黄河某水电站库区泥石流特征及工程影响研究

穆 鹏

(1.武警工程学院，710086，西安；2.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，710054，西安)

黄河某拟建水电站设计正常蓄水位1 783 m，属中型Ⅲ等水电工程。水库全长约5.5 km，与上游积石峡水电站尾水相接，其中库尾长500m，为积石峡峡谷出口段，其余为川地水库，上坝址总库容约367万m3，下坝址约560万m3。该水电站坝址区和左岸引水渠线区发育有杏儿沟、官亭沟和喇家沟3条大型泥石流沟道及数条小型泥石流沟道（见图1），在暴雨作用下常发生泥石流灾害，历史上曾淹埋过农田、村镇和现有的引水动力渠，造成较大的经济损失和人员伤亡。鉴于上述泥石流沟对库区的设计施工以及今后水电站运行安全性的重大影响，研究泥石流形成条件与运动特征，将对该水电站的建设具有重要的意义。本文以杏儿沟、官亭沟和喇家沟泥石流为研究重点，进行了泥石流形成条件和运动特征的研究，并对泥石流的危害作出评价。

一、泥石流形成条件分析

泥石流形成的因素很多，最基本的3个条件是具有丰富的松散固体物质、陡峻的沟谷和充沛的降雨。按各因素的归属和泥石流发育过程的作用特征，可以归并为自然因素和人为因素两大类。自然因素主要包括地貌、地质环境、水文气象，人为因素以多种形式影响泥石流的发育和形成。

1.地形条件

杏儿沟流域面积 166.13 km2，地势西北高东南低。主沟长29.07 km，平均比降5.16%，最高点康疙瘩海拔3 808.3 m，最低点入黄河口海拔1 795.0 m，高差达2 013.3 m。中上游地形以高中山为主，相对高差大于1 000 m；下游部分为低中山，高差小于500 m。主沟两侧支沟较发育，沟壑纵横，切割、剥蚀作用剧烈。长度大于5 km的沟有4条，长度1～5 km的一级支沟有9条，二级支沟有26条，小于1 km的冲沟纵横分布，切深50～180 m，沟道狭窄，呈窄深的“V”形，沟坡坡度大于35°，沟床纵坡比降多大于20%。

官亭沟流域面积33.0 km2，主沟长13.61 km，平均比降8.45%。流域最高点锁口山海拔3 370.0 m，最低点入黄河口海拔1 790.0 m，相对高差1 580.0 m。

喇家沟流域平面形态呈狭长型，流域面积23.62 km2，主沟长15.13 km，平均比降4%。流域最高点大垭豁海拔3 365 m，最低点入黄河口海拔1 786 m，相对高差1 579 m。

总体来讲，这3条沟道流程短，比降大，地形陡，为泥石流的形成提供了有利的地形条件。

2.固体物质补给条件

固体松散物质是泥石流的主要组成部分，固体松散物质的补给条件及其储量大小直接控制泥石流的性质和规模。杏儿沟、官亭沟和喇家沟内松散固体物质储量十分丰富，分布广泛，主要类型有滑坡、崩塌、坍塌、坡面堆积和沟道堆积等5类。其中以滑坡为主，滑坡按物质组成可划分为黄土—泥岩滑坡、黄土滑坡、泥岩滑坡和基岩滑坡，按滑坡规模可分为大型滑坡、中型滑坡及小型滑坡。

经调查估算，杏儿沟、官亭沟和喇家沟流域内固体松散物质补给量见表1。这些松散物质为泥石流的形成提供了丰富的固体松散物质来源。

表1 研究区泥石流固体松散物质补给量

3.降水条件

研究区处于青海省民和县，民和县属大陆性半干旱气候，具有多风少雨、寒长暑短、日温差大、降水量小、蒸发量大等特点，但区内局地性暴雨集中，强度较高。历年最大24 h降雨量为142.5mm，最大1h降雨量为42.0 mm，最大10 min降雨量为20.0 mm。据统计，85%以上的24 h降雨量在6 h内降完，最大1 h降雨量可占24 h降雨量的30%～50%。距研究区30 km的循化水文站资料历年最大24 h降雨量为47.7mm，最大6h降雨量44.0mm，最大1 h降雨量32.4 mm，最大10 min降雨量12.6 mm；一次降雨持续历时最长9天。历年最大降雨暴雨多集中在 6—9月，尤以 7—8月最多，且较大的暴雨集中在傍晚或夜间发生。由此可知，区内暴雨集中，降雨强度较大，具有阵发性、突发性特点，使泥石流的形成具备了充沛的水动力条件。

二、泥石流特征

1.泥石流分布特征

根据研究区各沟谷流域形态、固体松散物质的分布规律，可将泥石流沟划分为形成区、流通区和堆积区等3部分。各区面积见表2。

表2 研究区各沟谷流域面积

杏儿沟、官亭沟和喇家沟的地形高差大，上游地区海拔2500～3500 m，由于降水量较下游大，且高寒阴湿，地表土体的含水量高，加上地形陡峻，因此降雨汇流条件较好，可汇集大量的地表径流，形成大规模的沟谷洪水，汇集在狭窄且坡降大的沟道中，具有很强的侵蚀、搬运能力。洪水进入松散物质补给区时，强烈冲刷、侵蚀沟床及两岸的松散固体物质，有助于泥石流的形成。

2.泥石流运动特征

对泥石流流体运动特征的分析，是认识泥石流和进行泥石流防治工程设计的基础。由于缺少泥石流发生时的实际观测数据，对各泥石流沟的分析主要根据国内外已有资料，类比利用目前泥石流运动特征及动力特征的研究成果进行。

（1）泥石流容重

该研究区泥石流容重的计算采用固体物质储量法：

rc=10.6A0.12

式中，rc为泥石流容重（kN/m3），A 为流域中单位面积泥沙补给量（万m3/m2），取值见表1。

求得杏儿沟、官亭沟和喇家沟的容重分别为 15.0 kN/m3、15.2 kN/m3和14.4 kN/m3。

（2）泥石流流量

采用配方法计算，公式如下：

QC=QB（1+φ）D

式中，QB为定重现期的清水流量（m3/s）；QC为与QB相同重现期的泥石流流量（m3/s）；D 为堵塞系数， 取 1.0；φ 为泥石流流量增加系数，，γc为泥石流重度（kN/m3）；γH为泥石流颗粒重度。

根据铁道部第一勘察设计院西北地区流量计算公式：

可得清水流量（QB）。

取50年一遇清水流量Q2%=0.8×Q1%，计算得杏儿沟、官亭沟和喇家沟50年一遇流量，见表3。

表3 各沟流量(P=2%)计算表

（3）泥石流最大一次冲出量

本区泥石流主要由短历时暴雨引起，根据降水资料，暴雨降水历时一般为30～45 min，一次泥石流平均历时约30 min，据此按三角形简化流量过程曲线，按下式计算最大一次冲出量：

V冲=0.5×QC×t×φ/（1+φ）

式中，V冲为一次最大冲出量 （m3），其余符号同前。

将各参数代入上式，计算出杏儿沟、官亭沟和喇家沟最大一次冲出量分别为17.6万 m3、5.1万 m3和 3.1万 m3。

（4）泥石流流速

因无实测资料，故采用以下公式计算3条泥石流沟在沟口附近的流速：

Vc=mc×Hc2/3×i1/2

式中，Vc为泥石流平均流速（m/s）；Hc为平均泥深或水力半径（m）；I为沟床坡度（以小数计），杏儿沟、官亭沟和喇家沟的沟口平均坡度为1.9%、4.0%和1.9%；mc为泥石流沟道糙率系数，根据研究区实际情况取18。

根据调查估算，分别取3条沟的平均泥深为2.0 m、1.5 m和1.5 m，于是求得其流速分别为3.94 m/s、4.72 m/s和3.25 m/s。

三、泥石流对水电工程危害预测

根据该水电站工程建设的枢纽布置，杏儿沟出口位于电站拦河大坝上游约400 m处，官亭沟和喇家沟出口主要穿越发电引水渠，现分别分析3条沟对水电站工程的危害性。

1.杏儿沟泥石流危害程度预测

（1）杏儿沟泥石流在库区造成的淤积灾害

根据计算分析，杏儿沟50年一遇的泥石流洪峰流量为698.6 m3/s，其重度为14.8 kN/m3，本区泥石流多由短历时暴雨所引起，一次泥石流平均历时约30 min，按简化的三角形流量过程曲线，杏儿沟泥石流一次最大泥沙输出量为17.6万m3。按泥石流中的固体物质占20%计算，在库区一次可能的最大淤积量约为3.5万m3，不足水库库容的1%；多年平均淤积量为1.66万 m3，相当于水库库容的0.45%。本区地处西北半干旱气候区，降水量小，杏儿沟泥石流暴发频率低。因此认为淤积对水库运行有一定影响，但不构成大的危害。

（2）杏儿沟泥石流可能造成的涌浪

调查研究表明，杏儿沟泥石流暴发时对黄河造成正交顶冲状态，将黄河水挤向对岸，爬坡高度达 4～6 m，从黄河内堆积的大漂石位置上看，实际上泥石流流体冲入黄河后抵达黄河中线以远的河道。

杏儿沟泥石流入库区的位置距上坝址轴线的水平距离约400 m，参照美国加州大学的滑坡涌浪计算方法进行计算，结合杏儿沟泥石流运动特征资料，计算得泥石流入库处的最大涌浪高度为1.4 m，在拦河大坝进水口处产生的最大涌浪高度为0.30 m。可知，涌浪对坝体产生的影响较小，但距引水渠进水口较近，对引水量的稳定性有一定的影响。

2.官亭沟和喇家沟泥石流危害程度预测

该水电站左岸引水渠线要穿越或跨越官亭沟和喇家沟泥石流沟道，这两条沟一旦发生大规模的泥石流，将对引水渠的工程建设和安全构成威胁，主要表现在对工程的淹没灾害方面。泥石流出沟后，由于地形开阔，坡降减小，泥石流的流速降低，过流断面加大，可能在标高较低的区域溢流和泛滥，凡是泥石流通过的范围皆为淹没范围。官亭沟和喇家沟在水电站引水渠经过处沟口宽度分别为58 m和25 m，沟底至两岸最低侧高分别为1.8 m和6.0 m。当发生较大规模的泥石流时，若沟口断面不能通过其流量，泥石流将会翻越沟岸最低处，淹没引水渠，大量泥沙将堆积在引水渠内，减小过流断面，甚至堵塞渠道，影响引水渠安全运营，造成灾害。

四、结论与建议

①杏儿沟、官亭沟和喇家沟流域面积分 别为 166.13 km2、33.0 km2和23.62 km2，松散补给物质丰富，以滑坡、崩塌和面状侵蚀补给为主，泥石流重度分别为 14.8 kN/m3、15.3 kN/m3和14.5 kN/m3，属稀性泥石流沟。50年一遇的泥石流流量分别为 698.6 m3/s、182.5 m3/s和 128.9 m3/s。

②杏儿沟位于库区左岸，泥石流会造成水库淤积和涌浪灾害，杏儿沟泥石流最大一次冲出量为17.6万m3，在水库区的淤积量为3.5万m3，不足水库总库容的1%，而年平均1.66万m3的淤积量相当于水库总库容的0.45%，故对水库运行不构成大的危害。经计算，杏儿沟泥石流在入库时造成的最大涌浪高度为1.40 m，在上坝线引水口处产生的最大涌浪高度为0.30 m，对水库和大坝运营影响较小，但对引水量的稳定有一定影响。官亭沟和喇家沟对引水渠线均有淹没威胁，一旦暴发，泥石流可能堆积于引水渠槽内，淤堵渠道。

③建议在杏儿沟泥石流粗大颗粒来源区段修筑拦挡坝，减少粗颗粒固体物质补给，使其停积在沟道上游地区，减少库区粗泥沙的淤积；同时建议加强杏儿沟流域植树造林，增加植被覆盖率，控制地表径流。建议官亭沟和喇家沟按现有沟道宽度在引水渠上下游修建排导沟。

[1]王彦东，黄润秋，邓辉．西南某水电站泥石流形成条件及运动特征研究[J]．中国地质灾害与防治学报，2007，18（3）.

[2]张自光，张志明，张顺斌．都江堰市八一沟泥石流形成条件与动力学特征分析[J]．中国地质灾害与防治学报，2010，21（1）.

[3]铁永波，唐川，苏小琴．四川省九龙县石头沟泥石流动力学特征及其危险性评价研究 [J]．水土保持研究，2008，15（5）.

[4]泥石流灾害防治工程勘查规范(DZ/T 0220-2006)[S].北京：中国标准出版社，2006.

[5]王继康．泥石流防治工程技术[M]．北京：中国铁道出版社，1996.