金沙江白鹤滩水电站小红岩沟泥石流危险性评价

宋庆滔，李思佳

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江华东岩土勘察设计研究院有限公司,浙江 杭州 310014)

泥石流灾害是山区城镇常见的一种地质灾害,规模较大,造成人员伤亡和财产损失较高[1-2]。在我国西南地区,特别是金沙江流域,由于地震、降雨等因素,泥石流灾害频发,严重威胁水电工程的安全稳定。为确保水电站及辖区内居民的生命和财产安全,进行泥石流危险性评价至关重要。

金沙江位于长江上游,该区域是中国水电开发的重点区域,是“西电东送”主力。由于金沙江流域深切河谷发育,地震、降雨频发,诱发地质灾害频发,尤其是泥石流灾害一直威胁这一区域水电工程在建设期和运营期的安全稳定,群死群伤事件时有发生[3-4]。例如,甘孜州一水电站施工区2009年7月暴发泥石流灾害,造成多人罹难;2012年6月,在建白鹤滩水电站坝址近场区9条沟暴发泥石流,其中矮子沟发生了特大型泥石流,导致多人罹难[5]。金沙江流域是我国灾害性泥石流最为频繁的地区,已查明7 290条泥石流沟,我国50%以上的泥石流灾害发生在该区域[6]。

为了减轻泥石流灾害对水电工程的威胁,保障水电站及辖区居民的安全,进行泥石流危险性评价非常重要[7]。特别是在白鹤滩水电站坝址区,许多沟道在地质历史上都经历过泥石流事件,部分沟道近期泥石流活动仍然十分活跃。由于松散物质结构较原始状态更松散且内部孔隙度更大,使得松散物质更加不稳定,泥石流的临界水力条件更低,因此泥石流活动更加强烈[8-10]。然而,频繁的泥石流灾害区域还缺乏详细的工程地质调查,因此需要针对典型泥石流沟道提出危险性评价方法[11]。

本文选取了金沙江白鹤滩水电站小红岩沟泥石流为研究对象,系统分析了泥石流形成的地形和物源条件,并通过室内试验提出了小红岩沟泥石流堆积物的特征。随后,从泥石流流速、流量和冲击力三个方面对小红岩沟泥石流进行了危险性评价,旨在为该地区的工程建设和安全运营提供参考依据。

1 工程概况

金沙江白鹤滩水电站位于金沙江下游河段,是金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝四个梯级水电站中的第二级。坝址距离上游巧家县城45 km,距上游乌东德水电站坝址约182 km,距离下游溪洛渡水电站195 km。坝址位于四川省宁南县六城镇的左岸,云南省巧家县大寨镇的右岸。旱谷地料场位于坝址上游、金沙江右岸、巧家县城东北面山坡,距坝址约31 km,公路里程约55 km,是白鹤滩水电站大坝工程的骨料场。工程地质调查发现,该料场北侧发育一条降雨型沟谷低频大型稀性泥石流沟——小红岩沟,对工程施工期及运行期安全构成潜在威胁。

小红岩沟的流域面积约为16.32 km2,最高海拔为3 250 m,汇入白龙沟的高程790 m。沟谷高差约2 460 m,主沟长约10.37 km,整体纵坡降为237‰。该流域地形为构造侵蚀高中山地貌,属于药山山脉南麓轿顶山西坡。主沟总体走向近东西向,流域平面呈长条形,宽度上上宽下窄。植被覆盖率约为50%,主要由乔木和灌木组成。沟谷自上而下可分为三段:

上段高程3 250 m～2 700 m,地形陡峭,坡度50°～70°,有发达的树枝状水系。

中段高程2 700 m～1 100 m,其中2 200 m以上为陡坡地形,部分区域为斜坡,高程2 200 m～1 100 m为斜坡地形,坡度约18°～25°;下段高程1 100 m～790 m,地形为缓台与陡坡相间,大坪子缓台坡度5°～8°,分布有大量民居,陡坡坡度约30°～40°。箐门口沟在高程1 100 m附近汇入小红岩沟,而在高程790 m处,小红岩沟汇入白龙沟。在高程1 100 m附近的北侧,分布有罗盘山崩塌体。

2 小红岩沟泥石流形成条件分析

泥石流的形成受到地形条件、物源条件和降雨激发条件等多方面的影响。根据对小红岩沟的实际勘测与调查结果,我们对该地区泥石流形成的各项条件进行了分析。

1)地形条件。小红岩沟流域东部地势较高,西部地势较低,水流走向大致自东向西流动。流域最高点位于海拔3 250 m处,于海拔790 m处汇入白龙沟,而在海拔690 m处汇入水碾河沟。整个沟床纵坡大约为237‰。主沟海拔1 400 m以上,长约6.03 km,流域面积约为8.54 km2,总体纵坡降为307‰(详见图1)。局部地区存在陡坎,整体沟床坡度约为17°。主沟宽度在20 m～30 m之间,沟深介于15 m～20 m之间。以上地形特征满足泥石流形成的地形条件。

2)物源条件。小红岩沟流域的崩滑堆积物源总量为24.01×104m3,主要分布在高程2 500 m以上的三处地点,整体稳定性较好,不会导致大规模滑坡形成集中物源。此外,部分冲沟两侧出现小范围的滑塌体,范围较小,未单独进行计算。崩滑堆积物中参与泥石流活动的不稳定物源量为7.06×104m3。小红岩沟沟内公路泥石流堆积物如图2所示。

侵蚀物源量由式(1)估算[12]:

Vs=Mr·Me·Ab

(1)

其中,Vs为每年侵蚀物源量,m3;Mr为降雨系数,小红岩沟年降水量800 mm～1 400 mm,故Mr取2;Me为侵蚀模数,小红岩沟流域泥石流区域按一般劣地考虑,取1.0万m3/(km2·年);Ab为流域内松散堆积物源总面积,取2.116 km2。

由式(1)计算得出小红岩沟流域每年提供的侵蚀物源量为4.23万m3,考虑坡面侵蚀可能参与泥石流活动的不稳定物源量按总储量的10%计算,为18.29×104m3。综上所述,流域内共计有218.14×104m3的松散固体物源量,其中可能参与泥石流活动的不稳定物源量为26.46×104m3。

3 泥石流危险性定量评价

小红岩沟泥石流危险性定量评价包括三个方面:泥石流流速评估、泥石流流量评估和泥石流冲击力评价。

3.1 泥石流流速

采用铁道科学研究院西南科学研究所推荐的流速改进公式计算小红岩沟泥石流流速(见式(2)):

(2)

小红岩沟高程1 400 m以上地形较为狭窄陡峭,沟段大部分呈窄V形谷,切割较深,植被发育,沟道两侧植被以草本植物和灌木为主,沟道内有少量高大乔木。该区沟道顺直,阻塞轻微,有阶梯跌水陡坎。糙率系数按文献[12]建议取平均值8.8。其他参数取值及计算结果列于表1。

表1 参数取值及计算结果

小红岩沟泥石流容重不超过1.6 t/m3,说明其所含固体物质占比较低,即Cv指数较低,属于稀性泥石流,经计算得不同爆发频率下流速为3 m/s～4 m/s,百年一遇的泥石流流速为4.03 m/s,相比于蒋家沟泥石流流速为5.5 m/s～11 m/s,小红岩沟泥石流流速较低。

3.2 泥石流流量

采用雨洪法东川公式(如式(3)所示)进行计算小红岩沟泥石流流量[13]:

QC=Qp(1+φ)DC

(3)

其中,QC为泥石流流量,m3/s;Qp为泥石流沟的洪水流量,m3/s;φ为泥沙修正数;DC为泥石流堵塞系数,根据工程地质情况按DZ/T 0220泥石流灾害防治工程勘察规范附表I.1确定,小红岩沟取1.5。参数取值及泥石流流量计算结果见表2。

表2 参数取值及泥石流流量计算结果

3.3 泥石流冲击力

泥石流整体冲压力按式(4)计算[14]:

(4)

其中,δ为泥石流冲压力,kPa;λ为建筑物形状系数,按矩形建筑取1.33;γC为泥石流重度,t/m3;Vc为泥石流平均流速,m/s;α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角,(°),可按最不利夹角90°取值。

根据现场调查,小红岩沟泥石流整体冲压力计算参数及计算结果列于表3。

表3 小红岩沟泥石流整体冲压力计算结果

根据研究结果可见,当P>1%时,即低于百年一遇的泥石流冲压力小于3 kPa;当P=1%时,小红岩沟泥石流的冲击力达到3.53 kPa。上述计算结果明显低于蒋家沟泥石流的冲击力,说明小红岩沟泥石流冲击力相对较低。泥石流的冲击力主要与粗颗粒含量及其粒径相关,小红岩沟泥石流速度较低,所能启动的粗颗粒和其他固体物质有限,其冲击力较低。针对上述计算结果,建议可对小红岩沟泥石流进行局部拦挡坝和导流渠治理。当然,泥石流的冲击力具有很强的随机性,需要后续进行进一步深入研究。

4 结论

基于工程地质调查,对金沙江白鹤滩水电站坝址区小红岩泥石流沟进行了全面剖析,从泥石流流速、流量、爆发规模和冲击力等四个方面评价了小红岩泥石流沟的危险性,得出以下主要结论:

1)小红岩沟高程1 400 m以上发生的泥石流属于沟谷降雨型低频大型稀性泥石流。在强降雨条件下,小红岩沟具备泥石流形成的三大条件,因此极有可能暴发泥石流。

2)小红岩沟流域面积约16.32 km2,主沟长约10.37 km,主沟总体纵坡降为237‰。高程1 400 m以上流域面积为8.54 km2,主沟长6.03 km,总体纵坡降307‰。在该流域内,松散固体物源总量约为218.14×104m3,可能参与泥石流活动的不稳定物源量为26.46×104m3。

3)在小红岩沟高程1 400 m处断面,50年一遇的泥石流主要参数为:泥石流容重为1.52 t/m3,泥石流流速为3.71 m/s,泥石流峰值流量为173.63 m3/s,一次泥石流总量和固体物质含量分别为5.50万m3,其中固体物质含量为1.72万m3,流体整体的冲击力为2.83 kPa。