乌东德水电站猪拱地沟泥石流特性与防治对策

刘 波，牛运华，王英奎，代德富

(1.长江勘测规划设计研究院，武汉 430010；2.昆明市东川区泥石流防治研究所，昆明 654100)

乌东德水电站猪拱地沟泥石流特性与防治对策

刘 波1，牛运华1，王英奎1，代德富2

(1.长江勘测规划设计研究院，武汉 430010；2.昆明市东川区泥石流防治研究所，昆明 654100)

乌东德水电站坝址区受多条泥石流沟的威胁，为避免泥石流灾害带来巨大损失，制定有效的防治对策对工程建设具有重要意义。基于野外调查和室内模型试验，对猪拱地沟泥石流静动力特性进行了分析，结合特殊的地形、地质条件以及工程布置，制定了防治对策。此外，还对猪拱地沟的泥石流防治效果进行了跟踪评价。结果表明：拦挡坝能够有效阻止大颗粒固体物质参与泥石流活动，可减轻上游沟道的冲刷程度；停淤场使部分小颗粒固体物质停留，最终只有少量的固体物质和洪水通过排导槽下泄；“V”形排导槽具有立体束流特点，排导效果显著；排导槽出口位于坚硬的基岩，抗冲刷能力较强，有利于排导槽的稳定。“拦挡、停淤、排导”防治体系效果良好，对今后泥石流防治对策具有借鉴意义。

乌东德水电站；猪拱地沟；泥石流; 静动力特性；防治对策； 防治效果

1 研究背景

乌东德水电站是金沙江下游河段水电梯级(乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝)的第1级，是国内第3座千万级巨型水电站。猪拱地泥石流沟位于金沙江左岸，沟口距下游乌东德坝址4.1 km，在沟口一带沟道高程945 m以下将作为弃渣场，容量约150万m3；高程945 m以上将作为开挖有用料存料场，容量约250万m3；左岸高线过坝道路从猪拱地泥石流沟上游经过。巨大的存弃料场和永久交通与大型泥石流沟交错布置，若一旦爆发泥石流，将堵塞天然沟道，甚至堵塞江河、影响水电站库容，给电站的正常运行造成巨大损失，因此猪拱地泥石流沟的特性分析与防治是该工程重点科研课题之一。

国内外众多学者对泥石流的特性及防治措施进行了研究，并取得了一定成果。游勇等[1]通过理论推导，得出不同断面形式泥石流排导槽的水力条件优劣性；陈中学等[2]通过室内模型试验，初步探讨了黏土颗粒含量对泥石流启动的影响，揭示了泥石流形成的内在机制；徐林荣等[3]基于冲淤平衡原理，结合雨洪修正法与形态断面法相关原理，对沟道横断面任意位置流速计算公式进行了推导，并获取了泥石流流速横向分布的非线性特征；周健等[4]通过室内模型试验和分析软件，研究了泥石流启动时含水量对土体滑裂面的影响；舒安平等[5]通过室内模拟试验探究了不同坡度条件下非均质泥石流的堆积厚度、面积等特征值的变化特征；常鸣等[6]从地形、水文、静动力及物源4个条件着手探讨了水动力因素下的典型矿渣泥石流运动模式；柳金峰等[7]以豆芽坪坡面泥石流为研究对象，在分析其防治现状、泥石流危害性的基础上，提出了防治方案，但未对防治效果进行追踪评价；屈永平等[8]通过野外调查和统计，建立了泥石流的堆积几何模型及其危险范围，可为泥石流灾害的风险评价和管理提供参考；贺拿等[9]以调查法、频率法以及泥石流启动原位试验，推算泥石流的临界雨量，为泥石流的预报提供准确数据。

上述研究成果有的通过一定简化，采用试验和理论推导获得；有的虽然提出了泥石流治理措施，但是对泥石流的特性分析不够全面，对治理效果未进行跟踪评价。由于泥石流形成机理十分复杂，其防治措施应与实际地形、地质特征以及建筑物布置等相结合。此外，对治理效果还应进行跟踪评价，以便于完善治理对策，为今后类似工程提供参考，但目前这方面的研究工作较少。

本文针对金沙江乌东德水电站坝区大型泥石流沟——猪拱地泥石流沟，通过野外调查和室内试验对泥石流的静动力特性进行了详细分析。结合实际地形、地质条件和工程布置情况，在方案比选论证的基础上，制定了防治对策，并对泥石流沟“原始状态—施工—运行”进行了跟踪评价，对今后水电工程建设中的泥石流治理具有一定借鉴意义。

2 泥石流概况

猪拱地泥石流沟位于乌东德水电站坝址左岸上游4.1 km处，流域平面形态呈不规则的长条状-弯月状，空间上呈漏斗状。流域最大高差达1 583 m，流域面积6.64 km2，主要支沟有石膏湾沟、石板东沟、小卧嘎沟、硝沟等。猪拱地沟底部沟床切割较深，一般为9～16 m，最大切割深度约30 m，主沟长5.12 km，沟床宽大多在7～15 m，局部地段达50 m，沟床弯曲系数为1.15，较平直，以104°夹角汇入金沙江。沟谷在不同高程处呈不规则“V”形或“U”形。猪拱地泥石流沟的原始状态见图1，特殊的地形是泥石流形成的主要原因之一。

图1 猪拱地沟原始状态Fig.1 Original condition of Zhugongdi Gully

泥石流沟内地层复杂，主要由基岩和第四系物质组成。基岩地层主要有震旦系灯影组(Z2d)、三叠系白果湾组(T3bg)、侏罗系益门组(J1y)、新村组(J2x)、牛滚凼组(J2n)、官沟组(J3g)等，各地层由沟口至后缘依次分布。岩性主要为泥质砂岩、泥岩、泥灰岩、灰岩、石英砾岩及白云岩等，其中砂泥岩等碎屑岩类为该流域内主要岩性，由于其岩性软、易风化等特点，容易形成第四系松散堆积层，从而为泥石流活动提供了一定的物源。第四系物质主要为崩坡积物碎块石夹粉质黏土、冲积粉质黏土及滑坡堆积物，主要分布于冲沟右侧，其中滑坡堆积层厚度一般为5～40 m，滑坡体以外厚度一般为2～25 m，第四系物质为泥石流形成的直接物源。

猪拱地沟流域地处金沙江干热河谷亚热带季风气候区，区域地势高差悬殊较大，其气候具有沿河谷呈条带状分布与沿山坡高度立体分布的特点。泥石流沟位于我国降雨丰沛的西南地区，多年平均降雨量为600～1 058 mm。泥石流沟流域分布高程850～2 400 m，高程>1 065 m的斜坡内植被生长较差，多为矮小灌木，覆盖率约10%；高程<1 065 m的两岸边坡较潮湿的地带大部分生长合欢树，部分生长杂草、灌木，覆盖率约35%,降雨丰沛、植被稀少为形成泥石流的要素之一。

3 泥石流特性分析

为了研究泥石流的防治对策，笔者与昆明市东川区泥石流防治研究所进行了现场调查和模型试验工作，揭示了泥石流的静动力特性，为泥石流的防治提供依据。

3.1 现场调查

据现场调查，猪拱地泥石流可分为清水区、形成区、流通区及堆积区4个区，各区特性见表1。清水区为基岩裸露地带，大多无植被覆盖，区内仅小型冲沟发育，地形坡度较陡，一般为35°～45°，局部呈陡崖状。地层岩性主要为侏罗系及白垩系的碎屑岩类，岩体表面风化较为强烈，多风化呈碎屑、碎块状，厚度分布不均匀，从十几厘米到数米不等，能为泥石流形成提供丰富的物源。形成区主要分布厚度中等的残坡积物质，该区域内分布有大量的崩塌体。流通区内主要为碎块石土，一般堆积厚度较大，临沟侧一般形成几米至数十米的陡坎地形，在长期降雨等因素影响下有形成崩塌滑坡的可能，这将为泥石流提供大量的物源。堆积区位于金沙江边沟口，为略倾向金沙江上游的扇形区，纵向长度约140 m，坡降约162.56‰，沟口最大宽度约210 m。

表1 泥石流分区特性Table 1 Features of debris flow partitions

图2 模型试验装置Fig.2 Device for model test

3.2 静力特性

3.2.1 重度特征

泥石流重度分析采用

室内流动还原法，相关试验参数为：槽斜长2.1 m，槽净宽16 cm，槽净高16 cm；空杯质量229.9 g，杯内直径11.9 cm，满杯含水质量1 517 g，试验装置见图2。

在猪拱地沟中上游泥石流的沟侧堆积区取样158.9 kg，其中<1 cm的样品重84.75 kg，试验记录及分析见表2。

表2 泥石流试验记录Table 2 Records of debris flow sampling test

注：大块石重量系数(粒径1～2 cm)为1.129。

通过试验还原泥石流重度平均值为17.4 kN/m3，属过渡型低黏性泥石流，作为猪拱地沟泥石流的重度特征值在防治对策中使用。

3.2.2 流量特征

洪峰流量是泥石流的重要特征值之一。根据文献[10]中泥石流洪峰流量计算公式以及相关经验数据，结合现场调查情况，猪拱地沟不同频率下的洪峰流量见表3。

表3 不同频率下的泥石流洪峰流量Table 3 Peak values of debris flow at different frequencies

根据猪拱地沟小流域的具体情况及保护对象的价值及重要性，确定泥石流防治标准为50 a一遇，设计洪峰流量为93.90 m3/s。

表4 泥石流流速计算结果Table 4 Results of velocity of debris flow calculated by different formulas

3.3 动力特性

3.3.1 流速分析

泥石流流速是动力特性最为重要的参数之一，对泥石流沟的评价以及设防起着至关重要的作用。目前，国内外计算泥石流流速的方法很多，主要有理论、半理论和经验法。猪拱地沟泥石流属黏性泥石流，根据文献[11]附录I推荐公式(分别简称“东川改进、甘肃武都、通用”)和《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T 0239—2004)计算公式(简称“规范”)进行泥石流流速计算，结果见表4。

根据上述计算结果，猪拱地沟泥石流流速计算结果取东川公式和规范公式的平均值比较合理，更接近实际情况。经计算分析，猪拱地沟泥石流流速在7～10 m/s之间，属于中高速泥石流。

3.3.2 冲击力分析

泥石流冲击力是泥石流在运动过程中对所触及到的一切物体所产生的动荷载，直接关系到防治对策的选用、防治结构的尺寸拟定和配筋等，计算公式为

(1)

式中：Fδ为泥石流整体冲击压力(10 kPa)；γc为泥石流重度(10kN/m3)；Vc为泥石流流速(m/s)；g为重力加速度(m/s2)；α为建筑物受力面与泥石流冲压方向的夹角(°)，按正面撞击考虑α=90°；λ为建筑物形状系数，矩形建筑物λ=1.33。根据公式求得猪拱地沟泥石流整体冲击力为116～236 kPa。

3.3.3 最小纵坡分析

从表2试验结果可以得出：纵坡i=3.0°，在过流后全程有淤积，首段淤深最大4.5 cm；纵坡i=7.2°时，全程仍有淤积，最大淤深约1.2 cm；纵坡i=13.2°时，基本无明显淤积。由此可以得出，为满足泥石流顺利过流，猪拱地泥石流沟纵坡百分比约为7.2%。

4 泥石流防治对策

4.1 猪拱地沟内工程布置

根据乌东德水电站坝区施工布置的需要，猪拱地沟沟口一带高程945 m以下作为弃渣场，容量约150万m3；高程945 m以上作为开挖有用料存料场，容量约250万m3；左岸高线过坝道路跨越泥石流主沟；地方公路沿泥石流主沟上游盘旋而上，工程布置见图3。

图3 猪拱地泥石流沟内工程布置Fig.3 Layout of buildings in Zhugongdi Gully

弃渣场、存料平台使原泥石流流通区消失，代之以人工堆填的填方平台。在泥石流暴发活动期间，由于缺少了沟槽的限制作用，在堆筑平台上将形成大面积扩散，影响渣场平台上人员、材料及设施安全和填方坡体的稳定性。此外，泥石流对永久道路的跨沟设施也会产生强大的破坏作用。因此，泥石流的防治工程至关重要。

4.2 防治对策

根据泥石流静动力特点和沟内工程布置情况，为使泥石流得到有效控制，采用“拦挡+停淤+排导”的综合防治措施。

(1) 拦挡：在地方公路跨猪拱地沟上游70 m处，高程1 079 m位置，修建拦挡坝一座。坝址右岸坡度约80°，高约25 m，左岸坡被淘蚀为凹面，沟底宽15 m。坝型为重力式实体格墩坝，坝顶设格墩状溢流口过流，拦挡坝垫层坝高3 m，格栅墩高3 m，总净高6 m，格栅墩宽2 m、空隙宽1.5 m，拦挡坝结构见图4。其主要作用是拦挡上游下泄的大块石，控制部分沟道内松散物质再起动，抬高沟床基准面，减少洪水对两岸的冲刷，消减泥石流的峰量及动能。

图4 拦挡坝效果图Fig.4 Picture of block dam

(2) 停淤：猪拱地沟一次泥石流过程冲出的固体物质总量约4.48万m3。为了使“固液分离”、控制较大粒径固体物质进入排导槽，在排导槽进口预留一定容量(约3万m3)停淤场。泥石流发生时上游拦挡和下游排导同时进行，停淤场的容量能够满足要求，此外，还可以通过加大停淤场清淤频次，为下一次泥石流腾出充足的容量。

(3) 排导：在猪拱地沟中下游弃渣场上方修建排导槽，将下泄的泥石流排入金沙江，防止泥石流对弃渣场及其顶部的工程设施造成危害。

图5 排导线路布置Fig.5 Layout of drainage canal

4.3 排导线路

防治对策中最关键的问题是：如何将中上游“拦挡、停淤”后仍下泄的泥石流顺利排出，避免对沟内工程设施产生危害，排导线路的优劣直接影响排导效果。根据猪拱地沟的特殊地形和沟内工程布置情况，排导线路仅有沿施工道路排向猪拱地沟靠金沙江下游侧(“左线方案”)和沿主沟方向排向猪拱地沟靠金沙江上游侧(“右线方案”)2种可能，以下对2种方案进行分析比选，排导线路见图5。

左线方案：沟床高程980 m处为排导槽起点，高程850 m处为出口。该方案的优点是排导槽首部与沟床直线相接，进口水流平顺，槽身段基础以开挖为主，稳定性较好。缺点是排导槽工程总体处在第四系松散层上，特别是尾部段纵坡太大，约为1∶1.5，流速大，易产生强烈冲刷，采用工程措施解决边坡冲刷的代价过大。此外，排导槽与施工道路交叉，雨季会中断施工道路。

右线方案：以高线过坝路靠北侧路基边线为排导槽起点，该部位沟床高程962.5 m，由东向西沿猪拱地沟右岸边坡及部分弃渣填土上向下排泄，出口高程932.5 m，排导槽总长750 m，平均纵坡坡比6.7%。该方案的优点是利用左岸高线过坝路填方路基，在排导槽进口形成一定规模的停淤场；沿程不变坡，流速小，排导槽不易产生冲刷；尾部段排入上游侧边坡沟道，冲刷部位基岩出露，抗冲刷能力强，利于排导槽的稳定。此外，排导线路比左线方案略短，工程量小。缺点是排导槽大部分建在填方上，会产生一定的不均匀沉降。

综合上述地形、地质条件以及排导槽自身抗冲刷能力、出口消能防冲、工程投资等方面，右线方案为最优方案。

4.4 排导槽结构

根据试验情况，为防止排导槽纵坡6.7%情况下产生淤积，故将排导槽做成“V”形结构，具有“纵断面由上而下、横断面由两侧向中间”的立体束流特点，以满足顺利过流要求。

排导槽大多建在填方上，易产生不均匀沉降，故基础采用浆砌石垫层。排导槽在渣体填筑碾压后开挖而成，为了开挖成坡的需要，其侧墙为斜墙，因此排导槽采用“斜墙V形断面”。排导槽结构见图6，过流能力为94.56 m3/s，满足流量特征分析要求。

图6 排导槽结构Fig.6 Structure of drainage canal

5 泥石流防治效果

跟踪评价是检验防治对策的手段之一，可为今后类似工程提供借鉴作用。猪拱地沟泥石流防治工程经历了“排导工程完建—弃渣场填筑—有用料存放”各阶段的汛期考验，图7为各阶段汛后猪拱地泥石流沟的实况图，以下对防治效果进行分析。

(a)排导工程完建(b)弃渣填筑(c)有用料存放(d)排导槽进口停淤场(e)排导槽出口图7 猪拱地沟泥石流各阶段防治效果Fig.7 EffectivenessofdebrisflowtreatmentinZhugongdiGully

由于上游拦挡坝有效拦截了部分大粒径固体物质，阻止其参与泥石流活动，减轻原始沟道冲刷程度，只有部分较小粒径固体物质下泄。在排导槽进口停淤场的作用下，部分较小粒径的固体物质停留在停淤场内，当淤积到一定程度时，可清理腾空一定容量，供下一次泥石流停淤。槽身段零星分布固体残留物，未出现淤积、堵塞等情况，表明排导槽纵坡、断面合理可靠，达到了预期的排导效果。排导槽出口位于坚硬的基岩上，抗冲刷能力较强，能够保证排导槽的稳定性。

6 结 论

通过对乌东德水电站猪拱地泥石流沟的野外调查和室内模型试验，对泥石流的静动力特性进行了分析，在此基础上，进行方案比选，确立了“拦挡、停淤、排导”的防治体系，并对防治效果进行了跟踪评价，结论如下：

(1) 野外调查和模型试验是分析泥石流特性的途径，是泥石流防治对策的基础和必要环节。

(2) 猪拱地沟属过渡性低黏性泥石流沟。通过计算分析，流速在7～10 m/s之间，属中高速泥石流。实践证明，采用“斜墙V形断面”，排导线路纵坡6.7%可以满足排导要求。

(3) 泥石流防治措施应紧密结合地形、地质条件，并考虑工程布置等因素，进行综合比选，确立最优方案，才能达到理想的防治效果。

(4) 对泥石流的防治效果进行跟踪评价，是检验防治措施的有效手段，以便于不断完善防治体系。

(5)“拦挡、停淤、排导”防治体系具有良好的防治效果，可为今后泥石流的防治提供参考。

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(编辑：陈 敏)

Characteristics and Countermeasures of Debris Flow in Zhugongdi Gullyof Wudongde Hydropower Station

LIU Bo1, NIU Yun-hua1, WANG Ying-kui1， DAI De-fu2

(1.Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan 430010, China;2.Research Institute of Debris Flow Prevention and Control in Dongchuan District, Kunming City,Kunming 654100, China)

The dam site of Wudongde Hydropower Station is threatened by a number of debris flow gullies. In this article, some prevention and control measures are presented to avoid huge losses caused by debris flow disasters. The static and dynamic characteristics of debris flows in Zhugongdi Gully were analyzed by means of field investigation and laboratory model test. In view of the particularity of terrain, geological conditions and project layout, the countermeasures of debris flow were proposed. In addition, the effect of the countermeasures in Zhugongdi Gully was tracked and evaluated. Results show that block dam could effectively prevent large particles of solid matter from being involved in debris flow activity and reduce the erosion degree of upstream gully. Silting field could detain some small particles of solid matter, and as a consequence only a small amount of solid substances and the flood are discharged through the drainage canal. Triangular drainage canal has the characteristics of three dimensional beam current, so the draining effect is significant. The outlet of drainage canal is located in hard bedrock with strong anti-scouring ability, conducive to the stability of drainage canal. The control system composed of block dam, silting field and drainage canal has good control effect. This research can be used as a reference for debris flow treatment in the future.

Wudongde hydropower station; Zhugongdi Gully; debris-flow; static and dynamic characteristics; countermeasure; treatment effect

2016-04-18；

2016-06-26

水利部“948”项目(201510)

刘 波(1983-)，男，湖北襄阳人，高级工程师，博士，主要从事水利水电工程施工设计工作，(电话)18502779298(电子信箱)wave0912@163.com。

10.11988/ckyyb.20161041

P642.23

A

1001-5485(2017)02-0126-06

2017,34(2):126-131