西藏某水电站坝前支沟泥石流发育特征及危险性评价

包 健,赵中强,王有林

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

中国水能资源主要分布在西部地区，又以西南地区最为富集，四川、云南、西藏三省(区)技术可开量约占到全国技术可开发量的64.3%。其中西藏自治区总装机规模160万kW，已建常规水电装机技术可开发比例约为0.9%，水电开发潜力巨大，是今后我国水电开发的重点地区[1]。西藏在建及规划水电工程集中分布的高山峡谷地区往往也是泥石流频发地区。近年来国内水电工程工地发生多起泥石流灾害，造成了重大的人员伤亡和经济损失[2]。

泥石流是水电工程前期勘察中常见的不良物理地质现象之一，作为水电站工程建设和运营的重大危险源，是勘察中必须查明的重点工程地质问题[3]。西藏某水电站坝前约500 m发育1条规模较大泥石流沟—索否沟，沟口及沟内均有泥石流活动痕迹，其发育特征和危险性制约水电工程坝址选择和枢纽布置；同时该沟在施工及运营期存在暴发泥石流的可能，威胁施工及大坝等水工建筑物的安全[4]。因此，正确认识坝前索否沟泥石流的发育特征及危险性，并提出针对性防治措施，对水电工程建设具有重要实践意义。

本文以坝前支沟索否沟泥石流为研究对象，对其形成条件、发育特征和危险性进行研究，评价其对拟建工程的影响，以期为工程设计、施工和运营提供理论依据。

1 泥石流形成条件分析

1.1 地形条件

索否沟位于河道左岸，流域整体呈NE-SW向延伸(图1)，主沟道长约7.8 km，流域面积约15.4 km2。沟谷下切较深，沟道多呈不对称的“V”型，左侧斜坡地形较陡，坡度55°左右；右侧斜坡坡度较缓，坡度40°左右。沟口发育泥石流洪积扇，沟口两侧分布有古泥石流堆积物。流域内地势北高南低，前、后相对高差为1 374 m，主沟沟道平均纵比降约176.2‰。沟内发育7条支沟，均分布在沟道右岸，支沟纵坡降为238.5‰～488.2‰。流域沟床比降整体呈现出主沟较平缓、支沟较陡的特点。

图1 索否沟流域地质图

根据对我国泥石流沟谷比降统计的结果分析，流域支沟沟床比降条件对泥石流的形成和运动最为有利[5-6]，泥石流沟沟床纵比降愈大，则越有利于泥石流的发生。该沟的纵比降利于支沟物源汇集，有利于泥石流的形成。

1.2 地质条件

索否沟流域内地层岩性主要为侏罗系砂质板岩夹变质砂岩，岩体中结构面较发育。流域后缘发育一规模较大的断层，受其影响，后缘一带岩体破碎，岩体完整性较差；同时，研究区属高寒高海拔地区，在冻融、流水(雨水与冰雪融水)、风力等风化营力的作用下，流域内产生了大量的、不同成因的第四系松散崩积、坡积、滑坡堆积物源。

1.3 物源条件

丰富的松散固体物质是形成泥石流的基本条件之一[7]。流域内松散固体物质来源与多种因素密切相关，包括区域构造运动、地层岩性、岩体遭受风化作用程度、植被发育情况以及人类工程活动等。根据遥感解译、现场调查统计，索否沟流域内主要松散固体物源有以下部分：① 沟谷两岸局部地段分布的崩塌或滑坡堆积物；② 主沟及支沟沟床堆积物；③ 坡体表面分布的坡面侵蚀物源，以及人工弃碴。总体流域松散固体物源分布广泛，总方量约584.4万m3，动储量约172.6万m3。

1.4 水源条件

在泥石流形成的4个条件中，水源条件是激发因子，松散固体物质在大量充水达到饱和状态后，结构破坏，固体颗粒间的摩擦力降低，滑动力增大，从而产生流动[8]。对某一地域而言，在一定时间尺度内地形和松散固体物质变化不大，激发泥石流的重要条件是降雨[9]，泥石流的形成与降水密切相关。

研究区内气象资料显示，区内年降雨量500～600 mm，且主要集中在7—9月。根据资料统计，年降雨量最多出现在2003年，达775.5 mm；年降雨量最少出现在1994年，仅438.1 mm。降雨量时间上分布极不均匀，春季雨量占全年总雨量的14.6%，夏季雨量占全年总雨量的60.4%，秋季雨量占全年总雨量的21.9%，冬季雨量仅占全年总雨量的2.9%；区内最大的一次暴雨是2010年8月29日，日降雨量最大达54.1 mm。此外，区内降水的另一个显著特点是昼晴夜雨，夜雨率在60%以上。高强度降雨为泥石流的形成提供了足够的水动力条件，且暴雨主要发生在夜间，使泥石流的爆发具有很强的突然性。

2 泥石流发育特征

2.1 分区特征

根据对索否沟沟谷形态、支沟及其沟道的发育特征、沟床纵比降变化特征、沟内松散固体物源分布及活动特征的调查和分析，将索否沟泥石流划分为形成流通区和堆积区(见图1)。其中后缘分水岭至沟口(沟底高程3 740.00 m)为形成流通区，沟口以下至河岸边为堆积区。

(1) 形成流通区

形成流通区内根据沟谷形态、物源的分布等分为上、下两段。上段位于沟底高程4 300.00 m以上到后缘分水岭段，汇水面积约8.54 km2，长度约为4.68 km，沟床平均纵比降170.94‰，沟谷呈“U”型，谷底较宽阔平缓，岸坡较陡，发育4条冲沟，左岸局部基岩裸露。沟谷两岸基岩为砂质板岩，岩体风化强烈，植被覆盖差，主要为草地和灌木。该沟床段最大冲刷深度1.0～1.1 m，松散固体物质占总物源量80%以上。

下段位于沟底高程4 300.00～3 740.00 m段，地貌类型为深切“V”型，纵向沟谷比降178.91‰。该段沟床宽10～15 m，长约3.13 km，两岸坡度较陡，植被覆盖较好。该段局部沟道堵塞较为严重，松散固体物质主要为沟道内冲积物、两侧斜坡部位的崩滑物源，沟床堆积物厚度可达20～25 m。

(2) 堆积区

因沟口总体呈凹岸，受河水冲刷，沟口堆积扇保留不完整。堆积扇前缘顺河长约70 m，沟口至河道约30 m，丰水期堆积扇面积约0.0014 km2。堆积物为块碎石土，最大块径达2.5 m，母岩成分以砂质板岩、砂岩为主，沟道左侧有较完整的泥石流堆积物(见图2)。

图2 现今泥石流堆积物

2.2 冲淤特征

以沟底高程4 400.00 m处发育的古滑坡为界，索否沟流域可划分为上下两段。上游段沟床相对宽缓，沟道顺直，部分为泥石流淤积的区段，泥石流堆积物多分布于沟道及两侧(见图3)。沟道内局部可见明显的冲刷现象，沿主沟沟槽冲刷深度达1.2 m。受古滑坡堵塞影响，滑坡堵塞点以上部分区域有利于泥石流的堆积。

图3 上游段沟道堆积物

下游段沟谷较上段狭窄，宽度10～15 m，沟道平均纵比降总体较上段稍大。在沟底高程4 000.00 m处出现约800 m长的平缓段是该段内主要淤积区段。调查发现该段沟道内还存在部分小规模的平缓开阔地段，可形成局部淤积区域。该段沟道右岸发育2条较大支沟，历史上曾发生过堵塞主沟的较大泥石流，沟口有一定规模的泥石流堆积扇、且挤占主沟沟道，导致沟道变窄，最窄位置仅2～3 m。在堆积扇上游，沟床比降变缓，形成较开阔的淤积区，可见近期泥石流堆积(见图4)，堆积物以松散碎块石为主，泥砂含量少，具明显的水石流特征。自7号沟与索否沟主沟交汇部位以下，由于沟床纵坡比降较大，泥石流流速大，主要以冲刷为主，局部存在小规模淤积。

图4 下游段沟道堆积物

2.3 堆积物特征

泥石流堆积物的粒度组成，不仅可以反映泥石流堆积的分散度，同时还反映了泥石流的形成机制与动力学、运动学特征[10]。现场对沟内不同时期发育的泥石流堆积物(包括支沟堆积扇)进行了颗粒级配试验(见图5)。根据试验结果，沟内泥石流堆积物以块、碎石为主，颗粒级配较好。

图5 泥石流颗粒分布级配曲线

2.4 动力学特征

(1) 重 度

泥石流的重度是反映泥石流流体特征的一个重要参数指标。根据程尊兰[11]提出的泥石流容重的经验计算公式，计算的泥石流重度1.655 t/m3。依据规范泥石流数量评分与重度关系对照表，泥石流重度为1.648 t/m3。其中，较大值1.665 t/m3比较接近实际情况，属稀性泥石流。

(2) 流 速

采用T/CAGHP 006-2018《泥石流灾害防治工程勘察规范(试行)》中推荐的稀性泥石流流速计算公式计算泥石流流速：

(1)

公式(1)中：Vc为泥石流平均流速，m/s；Ic为水力坡降 (用小数表示)；g为重力加速度，取值9.8 m/s2；R为水力半径，m。

而对于泥石流流体水力半径R可按下式计算：

(2)

公式(2)中：w为过流断面面积，m2；P为湿周，m。

利用上述的公式，索否沟泥石流流速计算参数及结果见表1。从计算结果可以看出该沟早期泥石流的流速大于近期泥石流流速。

表1 泥石流流速计算结果

(3) 流 量

假设泥石流与暴雨同频率、同步发生，计算断面的暴雨洪水全部转化为泥石流[14]，采用规范[13]推荐的修正雨洪法计算泥石流峰值流量，计算公式如下：

QC=(1+φ)QBDC

(3)

公式(3)中：QC为频率为P的泥石流洪峰值流量，m3/s；QB为频率为P的暴雨洪水设计流量，m3/s；φ为泥石流泥沙修正系数；DC为沟道堵塞系数。

对于泥石流泥沙修正系数φ可按下式计算：

(4)

公式(4)中：γC为泥石流重度，t /m3；γH为泥石流中固体颗粒容重，t /m3；γW为水的重度，t /m3。

根据《中小流域暴雨洪水计算手册》中的推理公式求出最大洪水流量QB，计算公式如下：

(5)

公式(5)中：SP为某频率的雨力，mm/h；n为暴雨衰减指数；τ为汇流时间，h；F为流域面积，km2；ψ为径流洪峰系数。

根据工程区气象资料、水文手册及其他相关资料[14-15]，计算结果见表2。

表2 洪水及泥石流流量计算结果

(4) 一次过程总量及固体物质冲出量

降雨激发的泥石流过程可按照泥石流暴涨暴落的特点，将其过程线概化为五边形进行计算。根据规范[13]，泥石流一次过程总量及固体物质冲出量计算公式如下：

Q=0.264TQC

(6)

(7)

公式(6)～(7)中：Q为泥石流一次过程总量，m3；T为泥石流历时，s；QH为一次泥石流冲出固体物质总量，m3。计算结果见表3。

表3 泥石流一次过程总量及固体物质总量计算结果

(5) 冲击力

根据泥石流整体冲压力的特点，依据规范[13]中推荐的泥石流体整体冲压力计算公式(8)进行计算：

(8)

公式(8)中：F为泥石流整体冲压力，Pa；α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向所夹的角，(°)；λ为建筑物形状系数，取1.33。

根据计算结果，断面1、2、3的泥石流冲击力分别为29.14、35.04、35.80 kPa。

3 泥石流危险性及对工程影响评价

3.1 泥石流危险性评价

泥石流的形成受到多种因素的共同作用，这些因素错综复杂，每个因素的影响程度又受到不同的时间、空间等其它因素的影响。因此，可将泥石流系统看成是一个具有某种混乱程度的非线性的开放系统，借助熵理论表达系统因子的效用价值,评价泥石流的危险性。

本文在刘希林[16]提出的泥石流危险性评价方法的基础上，选择泥石流规模(103m3)、频率(%)、流域面积(km2)、主沟长度(km)、流域相对高差(km)、流域切割密度(km/km2)和不稳定沟床比例(%)7个因素作为评价因子，索否沟泥石流各评价因子见表4，泥石流规模按100年一遇泥石流持续时间1 h取值。

表4 索否沟泥石流危险性评价因子及其取值

采用熵值法对索否沟泥石流的危险性做出评价，具体步骤如下：

(1) 评价指标标准

将原始数据进行标准化处理，消除量纲影响，

(9)

公式(9)中：γij为量纲化处理后的数据；min(j)为某项因子中最小值；max(j)为某项因子中的最大值；xij为原始数据。

(2) 熵值计算

(10)

(11)

公式(10)～(11)中：Ej为第j项因子熵值；Pij为第i项指标在泥石流灾害中出现的频率；m为样本的个数；n为因子的个数。

(3) 评价指标权重W(j)计算

(12)

(4) 危险性值F(j)计算

(13)

选取邻近地区相似泥石流样本，确定各因子权重值：{0.14，0.22，0.11，0.12，0.09，0.18，0.14}，最终计算得泥石流危险性值为0.42，按泥石流危险性分级标准见表5，索否沟泥石流属中度危险。

表5 泥石流危险性分级

3.2 泥石流对工程影响评价

泥石流沟口距离坝轴线约500 m，且大坝填筑料场及部分临时建筑物拟布置于沟内1～3 km范围，泥石流是制约、影响沟道内相关设施布置的重要因素。利用FLO-2D数值模拟方法研究泥石流运动全过程，从泥石流在运动过程中泥石流堆积物的分布、泥深特征为沟道内相关场地的布置提供依据。分析结果表明，7号沟堆积扇附近沟段、沟底高程3 900.00 m以下宽阔沟道段泥石流的泥深较浅、流速低，泥石流危险性呈中-低危险区范围(见图6)，对大坝安全影响较小。但泥石流对沟内料场开采、临时建筑物及施工期人员和设备安全均影响较大，建议进行防治处理。

图6 泥石流危险性分区图(P=5%)

4 结论与建议

(1) 索否沟流域面积15.4 km2，平均纵比降约176.2‰，松散固体物源较丰富，具备发生泥石流的地形、地质、物源及水源条件。

(2) 根据索否沟泥石流发育的基本特征，沟内曾多次爆发泥石流，泥石流重度为1.655 t/m3，为稀性泥石流；泥石流流速3.64 ～4.03 m/s，10%～1%降雨频率下的泥石流流量36.13～67.27 m3/s、1次泥石流的过程总量3.43 ～6.39万m3、1次冲出固体物质1.35 ～2.51万m3，属中型泥石流。

(3) 基于熵值法对索否沟泥石流危险度的计算结果表明，其处于中度危险，对区内拟建工程、人员和设备安全均影响较大。

(4) 建议在沟底高程4 300.00 m附近布置拦挡坝，在下游拟建施工临时场地以及场内交通段的沟谷布置单边防护堤等工程措施。同时，在施工期加强对流域内滑坡进行监测、巡视，并结合变形特征，提前做好相关的应急预案措施。