兩河口電站泥石流溝綜合防治思路及措施

王 媛, 張東明

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610106; 2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610056)

0 引 言

隨著我國水電開發(fā)轉(zhuǎn)向西部高山峽谷地區(qū)，受工程建設(shè)場地限制，同時為減少移民征地費(fèi)用，需要在沖溝內(nèi)填渣設(shè)置平臺.渣場填筑通常面臨溝水處理及溝內(nèi)泥石流防護(hù)問題[1-3].若不提前對泥石流進(jìn)行治理和防護(hù)，則會對渣場穩(wěn)定及工區(qū)生產(chǎn)生活帶來安全隱患[4-6].因此，水電工程建設(shè)中需要提前實(shí)施泥石流溝防治，以滿足工程施工布置的需要以及保證生產(chǎn)生活安全.

1 工程區(qū)概況

兩河口水電站壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約1.8 km河段，屬于雅礱江中、下游的“龍頭”水庫，水庫正常蓄水位為2 865.00 m，相應(yīng)庫容為107.67億m3，調(diào)節(jié)庫容為65.6億m3.

瓦支溝為兩河口水電站庫內(nèi)二級支流，其溝口位于一級支流慶大河河口上游約2.5 km處，如圖1所示.2008年，在距溝口約1.9 km處布置了溝水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一座30 m高的堆石壩擋水，溝內(nèi)匯水通過5m排水洞引至平臺下游側(cè)，匯入慶大河.為工程建設(shè)需要，需要在瓦支溝溝口2 800 m高程的平臺布置渣場、砂石加工系統(tǒng)、反濾料及摻礫料加工系統(tǒng)及高線混凝土拌和系統(tǒng).

圖1 兩河口大壩與瓦支溝位置示意圖

瓦支溝是一條古冰川泥石流溝，上游高程分布有一段古冰川冰磧湖，沿線溝床內(nèi)仍殘留有泥石流歷史堆積物，主溝與左支溝分別在2010年和2011年爆發(fā)過一定規(guī)模的泥石流，其中左支溝是距擋水壩最近的小支溝.鑒于平臺上布置的砂石系統(tǒng)及混凝土拌合系統(tǒng)為主體工程主力系統(tǒng)，無論是在瓦支溝主溝還是排水洞取水口前左支溝暴發(fā)泥石流均具有較大的破壞性與危害性，故需對瓦支溝泥石流的發(fā)育特征及其危害性進(jìn)行深入的調(diào)查研究，從而進(jìn)行一步完善瓦支溝泥石流的綜合防治措施.

2 泥石流溝谷分區(qū)及特征

2.1 地形地貌

瓦支溝位于兩河口水電站壩址上游左岸的一級支流慶大河左岸，其平面如圖2所示，總體流向?yàn)镹EE-SWW，發(fā)源于4 770 m高程，在2 630 m高程匯入慶大河，平均縱坡降90.7‰，如圖3所示.

圖2 瓦支溝流域水系圖(1:10萬地形圖)

圖3 瓦支溝主溝縱坡降變化圖

瓦支溝流域邊界由海拔為3 600 m以上的山峰或山脊組成，從溝谷特征上看，流域溝谷屬典型的侵蝕峽谷，以“V”型谷為主，間夾部分“U”型谷段，寬谷中零星可見基座和侵蝕階地.流域尾部位于海拔為4 600～4 800 m的“理塘期”高原夷平面上，中下游四面為高山包圍，下游分水嶺的海拔多為3 600～4 000 m，中上游分水嶺海拔多為4 000～4 500 m，除近溝口部位外，流域北、東、南三側(cè)分水嶺部位在冬季均為冰雪所覆蓋.

瓦支溝流域水系主要由主溝瓦支溝及中上游右岸大支溝、中游左岸支溝兩條主要支溝組成，主溝及右岸大支溝沿途分別匯入多條小支溝，小支溝規(guī)模普遍很小，均屬于季節(jié)性流水.右支溝為溝域內(nèi)最大支溝，支溝流域面積為32.3 km2，溝長為10.4 km，平均縱坡降為145.2‰；左支溝為溝域內(nèi)第二大支溝，支溝流域面積為5.4 km2，溝長為3.2 km，平均縱坡降為384.4‰，具體如表1所示.

表1 瓦支溝流域特征數(shù)值表

2.2 泥石流溝谷分段特征

瓦支溝主溝長為23.6 km，匯水面積為119.2 km2，距溝口約3.2 km處的冰磧湖(見圖1)為其分界點(diǎn)，上游段(約占全溝域面積88%)有明顯的匯水物源區(qū)、形成兼流通區(qū)與堆積區(qū)分區(qū)，下游段(約占全溝域面積10%)也有獨(dú)立的形成區(qū)與流通兼堆積區(qū)分區(qū)，上下游段泥石流暴發(fā)的關(guān)聯(lián)性不大，上游泥石流對下游影響甚微.

冰磧湖分布在約2 940 m高程，湖面面積為600～800 m×160～230 m，最大水深為30 m，至山頂相對高差為500 m，為大型冰川活動產(chǎn)生的冰磧物阻塞河道而成.據(jù)調(diào)查訪問及現(xiàn)場踏勘初測，枯水期與豐水期湖水水位相差為1.5 m，常年有流水補(bǔ)給.冰磧湖的發(fā)育特征對全溝域具有較強(qiáng)的調(diào)峰蓄洪功能，冰磧湖上游局地暴雨的形成具有陡漲陡落特點(diǎn)，持續(xù)時間較短的洪水在經(jīng)過冰磧湖的調(diào)蓄作用后以相對均衡的流量和較長的持續(xù)時間流到下游.冰磧湖上游段與下游段泥石流暴發(fā)的關(guān)聯(lián)性不大，冰磧湖上游段有明顯的匯水物源區(qū)形成兼流通區(qū)與堆積區(qū)分區(qū)，冰磧湖下游段也有獨(dú)立的形成區(qū)與流通兼堆積區(qū)分區(qū).

3 瓦支溝泥石流形成機(jī)制及影響

3.1 形成條件及機(jī)制分析

瓦支溝匯水物源區(qū)的松散固體物質(zhì)較為豐富，其潛在不穩(wěn)定物源主要分布在溝谷兩側(cè)及局部溝床，在暴雨、洪水激發(fā)條件下可被啟動攜帶；暴雨季節(jié)，匯水物源區(qū)內(nèi)受其地形條件影響，坡面徑流匯流快、溝道水流集中迅速，坡面水流攜帶所侵蝕的坡面泥沙迅速下泄匯集于溝道，加之溝谷較為狹窄，縱比降較大，所形成的洪峰對溝谷兩側(cè)沖刷淘蝕較嚴(yán)重，易于啟動大量固體松散物質(zhì)從而形成泥石流.

在對瓦支溝流域泥石流進(jìn)行綜合防治前，2008年在距溝口約1.9 km處修建了溝水處理工程，修建有一座擋水壩和一個右岸排水隧洞.

3.2 泥石流對工程的影響

瓦支溝泥石流的危害性，主要表現(xiàn)在對已建溝水處理工程的直接影響和對規(guī)劃建設(shè)的砂石系統(tǒng)、混凝土拌和系統(tǒng)的間接影響兩個方面.

3.2.1 對已建溝水處理工程的主要影響

瓦支溝泥石流對已建溝水處理工程的主要影響有：

1)匯合口上游側(cè)主溝單獨(dú)發(fā)生P≥5%(對應(yīng)設(shè)計洪水67.7m3/s)的泥石流并混雜一些樹木被帶入排水洞的情況下，或其單獨(dú)發(fā)生P≤2%(對應(yīng)設(shè)計洪水83.2m3/s)的泥石流的情況下，均有可能導(dǎo)致排水洞堵塞，進(jìn)而引起溝水翻壩甚至導(dǎo)致?lián)跛畨螡Q情況.

2)取水口前左支溝單獨(dú)暴發(fā)的泥石流易直接沖毀溝水處理工程進(jìn)口引渠段，造成匯合口處主溝溝床的堆積、抬高、甚至選成局部擁堵并迫使主溝偏移、改道，其高頻暴發(fā)的泥石流若無適當(dāng)?shù)姆乐未胧┗蛭催M(jìn)行及時清理，極易造成排水洞的先淤塞后擁堵，從而影響溝水處理工程的正常運(yùn)行.

3)取水口前左支溝任何頻率的單次泥石流，在疊加主溝P≥5%(對應(yīng)設(shè)計洪水流量為67.7m3/s)的泥石流和隨岸坡垮塌的樹木被帶入排水洞的情況下，或疊加主溝P≤2%(對應(yīng)設(shè)計洪水流量為83.2m3/s)的泥石流在任何狀況下，均極大可能導(dǎo)致排水洞嚴(yán)重淤塞甚至完全堵塞，導(dǎo)致溝水翻壩甚至引發(fā)擋水壩潰決的情況.

3.2.2 對砂石系統(tǒng)、混凝土拌和系統(tǒng)的主要影響

因泥石流導(dǎo)致排水洞一旦發(fā)生嚴(yán)重堵塞，溝水極有可能翻壩對渣場產(chǎn)生沖刷掏蝕，并直接威脅上部建筑物、人員安全.

4 綜合防治措施

4.1 總體防治思路

泥石流防護(hù)一般遵循“以防為主、以避為宜，以治為輔，防、避、治相結(jié)合”的原則.根據(jù)瓦支溝泥石流成因調(diào)查、溝內(nèi)渣場的布置要求、工程布置及規(guī)模投資等，該工程不適合直接采用排導(dǎo)泥石流的方案.故結(jié)合溝內(nèi)的泥石流特點(diǎn)及地形條件，采取在“主溝上設(shè)庫停淤、排水洞泄流、攔擋減勢”的措施.具體思路如下：

1)將原溝水處理工程擋水壩加高成庫，使擋水壩前形成擋水停淤庫容.

2)在排水洞進(jìn)口設(shè)置進(jìn)水塔攔渣排水，防止沖入庫內(nèi)的泥石流固體物進(jìn)入洞內(nèi).

3)為保證進(jìn)水塔淤堵時排水洞仍能排泄溝道洪水，保證渣體表面施工設(shè)施的安全，增加高排水洞作為備用進(jìn)水口.

4)采用“多級攔擋、減小縱向溝谷坡降”原則處理泥石流，使攔擋壩的修建不僅實(shí)現(xiàn)了攔渣，還可以減緩溝道的坡降，從而減緩泥石流的沖擊力，起到削減峰值及固床的作用.

4.2 防護(hù)工程設(shè)計

根據(jù)上述防治思路，本工程防護(hù)方案由土石擋水壩、進(jìn)水塔以及2座混凝土攔擋壩組成，同時對現(xiàn)有擋水壩和排水洞進(jìn)行改造利用.

4.2.1 混凝土攔擋壩

因上游冰磧湖和原瓦支溝溝水處理工程中的土石擋水壩能夠發(fā)揮壩前停淤作用，在冰磧湖下游至土石擋水壩之間再修建2座混凝土攔擋壩來攔擋大型漂流物，共同實(shí)現(xiàn)降低溝床縱坡比，減緩流速，減弱沖擊力的目的，具體如圖4所示.

攔擋壩高度根據(jù)壩址地質(zhì)地形條件、攔蓄庫容以及工程投資等因素綜合考慮.根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，瓦支溝泥石流回淤按溝內(nèi)平均縱坡9%的一半即4.5%作為回淤縱坡，由此計算2座攔擋壩的庫容約為2.03萬m3，該庫容可將上游主溝20年一遇泥石流固體物質(zhì)總量攔蓄在庫內(nèi)，亦可將設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下泥石流固體物質(zhì)的49%攔蓄在庫內(nèi)，剩余部分由下游攔蓄.

4.2.2 進(jìn)水塔

考慮到上游兩座混凝土攔擋壩只能攔蓄設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下49%的泥石流固體物質(zhì)，且原排水洞進(jìn)口上游附近有一條高頻泥石流溝(左支溝)，因此，在原排水洞進(jìn)口設(shè)置一進(jìn)水塔如圖4所示，目的是擋蓄設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下剩余泥石流固體物質(zhì)，并排泄常年洪水.

圖4 瓦支溝泥石流防護(hù)工程全貌

進(jìn)水塔為整體框架結(jié)構(gòu)，塔頂高程根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下泥石流固體總量確定.為便于洪水通過、減少進(jìn)水塔周邊的水壓以及后期庫內(nèi)清淤排水，在塔身迎水面及兩側(cè)的不同高程設(shè)置有3排排水孔；塔頂2 742 m高程設(shè)置溢流口，以備塔身排水孔被淤積堵塞后洪水仍可從該溢流口過流至排水洞下泄.

4.2.3 土石擋水壩

現(xiàn)有擋水壩壩頂高程為2 739 m.綜合考慮設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下不同泄流條件的上游水位、浪高、波浪爬高，以及土石擋水壩后期將加高至渣場高度2 800 m等因素，在現(xiàn)有擋水壩軸線下游加高擋水壩，壩頂高程為2 760 m.

4.3 預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)

考慮長期運(yùn)行安全，本項(xiàng)目還建立了泥石流預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)如圖5、圖6所示，開展泥石流監(jiān)測和預(yù)警工作.因泥石流的成因復(fù)雜，采用高密度、大數(shù)據(jù)的觀測方法對泥石流發(fā)生及破壞強(qiáng)度進(jìn)行有效地監(jiān)測預(yù)警和深入地分析研究.

圖5 瓦支溝溝口監(jiān)測站

圖6 左支溝監(jiān)測站

1)在泥石流形成區(qū)和流通區(qū)分別設(shè)置雨量監(jiān)測點(diǎn)和泥石流次生報警器，開展預(yù)報警報工作，并建立完善的災(zāi)害管理制度，制定應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)對大規(guī)模泥石流災(zāi)害，減少災(zāi)害損失.

2)通過對瓦支溝溝床內(nèi)鋼筋石籠擋渣堤以及擋水壩的監(jiān)測，動態(tài)掌握工程性態(tài)變化，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)防災(zāi)害性事故發(fā)生.主要包括環(huán)境量監(jiān)測、變形監(jiān)測、水位監(jiān)測、滲流滲壓監(jiān)測等.

3)通過對溫度、濕度、降雨量、水位、位移及滲壓等監(jiān)測內(nèi)容以及現(xiàn)場圖片等綜合信息的采集，建成瓦支溝泥石流監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對泥石流地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測.監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS等方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，便于適時地對監(jiān)測資料進(jìn)行分析，掌握泥石流溝擋水壩狀態(tài)及其變化趨勢和規(guī)律，預(yù)測其發(fā)展，并對其穩(wěn)定性和安全性作出評價.

4)地災(zāi)一體化監(jiān)測站.地質(zhì)災(zāi)害(環(huán)境)監(jiān)測站是一個地質(zhì)災(zāi)害綜合監(jiān)測系統(tǒng)，其監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS等方式傳輸，采用太陽能蓄電池供電.在監(jiān)測站中接入圖像傳感器，由于野外(泥石流發(fā)展中)供電困難，系統(tǒng)采用間隔采集和上傳圖片模式.當(dāng)極端氣象條件發(fā)生或泥石流發(fā)生時，遠(yuǎn)程啟動監(jiān)測站中的圖像傳感器，實(shí)時觀察周邊環(huán)境，根據(jù)環(huán)境情況啟動相應(yīng)應(yīng)急措施.

5 結(jié) 語

通過深入分析瓦支溝地形地貌和泥石流形成機(jī)制，結(jié)合已有工程和監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對潛在的泥石流風(fēng)險進(jìn)行了防治結(jié)合的綜合措施，可有效地減少泥石流對在建大壩的威脅，確保在建工程的順利推進(jìn)，也為類似工程提供了相關(guān)經(jīng)驗(yàn).

自2015年建成投運(yùn)以來，瓦支溝泥石流防護(hù)工程運(yùn)行狀況良好，溝內(nèi)物源已經(jīng)基本穩(wěn)定，汛期未形成規(guī)模泥石流，僅有少數(shù)漂浮物.通過對攔擋壩及進(jìn)水塔前方堆積物在汛前進(jìn)行定期清理，取得了良好的效果.目前，兩河口水電站已經(jīng)完成二期蓄水，蓄水后進(jìn)水塔已經(jīng)淹沒，但排水通暢連通性良好.

總結(jié)工程建成后至今的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建議：

1)雨季須加強(qiáng)泥石流監(jiān)測和預(yù)報，采取有效措施確保人員和財產(chǎn)安全.同時根據(jù)預(yù)測預(yù)報情況，及時撤離施工人員及設(shè)備.

2)每年汛前組織人員對瓦支溝溝貌進(jìn)行排查，清除局部易產(chǎn)生堵塞溝床的垮塌石渣、倒塌樹木，定期清理渣場、攔擋壩及擋水壩前堆積物，保證庫容來調(diào)節(jié)汛期可能發(fā)生的泥石流.

3)每年汛期前后對攔擋壩和排導(dǎo)建筑物內(nèi)部淤積及損壞情況進(jìn)行檢查，及時進(jìn)行清淤維護(hù)和加固.

4)因原溝水處理系統(tǒng)按照20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，目前泥石流防護(hù)方案是基于原溝水處理布置改造而成，在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提高的同時改變了原排水洞的運(yùn)行條件，工程投運(yùn)后在每年枯水期定期對排水洞進(jìn)行摸排檢查，并根據(jù)檢查成果進(jìn)行必要的修復(fù)加固.