旭龙水电站茂顶河泥石流活动特征分析与危险性评价

金连才　刘冲平

摘要：旭龙水电站施工场地非常有限，茂顶河出口段处于施工区，其活动特征、规模及影响程度等将直接影响施工区安全。对旭龙水电站茂顶河泥石流進行了活动特征与危害性评价研究。结果表明：① 主沟与1号沟为低频稀性泥石流，1-1号沟与1-2号沟为高频黏性泥石流;② 按洪痕调查计算的泥石流流量与按清水洪峰流量和配方法计算的泥石流流量结果基本一致;③ 按20 a一遇计算，茂顶河泥石流峰值流量377 m/s，最大流速6 m/s，泥石流总量约11.9万m;20， 50， 100 a一遇的茂顶河泥石流的危险等级分别为无直接危害、轻度危险、中等危险。经综合分析，对茂顶河泥石流采用了“停淤坝+排导槽+拦挡坝”的防治方案。

关键词：泥石流; 活动特征; 危险等级; 峰值流量; 茂顶河; 旭龙水电站

中图法分类号：TV223 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.007

文章编号：1006 - 0081（2022）07 - 0044 - 06

0 引 言

西南地区沟壑纵横、河谷深陡、地质构造强烈、堆积体发育、生态环境脆弱，具备泥石流沟发育的条件。泥石流具有成因复杂、暴发突然、历时短等特点[1]，对工程建设与居民安全影响大。专家学者们对泥石流活动特征与危险性进行了大量研究。许彬[2]分析了云南鲁甸龙头山集镇甘沟泥石流的活动特征，林虹宇等[3]分析了岷江上游典型泥石流的活动特征，丁明涛等[4]对云南小江流域泥石流特征进行了系统分析，傅占锋[5]对四川茂县白水寨沟泥石流进行了危险性评价。

金沙江上游旭龙水电站装机容量2 400 MW，多年平均年发电量105.14亿kW·h。旭龙水电站地处横断山脉地段，属峡谷地貌类型，工程区山高坡陡、地形陡峻，施工用地面积非常有限，茂顶河出口段处于施工区。茂顶河冲沟为泥石流沟，属金沙江右岸支流，上距坝址4.8 km。茂顶河流域内发育有主沟、1号沟、1-1号沟和1-2号沟泥石流。泥石流的活动特征、规模及影响程度等将直接影响施工区安全。本文对泥石流活动特征与危害性评价等进行了研究，为泥石流防治措施提供了依据。

1 泥石流活动特征分析

1.1 泥石流分区特征

茂顶河流域泥石流的诱发因素是流域内的暴雨以及上游冰雪融水的共同作用。根据对茂顶河流域地形以及泥石流发生情况的实地调查，并结合流域各部分在泥石流发生过程中所起的不同作用，将茂顶河流域划分为3个区段，即清水区、形成流通区和堆积区（图1）。

泥石流清水区位于流域的最上游区域（海拔3 300～5 240 m）。该区段汇流条件良好，通过汇集降雨形成具有一定规模的洪水，为泥石流的形成提供了充足的水源。

形成流通区在清水区的下游区域（海拔2 800～3 300 m）。上游汇集的洪水强烈冲蚀该区段，沟道内的固体物质被起动而形成泥石流;且泥石流在该区段流动过程中，冲刷沟床松散固体物质，同时掏蚀沟道两岸岸坡坡脚，引起岸坡滑塌，为泥石流的形成提供物源。通过该区段，泥石流体流通到堆积区，直至流出沟口进入金沙江。

堆积区为茂顶河流域下游沟床宽阔平缓的地带至汇入金沙江处洪积扇（海拔2 140～2 800 m）。泥石流经过形成流通区后，由于沟道的展宽以及沟床的变缓，泥石流体的运动速度逐渐变慢直到完全停止并淤积在此段。

1.2 泥石流成因与频率特征

根据现场调查与访问调查综合分析，茂顶河流域是一条老泥石流沟，泥石流主要发育在茂顶河主沟段和1，1-1，1-2号沟内。据调查，最近的一次泥石流发生在2012年6月。

2012年主沟泥石流的成因与频率特征为：道路开挖切坡导致公路沿线产生多处崩滑，大量的松散物质堆积在沟道右岸，与以前堆积在沟道内的固体物质共同形成了沟道中的泥石流物源。2012年6月暴雨形成的洪水在主沟与2号沟汇合后，洪水流量较大;在2号沟与1号沟之间的主沟段沟床中有丰富的固体物源，且沟道狭窄，洪水单宽流量较大，挟沙能力较强，洪水开始逐渐起动沟床物质;从2号沟沟口开始，洪水中的泥沙自上游向下游逐渐增多，形成高含沙洪水，挟沙能力更强，进一步起动更多、更大的沟床固体物质，最后在2号沟沟口到2级电站截水坝之间，高含沙洪水演变为稀性泥石流。该段泥石流形成和流通的原因为洪水流量较大和沟道中有较丰富的固体物质，且沟道狭窄，为洪水和泥石流的冲刷及流动提供了较好的地形条件。泥石流形成后，顺沟而下，受1级电站厂址附近的2级电站截水坝拦挡，且该处下游的沟床突然展宽、坡度变缓，较大的石块淤积下来，堆积在2级电站截水坝到1级电站厂址之间，堆积量约8 000 m;泥石流继续运动到1级电站厂址和1号沟沟口之间的开阔地带，大量石块在该处堆积，堆积量约10 000 m;在此以下的主沟段泥石流演变为高含沙洪水继续流动到下游。主沟泥石流在近40～50 a的时间段内，以20世纪70年代的泥石流规模最大，1995年和2012年的泥石流规模仅次于最大规模，且这两次规模相当。因此，可以判断茂顶河主沟泥石流在20世纪70年代发生的泥石流为50 a一遇，1995年和2012年发生的泥石流为20 a一遇。茂顶河主沟在近几十年内仅有这3次暴发，由此可以推断主沟为低频率泥石流沟。

2012年1号沟泥石流的成因与频率特征为：2012年6月的暴雨在1号沟上游的两条支沟形成山洪，汇合后洪水流量增加，汇合处往下游约500 m长的沟道较宽阔，固体物源也较少，因此在该段形成的仍然是山洪。在进入1号沟的狭窄段后，由于该段两岸有多处崩塌，沟床内有较丰富的固体物源，沟床坡度较大，沟道狭窄，洪水的单宽流量突然增加，挟沙能力增加明显，洪水迅速起动沟床物质，最后在1号沟公路往上游500 m一段内，1号沟的洪水演变为稀性泥石流。沟道至公路前突然展宽，并且坡度变缓，造成泥石流在公路前有部分淤积。大部分泥石流继续在1号沟内运动并侵蚀公路下游沟道约500 m长的沟床，并以稀性泥石流的形式运动到茂顶河主沟，与主沟洪水汇合后被稀释，并以洪水的形式继续流向下游。2012年1号沟泥石流的暴发规模为近几十年内的第二大，而最大的规模为在此十多年或近30 a前发生的泥石流。因此，可以判断茂顶河1号沟泥石流在十多年或近30 a前发生的泥石流为50 a一遇泥石流，2012年发生的泥石流为20 a一遇泥石流。茂顶河1号沟在近几十年内仅有这2次暴发，可以推断1号沟为低频率泥石流沟。

2012年1-1号沟和1-2号沟的成因与频率特征为：1-1号沟和1-2号沟是两条位于老滑坡堆积体上的冲沟，在强降雨作用下掏蝕两岸松散堆积体，造成短时堵溃并形成泥石流;同时洪水起动沟床物质也使泥石流的规模更大。在沟道中，泥石流主要是冲刷与侵蚀，很少堆积，但与主沟汇合后，被主沟洪水稀释进而演变为高含沙洪水，开始在主沟内分选堆积，最终的洪水进入金沙江，堆积物总量约26 000 m。1-1号沟和1-2号沟每年都有泥石流发生，为高频率泥石流沟。

1.3 泥石流性质

由于泥石流沉积物的沉积形态可以保存相当长的时间，因而可以通过获取历史上泥石流运动和沉积过程中遗留在沟床或沟床两侧岩壁上的物质进行样品分析。室外和室内颗粒分析结果如图2所示，可以看出：泥石流样品级配极宽，涵盖块石、碎石、粗、中、细、粉砂以及黏粒。这种极宽级配的样品是泥石流的一大特征。1-1号沟和1-2号沟泥石流为黏性泥石流，泥石流样中的黏粒（粒径在0.005 mm以下）含量分别为2.30%和0.69%，黏粒含量较少，在花岗岩地区常见。主沟为稀性泥石流，由于沉积分选作用，泥石流样中的黏粒含量更少，仅0.45%，主沟、1-1号沟、1-2号沟泥石流样的中值颗粒粒径（d50）分别为5.1， 2.8 mm和7.5 mm，有效粒径（d10）分别为0.019， 0.022 mm和0.150 mm。

泥石流性质的判别主要依据其沉积特征和运动特性，而不能完全依据黏粒含量的多少。黏性泥石流沉积特征为混杂沉积，在断面上有反粒径分布的趋势，泥包石、泥球、石背石等都是黏性泥石流的沉积特征。而稀性泥石流的沉积特征为石线构造、砾石支撑、有一定的分选。

1-1号沟和1-2号沟泥石流的沉积特征为混杂沉积，有明显的反粒径分布，且粒径在0.2 m以上的块石仍然可以沉积在上部，黏性泥石流的前锋部分（俗称“龙头”）富集石块，常以大石领头，在沟道内和堆积扇上分布较多（图3）。另外，由于黏性泥石流为带流核的宾汉流体运动，一些石块相拥、相依运动，互不掺混，符合2012年暴发的1-1号沟泥石流堆积的特征。因此，2012年暴发的1-1号沟和1-2号沟泥石流为黏性泥石流。

根据对茂顶河泥石流堆积区沉积物的调查，主沟和1号沟泥石流的沉积特征为石线构造、砾石支撑、有一定的分选（图4）。因此，2012年暴发的主沟和1号沟泥石流为稀性泥石流。

1.4 泥石流洪痕调查

在茂顶河主沟、1号沟、1-1号沟和1-2号沟分别调查了泥石流洪痕（图5）。通过洪痕断面计算1-1号沟和1-2号沟的黏性泥石流平均流速[6]，如式（1）所示;通过洪痕断面计算主沟和1号沟的稀性泥石流平均流速，如式（2）所示。

通过洪痕断面计算得到20 a一遇泥石流平均流速、流量、泥石流总量以及泥沙总量，见表1，其中主沟泥沙总量的28 775 m包括泥石流中所有泥沙。2012年暴发的主沟泥石流堆积物调查和测量结果显示：2012年20 a一遇的稀性泥石流的泥沙堆积总量为18 000 m，是主沟泥石流中的较粗大部分，其他部分因稀性泥石流的沉积分选而演变为高含沙洪水运动到下游。因此，现场调查的主沟泥石流堆积物量加上运动到下游的泥沙量，与由洪痕计算的泥石流流速、流量、总量及结合容重计算的泥沙总量基本一致。

1.5 泥石流流量特征

针对暴雨泥石流流量，采用配方法计算泥石流峰值流量，即假定泥石流的活动频率与洪水同步，以清水洪峰流量进行配方，也即按比例加上泥石流所挟带的固体物质体积来计算泥石流流量[7]，再结合泥石流堵塞系数计算出泥石流峰值流量，如式（3）所示。按清水洪峰流量计算得到不同频率的设计泥石流峰值流量，见表2。

1.6 泥石流规模特征

设计泥石流总量根据设计泥石流洪峰流量和泥石流持续时间计算得到[8]，如式（4）所示。茂顶河20～200 a一遇泥石流持续时间按峰量同倍比关系，均以20 min作为泥石流的持续时间。茂顶河泥石流不同频率设计泥石流总量计算结果见表4。

2 泥石流危险性评价

2.1 危险性分析

根据DZ/T 0220-2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》（附录F泥石流危险区范围预测），以20， 50， 100，200 a一遇的泥石流峰值流量和泥沙总量为依据，绘制不同频率的泥石流危险区范围图[5]。在茂顶河20 a一遇的泥石流堆积和流通范围中，主沟泥石流主要在1号沟以上的上游沟道内流通和堆积，1，1-1号沟和1-2号沟泥石流都在沟道内流通，进入主沟后立即被主沟的大流量高含沙洪水稀释，演变成为高含沙洪水。20 a一遇茂顶河泥石流的危险范围（图6）根据现场调查泥石流的堆积和流通范围得到。在主沟和1号沟并流后，其与1-1号沟和1-2号沟并流的泥石流最终并流于主沟形成高含沙洪水，流量约234 m/s。50， 100，200 a一遇的泥石流洪峰流量分别为366， 564 m/s和786 m/s。

泥石流体中有水和泥沙，泥沙中含有较大的粗颗粒，也有细颗粒以及更细的细砂、粉砂和黏粒等悬移质。泥石流在运动过程中，由于坡度减缓或沟道突然展宽而使泥石流运动速度降低、挟沙能力降低，泥沙开始沿程沉积：①  黏性泥石流表现为整体沉积，全部堆积在沟道或堆积扇上，没有沉积分选;② 稀性泥石流沉积表现为泥石流中的粗大石块首先堆积，次粗大石块在紧靠下游堆积，逐渐形成从上游到下游，石块由大到小堆积的过程。20 a一遇茂顶河泥石流在洪痕断面处的大块石冲击力约为2 400 t，泥石流中巨石的冲击力会对茂顶河施工场地造成威胁。

茂顶河泥石流的特点是：主沟和1号沟为稀性泥石流沟，沉积特点是分选沉积;1-1号沟和1-2号沟是黏性泥石流沟，在沟道内沉积很少，进入主沟后才开始沉积，但主沟的洪水（或稀性泥石流）流量比1-1号沟和1-2号沟的黏性泥石流流量大很多，因此1-1号沟和1-2号沟的黏性泥石流立即被稀释、演变为稀性泥石流。在稀性泥石流沿程沉积分选的过程中，或在被高含沙洪水稀释并沿程分选沉积的过程中，有一部分泥沙不会沉积在主沟内，如细颗粒以及更细的细砂、粉砂和黏粒等悬移质。这部分泥沙将随洪水一起运动到主沟下游进入金沙江。

1-1，1-2號沟和1号沟最大过流断面面积分别为58.26， 50.24 m和436.00 m，按此断面计算的沟泥石流平均流速分别为15.67， 7.20， 25.14 m/s，过流流量分别为913， 363， 10 960 m/s，远大于92，68，190 m/s的各个支沟200 a一遇的泥石流流量。3条支沟现有沟道完全能满足输送泥石流的要求，即使发生200 a一遇泥石流，泥石流也会沿着沟道流向下游进入主沟，不会发生冲出沟道的情况。

2.2 泥石流对施工区影响

20 a一遇的茂顶河泥石流不会对旭龙水电站施工区产生直接影响，但泥石流中的粗大颗粒沉积在上游后，继续流动的高含沙洪水流量为234 m/s，有可能对施工区产生影响。

50， 100，200 a一遇的茂顶河泥石流将对旭龙水电站施工区产生直接影响，而且泥石流的流量较大，即使全部粗大颗粒泥沙都堆积下来，洪水的流量也分别有366， 564 m/s和786 m/s，对施工区影响较大。

根据茂顶河泥石流对施工区的影响划分危险等级：20 a一遇的茂顶河泥石流的危险等级对应的是无直接危害;50 a一遇的茂顶河泥石流的危险等级对应的是轻度危险;100，200 a一遇的茂顶河泥石流的危险等级对应的是中度危险。

2.3 防治措施

茂顶河出口段处于施工区，采用“停淤坝+排导槽+拦挡坝”的防治方案对泥石流进行专门治理。布置拦淤坝，形成停淤场;停淤场库容按可容纳主沟、1号沟、1-1号沟和1-2号沟并流后遭遇100 a一遇泥石流2次、200 a一遇泥石流1次控制。结合拦淤坝设置排导槽，实现水石分离。为拦挡树木、巨石、削减高含沙洪水洪峰，在主沟、1号沟、1-1号沟和1-2号沟内分别设置拦挡坝。

对茂顶河泥石流采取监测预警，具体包括水源监测、泥石流流体监测、泥石流视频区域范围内视频监测;预警监测系统通过现场监测传回数据进行分析，对泥石流灾害的发生做出预警，并按预报等级发出警报。

3 结 论

（1） 本文对茂顶河泥石流进行了活动特征分析，按清水洪峰流量和配方法计算的泥石流流量与按洪痕调查计算的泥石流流量结果基本一致。

（2） 可以泥石流峰值流量和泥沙总量为依据，对不同频率的泥石流危险性进行分区与分级。

（3） 通过分析泥石流活动特征与危险性，评价了泥石流对施工场地的影响，为泥石流防治措施提供了依据，可为同类工程借鉴。

参考文献：

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[2] 许彬.云南鲁甸龙头山集镇甘沟泥石流活动特征与防治对策[D].北京：中国地质大学（北京），2006.

[3] 林虹宇，丁明涛，佘涛，等.岷江上游典型泥石流活动特征及其易发性评价[J].中国地质灾害与防治学报，2017，28（4）：6-15.

[4] 丁明涛，陈廷方，王青.云南小江流域泥石流特征分析[C]//中国灾害防御协会风险分析专业委员会. 中国视角的风险分析和危机反应——中国灾害防御协会风险分析专业委员会第四届年会论文集. 北京：Atlantis出版社，2010.

[5] 傅占锋.茂县白水寨沟泥石流危险性评价[D].成都：成都理工大学，2010.

[6] 陈晓清，崔鹏，韦方强.泥石流起动原型试验及预报方法探索[J].中国地质灾害与防治学报，2006，17（4）：73-78，96.

[7] 康志成，李焯芬，马蔼乃，等. 中国泥石流研究[M]. 北京： 科学出版社， 2004.

[8] 孙聿卿. 川藏公路北线泥石流风险评价[D].绵阳：西南科技大学， 2021.

（编辑：高小雲）

Activity characteristic analysis and risk assessment for Maoding river deberis flow of Xulong Hydropower Station

JIN Liancai LIU Chongping

（1. China Energy Investment Jinshajiang Xulong Hydropower Co.， Ltd.，Chengdu 610000， China; 2. Changjiang Three Gorges Survey and Research Institute Limited Company，Wuhan 430074， China）

Abstract： The construction site of Xulong hydropower station is very limited， and the outlet section of the Maoding river is in the construction area. The activity characteristics， scale and impact degree of debris flow in the Maoding river basin will directly affect the safety of the construction area. The activity characteristics and hazard assessment of debris flow of the Maoding river are studied for Xulong Hydropower Station. The results show that： ① there are low-frequency rarefied debris flows in the main gully and No. 1 gully， and high-frequency viscous debris flows in No. 1-1 gully and No. 1-2 gully; ② the debris flow discharge calculated by flood trace investigation is basically consistent with that calculated by clear water peak discharge and distribution method; ③ according to the calculation of 20 years return period， the peak flow of debris flow in the Maoding river is 377 m3/s， the maximum flow velocity is 6 m/s， and the total volume of debris flow is about 119 000 m3; the hazard levels of debris flow in the Maoding river with return periods of 20， 50 and 100 years are no direct hazard， mild hazard and medium hazard respectively. The prevention scheme of "desilting dam + drainage channel + retaining dam" is adopted for debris flow in the Maoding river basin.

Key words： debris flow; activity characteristics; risk level; peak flow; Maoding river; Xulong Hydropower Station