西藏某水電站壩前支溝泥石流發(fā)育特征及危險性評價

包 健,趙中強,王有林

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

中國水能資源主要分布在西部地區(qū)，又以西南地區(qū)最為富集，四川、云南、西藏三省(區(qū))技術(shù)可開量約占到全國技術(shù)可開發(fā)量的64.3%。其中西藏自治區(qū)總裝機規(guī)模160萬kW，已建常規(guī)水電裝機技術(shù)可開發(fā)比例約為0.9%，水電開發(fā)潛力巨大，是今后我國水電開發(fā)的重點地區(qū)[1]。西藏在建及規(guī)劃水電工程集中分布的高山峽谷地區(qū)往往也是泥石流頻發(fā)地區(qū)。近年來國內(nèi)水電工程工地發(fā)生多起泥石流災(zāi)害，造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失[2]。

泥石流是水電工程前期勘察中常見的不良物理地質(zhì)現(xiàn)象之一，作為水電站工程建設(shè)和運營的重大危險源，是勘察中必須查明的重點工程地質(zhì)問題[3]。西藏某水電站壩前約500 m發(fā)育1條規(guī)模較大泥石流溝—索否溝，溝口及溝內(nèi)均有泥石流活動痕跡，其發(fā)育特征和危險性制約水電工程壩址選擇和樞紐布置；同時該溝在施工及運營期存在暴發(fā)泥石流的可能，威脅施工及大壩等水工建筑物的安全[4]。因此，正確認(rèn)識壩前索否溝泥石流的發(fā)育特征及危險性，并提出針對性防治措施，對水電工程建設(shè)具有重要實踐意義。

本文以壩前支溝索否溝泥石流為研究對象，對其形成條件、發(fā)育特征和危險性進行研究，評價其對擬建工程的影響，以期為工程設(shè)計、施工和運營提供理論依據(jù)。

1 泥石流形成條件分析

1.1 地形條件

索否溝位于河道左岸，流域整體呈NE-SW向延伸(圖1)，主溝道長約7.8 km，流域面積約15.4 km2。溝谷下切較深，溝道多呈不對稱的“V”型，左側(cè)斜坡地形較陡，坡度55°左右；右側(cè)斜坡坡度較緩，坡度40°左右。溝口發(fā)育泥石流洪積扇，溝口兩側(cè)分布有古泥石流堆積物。流域內(nèi)地勢北高南低，前、后相對高差為1 374 m，主溝溝道平均縱比降約176.2‰。溝內(nèi)發(fā)育7條支溝，均分布在溝道右岸，支溝縱坡降為238.5‰～488.2‰。流域溝床比降整體呈現(xiàn)出主溝較平緩、支溝較陡的特點。

圖1 索否溝流域地質(zhì)圖

根據(jù)對我國泥石流溝谷比降統(tǒng)計的結(jié)果分析，流域支溝溝床比降條件對泥石流的形成和運動最為有利[5-6]，泥石流溝溝床縱比降愈大，則越有利于泥石流的發(fā)生。該溝的縱比降利于支溝物源匯集，有利于泥石流的形成。

1.2 地質(zhì)條件

索否溝流域內(nèi)地層巖性主要為侏羅系砂質(zhì)板巖夾變質(zhì)砂巖，巖體中結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。流域后緣發(fā)育一規(guī)模較大的斷層，受其影響，后緣一帶巖體破碎，巖體完整性較差；同時，研究區(qū)屬高寒高海拔地區(qū)，在凍融、流水(雨水與冰雪融水)、風(fēng)力等風(fēng)化營力的作用下，流域內(nèi)產(chǎn)生了大量的、不同成因的第四系松散崩積、坡積、滑坡堆積物源。

1.3 物源條件

豐富的松散固體物質(zhì)是形成泥石流的基本條件之一[7]。流域內(nèi)松散固體物質(zhì)來源與多種因素密切相關(guān)，包括區(qū)域構(gòu)造運動、地層巖性、巖體遭受風(fēng)化作用程度、植被發(fā)育情況以及人類工程活動等。根據(jù)遙感解譯、現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計，索否溝流域內(nèi)主要松散固體物源有以下部分：① 溝谷兩岸局部地段分布的崩塌或滑坡堆積物；② 主溝及支溝溝床堆積物；③ 坡體表面分布的坡面侵蝕物源，以及人工棄碴?？傮w流域松散固體物源分布廣泛，總方量約584.4萬m3，動儲量約172.6萬m3。

1.4 水源條件

在泥石流形成的4個條件中，水源條件是激發(fā)因子，松散固體物質(zhì)在大量充水達到飽和狀態(tài)后，結(jié)構(gòu)破壞，固體顆粒間的摩擦力降低，滑動力增大，從而產(chǎn)生流動[8]。對某一地域而言，在一定時間尺度內(nèi)地形和松散固體物質(zhì)變化不大，激發(fā)泥石流的重要條件是降雨[9]，泥石流的形成與降水密切相關(guān)。

研究區(qū)內(nèi)氣象資料顯示，區(qū)內(nèi)年降雨量500～600 mm，且主要集中在7—9月。根據(jù)資料統(tǒng)計，年降雨量最多出現(xiàn)在2003年，達775.5 mm；年降雨量最少出現(xiàn)在1994年，僅438.1 mm。降雨量時間上分布極不均勻，春季雨量占全年總雨量的14.6%，夏季雨量占全年總雨量的60.4%，秋季雨量占全年總雨量的21.9%，冬季雨量僅占全年總雨量的2.9%；區(qū)內(nèi)最大的一次暴雨是2010年8月29日，日降雨量最大達54.1 mm。此外，區(qū)內(nèi)降水的另一個顯著特點是晝晴夜雨，夜雨率在60%以上。高強度降雨為泥石流的形成提供了足夠的水動力條件，且暴雨主要發(fā)生在夜間，使泥石流的爆發(fā)具有很強的突然性。

2 泥石流發(fā)育特征

2.1 分區(qū)特征

根據(jù)對索否溝溝谷形態(tài)、支溝及其溝道的發(fā)育特征、溝床縱比降變化特征、溝內(nèi)松散固體物源分布及活動特征的調(diào)查和分析，將索否溝泥石流劃分為形成流通區(qū)和堆積區(qū)(見圖1)。其中后緣分水嶺至溝口(溝底高程3 740.00 m)為形成流通區(qū)，溝口以下至河岸邊為堆積區(qū)。

(1) 形成流通區(qū)

形成流通區(qū)內(nèi)根據(jù)溝谷形態(tài)、物源的分布等分為上、下兩段。上段位于溝底高程4 300.00 m以上到后緣分水嶺段，匯水面積約8.54 km2，長度約為4.68 km，溝床平均縱比降170.94‰，溝谷呈“U”型，谷底較寬闊平緩，岸坡較陡，發(fā)育4條沖溝，左岸局部基巖裸露。溝谷兩岸基巖為砂質(zhì)板巖，巖體風(fēng)化強烈，植被覆蓋差，主要為草地和灌木。該溝床段最大沖刷深度1.0～1.1 m，松散固體物質(zhì)占總物源量80%以上。

下段位于溝底高程4 300.00～3 740.00 m段，地貌類型為深切“V”型，縱向溝谷比降178.91‰。該段溝床寬10～15 m，長約3.13 km，兩岸坡度較陡，植被覆蓋較好。該段局部溝道堵塞較為嚴(yán)重，松散固體物質(zhì)主要為溝道內(nèi)沖積物、兩側(cè)斜坡部位的崩滑物源，溝床堆積物厚度可達20～25 m。

(2) 堆積區(qū)

因溝口總體呈凹岸，受河水沖刷，溝口堆積扇保留不完整。堆積扇前緣順河長約70 m，溝口至河道約30 m，豐水期堆積扇面積約0.0014 km2。堆積物為塊碎石土，最大塊徑達2.5 m，母巖成分以砂質(zhì)板巖、砂巖為主，溝道左側(cè)有較完整的泥石流堆積物(見圖2)。

圖2 現(xiàn)今泥石流堆積物

2.2 沖淤特征

以溝底高程4 400.00 m處發(fā)育的古滑坡為界，索否溝流域可劃分為上下兩段。上游段溝床相對寬緩，溝道順直，部分為泥石流淤積的區(qū)段，泥石流堆積物多分布于溝道及兩側(cè)(見圖3)。溝道內(nèi)局部可見明顯的沖刷現(xiàn)象，沿主溝溝槽沖刷深度達1.2 m。受古滑坡堵塞影響，滑坡堵塞點以上部分區(qū)域有利于泥石流的堆積。

圖3 上游段溝道堆積物

下游段溝谷較上段狹窄，寬度10～15 m，溝道平均縱比降總體較上段稍大。在溝底高程4 000.00 m處出現(xiàn)約800 m長的平緩段是該段內(nèi)主要淤積區(qū)段。調(diào)查發(fā)現(xiàn)該段溝道內(nèi)還存在部分小規(guī)模的平緩開闊地段，可形成局部淤積區(qū)域。該段溝道右岸發(fā)育2條較大支溝，歷史上曾發(fā)生過堵塞主溝的較大泥石流，溝口有一定規(guī)模的泥石流堆積扇、且擠占主溝溝道，導(dǎo)致溝道變窄，最窄位置僅2～3 m。在堆積扇上游，溝床比降變緩，形成較開闊的淤積區(qū)，可見近期泥石流堆積(見圖4)，堆積物以松散碎塊石為主，泥砂含量少，具明顯的水石流特征。自7號溝與索否溝主溝交匯部位以下，由于溝床縱坡比降較大，泥石流流速大，主要以沖刷為主，局部存在小規(guī)模淤積。

圖4 下游段溝道堆積物

2.3 堆積物特征

泥石流堆積物的粒度組成，不僅可以反映泥石流堆積的分散度，同時還反映了泥石流的形成機制與動力學(xué)、運動學(xué)特征[10]?，F(xiàn)場對溝內(nèi)不同時期發(fā)育的泥石流堆積物(包括支溝堆積扇)進行了顆粒級配試驗(見圖5)。根據(jù)試驗結(jié)果，溝內(nèi)泥石流堆積物以塊、碎石為主，顆粒級配較好。

圖5 泥石流顆粒分布級配曲線

2.4 動力學(xué)特征

(1) 重 度

泥石流的重度是反映泥石流流體特征的一個重要參數(shù)指標(biāo)。根據(jù)程尊蘭[11]提出的泥石流容重的經(jīng)驗計算公式，計算的泥石流重度1.655 t/m3。依據(jù)規(guī)范泥石流數(shù)量評分與重度關(guān)系對照表，泥石流重度為1.648 t/m3。其中，較大值1.665 t/m3比較接近實際情況，屬稀性泥石流。

(2) 流 速

采用T/CAGHP 006-2018《泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范(試行)》中推薦的稀性泥石流流速計算公式計算泥石流流速：

(1)

公式(1)中：Vc為泥石流平均流速，m/s；Ic為水力坡降 (用小數(shù)表示)；g為重力加速度，取值9.8 m/s2；R為水力半徑，m。

而對于泥石流流體水力半徑R可按下式計算：

(2)

公式(2)中：w為過流斷面面積，m2；P為濕周，m。

利用上述的公式，索否溝泥石流流速計算參數(shù)及結(jié)果見表1。從計算結(jié)果可以看出該溝早期泥石流的流速大于近期泥石流流速。

表1 泥石流流速計算結(jié)果

(3) 流 量

假設(shè)泥石流與暴雨同頻率、同步發(fā)生，計算斷面的暴雨洪水全部轉(zhuǎn)化為泥石流[14]，采用規(guī)范[13]推薦的修正雨洪法計算泥石流峰值流量，計算公式如下：

QC=(1+φ)QBDC

(3)

公式(3)中：QC為頻率為P的泥石流洪峰值流量，m3/s；QB為頻率為P的暴雨洪水設(shè)計流量，m3/s；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)；DC為溝道堵塞系數(shù)。

對于泥石流泥沙修正系數(shù)φ可按下式計算：

(4)

公式(4)中：γC為泥石流重度，t /m3；γH為泥石流中固體顆粒容重，t /m3；γW為水的重度，t /m3。

根據(jù)《中小流域暴雨洪水計算手冊》中的推理公式求出最大洪水流量QB，計算公式如下：

(5)

公式(5)中：SP為某頻率的雨力，mm/h；n為暴雨衰減指數(shù)；τ為匯流時間，h；F為流域面積，km2；ψ為徑流洪峰系數(shù)。

根據(jù)工程區(qū)氣象資料、水文手冊及其他相關(guān)資料[14-15]，計算結(jié)果見表2。

表2 洪水及泥石流流量計算結(jié)果

(4) 一次過程總量及固體物質(zhì)沖出量

降雨激發(fā)的泥石流過程可按照泥石流暴漲暴落的特點，將其過程線概化為五邊形進行計算。根據(jù)規(guī)范[13]，泥石流一次過程總量及固體物質(zhì)沖出量計算公式如下：

Q=0.264TQC

(6)

(7)

公式(6)～(7)中：Q為泥石流一次過程總量，m3；T為泥石流歷時，s；QH為一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量，m3。計算結(jié)果見表3。

表3 泥石流一次過程總量及固體物質(zhì)總量計算結(jié)果

(5) 沖擊力

根據(jù)泥石流整體沖壓力的特點，依據(jù)規(guī)范[13]中推薦的泥石流體整體沖壓力計算公式(8)進行計算：

(8)

公式(8)中：F為泥石流整體沖壓力，Pa；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向所夾的角，(°)；λ為建筑物形狀系數(shù)，取1.33。

根據(jù)計算結(jié)果，斷面1、2、3的泥石流沖擊力分別為29.14、35.04、35.80 kPa。

3 泥石流危險性及對工程影響評價

3.1 泥石流危險性評價

泥石流的形成受到多種因素的共同作用，這些因素錯綜復(fù)雜，每個因素的影響程度又受到不同的時間、空間等其它因素的影響。因此，可將泥石流系統(tǒng)看成是一個具有某種混亂程度的非線性的開放系統(tǒng)，借助熵理論表達系統(tǒng)因子的效用價值,評價泥石流的危險性。

本文在劉希林[16]提出的泥石流危險性評價方法的基礎(chǔ)上，選擇泥石流規(guī)模(103m3)、頻率(%)、流域面積(km2)、主溝長度(km)、流域相對高差(km)、流域切割密度(km/km2)和不穩(wěn)定溝床比例(%)7個因素作為評價因子，索否溝泥石流各評價因子見表4，泥石流規(guī)模按100年一遇泥石流持續(xù)時間1 h取值。

表4 索否溝泥石流危險性評價因子及其取值

采用熵值法對索否溝泥石流的危險性做出評價，具體步驟如下：

(1) 評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

將原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除量綱影響，

(9)

公式(9)中：γij為量綱化處理后的數(shù)據(jù)；min(j)為某項因子中最小值；max(j)為某項因子中的最大值；xij為原始數(shù)據(jù)。

(2) 熵值計算

(10)

(11)

公式(10)～(11)中：Ej為第j項因子熵值；Pij為第i項指標(biāo)在泥石流災(zāi)害中出現(xiàn)的頻率；m為樣本的個數(shù)；n為因子的個數(shù)。

(3) 評價指標(biāo)權(quán)重W(j)計算

(12)

(4) 危險性值F(j)計算

(13)

選取鄰近地區(qū)相似泥石流樣本，確定各因子權(quán)重值：{0.14，0.22，0.11，0.12，0.09，0.18，0.14}，最終計算得泥石流危險性值為0.42，按泥石流危險性分級標(biāo)準(zhǔn)見表5，索否溝泥石流屬中度危險。

表5 泥石流危險性分級

3.2 泥石流對工程影響評價

泥石流溝口距離壩軸線約500 m，且大壩填筑料場及部分臨時建筑物擬布置于溝內(nèi)1～3 km范圍，泥石流是制約、影響溝道內(nèi)相關(guān)設(shè)施布置的重要因素。利用FLO-2D數(shù)值模擬方法研究泥石流運動全過程，從泥石流在運動過程中泥石流堆積物的分布、泥深特征為溝道內(nèi)相關(guān)場地的布置提供依據(jù)。分析結(jié)果表明，7號溝堆積扇附近溝段、溝底高程3 900.00 m以下寬闊溝道段泥石流的泥深較淺、流速低，泥石流危險性呈中-低危險區(qū)范圍(見圖6)，對大壩安全影響較小。但泥石流對溝內(nèi)料場開采、臨時建筑物及施工期人員和設(shè)備安全均影響較大，建議進行防治處理。

圖6 泥石流危險性分區(qū)圖(P=5%)

4 結(jié)論與建議

(1) 索否溝流域面積15.4 km2，平均縱比降約176.2‰，松散固體物源較豐富，具備發(fā)生泥石流的地形、地質(zhì)、物源及水源條件。

(2) 根據(jù)索否溝泥石流發(fā)育的基本特征，溝內(nèi)曾多次爆發(fā)泥石流，泥石流重度為1.655 t/m3，為稀性泥石流；泥石流流速3.64 ～4.03 m/s，10%～1%降雨頻率下的泥石流流量36.13～67.27 m3/s、1次泥石流的過程總量3.43 ～6.39萬m3、1次沖出固體物質(zhì)1.35 ～2.51萬m3，屬中型泥石流。

(3) 基于熵值法對索否溝泥石流危險度的計算結(jié)果表明，其處于中度危險，對區(qū)內(nèi)擬建工程、人員和設(shè)備安全均影響較大。

(4) 建議在溝底高程4 300.00 m附近布置攔擋壩，在下游擬建施工臨時場地以及場內(nèi)交通段的溝谷布置單邊防護堤等工程措施。同時，在施工期加強對流域內(nèi)滑坡進行監(jiān)測、巡視，并結(jié)合變形特征，提前做好相關(guān)的應(yīng)急預(yù)案措施。