山區(qū)單溝泥石流演化歷程分析及防治措施探討
——以紅楓水力發(fā)電廠紅林電站庫首左岸沖溝為例

鄭飛舟 付鑫

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊(duì)，貴州遵義 563000）

0 研究區(qū)概況

國家能源集團(tuán)貴州電力有限公司紅楓水力發(fā)電廠紅林電站庫首左岸沖溝位于紅楓水力發(fā)電廠紅林水電站庫首左岸，距離電站水庫大壩水平距離約100m。近年來大氣降雨誘發(fā)該沖溝發(fā)生泥石流，且呈不斷加劇趨勢。該沖溝前緣正對紅林水電站引水隧洞進(jìn)口，泥石流災(zāi)害已對紅林水電站引水隧洞進(jìn)口造成潛在威脅，將影響紅林水電站正常發(fā)電生產(chǎn)活動。

1 溝域基本特征及泥石流形成條件分析

1.1 地形地貌特征

沖溝區(qū)屬構(gòu)造侵蝕-溶蝕中低山河谷斜坡地貌，泥石流沖溝地形大致分為崖頂平緩臺地地形、陡崖區(qū)陡坡地形、緩斜坡區(qū)沖溝地形、河床岸坡堆積臺地地形四級地形，各種地形特征描述如下：①崖頂平緩臺地地形：位于貓?zhí)影镀缕马?，地勢平坦，多呈階梯狀耕地，坡度5°～8°，為下部沖溝主要水源補(bǔ)給區(qū)，匯水面積0.22km2；②崖區(qū)陡坡地形：位于泥石流沖溝頂部，高約120m 左右，因歷史崩塌原因，該區(qū)域形成天然豁口，呈“漏斗”狀，平均坡度約40°，上部地表水在該區(qū)匯集對底部斜坡進(jìn)行集中沖刷；③沖溝緩斜坡地形：位于陡崖陡坡至河床堆積臺地一帶，平均地形坡度28°左右；斜坡堆積大量古崩塌堆積塊碎石，結(jié)構(gòu)松散，易被地表水沖刷；因受崖區(qū)陡坡地表水集中沖刷形成天然沖溝，按變形情況分為上下游兩段：上游段地形平緩，平均地形坡度18°，下游段平均地形坡度約27°，受暴雨洪水沖刷發(fā)生局部滑塌后表層松散滑塌體已被沖入庫區(qū)或堆積到河床堆積扇區(qū)；上下游交接處形成高約14m 的高陡臨空面，臨空面平均坡度約70°；④河床岸坡堆積臺地地形：位于沖溝底部河床岸坡平緩處，為沖積物主要堆積區(qū)，溝口具有明顯的扇形堆積地形特征。

1.2 地層巖性特征

沖溝區(qū)出露的巖土層自上而下分布為第四系全新統(tǒng)（Q4ml）耕植土、第四系全新統(tǒng)崩坡積層（Q4dl+col）塊碎石、寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群（∈2-3ls）白云巖，特征描述如下：①耕植土：黃褐色～黑褐色，含少量碎石角礫，結(jié)構(gòu)松散，夾雜植物根系；區(qū)內(nèi)廣泛分布，厚度0.3～1.0m；②塊碎石：廣泛分布于陡崖底部斜坡及沖溝區(qū)，以塊石為主，塊徑一般0.2～2m，少量碎石，厚度2.1～11.3m 間，平均厚度為4.0m；③白云巖：灰褐色，巖體較破碎。

1.3 水源特征

該沖溝為雨源性沖溝，大氣降雨在崖頂平緩臺地區(qū)匯集后，匯流于陡崖“豁口”處，對崖頂斜坡進(jìn)行集中沖刷，補(bǔ)給沖溝水源，因此沖溝水源完全受大氣降雨補(bǔ)給。根據(jù)收集紅林電站水庫庫區(qū)氣象水文站2017 年1 月1 日 至2021 年12 月20 日 全 時段各小時內(nèi)實(shí)測降雨值，近5年來月最大降雨發(fā)生在2017年6月，月最大降雨量達(dá)451.5mm，其次為2021 年6 月、2020 年7 月、2020 年6 月，月降雨量分別為392.5mm、370.5mm、327.5mm，均大于300mm；每年5 月～9 月為降雨集中期，月平均降雨量基本大于100mm（2019年8 月、2020 年8 月降雨量相對偏少）；2017 年6 月、2019 年9 月、2020 年7 月、2021 年6 月均存在降雨量大于40mm/h的集中強(qiáng)降雨，其中雨強(qiáng)最大為2020年07 月09 日19 時，降雨雨強(qiáng)達(dá)51.0mm/h；集中強(qiáng)降雨持續(xù)時間最長為2020 年07 月09 日19 時～10 日12時，持續(xù)時長18小時。

2 溝域泥石流歷史演化特征分析

2.1 沖溝泥石流變形演化歷史遙感影像特征

根據(jù)不同時期沖溝區(qū)遙感影像對比分析：①2017年02月27日前沖溝區(qū)植被全覆蓋，溝口前緣未見沖洪積堆積體，沖溝未見變形特征；②2019 年05月15日衛(wèi)星影像圖顯示沖溝中部局部出現(xiàn)裸露巖土體，溝口前緣見少量沖洪積堆積體，但沖溝崩塌堆積體裸露區(qū)至溝口沖洪積堆積體之間植被發(fā)育，未見溝域裸露；③2020年08月16日衛(wèi)星影像圖顯示原沖溝中部局部出現(xiàn)裸露崩坡積堆積體至溝口之間巖土體裸露，前緣沖洪積堆積扇地形特征明顯，原變形區(qū)域向沖溝后緣延伸；④根據(jù)2021年11月26日航測影像圖對比2020 年06 月16 日衛(wèi)星影像圖沖溝內(nèi)堆積塊石明顯減少，溝口沖洪積堆積扇范圍顯著增大，沖溝原變形后緣變形規(guī)模增大。

圖1 2017.02.27衛(wèi)星影像圖

圖2 2019.05.15衛(wèi)星影像圖

圖3 2020.8.16衛(wèi)星影像圖

圖4 2021.11.26航測影像圖

2.2 泥石流歷史演化時空分析

根據(jù)沖溝區(qū)遙感影像可知2017年2月27日以前沖溝植被全覆蓋，無巖土體裸露，沖溝前緣無扇形堆積體，說明此前沖溝未變形，結(jié)合紅林電站水庫庫區(qū)2017 年1 月1 日至2022 年12 月20 日 實(shí) 測 降雨資料分析：①2017 年2 月27 日～2019 年5 月15 日之間沖溝中部局部出現(xiàn)裸露巖土體，且前緣存在沖洪積扇形堆積體，在此期間出現(xiàn)強(qiáng)度大且持續(xù)時間長兩場強(qiáng)降雨時間段分別為2017年06月12日02時～12日09 時（持續(xù)時長8h、最大雨強(qiáng)43.5mm/h、平均雨強(qiáng)12.5mm/h）和2017 年06 月23 日06 時～23 日12 時（持續(xù)時長7h、最大雨強(qiáng)40.5mm/h、平均雨強(qiáng)12.2mm/h），其余發(fā)生過3 場雨強(qiáng)相對較大的強(qiáng)降雨，但最大雨強(qiáng)均小于30mm/h，說明泥石流沖溝初始變形時間位 于2017 年06 月12 日02 時～12 日09 時 或2017 年06 月23 日06 時～23 日12 時時間段；②2020 年08 月16 日衛(wèi)星影像圖顯示泥石流沖溝已基本成型，從收集實(shí)測降雨資料來看2019 年5 月15 日～2020 年08月16 日區(qū)內(nèi)共發(fā)生7 次降雨雨強(qiáng)大于20mm/h 的持續(xù)強(qiáng)降雨，其中規(guī)模最大一次為2020 年07 月09 日19 時～10 日12 時，最大降雨雨強(qiáng)為51.0mm/h，持續(xù)時間達(dá)18h，該次降雨期為泥石流主要成型期；③根據(jù)收集降雨資料自2020 年08 月16 日至今區(qū)內(nèi)僅發(fā)生過6 次降雨雨強(qiáng)大于20mm/h 的持續(xù)強(qiáng)降雨，從2020 年08 月16 日衛(wèi)星影像對比航測正射影像對比來看，泥石流溝域前緣堆積體面積增大，沖溝區(qū)巖土裸露面積亦增大，表現(xiàn)出泥石流沖溝受到側(cè)向侵蝕及溯源侵蝕，在區(qū)內(nèi)正常雨強(qiáng)下，泥石流沖溝正處于不斷壯大發(fā)展過程中。

2.3 泥石流發(fā)展趨勢及危害性預(yù)測

根據(jù)不同時期遙感影像分析該沖溝泥石流自2019 年5月至2021年12月時間約30個月，沖溝泥石流堆積體增加長度約15m，增加堆積體面積約260m2，河床平均深度按14m 計(jì)算，則泥石流沖出物約3500m3，則泥石流堆積體每年增加長度為6m，泥石流沖出物每年堆積方量為1400m3；目前堆積體前緣距離引水隧洞進(jìn)口距離約60m，沖溝前緣斷面面積830m2，泥石流堆積扇幅度角為60°，則按此估算泥石流沖出物堆積至引水隧洞進(jìn)口需要60m÷6m/年=10 年，泥石流沖出物堆積滿水庫需要830m2×10m×2tan60°÷1400m3/年≈20 年。由于該泥石流正處于形成期，其發(fā)生規(guī)模正不斷增大，泥石流啟動的降雨雨強(qiáng)也將不斷減小，泥石流沖出物堆積至引水隧洞進(jìn)口及泥石流沖出物堆積滿水庫所需時間相對于估算計(jì)算結(jié)果更短。

2.4 泥石流成因機(jī)制分析

通過前述泥石流形成條件分析及泥石流歷史演化分析，紅楓水力發(fā)電廠紅林電站庫首左岸沖溝泥石流形成機(jī)制如下：①沖溝斜坡地形有利于松散對他堆積體在外力作用下沿斜坡發(fā)生位移；②沖溝上游匯水面積較大且在陡崖處形成集中匯流，陡崖高度大坡度陡，地表水對坡體沖刷能力強(qiáng)；③2019年05月15 日左右沖溝中部局部陡坎開始出現(xiàn)變形，失去植被有效保護(hù)的變形區(qū)在地表水強(qiáng)力沖刷作用下變形加劇，逐步演化為泥石流。

圖5 紅楓水力發(fā)電廠紅林電站庫首左岸沖溝泥石流形成機(jī)理

3 單溝泥石流防治措施探討

單溝泥石流防治方案選擇應(yīng)根據(jù)泥石流成因機(jī)制、防治目的、變形發(fā)展趨勢等進(jìn)行綜合考慮，以紅楓水力發(fā)電廠紅林電站庫首左岸沖溝泥石流治理為例：

①從治理目的來看：沖溝治理目的為防止泥石流固體沖出物沖入庫區(qū)，可在在溝域設(shè)置攔渣結(jié)構(gòu)，使泥石流在運(yùn)動過程中實(shí)現(xiàn)水渣分離，從而達(dá)到避免固體沖出物沖入庫區(qū)的目的；

②從泥石流成因機(jī)制來看：物源、水源、斜坡共同作用為泥石流形成的必要條件，在物源區(qū)外圍設(shè)置截排水溝防止地表水與物源接觸可直接消除沖溝發(fā)生泥石流的潛在危害；

③從泥石流變形發(fā)展趨勢來看：沖溝中后緣已經(jīng)形成穩(wěn)定性較差的高陡臨空面，為泥石流主要物源區(qū)，對該臨空面加固進(jìn)行處理，避免坡面土體發(fā)生位移可避免泥石流發(fā)生；

④從沖溝地質(zhì)環(huán)境來看：沖溝中下游溝底及兩側(cè)溝壁侵蝕沖刷嚴(yán)重，在沖溝兩側(cè)形成臨空面，已經(jīng)發(fā)生多處滑塌且處于變形加劇，若不處理勢必將對溝域造成堵塞，因此對沖溝進(jìn)行治理在沖溝中下游設(shè)置排導(dǎo)工程必不可少。

雖紅楓水力發(fā)電廠紅林電站庫首左岸沖溝泥石流治理工程方案有多種選擇，但還應(yīng)從泥石流發(fā)生與活動可控程度、泥石流危害的控制程度、治理措施的可行性、方案投資比較、方案經(jīng)濟(jì)效益比較、方案的社會和環(huán)境效益比較等多因素綜合對比選擇最優(yōu)治理方案。

4 結(jié)語

山區(qū)單溝泥石流難以直接記錄其變形演化歷程，可收集各時期遙感影像、區(qū)內(nèi)降雨資料對單溝泥石流歷史演化進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，反演泥石流沖溝不同時期變形情況，分析泥石流沖溝變形速率，對泥石流沖溝發(fā)展趨勢及危害性做出科學(xué)預(yù)測，為泥石流防治工程提供科學(xué)依據(jù)。泥石流防治方案選擇具有多樣性，但在泥石流防治方案選擇應(yīng)根據(jù)泥石流形成機(jī)制、泥石流發(fā)展趨勢及具體項(xiàng)目泥石流防治目的，從泥石流發(fā)生與活動可控程度、泥石流危害的控制程度、治理措施的可行性、方案投資比較、方案經(jīng)濟(jì)效益比較、方案的社會和環(huán)境效益比較等多因素綜合對比選擇最優(yōu)治理方案。