，泥石流停淤庫容在不小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下一次泥石流總量7.17萬m3，排水洞進(jìn)口上游設(shè)兩道低攔擋壩減勢(shì)，排水洞按50年一遇洪水64.8 m3/s設(shè)計(jì)。

在右支溝匯口以下、排水洞進(jìn)口以上區(qū)間布置2道高10～12 m的混凝土攔擋壩，攔渣并減緩溝道坡降，削減泥石流流速和沖擊力，同時(shí)起到固床作用。

排水洞按無壓洞設(shè)計(jì)，排水洞長(zhǎng)1.1 km。進(jìn)口高程為3 016.00 m，出口高程2 940 m，隧洞底坡6.8%。排水洞過水?dāng)嗝鏋? m×5.5 m～4 m×3.5 m(城門洞)。

由于停於減勢(shì)的上游兩座混凝土攔擋壩攔擋的泥石流固體物質(zhì)非常有限，在位于淤積區(qū)的排水洞進(jìn)口設(shè)置分層過流進(jìn)水塔以宣泄洪水。進(jìn)水塔溢流口應(yīng)設(shè)在泥石流淤積高程以上。經(jīng)計(jì)算，3 033 m高程以下的庫容7.3萬m3，滿足攔蓄一次泥石流總量共7.17萬m3要求。

擋水壩壩型及防滲方式均以方案一相同。設(shè)計(jì)流量下壩前水位為3 036.13 m，壩頂高程為3 040.00 m。擋水壩最大壩高約為42 m，壩頂寬10 m，壩頂軸線長(zhǎng)約為106 m。

2.2.3 方案比選

方案一比較： 攔擋壩的庫容僅攔截一次泥石流中的固體物質(zhì)，攔截量較小，對(duì)泥石流峰值流量的削峰有限；建于覆蓋層上的攔擋壩溢流缺口高于原河床約9.3 m，地基應(yīng)力較高、變形較大，攔擋壩一旦失事后形成的次生災(zāi)害相對(duì)較大。

排水洞進(jìn)口位于攔擋壩下游，需下泄攔截大塊石后的水體，需要的設(shè)計(jì)泄流能力較大，相應(yīng)排水洞洞身斷面尺寸大。排水洞進(jìn)口高程較低，擋水壩的高度相對(duì)較低，壩前無停於庫容。攔擋壩具有停淤作用，越過攔擋壩的固體物質(zhì)對(duì)擋水壩的沖擊較小。

方案二比較：攔擋壩考慮一定的停於減勢(shì)作用，壩的高度最低，由于河床坡降陡峻，減勢(shì)效果相對(duì)方案一較差；但溢流缺口僅高于原河床5～6 m，建于覆蓋層上的攔擋壩一旦失事后形成的次生災(zāi)害相對(duì)最小。

排水洞進(jìn)口位于攔擋壩下游、擋水壩前的停於區(qū)，擋水壩對(duì)泥石流削峰后，只需按設(shè)計(jì)洪水流量設(shè)計(jì)其泄流能力，相應(yīng)排水洞的斷面尺寸最小。排水洞進(jìn)口進(jìn)水塔溢流口高程較高，擋水壩的高度也相對(duì)最高；擋水壩壩前庫容攔截一次泥石流的總量，起到了對(duì)泥石流峰值流量削峰的作用；泥石流中的固體物質(zhì)對(duì)擋水壩的沖擊相對(duì)較大，壩面需要做好防沖保護(hù)。

方案比較見下表2，方案二投資最小，風(fēng)險(xiǎn)低。參照《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(DZ/T0239-2004)中“為保證下游安全，在同一河段內(nèi)建造的攔擋壩不應(yīng)少于3座”。除擋水壩起到停淤攔擋泥石流作用外，在排水洞至俄德西溝右支溝匯口之間適當(dāng)位置還需修建2座攔擋壩，攔擋大塊石、固床、降低溝床縱坡、減緩泥石流流速、減小對(duì)土石擋水壩的沖擊力。因此綜合考慮，推薦方案二。

表2 方案比較表

2.3 建筑物設(shè)計(jì)

2.3.1 攔擋壩

2.3.1.1 壩線選擇

考慮地形、地質(zhì)、施工等條件，盡量選擇在壩體工程量較小、攔擋庫容較大處建壩。綜合分析，在排水洞進(jìn)口上游約250 m及140 m處設(shè)置兩道攔擋壩。

2.3.1.2 壩型選擇

攔擋壩壩型應(yīng)該滿足防治泥石流的要求，攔擋壩應(yīng)不被泥石流沖毀，同時(shí)滿足泄流、抗沖刷的要求?？紤]現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的泥石流最大塊體體積26.2 m3(當(dāng)量直徑3.7 m)，沖擊力強(qiáng)，選擇混凝土重力式攔擋壩。

2.3.1.3 壩頂高程

攔擋壩的主要功能是減勢(shì)，壩的有效高度越大，其庫容相應(yīng)增大，攔蓄泥石流和減少泥石流沖擊力的效果越明顯。但綜合考慮壩體穩(wěn)定及工程投資等因素，結(jié)合該溝地形地質(zhì)條件，確定1#、2#攔擋壩最大壩高為12 m，1#攔擋壩壩頂高程為3 074.00 m，2#攔擋壩壩頂高程為3 053.00 m。

2.3.1.4 溢流缺口布置

當(dāng)攔擋壩庫內(nèi)淤積滿后，泥石流通過溢流口翻過壩體排向下游。溢流口設(shè)計(jì)成開敞式斷面，根據(jù)實(shí)際地形條件，1#攔擋壩溢流口寬度為30 m、深為3 m； 2#攔擋壩溢流口寬度均為35 m、深為3 m。

2.3.1.5 攔擋壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1#攔擋壩壩頂軸線全長(zhǎng)53.57 m，頂寬4.0 m，上游面坡比上部為1∶0.7，下部為1∶2.5，下游面坡比1∶0.2。在壩頂中部設(shè)置溢流口，溢流口寬度為30.0 m，深度3.0 m。溢流壩身設(shè)置兩層共15個(gè)泄水孔，孔口尺寸1 m×1 m，兩層孔口凈距1.5 m，每排孔口凈距2 m，其中上層共8個(gè)孔口，下層共7個(gè)孔口。

2#攔擋壩壩頂軸線全長(zhǎng)65.32 m，頂寬4.0 m，其他結(jié)構(gòu)布置與1#攔擋壩相同。

攔擋壩需要過泥石流和水流，因此，在攔擋壩下游一定范圍需要考慮防沖措施。在1#、2#攔擋壩下游25 m范圍內(nèi)鋪設(shè)1.5 m厚的鋼筋混凝土板防沖，在鋼筋混凝土板下游10 m范圍內(nèi)鋪設(shè)2 m厚的大塊石防沖。

2.3.2 進(jìn)水塔

排水洞進(jìn)口處設(shè)置分層過流進(jìn)水塔。進(jìn)水塔溢流口高程以下?lián)跛畨螏烨皫烊莅凑諗r蓄設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下一次泥石流總量7.17萬m3來設(shè)計(jì)，因此溢流口高程確定為3 033.00 m。塔身正面布置四層泄水孔，用以宣泄一般洪水。

考慮到進(jìn)水塔溢流口高程以下，塔身與擋水壩形成庫容攔擋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的泥石流，排水洞設(shè)計(jì)和進(jìn)水塔溢流口設(shè)計(jì)按50年一遇洪水流量64.8 m3/s計(jì)。

發(fā)生泥石流把塔身泄水孔淤堵后，由溢流口泄流，在50年一遇泥石流峰值流量下，上游水位為3 036.13 m，考慮超高，進(jìn)水塔頂高程取3 040.00 m。

進(jìn)水塔塔體尺寸為12 m×12 m×30.5 m×2 m(長(zhǎng)×寬×高×厚)，溢流口尺寸為8.0 m×7.0 m(寬×高)，為整體框架結(jié)構(gòu)。為了便于塔身過流和后期庫內(nèi)清淤排水，在塔身迎水面高程3 020.00 m、3 022.50 m、3 025.00 m及3 027.50 m處設(shè)置4排共20個(gè)泄水孔，孔口尺寸為0.5 m×1.5 m。進(jìn)水塔基礎(chǔ)座落在基巖上，采用固結(jié)灌漿與錨筋束(3C32、L=12.0 m)加強(qiáng)其整體性，固結(jié)灌漿孔間距2.0 m、孔深8.0 m。

2.3.3 排水洞

俄德西溝左岸邊坡大部分為崩坡積覆蓋，覆蓋層厚度10～20 m，僅局部(右支溝匯口下游約260 m處)有基巖出露。為方便與上游進(jìn)水塔銜接布置，將排水洞進(jìn)口布置在基巖出露處。為減小進(jìn)口邊坡開挖范圍，進(jìn)口段洞線與地形呈大角度相交。

排水洞進(jìn)口高程為3 016.00 m，出口高程2 940 m，隧洞底坡6.67%。排水洞洞寬為4 m，根據(jù)洞內(nèi)水面線，洞高分為兩段，樁號(hào)(排)0+000～(排)0+200段過水?dāng)嗝娓叨?.5 m，樁號(hào)(排)0+220～(排)1+140段斷面高度3.5 m，樁號(hào)(排)0+200～(排)0+220為漸變段。洞身采用錨噴支護(hù)；Ⅴ、Ⅳ、采用全斷面鋼筋混凝土襯砌；Ⅲ、Ⅱ類圍巖洞段直墻底板采用鋼筋混凝土襯砌。

2.3.4 擋水壩

擋水壩與渣場(chǎng)尾部結(jié)合布置，采用可利用工程棄渣的堆石壩型，壩軸線距排水洞進(jìn)口80 m。

通過進(jìn)水塔溢流口設(shè)計(jì)泄流流量64.8 m3/s時(shí)，相應(yīng)的壩前水位為3 036.13 m。在考慮波浪爬高、壅高和安全超高后，確定壩頂高程為3 040 m。擋水壩最大壩高約為42 m，壩頂寬10 m，壩頂軸線長(zhǎng)約為106 m。

擋水壩地基覆蓋層深厚，透水性強(qiáng)。擋水壩填筑材料為工程開挖石渣料，需要單獨(dú)擋水運(yùn)行2年以上。為了壩體與壩基的滲透穩(wěn)定，對(duì)壩體與壩基設(shè)置水平內(nèi)鋪蓋和心墻進(jìn)行防滲處理。壩體復(fù)合土工膜心墻高42 m，復(fù)合土工膜水平內(nèi)鋪蓋長(zhǎng)230 m，其中壩軸線上游80 m，壩軸線下游150 m。擋水壩上游壩坡坡比為1∶2，下游壩坡坡比為1∶2.5～1∶2，上游坡面采用1.5 m厚漿砌塊石進(jìn)行防沖保護(hù)。為防止坡腳覆蓋層發(fā)生滲透破壞，增設(shè)反濾層和排水棱體。經(jīng)計(jì)算，擋水壩壩體及基礎(chǔ)滲流穩(wěn)定、壩坡穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié) 論

通過對(duì)葉巴灘水電站俄德西溝泥石流防護(hù)工程設(shè)計(jì)，采用兩道攔擋壩、進(jìn)水塔及擋水壩攔擋的方案可基本保障俄德西溝泥石流不對(duì)俄德西溝渣場(chǎng)及相關(guān)場(chǎng)地、設(shè)備產(chǎn)生威脅。但泥石流是不良的復(fù)雜地質(zhì)體，物理力學(xué)參數(shù)變異性大，泥石流災(zāi)害防治工程迄今處于探索階段，其防治工程設(shè)計(jì)受諸多不確定因素的影響，必然存在著相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，俄德西溝雨季應(yīng)加強(qiáng)泥石流監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，采取有效措施確保人員和財(cái)產(chǎn)安全。

為了確保一定有效容量停淤固體物質(zhì)及泥石流，以調(diào)節(jié)汛期可能發(fā)生的泥石流，應(yīng)定期(特別是汛前)清理渣場(chǎng)、攔擋壩、擋水壩及進(jìn)水塔前堆積物。每年汛后應(yīng)檢查攔擋壩、排水洞及進(jìn)水塔等建筑物淤積及損壞情況，如有損壞，應(yīng)適時(shí)維護(hù)、維修。