布尔津抽水蓄能电站库区泥石流特征及其对工程的影响分析

王飞 云海浪 曹宝宝

摘要：为分析泥石流对布尔津抽水蓄能电站工程的影响，基于库区泥石流发育分布特征，对影响较大的3条泥石流沟的容重、峰值流量、冲出固体物质总量等工程参数进行计算，评价了库区泥石流的危险性，从水库淤积、冲击能力及库区水质3个方面讨论了泥石流对工程安全的影响。结果表明：① 水库运营期间库容淤积总量为36.914万m3，下水库死库容仅16万m3，长期积累将减小库容，超过死水位库容后将失去调节和发电功能；② 库区泥石流整体及单块最大冲击力较大，对坝址区水工建筑及工程施工有直接影响，需设置必要的防治措施。研究成果对库址选择及水工设计具有参考价值。

关键词：泥石流； 危险性评价； 工程影响； 布尔津抽水蓄能电站

中图法分类号：P642.23；TV743

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.007

文章编号：1006-0081（2023）07-0045-05

0 引 言

抽水蓄能电站受地形、距高比等因素限制，多修建在山区。泥石流作为一种山区自然灾害，其携带大量泥沙、块石，具有突发性、破坏力强等特点，是影响电站安全运营的地质隐患之一。随着抽水蓄能规划项目实施，不少学者针对泥石流对抽水蓄能电站的影响展开研究。高翔等［1］基于工程地质勘察资料，对泥石流危险性等级及其对抽蓄电站的工程影响进行研究；程英建等［2］通过分析泥石流发育地质环境，对泥石流沟危险性进行评价，讨论了泥石流对工程的影响；孙长瑞［3］结合金沙江奔子栏水电站坝址区各沟谷发育特征，选取危险性评价因子进行泥石流危险性评价，系统分析了泥石流对电站的工程影响并提出相应防治建议。分析抽水蓄能电站库区沟谷泥石流危险性评价及其对工程的影响，是电站工程地质勘察与评价中的重要环节。通过对泥石流危险性评价，可有效反映出泥石流沟谷现状及发展趋势，对库区泥石流预防和治理具有重要意义［4-5］。

本文基于新疆布尔津抽水蓄能电站库区泥石流沟发育分布特征，对其动力学特征及危险性进行评价，并从3个方面分析泥石流对布尔津抽水蓄能电站的影响。相关成果可供抽水蓄能电站库址选择及水工设计参考。

1 工程概况

新疆布尔津抽水蓄能电站位于阿勒泰地区布尔津县境内，总装机容量为140万kW，为纯抽水蓄能电站Ⅰ等大（1）型工程。工程初拟上水库调节库容647万m3，下水库调节库容652万m3。经过详细排查，库区共发育5条泥石流沟谷，其中3条位于下水库库盆上游。由于抽水蓄能电站有效库容相对较小，一旦发生较大规模的泥石流灾害，将直接影响水工建筑物的安全运行和发电效益［1］。

2 库区泥石流发育分布特征

布尔津抽水蓄能电站工程区沟谷较发育，沟谷内表部岩体风化、卸荷作用强烈，沖沟、岸坡表部覆盖层厚度大。在暴雨作用下，坡表碎屑物质裹挟而下，易爆发一定规模的泥石流［6］，部分冲沟沟口泥石流堆积扇形态清晰，堆积物质叠置痕迹清晰，有明显的泥石流活动痕迹。工程区上水库为山顶夷平面，地形较平缓，无大的冲沟发育。下水库库坝北侧山体发育3条冲沟，自西向东依次为2号、3号、4号沟，其中2号沟规模相对较大，3号沟及4号沟规模相对较小，即下水库位于3条冲沟汇合处（图1），沟底及两侧坡脚覆盖层发育，物源丰富，比降均较大（表1）。

2号、3号、4号泥石流沟为布尔津抽水蓄能电站上库区至下库之间的沟谷，所处地貌部位基本相同，均由中低山区向南侧丘陵、平原区延伸。工程区内气温相差较大，岩体表部强风化较发育，使大量的松散固体物质易于形成和聚积，为沟谷山洪、泥石流固体物源的形成提供了有利条件。工程研究区内年降雨量可达200～400 mm，区域地下水类型为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水，地下水主要靠北部基岩裂隙水侧向径流及河水补给。

2号泥石流沟堆积区内沟口洪积扇完整度较差，地形平缓，冲沟较发育，冲蚀深度多为1～2 m，局部地段受下部山前低矮丘陵阻滞分割，呈多个小型洪积扇；3号泥石流沟位于工程区中部，西侧紧邻2号泥石流沟，与其近似平行分布，沟口堆积区与2号沟堆积区相交汇，其堆积物质相同，主要以粒径2～15 cm的碎石为主；4号泥石流沟堆积区经历多次不同程度和方向的洪冲积堆积，扇形特征不明显，完整度较差。堆积区前缘地段受山前低矮丘陵切割分流，呈两个东西向洪积扇。

综上所述，布尔津抽水蓄能电站工程区主要沟谷所处的地貌部位、海拔高程具有发生山洪、泥石流的降水条件，有形成一定规模暴雨型泥石流的可能。

3 泥石流运动特征及动力学特征

3.1 泥石流物质状态

通过对颗分试验后粒径小于2 mm的堆积物细颗粒物质进行比重试验，并采用水土比法换算泥石流容重（rc），如式（1）所示。计算结果见表2。

3.2 泥石流峰值流量

假设泥石流与暴雨同频同步发生，根据水文方法计算各频率下暴雨洪峰流量，并选取堵塞系数，按式（2）计算泥石流流量。

式中：Qc，Qp分别为频率为P的泥石流峰值流量和暴雨洪水设计流量，m3/s；ψ为泥石流泥砂修正系数；Dc为泥石流堵塞系数。

由式（2）计算出库区2号、3号、4号3条泥石流沟在5%，2%，1% 3种频率下的泥石流峰值流量，结果见表3。

3.3 一次泥石流过程总量计算

由于一次泥石流过程总量取决于暴雨频率及暴雨激发泥石流后泥石流持续的时间，泥石流持续时间直接影响泥石流量及固体物质的估算［7］。根据该工程研究区现场调查堆积扇面积和近期泥石流堆积物厚度，计算得到近期泥石流在沟口形成的堆积扇方量和1%暴雨频率下持续30 min至2 h的泥石流活动固体物质总量相近。根据泥石流历时和最大流量以及泥石流暴涨暴落特点，由式（3）～（4）计算库区2号、3号、4号3条泥石流沟在5%，2%，1%三种频率下的一次泥石流过程总量及冲出固体物质总量，结果见表4。

Q=KTQc（3）

QH=Q（γC-γW）/（γH-γW）（4）

式中：Q为一次泥石流总量，m3；K为取值系数，与汇水面积有关；T为泥石流历时时间，s；Qc为泥石流峰值流量；γc，γw，γH分别为泥石流、水及泥石流固体物质的重度；QH为一次泥石流冲出固体物质总量，m3。

泥石流峰值流量及一次泥石流过程总量计算结果表明：在洪水作用下，库区3条泥石流沟部分不稳定物体将被冲走，但由于峰值洪水流量低于洪水流量，所以不稳定物体移动方量及移动距离有限，形成小规模泥石流。泥石流沟谷下部坡度变缓，使运动过程中不稳定物体停积在河床上，成为下次泥石流的物源。

4 泥石流危险性评价

通过泥石流危险性评价，可以分析泥石流活动的发展階段和受威胁对象的抗灾能力，预测未来泥石流活动强度与频率，为防治措施提供依据。本文采用刘希林危险度评价模型，按1%暴雨频率下泥石流一次持续1 h对库区泥石流危险度进行计算和分析。各评价因子的权重及权重系数见表5。

根据上述对泥石流危险性评价因子的分析和确定的因子权重［8-9］，按式（5）计算单沟泥石流危险度。计算结果见表6。计算结果表明：布尔津抽水蓄能电站下库坝址区2号泥石流沟危险度为0.218，属于低度危险；3号和4号泥石流沟危险度H分别为0.150和0.161，属于极低危险。

H=0.29M+0.29F+0.14S1+0.11S2+0.09S3+0.06S4+0.03S5（5）

式中：M，F，S1，S2，S3，S4，S5分别为m，f，s1，s2，s3，s4，s5的转换值，由转换函数获取。

5 泥石流对工程的影响分析

泥石流对抽水蓄能电站水库的影响主要表现在泥石流携带的固体物质减少有效库容、泥石流活动对水库建筑物的冲击破坏、泥石流活动造成的库水水质变差，影响发电机组安全运行。

5.1 泥石流淤积方量对水库库容的影响

由于抽水蓄能电站库容较小，泥石流造成的库容淤积直接关系到电站的发电效益［10］。水库运营按100 a计，在运营期内，库区各个泥石流沟暴发泥石流的次数、规模尚无精确的定量计算方法。出于安全考虑，本文假定：在水库运营期内，库区泥石流沟可以参与泥石流活动的潜在不稳定物源全部入库。经现场调查，3条沟的不稳定物源量分别为21.240万m3、5.708万m3、9.966万m3，由此可计算出水库运营期间库容淤积总量为36.914万m3。布尔津抽水蓄能电站下水库库容仅约669万m3，死库容仅16万m3，同时由于抽水蓄能电站库容多为开挖形成，为节省工程造价，一般不预留多余库容。因此，在泥石流固体物质长期积累下，水库库容逐渐减小，当超过死水位库容后，水库将失去调节和发电功能。

5.2 泥石流对库水水质的影响

抽蓄电站机组对水质要求较高，对水的含砂量有一定的要求，一般需要控制其小于30 g/m3。泥石流活动带入的泥砂含量较高，对库水水质有明显的影响。

5.3 泥石流对水库建筑物的影响

泥石流活动的冲击力和泥石流特征密切相关，对于出现黏性泥石流活动且沟谷坡降大的地区，泥石流冲击力越大，泥石流流体和携带的巨石可能直接冲击水工建筑。布尔津抽水蓄能电站下水库工程区场址位于2号、3号、4号泥石流堆积区内，属泥石流危害活动危险区，3条泥石流沟对下库区主体建筑物具有一定的冲击破坏，威胁较大（表7）。因此应设置必要的防治措施，可采用设置主动防护工程并结合监测预警的方式。

6 结 论

布尔津抽水蓄能电站库区发育5条泥石流沟，均为稀性泥石流，处于发展期泥石流沟。其中下水库所在的2号、3号、4号三条沟谷都具备形成一定规模山洪泥石流的地形地貌和松散固体物源条件，有再次发生泥石流灾害的可能性，对水电站工程安全有较大的影响。

（1） 综合考虑各沟谷的物源条件、地形地貌特征，得到3条沟谷的泥石流易发程度：2号沟泥石流属中等易发，3号、4号沟泥石流属轻度易发。按频率为1%的暴雨持续1 h的条件计算，2号、3号、4号3条泥石流沟一次泥石流冲出固体物质总量分别为1 888.6 m3、558.7 m3、1 105.1 m3。

（2） 根据刘希林危险度评价模型，对库区3条泥石流沟危险度进行计算，得出2号泥石流沟危险度为0.218，属于低度危险，3号和4号泥石流沟危险度分别为0.150和0.161，属于极低危险。

（3） 在工程运营期间（按100 a计），经计算水库运营期间库容淤积总量为36.914万m3，布尔津抽水蓄能电站下水库库容约669万m3，死库容仅16万m3，泥石流形成的固体物质淤积将严重影响水库正常运营。

（4） 100 a一遇泥石流整体冲击压力和单块巨石冲击压力较大，应重点防范巨石对坝址区水工建筑及工程施工的影响，建议对2，3，4号3条泥石流沟修建多级拦挡工程，设置引水渠、截水渠、排导堤等，并结合崩塌整治，清除危岩修建挡石墙和护坡，同时加强监测预警。

参考文献：

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（编辑：江 焘，高小雲）