王飛 云海浪 曹寶寶

摘要：為分析泥石流對布爾津抽水蓄能電站工程的影響，基于庫區(qū)泥石流發(fā)育分布特征，對影響較大的3條泥石流溝的容重、峰值流量、沖出固體物質(zhì)總量等工程參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，評價(jià)了庫區(qū)泥石流的危險(xiǎn)性，從水庫淤積、沖擊能力及庫區(qū)水質(zhì)3個(gè)方面討論了泥石流對工程安全的影響。結(jié)果表明：① 水庫運(yùn)營期間庫容淤積總量為36.914萬m3，下水庫死庫容僅16萬m3，長期積累將減小庫容，超過死水位庫容后將失去調(diào)節(jié)和發(fā)電功能；② 庫區(qū)泥石流整體及單塊最大沖擊力較大，對壩址區(qū)水工建筑及工程施工有直接影響，需設(shè)置必要的防治措施。研究成果對庫址選擇及水工設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：泥石流； 危險(xiǎn)性評價(jià)； 工程影響； 布爾津抽水蓄能電站

中圖法分類號(hào)：P642.23；TV743

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.007

文章編號(hào)：1006-0081（2023）07-0045-05

0 引 言

抽水蓄能電站受地形、距高比等因素限制，多修建在山區(qū)。泥石流作為一種山區(qū)自然災(zāi)害，其攜帶大量泥沙、塊石，具有突發(fā)性、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)，是影響電站安全運(yùn)營的地質(zhì)隱患之一。隨著抽水蓄能規(guī)劃項(xiàng)目實(shí)施，不少學(xué)者針對泥石流對抽水蓄能電站的影響展開研究。高翔等［1］基于工程地質(zhì)勘察資料，對泥石流危險(xiǎn)性等級(jí)及其對抽蓄電站的工程影響進(jìn)行研究；程英建等［2］通過分析泥石流發(fā)育地質(zhì)環(huán)境，對泥石流溝危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)，討論了泥石流對工程的影響；孫長瑞［3］結(jié)合金沙江奔子欄水電站壩址區(qū)各溝谷發(fā)育特征，選取危險(xiǎn)性評價(jià)因子進(jìn)行泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)，系統(tǒng)分析了泥石流對電站的工程影響并提出相應(yīng)防治建議。分析抽水蓄能電站庫區(qū)溝谷泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)及其對工程的影響，是電站工程地質(zhì)勘察與評價(jià)中的重要環(huán)節(jié)。通過對泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)，可有效反映出泥石流溝谷現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，對庫區(qū)泥石流預(yù)防和治理具有重要意義［4-5］。

本文基于新疆布爾津抽水蓄能電站庫區(qū)泥石流溝發(fā)育分布特征，對其動(dòng)力學(xué)特征及危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)，并從3個(gè)方面分析泥石流對布爾津抽水蓄能電站的影響。相關(guān)成果可供抽水蓄能電站庫址選擇及水工設(shè)計(jì)參考。

1 工程概況

新疆布爾津抽水蓄能電站位于阿勒泰地區(qū)布爾津縣境內(nèi)，總裝機(jī)容量為140萬kW，為純抽水蓄能電站Ⅰ等大（1）型工程。工程初擬上水庫調(diào)節(jié)庫容647萬m3，下水庫調(diào)節(jié)庫容652萬m3。經(jīng)過詳細(xì)排查，庫區(qū)共發(fā)育5條泥石流溝谷，其中3條位于下水庫庫盆上游。由于抽水蓄能電站有效庫容相對較小，一旦發(fā)生較大規(guī)模的泥石流災(zāi)害，將直接影響水工建筑物的安全運(yùn)行和發(fā)電效益［1］。

2 庫區(qū)泥石流發(fā)育分布特征

布爾津抽水蓄能電站工程區(qū)溝谷較發(fā)育，溝谷內(nèi)表部巖體風(fēng)化、卸荷作用強(qiáng)烈，沖溝、岸坡表部覆蓋層厚度大。在暴雨作用下，坡表碎屑物質(zhì)裹挾而下，易爆發(fā)一定規(guī)模的泥石流［6］，部分沖溝溝口泥石流堆積扇形態(tài)清晰，堆積物質(zhì)疊置痕跡清晰，有明顯的泥石流活動(dòng)痕跡。工程區(qū)上水庫為山頂夷平面，地形較平緩，無大的沖溝發(fā)育。下水庫庫壩北側(cè)山體發(fā)育3條沖溝，自西向東依次為2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)溝，其中2號(hào)溝規(guī)模相對較大，3號(hào)溝及4號(hào)溝規(guī)模相對較小，即下水庫位于3條沖溝匯合處（圖1），溝底及兩側(cè)坡腳覆蓋層發(fā)育，物源豐富，比降均較大（表1）。

2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)泥石流溝為布爾津抽水蓄能電站上庫區(qū)至下庫之間的溝谷，所處地貌部位基本相同，均由中低山區(qū)向南側(cè)丘陵、平原區(qū)延伸。工程區(qū)內(nèi)氣溫相差較大，巖體表部強(qiáng)風(fēng)化較發(fā)育，使大量的松散固體物質(zhì)易于形成和聚積，為溝谷山洪、泥石流固體物源的形成提供了有利條件。工程研究區(qū)內(nèi)年降雨量可達(dá)200～400 mm，區(qū)域地下水類型為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水，地下水主要靠北部基巖裂隙水側(cè)向徑流及河水補(bǔ)給。

2號(hào)泥石流溝堆積區(qū)內(nèi)溝口洪積扇完整度較差，地形平緩，沖溝較發(fā)育，沖蝕深度多為1～2 m，局部地段受下部山前低矮丘陵阻滯分割，呈多個(gè)小型洪積扇；3號(hào)泥石流溝位于工程區(qū)中部，西側(cè)緊鄰2號(hào)泥石流溝，與其近似平行分布，溝口堆積區(qū)與2號(hào)溝堆積區(qū)相交匯，其堆積物質(zhì)相同，主要以粒徑2～15 cm的碎石為主；4號(hào)泥石流溝堆積區(qū)經(jīng)歷多次不同程度和方向的洪沖積堆積，扇形特征不明顯，完整度較差。堆積區(qū)前緣地段受山前低矮丘陵切割分流，呈兩個(gè)東西向洪積扇。

綜上所述，布爾津抽水蓄能電站工程區(qū)主要溝谷所處的地貌部位、海拔高程具有發(fā)生山洪、泥石流的降水條件，有形成一定規(guī)模暴雨型泥石流的可能。

3 泥石流運(yùn)動(dòng)特征及動(dòng)力學(xué)特征

3.1 泥石流物質(zhì)狀態(tài)

通過對顆分試驗(yàn)后粒徑小于2 mm的堆積物細(xì)顆粒物質(zhì)進(jìn)行比重試驗(yàn)，并采用水土比法換算泥石流容重（rc），如式（1）所示。計(jì)算結(jié)果見表2。

3.2 泥石流峰值流量

假設(shè)泥石流與暴雨同頻同步發(fā)生，根據(jù)水文方法計(jì)算各頻率下暴雨洪峰流量，并選取堵塞系數(shù)，按式（2）計(jì)算泥石流流量。

式中：Qc，Qp分別為頻率為P的泥石流峰值流量和暴雨洪水設(shè)計(jì)流量，m3/s；ψ為泥石流泥砂修正系數(shù)；Dc為泥石流堵塞系數(shù)。

由式（2）計(jì)算出庫區(qū)2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)3條泥石流溝在5%，2%，1% 3種頻率下的泥石流峰值流量，結(jié)果見表3。

3.3 一次泥石流過程總量計(jì)算

由于一次泥石流過程總量取決于暴雨頻率及暴雨激發(fā)泥石流后泥石流持續(xù)的時(shí)間，泥石流持續(xù)時(shí)間直接影響泥石流量及固體物質(zhì)的估算［7］。根據(jù)該工程研究區(qū)現(xiàn)場調(diào)查堆積扇面積和近期泥石流堆積物厚度，計(jì)算得到近期泥石流在溝口形成的堆積扇方量和1%暴雨頻率下持續(xù)30 min至2 h的泥石流活動(dòng)固體物質(zhì)總量相近。根據(jù)泥石流歷時(shí)和最大流量以及泥石流暴漲暴落特點(diǎn)，由式（3）～（4）計(jì)算庫區(qū)2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)3條泥石流溝在5%，2%，1%三種頻率下的一次泥石流過程總量及沖出固體物質(zhì)總量，結(jié)果見表4。

Q=KTQc（3）

QH=Q（γC-γW）/（γH-γW）（4）

式中：Q為一次泥石流總量，m3；K為取值系數(shù)，與匯水面積有關(guān)；T為泥石流歷時(shí)時(shí)間，s；Qc為泥石流峰值流量；γc，γw，γH分別為泥石流、水及泥石流固體物質(zhì)的重度；QH為一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量，m3。

泥石流峰值流量及一次泥石流過程總量計(jì)算結(jié)果表明：在洪水作用下，庫區(qū)3條泥石流溝部分不穩(wěn)定物體將被沖走，但由于峰值洪水流量低于洪水流量，所以不穩(wěn)定物體移動(dòng)方量及移動(dòng)距離有限，形成小規(guī)模泥石流。泥石流溝谷下部坡度變緩，使運(yùn)動(dòng)過程中不穩(wěn)定物體停積在河床上，成為下次泥石流的物源。

4 泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)

通過泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)，可以分析泥石流活動(dòng)的發(fā)展階段和受威脅對象的抗災(zāi)能力，預(yù)測未來泥石流活動(dòng)強(qiáng)度與頻率，為防治措施提供依據(jù)。本文采用劉希林危險(xiǎn)度評價(jià)模型，按1%暴雨頻率下泥石流一次持續(xù)1 h對庫區(qū)泥石流危險(xiǎn)度進(jìn)行計(jì)算和分析。各評價(jià)因子的權(quán)重及權(quán)重系數(shù)見表5。

根據(jù)上述對泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)因子的分析和確定的因子權(quán)重［8-9］，按式（5）計(jì)算單溝泥石流危險(xiǎn)度。計(jì)算結(jié)果見表6。計(jì)算結(jié)果表明：布爾津抽水蓄能電站下庫壩址區(qū)2號(hào)泥石流溝危險(xiǎn)度為0.218，屬于低度危險(xiǎn)；3號(hào)和4號(hào)泥石流溝危險(xiǎn)度H分別為0.150和0.161，屬于極低危險(xiǎn)。

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

式中：M，F(xiàn)，S1，S2，S3，S4，S5分別為m，f，s1，s2，s3，s4，s5的轉(zhuǎn)換值，由轉(zhuǎn)換函數(shù)獲取。

5 泥石流對工程的影響分析

泥石流對抽水蓄能電站水庫的影響主要表現(xiàn)在泥石流攜帶的固體物質(zhì)減少有效庫容、泥石流活動(dòng)對水庫建筑物的沖擊破壞、泥石流活動(dòng)造成的庫水水質(zhì)變差，影響發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行。

5.1 泥石流淤積方量對水庫庫容的影響

由于抽水蓄能電站庫容較小，泥石流造成的庫容淤積直接關(guān)系到電站的發(fā)電效益［10］。水庫運(yùn)營按100 a計(jì)，在運(yùn)營期內(nèi)，庫區(qū)各個(gè)泥石流溝暴發(fā)泥石流的次數(shù)、規(guī)模尚無精確的定量計(jì)算方法。出于安全考慮，本文假定：在水庫運(yùn)營期內(nèi)，庫區(qū)泥石流溝可以參與泥石流活動(dòng)的潛在不穩(wěn)定物源全部入庫。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，3條溝的不穩(wěn)定物源量分別為21.240萬m3、5.708萬m3、9.966萬m3，由此可計(jì)算出水庫運(yùn)營期間庫容淤積總量為36.914萬m3。布爾津抽水蓄能電站下水庫庫容僅約669萬m3，死庫容僅16萬m3，同時(shí)由于抽水蓄能電站庫容多為開挖形成，為節(jié)省工程造價(jià)，一般不預(yù)留多余庫容。因此，在泥石流固體物質(zhì)長期積累下，水庫庫容逐漸減小，當(dāng)超過死水位庫容后，水庫將失去調(diào)節(jié)和發(fā)電功能。

5.2 泥石流對庫水水質(zhì)的影響

抽蓄電站機(jī)組對水質(zhì)要求較高，對水的含砂量有一定的要求，一般需要控制其小于30 g/m3。泥石流活動(dòng)帶入的泥砂含量較高，對庫水水質(zhì)有明顯的影響。

5.3 泥石流對水庫建筑物的影響

泥石流活動(dòng)的沖擊力和泥石流特征密切相關(guān)，對于出現(xiàn)黏性泥石流活動(dòng)且溝谷坡降大的地區(qū)，泥石流沖擊力越大，泥石流流體和攜帶的巨石可能直接沖擊水工建筑。布爾津抽水蓄能電站下水庫工程區(qū)場址位于2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)泥石流堆積區(qū)內(nèi)，屬泥石流危害活動(dòng)危險(xiǎn)區(qū)，3條泥石流溝對下庫區(qū)主體建筑物具有一定的沖擊破壞，威脅較大（表7）。因此應(yīng)設(shè)置必要的防治措施，可采用設(shè)置主動(dòng)防護(hù)工程并結(jié)合監(jiān)測預(yù)警的方式。

6 結(jié) 論

布爾津抽水蓄能電站庫區(qū)發(fā)育5條泥石流溝，均為稀性泥石流，處于發(fā)展期泥石流溝。其中下水庫所在的2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)三條溝谷都具備形成一定規(guī)模山洪泥石流的地形地貌和松散固體物源條件，有再次發(fā)生泥石流災(zāi)害的可能性，對水電站工程安全有較大的影響。

（1） 綜合考慮各溝谷的物源條件、地形地貌特征，得到3條溝谷的泥石流易發(fā)程度：2號(hào)溝泥石流屬中等易發(fā)，3號(hào)、4號(hào)溝泥石流屬輕度易發(fā)。按頻率為1%的暴雨持續(xù)1 h的條件計(jì)算，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)3條泥石流溝一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量分別為1 888.6 m3、558.7 m3、1 105.1 m3。

（2） 根據(jù)劉希林危險(xiǎn)度評價(jià)模型，對庫區(qū)3條泥石流溝危險(xiǎn)度進(jìn)行計(jì)算，得出2號(hào)泥石流溝危險(xiǎn)度為0.218，屬于低度危險(xiǎn)，3號(hào)和4號(hào)泥石流溝危險(xiǎn)度分別為0.150和0.161，屬于極低危險(xiǎn)。

（3） 在工程運(yùn)營期間（按100 a計(jì)），經(jīng)計(jì)算水庫運(yùn)營期間庫容淤積總量為36.914萬m3，布爾津抽水蓄能電站下水庫庫容約669萬m3，死庫容僅16萬m3，泥石流形成的固體物質(zhì)淤積將嚴(yán)重影響水庫正常運(yùn)營。

（4） 100 a一遇泥石流整體沖擊壓力和單塊巨石沖擊壓力較大，應(yīng)重點(diǎn)防范巨石對壩址區(qū)水工建筑及工程施工的影響，建議對2，3，4號(hào)3條泥石流溝修建多級(jí)攔擋工程，設(shè)置引水渠、截水渠、排導(dǎo)堤等，并結(jié)合崩塌整治，清除危巖修建擋石墻和護(hù)坡，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測預(yù)警。

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（編輯：江 燾，高小雲(yún)）