馮 磊， 馮婷潔， 薛會師

(中國電建集團 西北勘測設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710100)

茨哈峽水電站位于青海省興海縣與同德縣交匯的黃河峽谷內(nèi),擬定為混凝土面板砂礫石面板堆石壩,最大壩高257.5 m,正常蓄水位2 990 m,裝機容量2 600 MW。桑吉溝位于茨哈峽大壩上游右岸470 m處,主溝長度2.97 km,流域面積2.84 km2,該溝2008年后曾先后兩次爆發(fā)小型泥石流,爆發(fā)時無人員和牲畜在該區(qū)域活動,未造成人員傷亡和財產(chǎn)損失,但泥石流堆積體曾導(dǎo)致黃河河道束窄。隨著桑吉溝流域修路、過度放牧等人類活動造成的水土流失[1]和Ⅲ號滑坡次級滑動等不斷提供固體物質(zhì)來源,未來泥石流的活動會更加頻繁,位于桑吉溝溝口的面板堆石壩在施工期間施工人員、設(shè)備等安全將受到威脅。因此,對該泥石流溝進行全面的危險性評價并提出泥石流防治方案具有重要的工程意義。

1 泥石流的形成條件

1.1 地形地貌

桑吉溝位于黃河右岸同德縣境內(nèi),總體呈東西走向展布,該溝發(fā)源于右岸胡列灘臺地后緣,后經(jīng)右岸峽谷斜坡溝道匯入黃河,溝谷多呈V形,最高點高程3 240 m,最低點位于黃河交匯處,高程為2 760 m,高差達480 m。從平面上看桑吉溝流域形狀呈蒲扇狀,除主溝外,還發(fā)育一條較大支溝。

1.2 地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造

桑吉溝流域主要出露有三疊系中統(tǒng)和第四系地層。三疊系中統(tǒng)地層廣泛分布在流域內(nèi),主要為薄—互層狀的細粉砂巖及薄層板巖,巖層傾角60°～85°。第四系地層分布在桑吉溝胡列灘段,為上更新統(tǒng)的灰色、黃灰色含亞砂土卵礫石層,頂部為黃土狀亞砂土。流域內(nèi)巖層在印支期近S-N向區(qū)域擠壓應(yīng)力作用下,形成陡傾單斜構(gòu)造和層間擠壓斷裂,壩址南部多宗隆哇中部有近E-W向中鐵斷裂通過。

1.3 氣候特征

區(qū)內(nèi)屬大陸性半干旱高山草原氣候,具有寒長暑短、四季分明、無霜期短、晝夜溫差大、多風(fēng)少雨和蒸發(fā)量大等特征。年平均氣溫為0.7 ℃,多年日平均氣溫高值在7月為12.2 ℃,日最高氣溫28.1 ℃,最低氣溫-34.4 ℃,年平均日照時間25 084 h。冬春兩季西北風(fēng)盛行,風(fēng)速1～3 m/s,雨季集中在6月—9月,占年降雨量的80%。年降雨量為345.41～369.21 mm,多年平均蒸發(fā)量1 546.21 mm。

1.4 降水特征

據(jù)桑吉溝下游的唐乃亥測站共33年監(jiān)測的降雨資料統(tǒng)計分析成果：區(qū)內(nèi)多年平均降雨量為247.85 mm,一般為59.4～337.6 mm,降雨量分布不均勻,降雨多集中在5月—9月,尤其是6月—9月的降雨量最多,平均降雨量101.3～166.0 mm。

2 泥石流基本特征

2.1 泥石流分區(qū)特征

桑吉溝泥石流具有明顯的分區(qū)特征,劃分為清水區(qū)、形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)4個區(qū)(圖1)。

圖1 桑吉溝泥石流分區(qū)圖

2.1.1清水區(qū)

清水動力區(qū)受地形影響呈扇形,匯水面積約2.62 km2,地形較平緩,坡度5°～15°,植被覆蓋率可達90%以上,局部出露砂卵礫石和粉質(zhì)粘土層,水土流失不嚴重。該區(qū)溝道較發(fā)育,流水最終匯聚到物源區(qū)內(nèi),為泥石流的形成提供了必要的清水動力條件。

2.1.2形成區(qū)

形成區(qū)內(nèi)植被覆蓋率在60%左右,呈“V”型谷,溝谷兩側(cè)岸坡較陡,水土流失較嚴重。形成區(qū)為主要物源來源地,泥石流物源大部分集中在該區(qū)內(nèi),其它如Ⅲ號滑坡表部次級滑動產(chǎn)生的物源位于下游流通區(qū)內(nèi)。物源主要為溝谷兩岸的崩坡堆積物、細溝泥石流堆積物、滑坡堆積物、修路棄渣及主溝溝底再搬運物質(zhì)。通過現(xiàn)場調(diào)查,區(qū)內(nèi)物源點28個,固體物質(zhì)約18 783.9 m3。

2.1.3流通區(qū)

沿吉浪溝主溝分布,呈“V”型,溝床狹窄,寬約5 m,長度約879 m,面積約0.06 km2,平均坡降382.2‰,坡度較陡。流通區(qū)溝道總體順直,局部迂回彎曲,區(qū)內(nèi)2 870 m高程以下次級崩滑堆積物及人類活動棄渣較多。

2.1.4堆積區(qū)

堆積區(qū)位于2 770 m高程以下—溝口與黃河交匯處,堆積區(qū)空間開闊,平面形態(tài)上呈扇形,長度約65 m,面積4 100 m2。在流通區(qū)與堆積區(qū)交界處,溝底寬度由25 m左右變?yōu)?0～60 m。泥石流在堆積區(qū)因動能降低而產(chǎn)生大量的物質(zhì)堆積,由于溝道較短,泥石流堆積物在該區(qū)形成高出河水面達1.5 m的堆積扇,曾導(dǎo)致汛期黃河水道束窄,形成局部的臨時凸岸(照片1)。

照片1 桑吉溝泥石流堆積區(qū)照片

2.2 泥石流類型

桑吉溝泥石流按水源分類為暴雨型泥石流;按物源成因為混合型泥石流(坡面侵蝕、崩滑及棄渣);從積水區(qū)地貌特征分類,具有明顯清水區(qū)、形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū),具有典型的溝谷泥石流特征;按泥石流的爆發(fā)頻率分類,桑吉溝在2008年和2014年爆發(fā)過小規(guī)模的泥石流,時間間隔6年,在5年/次～20年/次范圍內(nèi),屬于中頻泥石流;按泥石流物質(zhì)組成分類,桑吉溝泥石流物質(zhì)重度為1.57 t/m3,介于1.30～1.60 t/m3,物質(zhì)組成含有粘?！５母鱾€粒度和粒徑,粘粒含量總體較少,塊石、碎石及孤石有泥漿殘留,為典型的稀性泥石流。

3 泥石流動力特征

3.1 泥石流重度

在現(xiàn)場選擇有代表性的堆積物進行顆分試驗,利用比重計分別測定顆分試驗后粒徑<2 mm的細顆粒徑物質(zhì)比重,獲得泥石流堆積區(qū)固體顆粒比重最大為2.76 g/cm3,最小為2.75 g/cm3,平均為2.76 g/cm3。

由于泥石流發(fā)生時很難獲得當(dāng)時的容重值,因此只能采用經(jīng)驗法來確定,這里采用水土體積比法換算泥石流容重。按此方法計算泥石流流體容重的公式為：

(1)

式中：γc為泥石流流體容重(t/m3);γH為固體顆粒的比重;f為固體顆粒與水的體積比。水土比值根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的泥石流堆積物的組成特征及參照該地區(qū)對相關(guān)泥石流研究成果綜合取值,并結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用駥ι＜獪夏嗍鞯挠^察結(jié)果,最終確定流體中的固液體兩相的比例為6.85∶3.25,利用該方法獲得的桑吉溝泥石流平均容重為1.57 t/m3。

3.2 泥石流流速

桑吉溝為西北地區(qū)稀性泥石流,選用鐵道第一勘察設(shè)計院(西北地區(qū))改進后的泥石流流速計算公式：

(2)

a(1+φcγH)1/2;φc=(γH-γw)/(γH-γc)

式中:Vc為泥石流斷面平均流速,m/s;Hc為計算斷面的平均水深,m;I為泥石流水力坡度,一般可用溝床縱坡代替,‰;γc為泥石流重度，1.57 t/m3;γH為泥石流中固體物質(zhì)比重,2.76 t/m3;γw為清水重度，t/m3;a為阻力系數(shù);φc為泥沙修正系數(shù),0.478。

根據(jù)在桑吉溝選擇的早期和近期兩個典型斷面,經(jīng)計算的泥石流流速分別為4.46 m/s、3.77 m/s。

3.3 泥石流流量

本文對泥石流峰值流量的計算分別采用形態(tài)調(diào)查法和雨洪修正法。

(1) 形態(tài)調(diào)查法。根據(jù)泥石流泥痕及溝槽形態(tài),采用泥石流流量計算公式計算：

Qc=Wc×Vc

(3)

式中：Qc為泥石流流量,m3/s;Wc為過流斷面面積,m2;Vc為泥石流斷面流速,m/s。按照泥石流流速為3.77 m/s、4.46 m/s,對應(yīng)的過流斷面面積分別為5.25 m2、7.20 m2,計算的泥石流流量分別為19.8 m3/s、32.1 m3/s。

(2) 雨洪修正法。根據(jù)《青海省暴雨洪水計算手冊》,采用推理計算公式計算桑吉溝不同頻率最大洪水流量,見表1。

表1 桑吉溝洪水流量計算成果表

泥石流流量雨洪修正法的計算公式為：

QC=QB(1+φ)DC

(4)

式中：QC表示頻率為C的泥石流洪峰流量,m3/s;QB表示頻率為B的暴雨洪水設(shè)計流量,m3/s;φ為泥石流泥沙修正系數(shù);DC為泥石流堵塞系數(shù)。取桑吉溝堵塞系數(shù)DC=1.05,泥石流泥沙修正系數(shù)φc=0.478,計算不同的洪水條件下的泥石流流量,如表2。

表2 桑吉溝泥石流流量計算成果表

3.4 一次泥石流過程總量及固體物質(zhì)總量

通過桑吉溝泥石流概化洪水過程線可以看出,桑吉溝洪水具有漲洪快、消退也快。根據(jù)泥石流歷時和最大流量,按式(5)計算通過溝谷的一次泥石流過程總量;一次泥石流沖出固體物質(zhì)的總量與泥石流的規(guī)模、流體性質(zhì)、固體物質(zhì)特征有關(guān),一次泥石流沖出固體物質(zhì)的總量按式(6)進行計算。

(5)

(6)

式(5)和(6)中：Wc為一次泥石流過程總量(m3);VS為通過計算斷面的固體物實體總量(m3),其它符號同前。根據(jù)上式,并結(jié)合青海高原地區(qū)經(jīng)驗,取泥石流活動時間為30—45 min,計算獲得的不同頻率下一次泥石流過程總量及沖出固體物質(zhì)總量如表3。

表3 一次泥石流過程總量和沖出物質(zhì)總量

4 桑吉溝泥石流危險性評價

4.1 泥石流易發(fā)程度評價

形成泥石流的基本條件是有利的地形、豐富的松散固體物源和充足的水動力條件,地質(zhì)現(xiàn)象各要素及其組合在泥石流形成過程中起著提供位勢能量、固體物質(zhì)和發(fā)生場所三大主要作用。水不僅是泥石流物質(zhì)組成的重要部分,而且也是能夠發(fā)生泥石流的激發(fā)因素。根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》(DZ-T0220—2006)[2]中泥石流溝的數(shù)量化綜合評判及易發(fā)程度標(biāo)準選用了崩塌滑坡及水土流失嚴重程度、泥沙沿程補給長度比、溝口泥石流堆積活動程度、河溝縱坡比、植被覆蓋率、流域相對高差、河溝堵塞程度等15個因素,通過對每一項因素進行評分,最后綜合取總分進行易發(fā)性評價。泥石流的易發(fā)程度按照分值劃分為極易發(fā)(116～130)、易發(fā)(87～115)、輕度易發(fā)(44～86)、不發(fā)生(15～43)4個等級,易發(fā)程度反映了泥石流的危險性。依照規(guī)范中的各項評分標(biāo)準對桑吉溝泥石流的各項要素進行評分(表4),評價總得分為85分,屬于輕度易發(fā)。由表4中數(shù)據(jù)可以看出,各影響因素中泥沙沿程補給長度比、河溝縱坡比、河溝近期一次變幅、巖性影響、溝岸山坡坡度、產(chǎn)沙區(qū)溝槽橫斷面、流域面積、流域相對高差等8個要素較活躍,在泥石流的發(fā)生中起著主要作用。

表4 桑吉溝流域泥石流易發(fā)程度評分

4.2 泥石流危險度評價

單溝泥石流危險度的評價方法由劉希林研究員于1996年提出[3-4],劉希林給出了各因子的關(guān)聯(lián)序次,依次為一次泥石流(可能)最大沖出量L1=泥石流發(fā)生頻率L2>流域面積S1>流域切割密度S2>主溝長度S3>流域最大相對高差S4>泥沙補給段長度比S5>24 h最大降雨量S6>流域內(nèi)人口密度S7>主溝床彎曲系數(shù)S8。并給出各因子的權(quán)重值,具體分值如表5。

除了對各因子賦予權(quán)重外,還根據(jù)泥石流的實際情況對每個因子進行評分,由于各危險因子的取值范圍變幅很大,如不進行規(guī)范化處理,則不能制定出統(tǒng)一的危險因子等級和危險度標(biāo)準。危險因子等級分成6個等級,各等級的界限之間分值相差0.2。單溝泥石流危險度計算公式為：

Rd=0.235 3GL1+0.235 3GL2+0.117 6GS1+0.102 9GS2+0.088 2GS3+0.073 5GS4+0.055 8GS5+0.044 1GS6+0.029 4GS7+0.014 7GS8

(7)

Rd≥0.85的溝谷,屬于極度危險;Rd在0.65～0.85的溝谷,屬高度危險;Rd在0.35～0.6的溝谷,屬中度危險;Rd≤0.35的溝谷,屬于輕度危險。

本次評價桑吉溝泥石流的發(fā)生頻率按50年一遇考慮，泥石流持續(xù)時間按45 min的量取1.09×104m3。獲得桑吉溝各因素的取值及其轉(zhuǎn)換計算結(jié)果如表6。

表5 危險因子的權(quán)數(shù)和權(quán)重[3-4]

表6 桑吉溝泥石流各因子特征及分值

利用表6中的數(shù)據(jù)計算得到Rd=0.371 04。根據(jù)劉希林等泥石流危險區(qū)劃與泥石流防治對策,桑吉溝泥石流屬于中度危險泥石流,危險等級為Ⅳ級,應(yīng)采用以治為主、防為輔的防治原則進行治理,防治對策可以采用生物工程和土建工程去抑制泥石流的發(fā)生發(fā)展。

5 泥石流防治措施建議

針對該泥石流溝的物質(zhì)來源、縱坡降及泥石流的形成特點,建議桑吉溝泥石流防治措施[5]主要以攔砂穩(wěn)坡為主,通過修建攔砂壩、谷場及護坡,盡量減少物質(zhì)來源進入溝谷,從而降低泥石流發(fā)生規(guī)模的作用,具體建議如下：

(1) 在溝谷上游形成區(qū)恢復(fù)被人類活動和過度放牧破壞的草原植被;在支、毛、沖溝中修建谷場,以增加地表植被、涵養(yǎng)水分，減緩暴雨徑流對坡面的沖刷,增強坡體穩(wěn)定性,抑制沖溝發(fā)展。

(2) 在3 000 m高程以上流通區(qū)修建一座攔砂壩,用以攔截泥石流下泄的固體物質(zhì),防止溝床繼續(xù)下切,抬高局部侵蝕基準面,加快淤積速度,以穩(wěn)住山坡坡腳,減緩溝床縱坡降,抑制泥石流的進一步發(fā)展。

(3) 由于溝谷3 000 m高程以下流通區(qū)縱坡較大,溝谷斷面較小,修建的攔砂壩攔截效果不明顯,可在溝口基巖裸露部位修建一座攔砂壩,既可以起到攔砂的作用,又可以有效穩(wěn)固溝床堆積體。

(4) 溝谷下游流通區(qū)岸坡存在Ⅲ號滑坡松散堆積體,在泥石流爆發(fā)時會增加流通區(qū)的物質(zhì)來源,加劇泥石流的危害性,建議在滑坡堆積體下部修建護腳擋墻,平整、防護坡面,并做好坡體截排水,以減少坡面沖刷、增強坡體的穩(wěn)定性,防止發(fā)生二次滑動或垮塌。

6 結(jié)語

通過對桑吉溝的調(diào)查研究表明,該溝具備泥石流爆發(fā)所需的地形、物源及水動力條件,爆發(fā)的泥石流為小型稀性泥石流,泥石流的易發(fā)程度為輕度易發(fā),危險度為中度危險,危險等級為Ⅳ級。針對該泥石流溝的特點采取了以治為主、防為輔的防治原則進行治理,提出以攔砂穩(wěn)坡為主的治理措施,通過修建攔砂壩、谷坊壩及護坡,盡量減少物質(zhì)來源進入溝谷,從而降低泥石流發(fā)生規(guī)模作用。