泥石流沟沟口部位的巨型渣场防护及泥石流沟综合治理研究

黄成家，彭 育，徐建荣，薛 阳，汪 振

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

0 引言

高山峡谷地区的水电站开发工程中，大坝及厂房建筑的开挖料弃渣量一般都非常大。受场地限制，渣场往往只能布置在枢纽工程区附近支沟沟口的平缓台地之上。这些支沟普遍都是泥石流沟，渣场的防护难度高，且必须和泥石流沟治理结合进行。以白鹤滩水电站工程的矮子沟渣场为例，介绍此类渣场的防护及泥石流沟的典型综合治理措施及研究，可为类似工程提供参考和借鉴。

1 矮子沟渣场规模及布置范围

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，是金沙江下游河段（攀枝花至宜宾）4个巨型水电站中的第二级，电站装机容量16 000 MW。电站工程量巨大，主要枢纽建筑物土方明挖约1 900 万m3，石方明挖约4 500 万m3，石方洞（井）挖约2 100万m3，混凝土约1 900万m3。

工程地处高山峡谷地区，工程区适合进行施工设施布置的场地主要集中在坝址上、下游各5 km范围内。矮子沟位于电站大坝上游约4.5 km，沟口约2 km范围内为开阔的冲积台地，地形平缓，是较为理想的弃渣场地。根据施工总布置规划，矮子沟沟口为白鹤滩工程主要的弃渣场地，堆渣布置于矮子沟沟口约2 km范围内，堆渣高程为860～700 m，渣场容量达4 100万m3。

矮子沟沟口地形地貌及堆渣范围见图1。

图1 矮子沟沟口地形地貌及堆渣范围Fig.1 Terrain of the Aizi gully and the area of slag site

2 矮子沟流域水文条件

矮子沟平面上呈“U”型弯曲，沟长约18.5 km，沟源高程在3 120 m左右，沟源由北向南发育，至中游与黄家沟汇合转至近东西向延伸汇入金沙江，入江口处高程604 m。全流域集水面积65.9 km2，谷底平均比降7.9%左右。黄家沟呈“V”字形，在金江滑坡区内北东方向延伸长约2 400 m，切割深度20～25 m，局部出现跌水，在冲洪积台地上汇入矮子沟。矮子沟重现期100年洪水流量328.0 m3/s，重现期50年洪水流量292.0 m3/s，重现期20年洪水流量245 m3/s。

3 渣场区地形地质条件

以矮子沟为界，南侧（上游）为金江滑坡堆积区，地势西高东低，总体坡度20°～25°。北侧（下游）为六城坝台地，台面地形平缓，坡度约10°，临金沙江为陡坡，坡度约40°左右。

渣场区表面以第四系地层的滑坡堆积物、冲洪积物及冰碛物为主。滑坡堆积物厚度一般大于150 m，最厚可达240 m；冲洪积物分布于金沙江沿岸，为松散卵砾石、砾砂、粉土等，厚度不均；冰碛物分布于矮子沟左岸山坡及山顶，厚度10～85 m。

4 矮子沟流域泥石流特性

4.1 形成条件

4.1.1 地形条件

矮子沟流域地势由西向东倾斜，其水流走向由西流向东。在不同区域，整个流域的主沟道和支沟道沟谷特征也不同：流域上游为中山峡谷，下游为宽谷；支沟则主要为中山峡谷。

矮子沟中游端沟床比降较大，比降在176‰～363‰，沟谷深切，陡峭的河谷为泥石流的形成和运动提供了良好的地形条件。

4.1.2 物源条件

矮子沟流域松散物源总量4 812.54万m3，其中残坡积物2 388.1 万m3、崩坡积物1 158.34 万m3、滑坡855.1 万m3、老泥石流堆积物411 万m3。分布面积有6.707 km2，占流域总面积的10.6%。物源满足泥石流产生条件。

4.1.3 降雨条件

根据降雨观测资料，矮子沟所在区域内，年内一日最大降雨量15.2～138.0 mm，暴雨时最大的日降雨可达24.9～78.3 mm。

4.2 泥石流运动参数

经地质调查、勘察及计算分析：矮子沟泥石流容重1.6～1.8 g/cm3、流速4.76～7.54 m/s；沟口部位重现期50年泥石流流量为875.31 m3/s，一次泥石流总量51.7 万m3，固体物质23.4 万m3；搬运的最大块石几何尺寸为7 m×4 m×4 m。

5 渣场防护及泥石流防治设计标准

根据渣场堆渣规划，参照DL/T 5419-2009《水电建设项目水土保持方案技术规范》，矮子沟弃渣场施工期采用重现期50 年洪水设计标准，永久运行期采用重现期100年洪水设计标准。

根据防治对象的重要性，参照DZ/T 0329-2004《泥石流灾害防治工程设计规范》的规定，矮子沟泥石流防治工程安全等级为二级，泥石流防治设计标准按重现期50年降雨强度设计。

6 渣场防护及泥石流防治方案

根据现场实际情况，经技术经济比较，矮子沟渣场防护及泥石流防治方案如下。

施工期利用矮子沟左侧排水洞将渣场沟水排至渣场下游侧瓦窑沟，排水洞出口接排水斜井及下平洞将沟水排至金沙江，排水洞过流能力按重现期20 年洪水标准设计。同时在沟道内渣场端部设置挡水坝，右侧布置排泄通道，排泄重现期50年设计标准下的洪水。

矮子沟排水洞纵坡及断面尺寸较小，不具备排导泥石流的条件。根据矮子沟沟道地形地质条件及矮子沟渣场布置，矮子沟泥石流采用拦挡停淤的防治方案，渣场挡水坝淤沙库容可达260 万m3，能够满足重现期50年泥石流的停淤要求。同时利用渣场挡水坝右岸设置排泄通道，当沟道发生泥石流或排水洞淤堵时，洪水由排泄通道排至金沙江。

同时，为降低排水洞淤堵的风险，在矮子沟排水洞上游建坝条件较好的位置设置多级拦挡坝，拦挡一定规模的泥石流。运行期则通过非常排泄通道连通矮子沟沟内与库区的水体。矮子沟渣场防护及泥石流防治工程平面布置见图2。

图2 矮子沟渣场防护及泥石流防治工程平面布置图Fig.2 Plan of protection of slag site at Aizi gully and the treat⁃ment of the debris flow

7 渣场防护及泥石流防治建筑物设计

渣场防护及泥石流防治建筑物主要包括：矮子沟排水洞、渣场挡水坝、非常排泄通道、矮子沟上游梯级拦挡坝。

7.1 矮子沟排水洞

矮子沟排水洞布置在矮子沟左侧山体，出口与瓦窑沟相接，沟水顺瓦窑沟排至金沙江。为防止排水洞进口於积，排水洞进口设置高低进洞口。低进洞口高程767.50 m，出口765.50 m，全长约933 m；排水斜井进口高程764.56 m、底部高程696.69 m，斜井倾角60°，下平洞出口高程667.74 m。排水洞、斜井及下平洞断面尺寸均为6 m×5 m 城门洞型。高进洞口进口高程776.0 m，洞长约97.56 m，断面尺寸均为6 m×5 m城门洞型，在矮子沟排水主洞约桩号排0+090.00 m处与主洞相交。

为防止局部大块石、树木及推移质进入排水洞造成排水洞淤积、降低排水洞的过流能力，在排水洞进口布置拦石坎进行拦截。拦石坎距洞口约7 m布置，坎顶高程低于排水洞洞顶，按771.0 m 设置，墙高3.5 m。采用重力式结构体型，坝顶宽1 m，迎水面侧边坡直立，洞口侧边坡1∶0.5。拦石坎侧面预留缺口，缺口布置间距30 cm格栅条，确保小流量情况小粒径固体物质不进入洞内。大流量情况下水流翻越拦石坎进入排水洞。

7.2 渣场挡水坝

挡水坝布置在矮子沟排水洞进口下游约500 m（沟道距离）处，采用喷混凝土面板堆石坝，坝顶高程795.0 m。挡水坝上游采用喷混凝土护面防护，最大坝高约85 m，坝顶长245.2 m，坝顶宽10 m，上游坝坡1∶1.6，下游坝坡1∶1.4。

7.3 非常排泄通道

排泄通道布置在挡水坝右岸，在遭遇超过排水洞设计标准洪水或排水洞堵塞等特殊情况下启用。非常排泄通道按重现期50 年洪水标准设计，采用开敞式自由溢流。进口堰顶高程既要满足坝前泥石流停淤库容的要求，同时又要满足排水洞设计标准下过流的挡水要求。排泄通道进口堰顶高程为785.0 m，宣泄重现期50年设计洪水时，库前水位为791.40 m。排泄通道由进水渠、控制段、泄槽组成。进水渠为喇叭形进水口，首端宽30 m，末端宽15.0 m。控制段为宽顶堰，长30 m，溢流净宽15.0 m，无闸门控制，采用混凝土结构，堰体高度23 m；控制段与堆石坝之间通过混凝土侧墙联接；泄槽宽15 m、深5 m、长400 m，纵向底坡6%，底板和边墙均采用钢筋石笼结构，在钢筋石笼表面挂网喷20 cm厚的C25混凝土防渗和防锈。出口处黄家沟沟底和两岸采用钢筋石笼和喷混凝土保护，泄槽后期与布置在渣体上的预留排水通道相接，预留排水通道采用钢筋石笼防护。

7.4 矮子沟上游梯级拦挡坝

为保证矮子沟排水洞在设计洪水标准下能正常运行，需在排水洞上游设置多级拦挡坝，拦截泥石流固体物质，避免排水洞淤堵。通过对矮子沟泥石流流通区的多次现场踏勘，沟底高程1 080～1 140 m 范围内地形开阔，具备形成较大淤积库容的条件，其他沟道段沟谷地形相对狭窄，形成的淤积库容较为有限。矮子沟沟道两侧大部分区域为覆盖层，仅有局部沟道段基岩出露，经分析比较，选择在1 192 m、1 110 m 和790 m 高程处分级设置拦挡坝，拦挡坝采用混凝土坝，坝高10.5～13 m，3级拦挡坝总共可形成约13.5万m3的淤积库容。

图3 矮子沟渣场防护及泥石流防治工程竣工面貌Fig.3 Completion of protection of slag site at Aizi gully and the treatment of the debris flow

8 结语

根据矮子沟泥石流特性及渣场布置要求，采用排水洞+挡水坝+非常排泄通道+上游梯级拦挡坝的方案进行综合治理。排水洞排泄重现期20年及以下的洪水，当遭遇到超过重现期20年的洪水时，超标洪水从非常排泄通道排泄，同时，挡水坝坝前形成的库容可容纳一次重现期50 年以内的泥石流。以上设施可在施工期（6～7 年）内保障渣场的安全，且有效节省了工程投资。该工程自2013年初开始施工，2016 年初全部完工并顺利通过验收，至今已安全运行4 年并成功通过了4 个汛期的检验，有效保护了渣场及邻近建筑物的安全。