金沙水电站肖家沟泥石流危险性评价

罗 飞，许 虎，刘培培

（长江三峡勘测研究院有限公司（武汉），湖北 武汉430074）

自20世纪50～60年代起，我国在山区进行开垦建设中遇到了许多泥石流问题，针对泥石流问题开始了考察、研究和防治。1964年，施雅风先生考察了川藏公路沿线的泥石流，并对古乡沟泥石流进行了综合观测研究，开辟了我国泥石流研究的新阶段[1]。随后通过对泥石流的科学考察，编制了1∶600万《中国泥石流分布及其灾害危险区划图》[2]；在中国科学院泥石流滑坡专项基金支持下，建立了中国泥石流数据库[3]，这些成果为中国泥石流防治提供了基础数据。

近年来大批学者对泥石流也做出了许多研究，钱永波运用层次分析法建立了单沟泥石流的危险度评价模型[4]，随后对强震区的城镇泥石流灾害风险评价方法与体系[5]进行了大量研究。2007年韦方强[6]等以泥石流运动数值模拟为基础，以数值模拟获得的流速和流深等参量为分区指标建立了危险性分区；刘勇健[7]等在选取危险度评价因子及确定因子权重时，引入了粗糙集理论；2013年徐黎明[8]采用突变理论对乌东德水电站近坝区泥石流进行了风险性评价；2014年朱渊[9]等以岷江流域上游为例研究了地形条件对泥石流发育的影响；同年项良俊、王清[10]等对金沙水电站坝区流域肖家沟泥石流作出了三维流场数值模拟及风险评价。

本文在广泛收集前人资料的基础上，采用现场地质调查与现场测试分析相结合的方法，对肖家沟泥石流沟的沟谷特性进行了细致调查；对泥石流动力学特征、危险性等进行了分析评价，以备工程参考。

1 工程概况

肖家沟冲沟发源于新庄尖山北坡，沟道弯曲延伸，总体流向西，沟床高程1 050m～1 320m，总体坡降25%～40%，沿沟汇入数条小冲沟后在清香坪污水处理厂与另一条较大的冲沟（碾房沟）汇合，最终汇入金沙江。肖家沟沟域面积约0.92km2，主沟长约1.87km。肖家沟内常年流水，但水量较小，主要排泄沟上游攀钢三小区生活污水，沿线沟边和沟内修建有少量纵横挡墙，大多损毁。

肖家沟沟源区两侧上游山体基岩部分裸露、岩体松动、沟床坡降大，暴雨易引发泥石流。由于修建金沙水电站，现拟在位于金沙水电站坝址上游4km的左岸大水井三社一带石家沟布置渣场。该弃渣场地区南北宽350m～500m、东西长350m～600m，占地面积29×104m2，弃渣场南部高程1 120m～1 180 m之间将堆填肖家沟沟谷，因此需对肖家沟泥石流的活动性、发生频率、危害性等进行研究与评价。

2 肖家沟泥石流特征

2.1 肖家沟泥石流沟谷特征

肖家沟整个流域面积0.92km2，主沟直线长度1.87km，主沟曲线长度2.28km，主沟床弯曲系数1.222，流域最大相对高差750m，主沟平均比降40.1%。整个流域沟谷总长度5.57km，流域切割密度为6.02km/km2。肖家沟从上游到下游发育10条支沟，其中左侧8条，右侧2条，如图1所示。

图1 肖家沟地形变化三维立体图

据现场调查，主沟切割深度4m～5m，各支沟切割深度较浅，约2m～3m。支沟1和主沟顶部的岩石裸露，节理发育，由于风化作用与重力变形，产生崩塌，成为泥石流的松散物源。其余各支沟沟内植被发育，松散物源很少。泥石流的松散物源主要来自于支沟1和主沟顶部。10条支沟的沟长在110 m～320m之间，平均坡降35°～70°。沟谷的地质特征如图2和图3所示。

2.2 肖家沟泥石流形成区特征

（1）肖家沟汇水地形

肖家沟泥石流有较为明显的形成区、流通区和堆积区，属于沟谷型泥石流。形成区为高陡的山脊围成的“V”型谷，山脊所围成的山谷，三面环山，一面出口，平面形态呈“簸箕型”。形成区内山坡坡度较大，多在30°～60°之间，总体上构成良好的地表汇水条件。

（2）泥石流物源形成机制

肖家沟泥石流的物源主要有两种，形成区内沟源处的崩坡积体（如图4）和早期泥石流在流通区宽缓地段形成的泥石流堆积体。现场调查的物源稳定性可分为稳定、潜在不稳定和不稳定状态。其中不稳定体和潜在不稳定体主要位于形成区内，总体积约6.72×104m3，是泥石流的主要补给物源。

图2 肖家沟泥石流纵剖面图

图3 肖家沟泥石流横剖面图

图4 肖家沟泥石流金沙江边堆积扇全貌

当前的不稳定体是泥石流产生的直接物源，目前稳定的先期崩塌体，在一段时间后由于新崩塌的持续向后扩展，目前的稳定体有可能逐渐变成为潜在不稳定体甚至不稳定体。因此，从稳定体至不稳定体的变化，将是一个随时间的单一方向的动态平衡演化过程。这一演化过程就是泥石流成因机制的物源形成过程。

当然，从物源形成区的角度看，另一个重要的因素是不能忽略的，那就是基岩正长岩体中的节理裂隙，肖家沟泥石流沟小流域范围内主要发育两类岩体，其分布基本上以形成区为界，形成区以下至堆积区主要由玄武岩构成，形成区则主要由正长岩构成，因此，肖家沟泥石流的物源主要源自正长岩体。节理裂隙将正长岩体切割成大小不等的块体，这不仅降低了岩体的质量，而且也使得岩体更容易遭受风化作用，从而更容易崩解破碎而导致崩塌。

流通区内的泥石流堆积是肖家沟泥石流另一类物源形成的过程。当物源区内有足够的碎屑物质，在雨季的强降雨的作用下，碎屑物质与汇水区内强大的水流混合形成搬运能量巨大的泥石流。

不稳定体和潜在不稳定体是泥石流的主要补给物源。肖家沟的不稳定体和潜在不稳定体的总体积为11.21×104m3。肖家沟的形成区范围内还有稳定的崩坡积体61.98×104m3。今后随着时间推移，特别是主沟沟壁潜在不稳定体将继续崩塌，会向两侧山坡扩展。两侧山坡上的崩坡积体的稳定性会发生转变，由稳定状态渐变为潜在不稳定状态，甚至发生崩塌，成为不稳定体，所以肖家沟的松散物源量有随时间增长呈动态平衡的趋势。

2.3 肖家沟泥石流流通区特征

根据现场调查肖家沟泥石流流通区总体以“V”型谷为主，局部位置沟谷宽缓，呈“U”字型。“V”型谷宽度一般1m～5m，很窄的“V”型谷地段形成卡口，据现场调查，流通区内发育两个卡口，宽度仅有1m。“U”型谷位置最宽可达20m左右。流通区沟床坡度总体上在12°～15°之间，总体纵坡坡降26.8%，局部位置坡度很大，近直立，形成跌水。据现场调查，流通区内发育七个跌水，跌水的高度1.7 m～8.0m，大部分沟床均为玄武岩出露。流通区两侧山坡坡度一般在20°～30°之间。

主沟在流通区段内有宽窄变化和深浅变化，并且具有卡口。早期发生的泥石流在宽浅的流通区段内和卡口的沟上游端堆积，形成泥石流堆积体，大部分为不稳定体和潜在不稳定体，总体积约4.49×104m3。

2.4 肖家沟泥石流堆积区特征

肖家沟泥石流位于攀枝花市西区，自东流向西，沟道蜿蜒，沟床高程1 004m～1 754m，整个流域范围内有两处堆积扇发育，一处位于金沙江边，为主要堆积扇（如图4）；另一处位于攀钢住宅第三小区（攀钢清香坪社区）西侧建筑物弃渣堆坡脚下。

肖家沟金沙江边堆积扇附近，金沙江河宽明显变窄，有挤压河道现象。堆积扇处金沙江宽度由正常的130m变为105m。堆积扇靠近金沙江植被较少，局部有杂草生长，远离金沙江的山地植被相对发育，且沟内植物茂盛，有树木生长。如图4所示，堆积扇已对河流局部的流向产生影响，并伸入河床，形成了险滩。

在现场调查过程中，分别对肖家沟泥石流金沙江边堆积扇的新老部分堆积区进行现场筛析以及室内颗分试验，得出该堆积扇土的定名为碎石。根据砂土和砾石的累计筛余百分率，计算相应的级配特征参数，得出含砾率为0.83，含砂率为0.17。可以看出，肖家沟泥石流金沙江边堆积扇中砾石类含量明显比砂土类高，表明堆积扇中大于5mm的粗颗含量较高，泥石流冲击能量高。

同样在肖家沟泥石流上游清香坪社区堆积扇中选取代表性试样进行颗粒分析试验，绘制累计百分曲线，得出该堆积扇土的不均匀系数Cu远大于5，曲率系数Cc大于3，判断该堆积扇土为不良级配土，粒径在60mm～200mm范围的（极粗砾）土粒含量相对突出，其它粒径土粒同样均有分布，为不均粒土，该堆积扇土分选差。

综合两个堆积扇特征，可以看出泥石流沟砾石含量高，冲击能量高，根据山区泥石流的特点可以看出极粗粒总体为典型的滚动推移搬运方式，砂粒总体为跳跃搬运方式，少数的细颗粒总体为悬浮搬运方式[11]。故总体来看属于滚动推移搬运的方式的泥石流。

3 泥石流危险性评价

为了评价肖家沟泥石流可能对金沙水电站的运行造成的危险程度，下面对此泥石流沟进行危险度和危害性评价。

3.1 泥石流危险度评价

泥石流危险度是指在沟谷流域范围内存在的一切人和物有遭受泥石流损害的可能性的大小。

（1）评价指标选取

泥石流危险度是根据泥石流的各种影响因子综合判定。为了客观的选取出攀枝花西区泥石流的影响因子，这里应用了刘希林等《泥石流危险性评价》中的介绍方法，根据野外的实际调查情况，并结合灰色理论对评价因子进行综合确定[12]。

计算选取主要影响因子包括L1一次泥石流最大冲出量，L2泥石流发生频率和次要评价因子包括S1流域面积，S2主沟床长度，S3流域最大相对高差，S6流域切割密度，S7主沟床弯曲系数，S9泥沙补给段长度比，S10日最大降水量，S14流域内人口密度[13]。

（2）评价指标权重确定

从关联度最小的次要危险因子开始，给定一个起始权数为一个基本单位10n（n可以是任何数，在这里取n＝0），以此为公差呈等差级数向关联度大的方向递增次要因子的权数[14－16]。为突出主要因子的地位，主要因子的权数以最大次要因子的权数为基数，以2为公比呈等比级数继续递增[17]。得到危险因子的权数和权重见表1。

表1 危险因子权数和权重

（3）评价系统构建

不同危险因子差异较大，为了便于量化数据，要对原始数据规范化，主要采用等间隔六级分割法进行分级赋值[18]。

在得到了各个危险指标的赋值与权重之后，将对应因子的赋值和权重相乘求和即得到最终的危险度量化值。其表达式如下:

其中G下标表示对应因子的赋值，Rd值在0到1之间。

（4）泥石流危险度灰关联法评价

根据上述方法对研究区内的肖家沟沟谷泥石流进行危险性评价，调查的肖家沟泥石流沟危险度影响因素分值见表2。

表2 现场调查肖家沟泥石流危险度影响因素分值表（灰关联法）

根据灰色关联法的计算结果，肖家沟属于轻度危险。

3.2 泥石流危害性评价

泥石流危害性是指泥石流过程造成的损失的大小。本文从泥石流重度、流速、一次泥石流过程总量、冲击率、发生概率五个方面评价泥石流危害性。

（1）泥石流重度

泥石流的重度是最重要的参数之一。本文对现场调查的泥石流沟进行评分，依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》[19]（DZ/T 0220－2006）中的泥石流易发程度量化评分表，计算出现场调查的泥石流沟的分值，由对应的得分可计算得泥石流冲出物的重度，结果见表3。

表3 数量化评分（N）与重度、（1＋φ）关系对照表

（2）泥石流流速计算

目前，国内外计算泥石流流速的计算方法很多。对肖家沟泥石流可采用《泥石流灾害防治工程勘查规范》[19]（DZ/T0220－2006）中东川泥石流改进公式，如公式（1）所示:

式中:K为黏性泥石流流速系数，查表可得；Hc为泥石流的平均水深（m），可采用现场泥石流调查的泥痕高度；Ic为泥石流水力坡度，用河床纵比降代替。

对黏性泥石流计算公式，其一个重要的参数就是现场调查的泥痕高度，肖家沟泥石流泥痕的位于堆渣场内，因此计算出的流速为堆渣场处的泥石流流速。肖家沟泥石流沟在攀钢小区清香坪一带发现泥痕，泥痕高度为3.5m。

按式（1）计算泥石流流速，计算结果如表4所示。

表4 现场调查泥石流沟的流速

（3）一次泥石流过程总量计算

一次泥石流总量QD可由计算得出，主要根据泥石流经历的时间T（s）和最大流量QC（m3/s），按式（2）计算，计算结果可见表5。

表5 泥石流沟一次泥石流总量

（4）泥石流冲击力计算

泥石流的冲击力直接关系到防治技术的选用、防治结构尺寸拟定和配筋设计等。故泥石流冲击力的计算为泥石流评价及研究中的一个重要参数。本节对肖家沟堆渣场处的冲击力计算如下:

根据《泥石流灾害防治工程设计规范》[20]（DZ/T0239－2004），计算泥石流整体冲击力的计算式如公式（3）所示:

式中:Fδ为泥石流整体冲击力，kPa；γc为泥石流重度，kN/m3；Vc为泥石流流速，m/s；g为重力加速度，g＝9.8m/s2；α为建筑物受力面与泥石流冲压方向的夹角，（°），在此α＝90°；λ为建筑物形状系数，本文采用λ＝1.33。

肖家沟泥石流整体冲击力计算结果如表6所示。

表6 泥石流整体冲击力

由表6可知，在肖家沟堆渣场处，泥石流整体冲击力较小，不会对堆渣场的建设与使用产生太大的影响。但弃渣场需做好泥石流的引排措施。

（5）泥石流发生概率分析

肖家沟中下游植被覆盖较好，上游沟谷两侧基岩出露。肖家沟沟底及两侧发育有冲洪积、残坡积和崩坡积堆积体，在与攀钢小区接触的地带还有建筑垃圾堆积体，这些物源体大部分处于不稳定状态，形成丰富的泥石流物源补给。综合资料判断，肖家沟泥石流爆发频率至少为P＝2%（50a一遇）。

4 结 论

（1）肖家沟地区沟谷发达，地表汇水条件良好，不稳定体和潜在不稳定体作为泥石流的主要物源，总体积达11.21×104m3。流通区以“V”型谷为主，区内发育有2个卡口，7个跌水。从堆积扇的特征可以看出泥石流沟砾石含量高，冲击能量高，可判断该泥石流沟属于滚动推移搬运为主的泥石流。

（2）肖家沟泥石流沟的危险度属于轻度，在清香坪一带堆渣之后，暴发泥石流的流速在弃渣场一带为13.69m/s，泥石流冲击力44.56kPa，对于整个堆渣体来说，此冲击力较小，不会对弃渣场的稳定性造成破坏性的影响，该处泥石流爆发频率至少为P＝2%（50年一遇）。

[1]施雅风，杨宗辉，谢自楚，等.西藏古乡地区的冰川泥石流[J].科学通报，1964，15（6）:542－544.

[2]唐邦兴，柳素清，刘世建，等.中国泥石流分布及其灾害危险区划图[M].成都:成都地图出版社，1991.

[3]钟敦伦，王成华，谢 洪，等.中国泥石流滑坡编目数据库与区域规律研究[M].成都:四川科学技术出版社，1998.

[4]钱永波，唐 川.层次分析法在单沟泥石流危险度评价中的应用[J].中国地质灾害与防治学报，2006，17（4）:79－84.

[5]钱永波.强震区城镇泥石流灾害风险评价方法与体系研究[D].成都:成都理工大学，2009.

[6]韦方强，胡凯衡.泥石流危险性分区及其在泥石流减灾中的应用[J].中国地质灾害与防治学报，2007，18（3）:23－27.

[7]刘勇健，刘义峰.基于粗糙集的范例推理在泥石流危险性评价中的应用[J].山地学报，2008，26（2）:223－229.

[8]徐黎明.基于突变理论的乌东德水电站近坝区泥石流风险评价与防治研究[D].长春:吉林大学，2013.

[9]朱 渊，余 斌，亓 星，等.地形条件对泥石流发育的影响[J].吉林大学学报，2014，44（1）:268－277.

[10]项良俊.金沙水电站坝区流域肖家沟泥石流的三维流场数值模拟及风险评价[D].长春:吉林大学，2014.

[11]四川省中小流域暴雨洪水计算手册水文手册[M].四川省水利电力厅，1984.

[12]刘希林.泥石流危险性评价[M].北京:科学出版社，1995.

[13]陈 龙.乌东德水电站库坝区驾车河泥石流发育特征及危险性评价[D].长春:吉林大学，2010.

[14]陈国玉，王钢成，庄树裕，等.模糊综合评判法在定日县泥石流危险性评价中的应用[J].中国水运，2009，9（11）:163－164.

[15]刘加龙，吕希奎，刘贵应，等.模糊综合评判法在泥石流灾度评价中的应用[J].地质科技情报，2001，4（20）:86－88.

[16]王 昕.泥石流沟危险度的模糊评判[J].重庆师范学院学报，2002，1（19）:22－25.

[17]薛 峰.黄金坪水电站坝区龙达沟泥石流发育特征及其对工程影响研究[D].成都:西南交通大学，2004.

[18]牛岑岑.泥石流危险度评价指标的提取与等级划分[D].长春:吉林大学，2013.

[19]中华人民共和国国土资源部.DZ/T 0220—2006.泥石流灾害防治工程勘查规范[S].北京:中国标准出版社，2006.

[20]中国地质调查局.DZ/T 0239—2004.泥石流灾害防治工程设计规范[S].北京:中国标准出版社，2004.