西藏中波水电站库区泥石流对工程影响研究

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(1.中国地质调查局 地质灾害防治技术中心， 成都 610081；

2.中国地质科学院 探矿工艺研究所，成都 610081；

3.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 成都 610059；

4.中国水电顾问集团 华东勘测设计研究院， 杭州 310014)

泥石流的发生、发展与山地的形成演化过程息息相关，是山地环境退化、地表结构恶变、生态平衡失调的产物[1]。其暴发属于山区地表重力地质过程灾变演化的一种自然现象，往往具有突发性、历时短、致灾毁灭性强等特点，严重威胁到广大山区居民生存和工程建设的安全[2]。

中波水电站位于西藏自治区昌都地区玉曲河下游河段，最大坝高170 m，水库正常蓄水位高程3 220 m，相应库容为2.682亿m3，死库容1.001亿m3，总装机容量185 MW。经过详细排查，库区共发育8条泥石流沟谷，是影响水电站施工与运营安全的地质隐患之一[3]。本文旨在通过评价工程区泥石流的发育分布特征和危险性，从入汇堵江、冲击淤埋能力和水库淤积3个方面研究泥石流对水电工程的影响，对水工设计方案的确定和防灾减灾都具有实际的工程意义。

1 泥石流发育背景及分布特征

研究区地处青藏高原东部横断山地地貌区，谷坡陡峻，河谷深切，为典型的高山深切峡谷地貌，首先为泥石流产生奠定了地形基础。其次，区内主要出露地层主要为二叠系下统纳错群(P1nc1)下部组的板岩、变质砂岩夹大理岩，三叠系上统瓦浦组(T3wp)的结晶灰岩、板岩和变质砂岩，侏罗系中统柳湾组(J2l)的变质砂岩、板岩等易风化岩石，加之地质历史时期构造作用、冰川和冻融作用较为强烈，岩体完整性较差，为泥石流暴发提供了较丰富的松散固体物源。最后，研究区属喜马拉雅山南翼亚热带湿润气候，气候瞬息万变，气象水文条件复杂，降雨的集中性和突发性，以及气候突变引起的冰雪融水为泥石流暴发提供了充沛的水动力条件。因此，区内较大沟谷基本均具备产生泥石流的3个必要条件。

遥感解译和现场调查表明库区共发育8条典型的泥石流沟谷(表1，图1)，研究区左岸位于阳坡，加之软硬岩差异性风化，左岸表生岩体质量较差，且地形更缓，从而发育成熟高、相对宽缓的沟谷，而右岸的沟谷相对狭窄、陡峭。

其中，仅有扎拉沟和瓜脚弄巴沟位于距坝址1 km的重大影响范围内。这2条沟谷发育特征类似，具有如下特点：①均位于右岸，沟道狭长、陡峭，降雨丰寡对沟水量起支配作用，具有典型的陡涨陡落山溪性水流特征，汛期往往呈现多峰阵流的特点；②泥砂补给主要来源于中上游纳错群组地层分布区松散崩塌碎屑物，细颗粒含量极少；③扇地测绘和勘探表明历史泥石流流体特征呈稀性，规模属中小型；④出山口径流段陡峻，加速搬运功能显著。

表1 库区泥石流基本属性统计

图1 库区泥石流沟谷分布

表3 泥石流致灾能力与受灾体抗灾能力分级量化表

这些沟谷历史上曾暴发过规模不等的泥石流，现今仍存在暴发致灾性泥石流的危险性，与施工安全和电站正常运营关系密切。

2 库区泥石流危险性评价

泥石流危险性分析具有非常现实的意义：认识泥石流活动的发展阶段和威胁对象抗灾能力，预测未来泥石流活动强度与频率，为决策是否需要防治以及采取什么措施进行防治提供直接依据[1]。本文选用规范推荐的暴雨泥石流危险程度或灾害发生机率判别式[4]，即

D=F/E。

(1)

式中：D为危险程度或灾害发生机率；F为泥石流致灾能力；E为受灾体的抗灾能力。泥石流危险程度分级见表2。

表2 泥石流危险程度分级

泥石流致灾能力(F)和受灾体抗灾能力(E)各评价因子与得分见表3，将库区8条典型泥石流沟按此标准量化得到各沟危险程度见表4。

表4 库区泥石流危险程度评价

由结果可知，距离坝址仅500 m左右的扎拉沟危险程度最为突出，D>1，受灾体处于危险状况，成灾可能性大；莫拉沟属近期活动性最强的泥石流沟谷，D≈1处于灾变的临界状态，由于远离枢纽区，工程危胁较小，可能对水工附属设施有一定影响；库区其余6条沟谷D<1，受灾体处于安全状态，成灾可能性小。

3 库区泥石流工程影响研究

3.1 泥石流入汇堵江分析

水电站选坝一般选择在深切峡谷河段，由于主河道束窄，上游沟谷泥石流暴发冲出的石块、泥砂相对易堵塞主河道形成“堰塞坝”，若“坝体”堵塞持续时间较长，主河蓄积的水流溃决形成巨型洪流倾泻而下，直接冲击水工枢纽建筑，可酿成灾难性后果。因此，泥石流入汇堵江是水电工程重大地质问题之一。

目前对泥石流入汇堵江的研究主要包括室内试验和工程类比2类。前者通过改变泥石流入汇主河道关键影响因素设计试验[5]，利用统计学理论或数学模型建立泥石流堵江判别公式，但由于缺乏大量工程实践，可靠性有待检验；后者是通过分析区内有堵江历史的沟谷[6]，归纳出单沟泥石流的堵江特点，类比评价类似沟谷发生泥石流堵江的可能性，朱平一等[7]、韦方强等[8]学者做了有益的尝试，然而该方法理论依据不足，合理性尚待论证。

表5 100 a一遇设计条件下泥石流堵江可能性判别计算结果

崔鹏等[9]通过长年观测蒋家沟入汇小江的淤积资料，并由水槽试验提取相关影响因子回归分析的数学表达式(式2)。经过大量工程应用，该式适用于窄谷河段泥石流堵江可能性分析。因此，本文采用该式进行库区泥石流堵江判别。

CF=lnFR-0.883(1-cosθ)2-2.587γ。

(2)

式中：FR=QM/QC(QM为主河单宽流量；QC为支槽泥石流单宽流量)；γ=γC/γM(γC为支沟泥石流重度；γM为主河水流重度)；θ为主支槽夹角。若CF<-8.572，则存在堵江的可能性。

计算结果表明(表5)，现阶段库区各泥石流沟谷暴发100 a一遇的泥石流堵江可能性较低，水库蓄水后，河道加宽，堵江危险性甚微。

3.2 泥石流对水工建筑的影响

在深切峡谷区水电开发，由于场区缺乏平缓有利地形，较多水工建筑设置在泥石流沟谷两岸或堆积扇上。特别是水工枢纽区附近的沟谷，一旦发生泥石流对其影响最为直接，泥石流流体和携带的巨石直接冲击水工建筑，其主要破坏性表现在冲击和淤埋能力上[10-11]。本文对枢纽区建筑有重要安全影响的扎拉沟和瓜脚弄巴沟泥石流分析如下：

(1) 扎拉沟沟口距大坝下游约500 m，紧临上游围堰和导流洞进口，各种频率下的泥石流淤积均侵占河道，影响范围波及对岸。虽然该沟汇水形态呈柳叶形，沟道狭长，不利于支沟洪峰叠加，呈多峰阵流状，致使单峰流量不大，但泥石流流体和单块巨石冲压力偏大(表6)。因此其工程潜在影响突出，危险性大，建议增加截水疏导或格栅拦挡坝等防治措施，并加强汛期巡查，确保施工场地的人身财产安全。

表6 出山口处泥石流动力学参数(1%)统计

(2) 瓜脚弄巴沟位于大坝下游1 km处，该河段顺直，现今泥石流堆积扇体呈叠瓦后退式，沟谷处于衰退期，各种频率下的泥石流自然淤积，仅100 a一遇泥石流侵占部分河道，虽泛滥影响范围已达对岸，但附近没有水工建筑分布，工程影响较小，建议不设防。

根据实践经验需强调的是，尤其进入施工期后，物资供给趋紧，人地矛盾突出，不可避免存在乱砍乱伐、填沟造地、削坡建房、工程堆渣等不合理的人类活动。许多灾害事件表明，这些工程活动不仅持续恶化生态环境，而且改变了沟道原有的沟道排导条件和物源补给条件，若不得到合理地控制，不排除由于人工物源陡增而暴发灾难性泥石流的可能。

3.3 泥石流对水库淤积的影响

库区泥石流对水电工程的淤积影响主要表现在水库蓄水运行后[3]。在运行期，虽然沟内不合理人类活动会逐步下降，但生态环境的恢复需要较长周期，因此泥石流的活动性也不会迅速地衰减。工程实践发现，在山区泥石流暴发输送的固体砂石是水库淤积泥砂的重要来源之一[12]。一旦库区蓄水后岸坡坍塌和泥石流暴发蓄积的泥砂体积接近，甚至超过死水位库容后，水库将失去调节和发电功能，直接影响到水库的安全运行。

假如水库蓄水后，堆积区完全被淹没，则泥石流入库量取各设计频率下泥石流输砂量总和即可；但通常情况下，在水库蓄水后，泥石流沟口堆积区被淹没一部分，泥石流大部分依旧在堆积区上发生堆积，仅少部分进入主河，因而对于库区泥石流入库量的分析按照式(3)计算[13]。

Vs0=ap×Vs。

(3)

式中：Vs0为某设计频率下泥石流入库量(m3)；Vs为某设计频率下泥石流输砂量(m3)；ap为某设计频率下泥石流入库系数。

出于水工设计保守，在工程运营期间(按100 a计)，各设计频率下泥石流暴发次数按不利情况(100 a内分别暴发10，5，2，1次)估算得到(表7)：库区主要有8条泥石流沟对于坝址而言累积总输砂量约为301.77万m3，仅占水库总库容的1.125%，死库存容的3.018%，对水库正常运营较小，因此泥石流对水库淤积不构成控制性影响。

表7 库区泥石流100 a内输砂量统计表

4 结 论

本文从入汇堵江、冲击淤埋能力和水库淤积3个方面分析了中波水电站泥石流工程影响，得到主要结论如下：

(1) 目前库区8条泥石流沟谷不会造成严重的堵江问题，水库蓄水后，水位抬升，河道加宽，堵江机率极小。

(2) 根据泥石流危险程度判别，距离坝址最近的扎拉沟危险性大，且计算100 a一遇泥石流整体冲压力和单块巨石冲压力较大，需增加泥石流专项治理并加强汛期巡查，减少灾害风险。虽然其余沟谷危险性较小，但水工附属设施布置尽量避免在活动性较强的泥石流沟口，以确保生产安全。

(3) 在工程运营期间(按100 a计)，经保守估算，库区泥石流总输砂量为301.77万m3，仅占水库总库容的1.125%，死库存容的3.018%，不影响水库正常运营。

需要强调地是，进入施工期后，应严格控制沟域内不合理的人类工程活动，不排除由于物源陡增而暴发灾难性泥石流的可能。

参考文献：

[1] 刘希林, 唐 川. 泥石流危险性评价[M]. 北京:科学出版社, 1995. (LIU Xi-lin, TANG Chuan. Assessment of the Hazard Degree of Debris Flow[M]. Beijing: Science Press, 1995. (in Chinese))

[2] 唐 川, 黄润秋, 黄 达 ,等. 金沙江美姑河牛牛坝水电站库库区泥石流对工程影响分析[J]. 工程地质学报, 2006,14(2):45-51. (TANG Chuan, HUANG Run-qiu, HUANG Da,etal. Impacts of Debris Flows on the Reservoir of a Hydropower Station in the Meigu River of Jinshajiang[J]. Journal of Engineering Geology, 2006, 14(2): 45-51. (in Chinese))

[3] 李文强, 石豫川, 王敬勇. 雅鲁藏布江中游某水电站库区泥石流工程影响分析[J].水文地质工程地质, 2013, 40(1):89-92. (LI Wen-qiang, SHI Yu-chuan, WANG Jing-yong. Impacts of Debris Flows on the Reservoir of a Hydropower Station in the Middle of the Yarlung Zangbo River[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2013, 40(1): 89-92. (in Chinese))

[4] DZ/T 0220—2006 ，泥石流灾害防治工程勘查规范[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006. (DZ/T 0220—2006, Specification of Geological Investigation for Debris Flow Stabilization[S]. Beijing: Standards Press of China, 2006. (in Chinese))

[5] 陈德明, 王兆印, 何 耘. 泥石流入汇对河流影响的实验研究[J].泥沙研究， 2002, 6(3):22-28. (CHEN De-ming, WANG Zhao-yin, HE Yun. Experimental Study on the Fluvial Process of Debris Flow Discharging into River[J]. Journal of Sediment Research,2002, 6(3):22-28. (in Chinese))

[6] 张金山, 林 伟. 蒋家沟入汇河段泥石流堆积与输移特征分析[J].长江科学院院报, 2013, 30(5):27-33. (ZHANG Jin-shan, LIN Wei. Characteristics of Debris Flow Deposit and Transport in the Confluence Reach of Jiangjia Ravine[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2013, 30(5): 27-33. (in Chinese))

[7] 朱平一, 程尊兰, 游 勇. 川藏公路培龙沟泥石流输砂堵江成因探讨[J]. 自然灾害学报, 2002, 9(1):80-83.(ZHU Ping-yi, CHENG Zun-lan, YOU Yong. Research on Causes of River Blocking by Sediment Delivery of Peilonggou Gully Debris Flow in the Sichuan-Xizang Highway[J]. Journal of Natural Disasters,2000, 9(1):80-83. (in Chinese))

[8] 韦方强, 胡凯衡, 崔 鹏， 等. 蒋家沟泥石流堵江成因与特征[J]. 水土保持学报, 2002, 16(6):71-75.(WEI Fang-qiang, HU Kai-heng, CUI Peng,etal. Characteristics and Origin of Debris Flow of Jiangjiagou Valley Blocking[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2002, 16(6): 71-75. (in Chinese))

[9] 崔 鹏, 何易平, 陈 杰， 等. 泥石流输沙及其对山区河道的影响[J]. 山地学报, 2006, 24(5):539-549.(CUI Peng, HE Yi-ping, CHEN Jie,etal. Debris Flow Sediment Transportation and It’s Effects on Rivers in Mountain Area[J]. Journal of Mountain Science, 2006,24(5):539-549.(in Chinese))

[10] 张 宇, 韦方强, 贾松伟，等. 砖砌体建筑在泥石流冲击力作用下动态响应实验[J]. 山地学报, 2006,24(3):340-345.(ZHANG Yu, WEI Fang-qiang, JIA Song-wei,etal. Experimental Research of Unreinforced Masonry Wall under Dynamic Impact of Debris Flow[J]. Journal of Mountain Science, 2006,24(3):340-345.(in Chinese))

[11] 李彦军, 刘汉超, 石豫川. 四川某电站库区泥石流的特征研究[J]. 水土保持研究, 2005, 13(3): 194-197. (LI Yan-jun, LIU Han-chao, SHI Yu-chuan. Analysis of Debris Flows Characteristics of the Reservior Area of a Power Station in Sichuan[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2005,13(3):194-197.(in Chinese))

[12] HARDJOSUWARNO S, SOEWARNO. Reservoir Sedimentations Due to Debris Flow and Its Measures in Wlingi, East Java and Bili-bili, South Sulawesi[J]. Journal of Applied Sciences in Environmental Sanitation,2008,3(2):73-78.

[13] 敖汝庄, 郭志学, 曹叔尤. 泥石流入汇主河淤积规律的水槽试验研究[J].水土保持学报, 2004,18(4):196-199.(AO Ru-zhuang, GUO Zhi-xue, CAO Shu-you. Flume Experiment Study on Deposit Principle of Debris Flow when Debris Flow Confluence with Main River[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2004,18(4):196-199.(in Chinese))