黄河茨哈峡桑吉沟泥石流灾害特征及防治措施研究

冯 磊， 冯婷洁， 薛会师

(中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710100)

茨哈峡水电站位于青海省兴海县与同德县交汇的黄河峡谷内,拟定为混凝土面板砂砾石面板堆石坝,最大坝高257.5 m,正常蓄水位2 990 m,装机容量2 600 MW。桑吉沟位于茨哈峡大坝上游右岸470 m处,主沟长度2.97 km,流域面积2.84 km2,该沟2008年后曾先后两次爆发小型泥石流,爆发时无人员和牲畜在该区域活动,未造成人员伤亡和财产损失,但泥石流堆积体曾导致黄河河道束窄。随着桑吉沟流域修路、过度放牧等人类活动造成的水土流失[1]和Ⅲ号滑坡次级滑动等不断提供固体物质来源,未来泥石流的活动会更加频繁,位于桑吉沟沟口的面板堆石坝在施工期间施工人员、设备等安全将受到威胁。因此,对该泥石流沟进行全面的危险性评价并提出泥石流防治方案具有重要的工程意义。

1 泥石流的形成条件

1.1 地形地貌

桑吉沟位于黄河右岸同德县境内,总体呈东西走向展布,该沟发源于右岸胡列滩台地后缘,后经右岸峡谷斜坡沟道汇入黄河,沟谷多呈V形,最高点高程3 240 m,最低点位于黄河交汇处,高程为2 760 m,高差达480 m。从平面上看桑吉沟流域形状呈蒲扇状,除主沟外,还发育一条较大支沟。

1.2 地层岩性、地质构造

桑吉沟流域主要出露有三叠系中统和第四系地层。三叠系中统地层广泛分布在流域内,主要为薄—互层状的细粉砂岩及薄层板岩,岩层倾角60°～85°。第四系地层分布在桑吉沟胡列滩段,为上更新统的灰色、黄灰色含亚砂土卵砾石层,顶部为黄土状亚砂土。流域内岩层在印支期近S-N向区域挤压应力作用下,形成陡倾单斜构造和层间挤压断裂,坝址南部多宗隆哇中部有近E-W向中铁断裂通过。

1.3 气候特征

区内属大陆性半干旱高山草原气候,具有寒长暑短、四季分明、无霜期短、昼夜温差大、多风少雨和蒸发量大等特征。年平均气温为0.7 ℃,多年日平均气温高值在7月为12.2 ℃,日最高气温28.1 ℃,最低气温-34.4 ℃,年平均日照时间25 084 h。冬春两季西北风盛行,风速1～3 m/s,雨季集中在6月—9月,占年降雨量的80%。年降雨量为345.41～369.21 mm,多年平均蒸发量1 546.21 mm。

1.4 降水特征

据桑吉沟下游的唐乃亥测站共33年监测的降雨资料统计分析成果：区内多年平均降雨量为247.85 mm,一般为59.4～337.6 mm,降雨量分布不均匀,降雨多集中在5月—9月,尤其是6月—9月的降雨量最多,平均降雨量101.3～166.0 mm。

2 泥石流基本特征

2.1 泥石流分区特征

桑吉沟泥石流具有明显的分区特征,划分为清水区、形成区、流通区和堆积区4个区(图1)。

图1 桑吉沟泥石流分区图

2.1.1清水区

清水动力区受地形影响呈扇形,汇水面积约2.62 km2,地形较平缓,坡度5°～15°,植被覆盖率可达90%以上,局部出露砂卵砾石和粉质粘土层,水土流失不严重。该区沟道较发育,流水最终汇聚到物源区内,为泥石流的形成提供了必要的清水动力条件。

2.1.2形成区

形成区内植被覆盖率在60%左右,呈“V”型谷,沟谷两侧岸坡较陡,水土流失较严重。形成区为主要物源来源地,泥石流物源大部分集中在该区内,其它如Ⅲ号滑坡表部次级滑动产生的物源位于下游流通区内。物源主要为沟谷两岸的崩坡堆积物、细沟泥石流堆积物、滑坡堆积物、修路弃渣及主沟沟底再搬运物质。通过现场调查,区内物源点28个,固体物质约18 783.9 m3。

2.1.3流通区

沿吉浪沟主沟分布,呈“V”型,沟床狭窄,宽约5 m,长度约879 m,面积约0.06 km2,平均坡降382.2‰,坡度较陡。流通区沟道总体顺直,局部迂回弯曲,区内2 870 m高程以下次级崩滑堆积物及人类活动弃渣较多。

2.1.4堆积区

堆积区位于2 770 m高程以下—沟口与黄河交汇处,堆积区空间开阔,平面形态上呈扇形,长度约65 m,面积4 100 m2。在流通区与堆积区交界处,沟底宽度由25 m左右变为40～60 m。泥石流在堆积区因动能降低而产生大量的物质堆积,由于沟道较短,泥石流堆积物在该区形成高出河水面达1.5 m的堆积扇,曾导致汛期黄河水道束窄,形成局部的临时凸岸(照片1)。

照片1 桑吉沟泥石流堆积区照片

2.2 泥石流类型

桑吉沟泥石流按水源分类为暴雨型泥石流;按物源成因为混合型泥石流(坡面侵蚀、崩滑及弃渣);从积水区地貌特征分类,具有明显清水区、形成区、流通区和堆积区,具有典型的沟谷泥石流特征;按泥石流的爆发频率分类,桑吉沟在2008年和2014年爆发过小规模的泥石流,时间间隔6年,在5年/次～20年/次范围内,属于中频泥石流;按泥石流物质组成分类,桑吉沟泥石流物质重度为1.57 t/m3,介于1.30～1.60 t/m3,物质组成含有粘粒—漂粒的各个粒度和粒径,粘粒含量总体较少,块石、碎石及孤石有泥浆残留,为典型的稀性泥石流。

3 泥石流动力特征

3.1 泥石流重度

在现场选择有代表性的堆积物进行颗分试验,利用比重计分别测定颗分试验后粒径<2 mm的细颗粒径物质比重,获得泥石流堆积区固体颗粒比重最大为2.76 g/cm3,最小为2.75 g/cm3,平均为2.76 g/cm3。

由于泥石流发生时很难获得当时的容重值,因此只能采用经验法来确定,这里采用水土体积比法换算泥石流容重。按此方法计算泥石流流体容重的公式为：

(1)

式中：γc为泥石流流体容重(t/m3);γH为固体颗粒的比重;f为固体颗粒与水的体积比。水土比值根据现场调查的泥石流堆积物的组成特征及参照该地区对相关泥石流研究成果综合取值,并结合当地居民对桑吉沟泥石流的观察结果,最终确定流体中的固液体两相的比例为6.85∶3.25,利用该方法获得的桑吉沟泥石流平均容重为1.57 t/m3。

3.2 泥石流流速

桑吉沟为西北地区稀性泥石流,选用铁道第一勘察设计院(西北地区)改进后的泥石流流速计算公式：

(2)

a(1+φcγH)1/2;φc=(γH-γw)/(γH-γc)

式中:Vc为泥石流断面平均流速,m/s;Hc为计算断面的平均水深,m;I为泥石流水力坡度,一般可用沟床纵坡代替,‰;γc为泥石流重度，1.57 t/m3;γH为泥石流中固体物质比重,2.76 t/m3;γw为清水重度，t/m3;a为阻力系数;φc为泥沙修正系数,0.478。

根据在桑吉沟选择的早期和近期两个典型断面,经计算的泥石流流速分别为4.46 m/s、3.77 m/s。

3.3 泥石流流量

本文对泥石流峰值流量的计算分别采用形态调查法和雨洪修正法。

(1) 形态调查法。根据泥石流泥痕及沟槽形态,采用泥石流流量计算公式计算：

Qc=Wc×Vc

(3)

式中：Qc为泥石流流量,m3/s;Wc为过流断面面积,m2;Vc为泥石流断面流速,m/s。按照泥石流流速为3.77 m/s、4.46 m/s,对应的过流断面面积分别为5.25 m2、7.20 m2,计算的泥石流流量分别为19.8 m3/s、32.1 m3/s。

(2) 雨洪修正法。根据《青海省暴雨洪水计算手册》,采用推理计算公式计算桑吉沟不同频率最大洪水流量,见表1。

表1 桑吉沟洪水流量计算成果表

泥石流流量雨洪修正法的计算公式为：

QC=QB(1+φ)DC

(4)

式中：QC表示频率为C的泥石流洪峰流量,m3/s;QB表示频率为B的暴雨洪水设计流量,m3/s;φ为泥石流泥沙修正系数;DC为泥石流堵塞系数。取桑吉沟堵塞系数DC=1.05,泥石流泥沙修正系数φc=0.478,计算不同的洪水条件下的泥石流流量,如表2。

表2 桑吉沟泥石流流量计算成果表

3.4 一次泥石流过程总量及固体物质总量

通过桑吉沟泥石流概化洪水过程线可以看出,桑吉沟洪水具有涨洪快、消退也快。根据泥石流历时和最大流量,按式(5)计算通过沟谷的一次泥石流过程总量;一次泥石流冲出固体物质的总量与泥石流的规模、流体性质、固体物质特征有关,一次泥石流冲出固体物质的总量按式(6)进行计算。

(5)

(6)

式(5)和(6)中：Wc为一次泥石流过程总量(m3);VS为通过计算断面的固体物实体总量(m3),其它符号同前。根据上式,并结合青海高原地区经验,取泥石流活动时间为30—45 min,计算获得的不同频率下一次泥石流过程总量及冲出固体物质总量如表3。

表3 一次泥石流过程总量和冲出物质总量

4 桑吉沟泥石流危险性评价

4.1 泥石流易发程度评价

形成泥石流的基本条件是有利的地形、丰富的松散固体物源和充足的水动力条件,地质现象各要素及其组合在泥石流形成过程中起着提供位势能量、固体物质和发生场所三大主要作用。水不仅是泥石流物质组成的重要部分,而且也是能够发生泥石流的激发因素。根据《泥石流灾害防治工程勘察规范》(DZ-T0220—2006)[2]中泥石流沟的数量化综合评判及易发程度标准选用了崩塌滑坡及水土流失严重程度、泥沙沿程补给长度比、沟口泥石流堆积活动程度、河沟纵坡比、植被覆盖率、流域相对高差、河沟堵塞程度等15个因素,通过对每一项因素进行评分,最后综合取总分进行易发性评价。泥石流的易发程度按照分值划分为极易发(116～130)、易发(87～115)、轻度易发(44～86)、不发生(15～43)4个等级,易发程度反映了泥石流的危险性。依照规范中的各项评分标准对桑吉沟泥石流的各项要素进行评分(表4),评价总得分为85分,属于轻度易发。由表4中数据可以看出,各影响因素中泥沙沿程补给长度比、河沟纵坡比、河沟近期一次变幅、岩性影响、沟岸山坡坡度、产沙区沟槽横断面、流域面积、流域相对高差等8个要素较活跃,在泥石流的发生中起着主要作用。

表4 桑吉沟流域泥石流易发程度评分

4.2 泥石流危险度评价

单沟泥石流危险度的评价方法由刘希林研究员于1996年提出[3-4],刘希林给出了各因子的关联序次,依次为一次泥石流(可能)最大冲出量L1=泥石流发生频率L2>流域面积S1>流域切割密度S2>主沟长度S3>流域最大相对高差S4>泥沙补给段长度比S5>24 h最大降雨量S6>流域内人口密度S7>主沟床弯曲系数S8。并给出各因子的权重值,具体分值如表5。

除了对各因子赋予权重外,还根据泥石流的实际情况对每个因子进行评分,由于各危险因子的取值范围变幅很大,如不进行规范化处理,则不能制定出统一的危险因子等级和危险度标准。危险因子等级分成6个等级,各等级的界限之间分值相差0.2。单沟泥石流危险度计算公式为：

Rd=0.235 3GL1+0.235 3GL2+0.117 6GS1+0.102 9GS2+0.088 2GS3+0.073 5GS4+0.055 8GS5+0.044 1GS6+0.029 4GS7+0.014 7GS8

(7)

Rd≥0.85的沟谷,属于极度危险;Rd在0.65～0.85的沟谷,属高度危险;Rd在0.35～0.6的沟谷,属中度危险;Rd≤0.35的沟谷,属于轻度危险。

本次评价桑吉沟泥石流的发生频率按50年一遇考虑，泥石流持续时间按45 min的量取1.09×104m3。获得桑吉沟各因素的取值及其转换计算结果如表6。

表5 危险因子的权数和权重[3-4]

表6 桑吉沟泥石流各因子特征及分值

利用表6中的数据计算得到Rd=0.371 04。根据刘希林等泥石流危险区划与泥石流防治对策,桑吉沟泥石流属于中度危险泥石流,危险等级为Ⅳ级,应采用以治为主、防为辅的防治原则进行治理,防治对策可以采用生物工程和土建工程去抑制泥石流的发生发展。

5 泥石流防治措施建议

针对该泥石流沟的物质来源、纵坡降及泥石流的形成特点,建议桑吉沟泥石流防治措施[5]主要以拦砂稳坡为主,通过修建拦砂坝、谷场及护坡,尽量减少物质来源进入沟谷,从而降低泥石流发生规模的作用,具体建议如下：

(1) 在沟谷上游形成区恢复被人类活动和过度放牧破坏的草原植被;在支、毛、冲沟中修建谷场,以增加地表植被、涵养水分，减缓暴雨径流对坡面的冲刷,增强坡体稳定性,抑制冲沟发展。

(2) 在3 000 m高程以上流通区修建一座拦砂坝,用以拦截泥石流下泄的固体物质,防止沟床继续下切,抬高局部侵蚀基准面,加快淤积速度,以稳住山坡坡脚,减缓沟床纵坡降,抑制泥石流的进一步发展。

(3) 由于沟谷3 000 m高程以下流通区纵坡较大,沟谷断面较小,修建的拦砂坝拦截效果不明显,可在沟口基岩裸露部位修建一座拦砂坝,既可以起到拦砂的作用,又可以有效稳固沟床堆积体。

(4) 沟谷下游流通区岸坡存在Ⅲ号滑坡松散堆积体,在泥石流爆发时会增加流通区的物质来源,加剧泥石流的危害性,建议在滑坡堆积体下部修建护脚挡墙,平整、防护坡面,并做好坡体截排水,以减少坡面冲刷、增强坡体的稳定性,防止发生二次滑动或垮塌。

6 结语

通过对桑吉沟的调查研究表明,该沟具备泥石流爆发所需的地形、物源及水动力条件,爆发的泥石流为小型稀性泥石流,泥石流的易发程度为轻度易发,危险度为中度危险,危险等级为Ⅳ级。针对该泥石流沟的特点采取了以治为主、防为辅的防治原则进行治理,提出以拦砂稳坡为主的治理措施,通过修建拦砂坝、谷坊坝及护坡,尽量减少物质来源进入沟谷,从而降低泥石流发生规模作用。