富春江水电站左岸微波山泥石流特性与治理措施研究

杨建元，金忠良，何桂凤，霍世忠，吴晓亮

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司浙江华东建设工程有限公司，浙江 杭州 310030;2.昆明绿地环保工程资环有限公司，云南 昆明 650228)

泥石流是发生在山区的一种常见山地灾害，具有爆发突然、摧毁力强等特点［1］。泥石流灾害会给山区人民的生产生活造成沉重灾难，严重影响山区的生态环境及经济发展，因此泥石流灾害也备受关注［2］。由于我国经济建设的快速发展，对能源的需求也更加迫切，在这种背景下许多水电工程相继建设，泥石流对水电工程施工及运行期的影响也更加突出，泥石流对水电工程的威胁也越来越受到重视［3］。工程建设前期研究及运行期对枢纽区、水库区典型中～大型泥石流沟研究详尽，并采取相应的措施，但对枢纽区小型冲沟、细沟稀性泥石流、坡面泥石流等研究较缺乏。近年来中小型水电站枢纽区小型冲沟、细沟、坡面泥石流对中小型水电站影响突出，富春江左岸微波山泥石流以小型冲沟及坡面流为主，对其研究较为重要。主要采用现场地质测绘、坑探等方法，进行泥石流冲击力评价，提出有效治理措施。

1 微波山泥石流概况

富春江水电站位于浙江桐庐县境内的富春江上，坝址在桐庐县富春江镇。2009年08月13日晚，受台风“莫拉克”影响，富春江镇遭受大暴雨 (观测站最大降雨量3h达到191.0mm)，引发了富春江电站左岸微波山多处冲沟、坡面发生滑坡，在持续的降雨作用下转化为泥石流。泥石流冲毁部分排水设施、上山道路及消防水管，坡脚堆积物厚度达1m。由于人员及时转移、应急措施得力，此次泥石流灾害未造成人员伤亡及重大财产损失。但泥石流灾害严重威胁富春江电站开关站、水泵房、码头及消防管路的安全。

2 微波山泥石流形成条件分析

水电工程区泥石流的形成有自身的特点，由于水电工程在建设过程中人类活动频繁 (开挖隧道、砍伐树木、修建公路等)，会对工程区岩土体的稳定性造成不同程度的影响。泥石流的形成影响因素众多，不同的地域类型、气候特点泥石流的发育特征也有明显的差异。但泥石流形成所需的条件是必须具备的［4］能量条件、物源条件及强大的水动力条件，各种外在因素大多是通过影响这3大条件中的某个或其组合而影响泥石流的形成。

2.1 地形地貌及物源条件

富春江电站左岸微波山山顶高程约202.0m，坡底高程约32.0～35.0m，山体自然坡度约25～55°，山体斜坡冲沟发育，平均纵坡降500‰～700‰，沟床坡降大，为泥石流提供了巨大的能量。沟底多基岩出露，沟谷两侧岸坡地形坡度较陡，一般均大于32°，坡面覆盖层分布广泛，厚度约1～3m，下伏为坚硬块状岩体，沿沟陡坡覆盖层在降雨饱和后易塌滑，为泥石流形成提供了有利的地形条件和物源条件。

微波山地层主要由第四系残坡积地层和侏罗系地层构成，第四系残坡积层 (Qel-dl)，分布于微波山山坡表面，与基岩直接接触，红褐色～灰黄色，岩性为粉砂质黏土夹碎石，碎石成分与下伏基岩关系密切，为含角砾熔结凝灰岩，厚度1～3m。

岩性是影响泥石流发育的重要因素之一，不同类型的岩石成分、结构及风化程度，造成泥石流沟的发育程度不同，表现为泥石流对不同岩性的敏感性不同［5-6］。虽然微波山流域内岩性并不复杂，但经勘察发现各岩性的风化差异却较为明显，风化差异的岩性组合很容易为泥石流的发生提供物源［7］。且由于山坡地形较陡，一般32°以上，局部沟床基岩出露，沿沟床分布的残坡积覆盖层在降雨饱水后易向沟内塌滑，形成泥石流物源 (见图1)。

图1 冲沟岸坡塌滑及岸坡堆积物图

2.2 气象水文条件

富春江水电站所在区域为亚热带季风气候，夏季6—9月为光湿高峰期，5月中旬至6月上旬为“梅雨期”，雨量较为集中，7—9月是台风季节，此季节多阵雨，偶有冰雹、龙卷风。多年平均降水量1462.0mm，日最大降水量153.4mm，年最大降水量2356.0mm，年最小降水量954.0mm，雨量集中在梅雨季和台风季。年平均降水天数170d。其中降水量大于10.0mm的天数为45d，最长连续降水天数15d。

泥石流的暴发是前期一定的降水积累和暴雨激发2个因素共同作用的结果［8］;研究发现我国引发泥石流的水源主要来自暴雨［9］。目前国内外很多学者都对降雨与泥石流之间的关系进行了较为深入的研究，并采用不同的分析方法和模型研究不同区域泥石流发生时的雨量或雨强的临界值，在很大程度上揭示了降雨与泥石流灾害之间的关系［10-12］。

由于微波山流域降雨较为丰富，流域内岩土体在前期降雨作用下接近饱和，土体的强度降低［13］，在大暴雨的作用下，坡体表面及内部均出现径流。在表面径流的冲刷及掏蚀作用下，土体的渗透性增大，入渗的水分增多，渗透力增大，土体的内部结构遭到破坏，随着土体内部孔隙水压力的升高，土体的强度降低甚至为零，在强降雨的激发作用下暴发泥石流。受台风“莫拉克”影响，富春江镇遭受大暴雨 (观测站最大降雨量3h达到191.0mm)，瞬时暴雨强度大，左岸微波山冲沟两侧陡坡处局部发生浅层塌滑，并随暴雨洪水搬运形成小规模泥石流。

2.3 微波山冲沟特征

富春江左岸微波山冲沟发育，临近电站大坝段岸坡主要发育4条冲沟 (见图2)，C1冲沟冲沟主沟全长约280.0m，沟口高程30.0m，沟源高程180.0m，沟床平均纵坡降535.7‰，沟谷较顺直，沟内支沟不发育，沟谷流域汇水面积约16500m2。C2冲沟沟谷较顺直，沟内有1条支沟发育，冲沟主沟全长约430.0m，沟口高程约34.0m，沟源高程252.0m，沟床平均纵坡降507.0‰，沟谷流域汇水面积约72000m2。C3冲沟沟谷较顺直，沟内支沟不发育，冲沟全长约125.0m，沟口高程约34.0m，沟源高程127.0m，沟床平均纵坡降747.0‰，沟谷流域汇水面积约9500m2。C4冲沟沟谷较顺直，沟内支沟较发育，主沟全长约230.0m，沟口高程约34.0m，沟源高程198.0m，沟床平均纵坡降713.0‰，沟谷流域汇水面积约15600m2。冲沟具有沟源不长、汇水面积不大，但纵坡降较大的特点，且山体坡度陡，残坡积分布范围广。

图2 富春江左岸微波山及其坡面冲沟分布图

2.4 暴雨强度

微波山以往没有爆发过较大规模的泥石流，2009年08月13日在强暴雨作用下工程区多条冲沟及坡面爆发泥石流，泥石流是由强降雨激发。当天3h降水量达191.0mm，降雨持续时间短，集中，暴雨强度大，由于冲沟沟床坡降大，洪水迅猛，导致沟内松散物源被洪水携带形成泥石流。

据DZ/T 0220—2006规范附录B，其暴雨强度指标值R=K(H24/H24(D)+H1/H1(D)+H1/6/H1/6(D))，桐庐县处于浙江省西北部，前期降雨量修正系数K取1.1;24h最大降雨量H24为183.0mm，可能发生泥石流的24h的界限雨量值H24(D)为60.0mm，1h最大降雨量H1为100.0mm，可能发生泥石流的1h的界限雨量值H1(D)为20.0mm，10min最大降雨量H1/6为22.0mm，可能发生泥石流的10min的界限雨量值H1/6(D)为10.0mm，计算得R=11.3，其发生泥石流的可能性大于80%。

3 微波山泥石流形成机制及形成过程

3.1 微波山泥石流形成机制

基于以上分析可知，富春江水电站左岸微波山位于亚热带季风气候区降雨较为充沛，前期降雨量较大。前期降雨量越大，激发泥石流所需的临界雨量就越小［14］。微波山流域内冲沟发育，沟道坡降大，岸坡地形较陡，坡面松散堆积物分布广发，在降雨过程中很容易被雨水冲刷堆积于冲沟内，在山洪的冲击作用下，山洪的巨大揭底作用会使沟床及沿途物质参与泥石流运动，形成一定规模的泥石流。

3.2 富春江水电站泥石流形成过程

风化地质作用→土体结构遭到破坏→丰富的前期降雨→激发泥石流的强降雨→松散固体物质浅层塌滑堆积于沟道→强降雨的持续作用形成山洪→沿沟床搬运掏蚀→水石流 (稀性泥石流)。

3.3 微波山泥石流发展趋势

微波山冲沟历史上无明确灾害记录，最近发生的泥石流灾害在2009年;表明泥石流处于发展期 (壮年期)，发生短时特大暴雨，或长时间的暴雨，就会发生小型泥石流灾害。

4 微波山泥石流冲击力评价

泥石流冲击力评价是基于基岩泥石流流速、流量计算的基础上的，进行整体冲击力和单块最大冲击力计算。

4.1 计算方法

泥石流整体冲击力按下式计算:

式中:F为泥石流整体冲压力，tf/m2(1tf相当于104N);g为重力加速度，9.8m/s2;α为受力面与泥石流冲压力方向所夹的角，°;λ为受力体形状系数，方形为1.47;矩形为1.33;圆形、尖端及圆端形为1.00。

单块块石的最大撞击力按下式计算:

式中:FS为单块巨石的撞击力，tf;γ为动能折减系数，正面撞击时取0.3;α为受力面与泥石流撞击面撞击角;C1、C2为巨石的撞击系数，C1+C2=0.005;W为巨石重量，tf。

4.2 计算结果及评价

根据式 (1)、式 (2)，微波山冲沟泥石流冲击力的计算均考虑最危险情况，即有关参数采用冲击力最大的数值，并且只考虑正面撞击，单块块石方量按0.5m3计算，其相应计算结果见表1。计算结果表明泥石流整体冲击力较小，由于沟床坡降大，单块冲击大，破坏力大。

表1 微波山泥石流撞击力计算表

5 泥石流对工程的影响及治理措施建议

微波山冲沟泥石流以往没有发生过泥石流，泥石流易发程度为轻度易发，本次爆发的泥石流为100a一遇的泥石流，通过本次泥石流后沟内沟床及两侧岸坡被冲刷、掏蚀，使原始地貌发生改变，将来再次爆发泥石流的可能性大，泥石流易发程度为趋于易发。冲沟口为沿江公路，江边为码头、水泵房，泥石流主要危害沿江公路及江边码头、消防水管等。

根据调查及估算，微波山C1、C2、C3、C4冲沟100a一遇泥石流总量分别约1300，8000，600，1400m3，一次泥石流输沙量约500，3300，300，600m3，输砂量均较小，C2冲沟相对较大。结合地区泥石流防治措施经验及沟口特点，C1冲沟泥石流采用排导的防治措施难度及工程量较大，目前沟内泥石流固体物源主要分布在沟口段沟床及沟谷两侧，沟谷中上游沟床基岩出露，泥石流物源相对较少，沟口段沟床坡降较缓，建议沟口段修筑浆砌石排水沟，使沟口段沟床及沟谷两侧不被再次冲刷、掏蚀;沟内设拦挡坝，拦挡上游固体物质，汛期及时清理拦挡坝内堆积物;清理沟内被冲出的树根、枯木及容易滚动的块石;沟源滑坡区进行坡面加固或支挡、拦挡。C2冲沟沟口无建筑物，建议沟口修筑排导渠，将泥石流排入江内，沟内泥石流固体物源主要分布在沟口段沟床及沟谷两侧，沟谷中上游沟床基岩出露，泥石流物源相对较少，沟口段沟床坡降较缓，建议沟口段修筑浆砌石排水沟，使沟口段沟床及沟谷两侧不被再次冲刷、掏蚀;沟内设拦挡坝，拦挡上游固体物质，汛期及时清理拦挡坝内堆积物;清理沟内被冲出的树根、枯木及容易滚动的块石;沟源滑坡区进行坡面加固或支挡、拦挡。C3冲沟口为江边有水泵房，沟口采用排导的防治措施难度大，沟口沟床坡降大，基岩出露，建议沟口采用混凝土挡墙拦挡，清理沟内部分松散物，沟内部分沟谷两侧被冲刷地段可采用浆砌石或混凝土驳坎护坡;沟源滑坡区进行坡面加固或支挡、拦挡，清除沟源孤石。C4冲沟口有消防，沟口采用排导的防治措施难度大，沟口沟床坡降大，基岩出露，建议沟口采用混凝土挡墙拦挡，沟内目前有滑坡堆积物残留，建议进行清理，沟内部分沟谷两侧被冲刷地段可采用浆砌石或混凝土驳坎护坡;沟源滑坡区进行坡面加固、支挡。

6 治理设计及治理效果

6.1 治理设计原则及高坡降小流域泥石流治理研究

以人为本，采取防治结合的目标原则，保证泥石流不形成灾难性的危害，最大限度地遏制微波山村泥石流灾害的发生，确保富春江水电站及周边人民群众的生命财产安全、社会和谐稳定和社会经济发展。

根据浙江省高坡降泥石流特点，一般采用泥石流分区治理，形成区一般采用封山育林，25°以上陡坡地区退耕还林，科学规划集排水系统，坡面治理工程，沟谷稳坡稳谷治理工程、低坝群 (实体坝)、护底护岸工程等;流通区一般采用拦挡工程格栅坝 (水石型、泥石型)、实体坝 (泥流地区)、淤地坝 (泥流地区)、护底、护岸工程、导流工程;堆积区一般采用导流工程、排导工程、护底、护岸工程、停淤场、缓冲林带、集流归槽。

6.2 治理设计

微波山泥石流活动性中等，拥有一定物源量，而水源条件并不丰富，泥石流主要为暴雨作用下的短时洪流所激发，其运动具有历时较短、流量较大等特点。设计主要采用在流通区进行拦挡的治理方案，即在泥石流的流通区(中下游)主要以护底拦挡为主，减小泥石流流速和冲击力，改变泥石流流体性质，保护沟底和冲沟两岸，同时拦挡较粗大的固体物源，以利于剩余的少量较细颗粒泥石流(稀性为主)顺畅往下排泄及堆积。沟口段设置排水沟、导流槽 (护面墙)等。

6.3 治理效果

根据治理措施建议，微波山泥石流沟治理工程设计采用拦挡坝+排水沟相结合的防治工程，沟源进行护面加固，沟道新建排水沟，沟口进行浆砌块石护坡，C2沟口设置箱涵外其余冲沟设置拦挡坝治理。2010年台风来临前治理竣工，2010年以来台风季节暴雨期间未再次发生泥石流地质灾害，2012年“海葵”、2013年“菲特”台风正面登陆影响，暴雨强度强于2009年，微波山亦未发生泥石流灾害。

7 结语

(1)富春江水电站左岸微波山沟谷存在暴发泥石流的地形地貌、固体物源及水动力条件，将来有发生一定规模泥石流的可能性。为了防止泥石流暴发对电站运行的危害，将泥石流的危害程度降至最低程度，采取合理的防治治理措施是必要的。

(2)微波山泥石流沟源短、汇水面积小、坡降大，泥石流整体冲击力虽较小，由于沟床坡降大，单块冲击大，破坏力大。采沟源护面加固、新建沟道处理、沟口拦挡是可以的。

(3)经过治理，经历更加强力的台风暴雨，亦未发生泥石流地质灾害，治理效果好，对针对小型冲沟稀性泥石流具有推广、应用价值。

［1］刘光旭，戴尔阜，吴绍洪，等.泥石流灾害风险评估理论与方法研究［J］.地理科学进展，2012，31(3):383-391.

［2］贺拿，陈宁生，曾超.泥石流起动机理研究现状及趋势［J］.灾害学，2013，28(1):121-125.

［3］欧阳刚.官地水电站坝区上游黑水河泥石流发育特征及防治措施研究［D］.成都:西南交通大学，2009.

［4］王彦东，黄润秋，邓辉.西南某水电站泥石流形成条件及运动特征研究［J］.中国地质灾害与防治学报，2007，18(1):39-43.

［5］张继，韦方强，于苏俊，等.基于风化物水理特征的泥石流对岩性敏感性研究 ［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(11):2227-2233.

［6］张继，韦方强，于苏俊，等.泥石流对岩性的敏感性研究现状及展望 ［J］.安徽农业科学，2008，36(31):13835-13837，13841.

［7］吴光明.泥石流物源区基岩岩性特征探讨［J］.水文地质工程地质，2008(5):110-112.

［8］苏鹏程，刘希林，郭洁.四川泥石流灾害与降雨关系的初步探讨 ［J］.自然灾害学报，2006，15(4):19-23.

［9］潘懋，李铁锋.灾害地质学［M］.北京:北京大学出版社，2002:112-121.

［10］ Kenneth A.Debris flow during intense rainfall in Snoedonia，North Wales:a preliminary survey ［J］.Earth Surface Processes and Landforms，1987(12):561-566.

［11］ Au S W C.Rainfall and slope failure in HongKong ［J］.Engineering Geology，1993(36):141-147.

［12］ Au S W C.Rain-induced slope instability in HongKong［J］.Engineering Geology，1998(41):1-36.

［13］黄琨，万军伟，陈刚，等.非饱和土的抗剪强度与含水率关系的试验研究［J］.岩土力学，2012，33(9):2600-2605.

［14］丛威青，潘懋，李铁锋.降雨型泥石流临界雨量定量分析［J］.岩石力学与工程学，2006，25(增1):2808-2812.