近壩泥石流對(duì)水電站工程影響的精細(xì)化評(píng)價(jià)方法初探

1、近壩泥石流對(duì)水電站工程影響的精細(xì)化評(píng)價(jià)方法初探以扯索溝泥石流對(duì)擬建某水電站（比選閘址）的影響評(píng)價(jià)為例摘要:泥石流作為一種不確定性極大的突發(fā)性山地災(zāi)害，至今尚缺乏成熟可靠的定量化評(píng)價(jià)體系，其對(duì)工程的影響評(píng)價(jià)也很難達(dá)到精細(xì)化要求，但近壩泥石流作為水電站工程中的重大危險(xiǎn)源，有時(shí)又需要將其對(duì)工程的具體影響盡量進(jìn)行精細(xì)化評(píng)價(jià)，以獲得較為精確的評(píng)價(jià)結(jié)果，為工程的選址或樞紐布置等提供地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面的科學(xué)依據(jù)。本文依托擬建某水電站工程區(qū)泥石流災(zāi)害影響評(píng)價(jià)專題研究，參閱大量文獻(xiàn)資料，以扯索溝泥石流對(duì)該工程比選閘址影響的精細(xì)化評(píng)價(jià)為例，介紹了近壩泥石流對(duì)水電站工程具體影響所需評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容，選用了適合溝域

2、泥石流發(fā)育特征的系列經(jīng)驗(yàn)公式及預(yù)測(cè)模型，對(duì)相應(yīng)內(nèi)容的精細(xì)化評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了初步探討，冀此分析思路與方法能對(duì)類似工程具有參考和借鑒意義。關(guān)鍵詞：近壩泥石流；水電站工程；影響評(píng)價(jià)；精細(xì)化評(píng)價(jià)；扯索溝1、前言水電站工程中近壩泥石流作為一個(gè)重大的危險(xiǎn)源，對(duì)水電站工程的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)都潛存多方面的不利影響。目前，泥石流對(duì)工程的影響評(píng)價(jià)，多采用較為成熟的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法體系，該體系諸方法均基于多因子綜合評(píng)判模型，屬定性與半定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，其評(píng)價(jià)結(jié)果較為宏觀、初略，雖然能在整體上較好地反映出泥石流溝的災(zāi)害危險(xiǎn)性程度，但難以滿足諸如對(duì)工程具體部位的實(shí)際影響等精確性評(píng)價(jià)要求。泥石流作為一種不確定性極大的突發(fā)

3、性山地災(zāi)害，至今尚缺乏成熟可靠的定量化評(píng)價(jià)體系，其對(duì)工程的影響評(píng)價(jià)也很難達(dá)到精細(xì)化要求，但近壩泥石流作為水電站工程中的重大危險(xiǎn)源，有時(shí)則需要將其對(duì)工程的具體影響盡量進(jìn)行精細(xì)化評(píng)價(jià)，以獲得較為精確的評(píng)價(jià)結(jié)果，為工程的選址或樞紐布置等提供地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面的科學(xué)依據(jù)。本文依托擬建某水電站工程區(qū)泥石流災(zāi)害影響評(píng)價(jià)專題研究，參閱大量文獻(xiàn)資料，以扯索溝泥石流對(duì)該工程比選閘址影響的精細(xì)化評(píng)價(jià)為例，介紹了近壩泥石流對(duì)水電站工程具體影響所需評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容，選用了適合溝域泥石流發(fā)育特征的系列經(jīng)驗(yàn)公式及預(yù)測(cè)模型，對(duì)相應(yīng)內(nèi)容的精細(xì)化評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了初步探討。2、扯索溝泥石流及擬建水電站工程概況2.1擬建水電站工程

4、與扯索溝流域概況擬建某水電站位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣境內(nèi)，為大渡河干流的梯級(jí)電站。工程主要任務(wù)是發(fā)電，初擬正常蓄水位1246m，庫(kù)容約240萬m3，引水式開發(fā)裝機(jī)容量1170MW，電站樞紐建筑物由閘壩、引水隧洞、調(diào)壓井及地下廠房等組成。扯索溝屬于大渡河右岸一級(jí)支溝，位于擬建水電站（比選閘址）上游約800m。扯索溝流域在平面上呈狹長(zhǎng)“樹葉狀”（圖1），主溝長(zhǎng)7.41km，流域面積19.4km2，發(fā)源于2900m高程，在1235m高程匯入大渡河，平均縱坡降225.7。圖1扯索溝流域全貌該溝曾于1957年與2005年暴發(fā)過兩次規(guī)模較大的泥石流，均短暫堵塞大渡河，還于1961年暴發(fā)過一次規(guī)模相對(duì)

5、較小的泥石流；2005年泥石流經(jīng)調(diào)查訪問及分析推導(dǎo)其泥石流總量2025萬m3，相應(yīng)固體物質(zhì)總量1114萬m3。鑒于扯索溝距比選閘址很近，而擬建電站規(guī)模大、庫(kù)容小，該溝潛存的大規(guī)模泥石流對(duì)其存在較大威脅，需在查明該溝泥石流發(fā)育特征的基礎(chǔ)上較為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)泥石流對(duì)電站的具體影響，以便于為閘址比選提供地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面的科學(xué)依據(jù)。2.2扯索溝泥石流發(fā)育特征扯索溝是一條較為典型的溝谷型泥石流溝，其溝谷特征顯示它有明顯的物源區(qū)、流通區(qū)及堆積區(qū)，其物源區(qū)可提供大量松散固體物質(zhì)，流通區(qū)具有良好的加速流通功能，堆積區(qū)規(guī)模較小，對(duì)流體中固體物質(zhì)的截留停歇能力較差。據(jù)物源量調(diào)查統(tǒng)計(jì)，全流域松散固體物質(zhì)總量約20

6、00萬m3，大多處于穩(wěn)定狀態(tài)，能為全溝泥石流提供的潛在不穩(wěn)定松散固體物質(zhì)量約290萬m3；據(jù)近溝口堆積調(diào)查，新近泥石流的堆積區(qū)總體呈帶狀，長(zhǎng)約1km，嵌于老堆積扇上游側(cè)，老堆積扇為第四紀(jì)以來該溝的泥石流與洪流混合堆積，溝床下切的橫斷面上顯示老扇體承接了該溝歷史上多次泥石流堆積。新、老泥石流的內(nèi)疊式堆積顯示從較長(zhǎng)歷史時(shí)期來看，該溝泥石流發(fā)展總體上呈現(xiàn)衰退趨勢(shì)，近代以暴發(fā)中低頻率泥石流為主，其地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，該溝泥石流易發(fā)、危險(xiǎn)性中等偏大、危險(xiǎn)度中等偏高。2.2扯索溝泥石流動(dòng)力學(xué)特性通過雨洪法的配方試算，結(jié)合實(shí)測(cè)斷面的泥痕調(diào)查、泥石流過程的訪問調(diào)查及反演推算，對(duì)扯索溝泥石流的流速、峰值

7、流量和泥石流總量等動(dòng)力學(xué)特性經(jīng)系統(tǒng)分析、綜合比較，得出較為合理的取值結(jié)果（表1）。表1 扯索溝泥石流動(dòng)力學(xué)特性計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)表設(shè)計(jì)概率(%)105210.50.2設(shè)計(jì)流速(m/s)3.433.755.356.206.907.50峰值流量(m3/s)112.53174.61 388.02597.66845.741174.27泥石流總量(萬m3)3.708.3030.7356.8093.78148.80固體物質(zhì)總量(萬m3)1.063.1017.0231.4651.9482.423、扯索溝泥石流對(duì)擬建水電站（比選閘址）影響的精細(xì)化評(píng)價(jià)扯索溝泥石流對(duì)擬建水電站（比選閘址）影響的精細(xì)化評(píng)價(jià)內(nèi)容主要包括以下

8、三個(gè)方面：（1）定量化評(píng)價(jià)泥石流在沖出溝口后，固體物質(zhì)入庫(kù)對(duì)水庫(kù)庫(kù)容的影響；（2）定量化評(píng)價(jià)泥石流對(duì)電站正常運(yùn)營(yíng)的影響；（3）定量化評(píng)價(jià)泥石流對(duì)電站施工期間的不利影響。3.1對(duì)水庫(kù)庫(kù)容影響的量化評(píng)價(jià)扯索溝溝口低于擬建電站正常蓄水位，沖出溝口的泥石流直接入庫(kù)，而其堆積區(qū)基本不被淹沒，對(duì)單次泥石流的固體物質(zhì)有所截留，故其泥石流對(duì)水庫(kù)庫(kù)容的影響評(píng)價(jià)需在分析單次泥石流固體物質(zhì)入庫(kù)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行。單次泥石流固體物質(zhì)入庫(kù)量按下式計(jì)算：式中：某設(shè)計(jì)頻率下泥石流固體物質(zhì)入庫(kù)量，m3；某設(shè)計(jì)頻率下泥石流固體物質(zhì)總量，m3；某設(shè)計(jì)頻率下泥石流固體物質(zhì)入庫(kù)系數(shù)。50年一遇設(shè)計(jì)頻率的可通過該溝2005年泥石流的近溝口

9、堆積特征調(diào)查和堵江過程分析反算加以確定，其它頻率進(jìn)行理論分析結(jié)合經(jīng)驗(yàn)類比確定，之后可得出單次泥石流的固體物質(zhì)入庫(kù)量（表2）。表2 各種設(shè)計(jì)頻率下扯索溝泥石流一次性入庫(kù)量設(shè)計(jì)概率（%）105210.50.2固體物質(zhì)總量(萬m3)1.063.1017.0231.4651.9482.42入庫(kù)系數(shù)0.90.90.80.80.70.7入庫(kù)量(萬m3)0.952.7913.6225.1736.3657.69水庫(kù)運(yùn)營(yíng)按100年計(jì)，保守估計(jì)，期間發(fā)生10年一遇泥石流10次、20年一遇泥石流5次、50年一遇泥石流2次、100年一遇泥石流1次，據(jù)此可計(jì)算出水庫(kù)運(yùn)營(yíng)期間，泥石流固體物質(zhì)的可能最大入庫(kù)總量（表3）。表

10、3 扯索溝泥石流固體物質(zhì)可能最大入庫(kù)總量計(jì)算表設(shè)計(jì)概率（%）10521各頻率一次入庫(kù)量(萬m3)0.952.7913.6225.17可能遭遇次數(shù)10521各種頻率入庫(kù)總量(萬m3)9.513.9527.2425.17100年內(nèi)泥石流入庫(kù)總量(萬m3)75.86計(jì)算結(jié)果表明，水庫(kù)運(yùn)營(yíng)期間（按100年計(jì)）理論上泥石流固體物質(zhì)可能的最大入庫(kù)總量約76萬m3（最終淤積量則與工程運(yùn)營(yíng)方式及運(yùn)營(yíng)期限密切相關(guān)），鑒于水庫(kù)總庫(kù)容僅約240萬m3，該溝泥石流對(duì)其影響比較明顯。3.2對(duì)電站正常運(yùn)營(yíng)影響的量化評(píng)價(jià)泥石流對(duì)擬建電站正常運(yùn)營(yíng)的影響主要表現(xiàn)為可能存在的壅堵水庫(kù)及威脅樞紐建筑物問題，電站排砂、清淤問題次之。

11、電站蓄水后，溝口大渡河基本處于靜水狀態(tài)，扯索溝泥石流所攜帶大量固體物質(zhì)絕大部分將迅速堆積于近溝口水庫(kù)中，會(huì)否形成對(duì)水庫(kù)的壅堵甚至對(duì)樞紐建筑物的直接威脅，從而嚴(yán)重影響到電站的正常運(yùn)營(yíng)，關(guān)鍵在于確定泥石流入庫(kù)后的堆積方式及堆積范圍，而這又需要以自然堆積寬度與自然淤積厚度的確定為基礎(chǔ)。根據(jù)扯索溝近溝口實(shí)際特征，首先采用經(jīng)驗(yàn)公式得到出溝口泥石流流體寬度范圍，再用該溝2005年泥石流的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，確定合理取值，按沒有地形約束的條件考慮，泥石流的自然堆積寬度一般可取流體寬度的6倍，由此可推算扯索溝出溝口的泥石流自然堆積寬度（表4）。表4不同設(shè)計(jì)概率下扯索溝泥石流出溝口自然堆積寬度計(jì)算表設(shè)計(jì)概率（%）

12、105210.50.2峰值流量QC112.53174.61388.02597.66845.741174.27流體寬度范圍(m)15.931.819.839.629.659.136.773.343.687.251.4102.8選擇流體寬度 (m)26.533.0449.361.172.785.7堆積寬度(m)159.1198.21295.5366.7436.2514.0泥石流在水庫(kù)中的自然淤積厚度可按公式（泥石流屈服應(yīng)力，h淤積厚度，溝床底坡，泥石流容重，水的容重）進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)對(duì)歷史泥石流典型淤積厚度的調(diào)查和測(cè)量，對(duì)比無庫(kù)水頂托淤積厚度計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)反算，可求得扯索溝50年一遇泥石流入庫(kù)后的

13、自然淤積平均厚度約5.1m，其它頻率以此為依據(jù)按經(jīng)驗(yàn)取值，結(jié)果見表5。表5 扯索溝不同頻率泥石流入庫(kù)后的自然淤積厚度設(shè)計(jì)概率（%）105210.50.2自然淤積厚度（m）345.166.87.5根據(jù)各頻率泥石流入庫(kù)后的自然堆積寬度和自然淤積厚度，結(jié)合各頻率泥石流入庫(kù)量計(jì)算結(jié)果，對(duì)比溝口及庫(kù)底地形地貌，扯索溝10年與20年一遇的單次泥石流在水庫(kù)中堆積區(qū)域尚不能到達(dá)對(duì)岸，其堆積形式是自然停淤，而50年及以上一遇的單次泥石流則堆積至對(duì)岸，其堆積形式是在自然停淤的基礎(chǔ)上受迫停積。受迫停積會(huì)形成以對(duì)岸為喇叭口的喇叭狀堆積，受迫停積的堆積形式異常復(fù)雜，難以定量化評(píng)價(jià)，但總體而言其堆積寬度和堆積厚度均較自然

14、堆積寬度和自然淤積厚度有所增大，且堆積厚度不會(huì)無限制增大，按經(jīng)驗(yàn)結(jié)合其它工程類比，該處受迫堆積范圍平均堆積厚度可按自然淤積厚度的2.02.5倍進(jìn)行控制，在50年、100年、200年與500年一遇狀況下受迫堆積范圍平均堆積厚度分別取10.011.0m、12.513.5m、15.016.0m與17.518.5m，而近溝口原始漫灘橫向按實(shí)際地形考慮，據(jù)此可以求得50年、100年、200年與500年一遇泥石流的最大堆積寬度分別約320350m、460490m、600640m、720760m（泥石流溝口堆積范圍與水工建筑物位置關(guān)系見圖2）。圖2 扯索溝泥石流出溝口堆積范圍與水工建筑物位置關(guān)系圖分析結(jié)果表

15、明，電站正常運(yùn)營(yíng)時(shí)，扯索溝泥石流不會(huì)直接危及樞紐建筑物。擬建電站多年沖淤平衡高程在扯索溝溝口段約為1230m，在不考慮其它特殊條件影響的情況下，扯索溝50年一遇單次泥石流在庫(kù)中平均堆積高程約12401241m，100年一遇單次泥石流在庫(kù)中平均堆積高程約1242.51243.5m，對(duì)水庫(kù)會(huì)產(chǎn)生一定程度的淤塞；200年一遇的單次泥石流在庫(kù)中平均堆積高程約12451246m，接近于正常蓄水位，500年一遇的單次泥石流在庫(kù)中平均堆積高程達(dá)1248m，高于正常蓄水位，會(huì)形成對(duì)水庫(kù)的堵斷，從而威脅到電站的正常運(yùn)營(yíng)。3.3對(duì)電站施工期間不利影響的量化評(píng)價(jià)采用劉希林唐川一次泥石流危險(xiǎn)范圍預(yù)測(cè)模型：A=0.50

16、63L2L=8.71(VGRc/lnRc)1/3d=0.017 VRc/（G2lnRc）1/3 式中：A一次泥石流危險(xiǎn)范圍（m2），L一次泥石流最大堆積長(zhǎng)度（m），d一次泥石流最大堆積厚度（m），V一次松散固體物質(zhì)（可能）最大補(bǔ)給量，G堆積區(qū)縱坡，Rc泥石流（可能）最大容重?？傻锰烊粻顩r下扯索溝泥石流進(jìn)入大渡河后的危險(xiǎn)范圍（表6），鑒于擬建電站導(dǎo)流明渠進(jìn)水口軸線與上游圍堰軸線距扯索溝溝口分別約420m與615m，可初步認(rèn)為20年及以下一遇泥石流基本不對(duì)臨時(shí)擋水建筑物構(gòu)成直接威脅。表6 天然狀況下扯索溝泥石流入河后危險(xiǎn)范圍計(jì)算結(jié)果表設(shè)計(jì)概率（%）105210.50.2范圍A(m2)8231.31

17、5582.644667.967276.293977.4127852.9厚度d（m）3.14.37.28.910.512.3長(zhǎng)度L（m）127.5175.4297.0364.5430.8502.5通過歷史泥石流的調(diào)查，結(jié)合動(dòng)力學(xué)特性綜合分析，判斷扯索溝10年和20年一遇泥石流在汛期堵塞大渡河的可能性甚微，而50年及以上一遇的泥石流堵江可能性很大（歷史上已知兩次50年一遇的泥石流都曾短暫堵塞大渡河）。工程施工期間若遇扯索溝暴發(fā)20年及以下一遇泥石流，不會(huì)造成大渡河的暫時(shí)性堵斷，也不對(duì)臨時(shí)擋水建筑物構(gòu)成直接威脅，但存在著對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工安全的威脅；工程施工期間若遇扯索溝暴發(fā)50年與100年一遇的較大規(guī)模泥

18、石流，雖然對(duì)臨時(shí)擋水建筑物的直接威脅不大，但大渡河暫時(shí)性堵斷的可能性很大，堵塞后的潰決對(duì)工程的不利影響比較明顯；鑒于施工期的導(dǎo)流建筑物擬采用20年一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，而泥石流的暴發(fā)具有極大的不確定性，因此施工期還是需要對(duì)該溝加強(qiáng)巡視并制訂相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。4、結(jié)語(yǔ)近壩泥石流對(duì)水電站工程影響的精細(xì)化評(píng)價(jià)，需要在闡明溝域泥石流發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，選用符合相應(yīng)發(fā)育特征的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式及預(yù)測(cè)模型，并用歷史泥石流的調(diào)查成果進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證，方能在定性化與定量化的綜合評(píng)價(jià)中得到較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果，從而為電站的選址、樞紐布置及災(zāi)害防治等提供可靠依據(jù)。近壩泥石流對(duì)水電站工程影響的精細(xì)化評(píng)價(jià)內(nèi)容因工程而異，但主要集中在對(duì)水

19、庫(kù)庫(kù)容影響的量化評(píng)價(jià)、對(duì)電站正常運(yùn)營(yíng)影響的量化評(píng)價(jià)與對(duì)電站施工期間不利影響的量化評(píng)價(jià)三大方面。對(duì)水庫(kù)庫(kù)容影響的量化評(píng)價(jià)一般宜在分析不同頻率下單次泥石流固體物質(zhì)入庫(kù)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行，理論上可以按運(yùn)營(yíng)期限進(jìn)行異頻疊加推求可能的最大入庫(kù)總量，從而為低壩（閘）小庫(kù)工程沖淤問題提供參考依據(jù)；對(duì)電站正常運(yùn)營(yíng)影響的量化評(píng)價(jià)關(guān)鍵在于確定泥石流入庫(kù)后的堆積方式及堆積范圍，然后是看能否直接危及樞紐建筑物或形成低壩（閘）庫(kù)內(nèi)的淤塞甚或堵斷，從而為制訂工程運(yùn)營(yíng)期間防災(zāi)預(yù)案提供可靠依據(jù)；對(duì)施工期間不利影響的量化評(píng)價(jià)關(guān)鍵在于確定天然狀況下的堵江可能性及潰決危險(xiǎn)性，進(jìn)而分析不同頻率下泥石流對(duì)臨時(shí)擋水建筑物及現(xiàn)場(chǎng)施工安全威脅程度，從而為施工期防災(zāi)設(shè)計(jì)及防災(zāi)預(yù)案制訂提供可靠依據(jù)。由于面向?qū)ο筇匦缘哪嗍饔绊懥炕u(píng)價(jià)體系尚不完善，部分評(píng)價(jià)方法尚不成熟，類似近壩泥石流對(duì)水電站工程影響的精細(xì)化評(píng)價(jià)體系尚無相關(guān)文獻(xiàn)提及，本文屬嘗試性探索，其分析思路不免有局限性，評(píng)價(jià)體系不免欠成熟、完善，但冀此分析思路與評(píng)價(jià)方法能對(duì)類似工程具有參考