电站厂房区域泥石流治理的土木工程措施研究

孙 亚 联

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

泥石流是山区介于挟沙水流和滑坡之间的土(泛指固体松散物质)、水、气的混合流，为山区特有的一种突发性的自然灾害现象。它以含有大量固体物质(尤其是大尺寸颗粒)而著称，进入河段后，在短时间内改变主河水沙组成及边界条件，同时受到主河的阻力作用，流路发生改变，在入汇口附近发生淤积，如果主河水动力条件与泥石流对比较弱，则易发生堵河现象[1]。修建在河道周围的水利、民用建筑、农田、公路等基础设施往往受到泥石流的威胁。水电站工程往往多修建于深山峡谷区，受地形、地质条件的影响，时常伴有泥石流活动，倘若发生泥石流，不仅破坏生态环境，堵塞河道，而且影响水电站的安全运行以致造成重大经济损失。因此，水电站区域的泥石流治理对电站的安全运行有着重要意义。本文详细介绍了目前泥石流治理的一些土木工程措施，同时结合具体的水电站工程区域泥石流的基本特征，提出具体治理工程措施，希望对泥石流的工程治理分析理论上提供一些实践支持。

1 泥石流治理的土木工程措施应用

目前国内外泥石流防治措施很多，总的来说主要有两大类，即土木工程措施和生物措施。土木工程措施是在泥石流形成区、流通区、堆积区内采用相应的治理工程(如蓄水、引水、排水、截水等治水工程，拦挡、支护工程、排导、引渡工程、停淤工程等)，以控制泥石流的发生、减小其产生的危害，泥石流生物措施是一般采用乔、灌、草等植物进行科学地配置营造，充分发挥其滞留降水，保持水土，调节径流等功能，从而达到防治和制止泥石流发生减轻其危害程度的目的[2]。目前泥石流的土木工程措施主要靠主动治理的减灾新途径来实现对泥石流的治理，具体工程技术措施主要有排导截流措施、拦挡措施、破坏起动面与减少驱动力措施[3]。

1.1 排导截流措施

在准泥石流体上游方修建排水沟或排导槽，拦蓄水流或把水流排到相邻的非泥石流沟谷中或准泥石流体下游沟段，避免大量水分直接作用于准泥石流体，使水分条件保持在起动临界值以下，不能起动形成泥石流。同时，由于泥石流对沟床的塑造大，比如局部侵蚀淤积,泥石流防治专家借用“以柔克刚”的思想提出软基消能的有效措施，利用排导措施减少泥石流体与工程构筑物的接触，减小泥石流对构筑物的冲击载荷而让泥石流与沟槽内的物质相互作用搅拌从而消耗泥石流的动能，通过合理的断面型式、纵坡比降将泥石流在控制条件下安全顺利地排泄到指定的区域[4]。

1.2 拦挡措施

在准泥石流体前缘或适当部位修建挡土墙、谷坊、拦挡坝等拦挡工程建筑物，增大准泥石流体的稳定性，减缓底床坡度，拦截水沙，改变输水、输沙条件，减缓泥石流流速，抑制上游河段纵横向侵蚀，改变泥石流流向，从而减少泥石流对工程构筑物的接触，达到保证工程构筑物的安全目的。

2 某电站厂区泥石流工程处理措施

2.1 工程布置

电站厂房区域内的阿克恰衣苏沟和其干布拉克沟均为泥石流沟，其中阿克恰衣苏沟为水石泥石流沟，其干布拉克沟为稀性泥石流沟，2条泥石流沟对厂房均没有直接冲击破坏作用，但是泥石流的淤积对厂房尾水有一定影响，为了降低泥石流沟对工程的危害，对该部位两个泥石流沟进行排导处理，本文以其干布拉克沟泥石流沟为例，对厂区主要建筑物进行防护。

一级厂房对面其干布拉克沟泥石流为稀性泥石流，最大方量较小，出口形成的堆积物洪水期均能被主河道搬运走，无阻断河道的可能，并不会危及一级厂房，但对一级厂房的尾水会产生一定淤积影响。因此，在其干布拉克沟与上坝路交汇处下方20 m处，设置拦挡坝以及泥石流排导槽，此处地形平缓，原沟槽深度约为3 m～4 m，设置拦挡坝为浆砌石重力坝，最大坝高为6 m，顶宽为1.5 m，长度90 m。泥石流排导槽断面为梯形断面，设计槽深3.5 m，底部宽度为6 m，两侧坡比为1∶2，总长度为194 m，通过拦挡坝以及泥石流排导槽将泥石流顺向导入距厂房对岸上游400 m岸坡处，进一步减小其对水电站厂房的影响。

2.2 泥石流防护建筑物稳定计算分析

2.2.1泥石流防护堤与拦挡坝的稳定计算

1)其干布拉克沟拦挡坝的稳定分析。

采用重力式浆砌石坝对其干布拉克沟泥石流进行防护，防止泥石流夹带岩石对拦挡坝产生磨损破坏，在拦挡坝迎水面与背水面都衬护30 cm厚C35抗冲耐磨混凝土。拦挡坝最大坝高6 m，坝顶长度为90 m，迎水坡采用1∶0.2，拦挡坝背水坡采用1∶0.7，顶部宽度按1.5 m设计。具体断面见图1。在对拦挡坝进行稳定、基底应力和抗倾覆计算时，荷载考虑：坝体自重、静水压力、泥石流压力、堆积物的土压力、冲击力，计算结果见表1。经计算，拦挡坝满足抗滑、抗倾要求，地基承载力也满足要求。

表1 拦挡坝抗滑、抗倾覆安全系数计算结果表

2.2.2排导槽的体型的设计

1)排导槽的纵坡设计。

排导槽纵坡应略大于流通段纵坡，结合泥石流沟地形条件布置，其原则是在不增加开挖或不产生较大填方前提下尽量一坡到底。阿克恰衣苏沟排导槽入口段高程为2 372.50 m，同时与轴线成15°偏角并成“八”字形，天然沟段流通纵坡为72‰，排导槽结合原地形条件采用一坡到底，从排导槽桩号纵0+000.00到末端纵0+318.00起纵坡调整为75‰，出口处高程为2 353.50 m，同时与轴线呈15°偏角并呈“八”字形。其干布拉克沟排导槽入口段高程为2 442.00 m，天然沟段流通纵坡为77‰，排导槽结合原地形条件采用一坡到底，从排导槽桩号纵0+000.00到末端纵0+194.00起纵坡调整为80‰，直接泄入铁米尔苏原河道。

2)排导槽的断面尺寸计算。

排导槽常用断面形状有梯形、矩形和V形三种，也有复合型，本工程泥石流规模较小，排导槽断面选定为梯形断面。根据流通段沟道的特征，按式(1)类比法来计算排导槽的横断面积[5]。

(1)

式中：BX——排导槽的宽度,m；

BL——流通区沟道宽度,m；

IX——排导槽纵坡降，‰；

IL——流通区沟道纵坡降,‰；

HL——流通区沟道泥石流厚度;

HX——排导槽设计泥石流厚度。

根据已确定的纵坡值，以及现场泥石流调查流动区沟道宽度数据(阿克恰衣苏沟流通区沟道宽度约为14 m，泥石流厚度为4.3 m，其干布拉克沟流通区沟道宽度约为5 m，厚度约为3 m)，经计算阿克恰衣苏沟排导槽设计泥石流深度为3 m时，排导槽宽度BX=26 m；其干布拉克沟排导槽设计泥石流深度为3 m时，排导槽宽度BX=6 m。排导槽的深度H可按式(2)计算确定：

H=Hc+ΔH

(2)

式中：H——排导槽深度，m；

Hc——设计泥深,m；

ΔH——排导槽安全超高，一般取ΔH=0.5 m～1.0 m，本次计算取0.5 m。经计算2条泥石流沟排导槽深度为3.5 m。

厂房区域泥石流沟排导槽断面尺寸见表2。

表2 排导槽设计断面表

3 结论与建议

一级水电站发电厂房区域内存在两条泥石流沟，阿克恰衣苏沟泥石流为稀性泥石流类水石流，搬运能力差，对临近的发电厂房区域没有直接冲击破坏作用；其干布拉克沟泥石流为稀性泥石流，虽然对面为一级电站地面厂房，但泥石流堆积物方量较小，仅堆积在部分河漫滩上，对厂房安全影响不大，主要影响位于沟谷中部的交通道路的安全。结合两条主要泥石流沟的活动特征，采取以排导、拦挡为主的土木工程措施来对发电厂房区域的泥石流进行治理，减小泥石流沟对电站厂房的影响。

[1] 郭志学,曹叔尤.泥石流堵江影响因素试验研究[J].水利学报,2004(11):39-45.

[2] Lien H P.Design of slit dams for donrtolling stony debris flows[J].International JournaI of Sediment Research,2003,18(1):74-87.

[3] 崔 鹏,藩晓清.风景区泥石流防治特点与技术[J].地学前缘,2007,14(6):172-180.

[4] 陈晓清,士 革.两种主要泥石流排导槽的比较[J].灾害学,2001,16(3):12-16.

[5] DZ/TO 239—2004,泥石流灾害防治工程设计规范[S].