富春江水電站左岸微波山泥石流特性與治理措施研究

楊建元，金忠良，何桂鳳，霍世忠，吳曉亮

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310030;2.昆明綠地環(huán)保工程資環(huán)有限公司，云南 昆明 650228)

泥石流是發(fā)生在山區(qū)的一種常見(jiàn)山地災(zāi)害，具有爆發(fā)突然、摧毀力強(qiáng)等特點(diǎn)［1］。泥石流災(zāi)害會(huì)給山區(qū)人民的生產(chǎn)生活造成沉重災(zāi)難，嚴(yán)重影響山區(qū)的生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此泥石流災(zāi)害也備受關(guān)注［2］。由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求也更加迫切，在這種背景下許多水電工程相繼建設(shè)，泥石流對(duì)水電工程施工及運(yùn)行期的影響也更加突出，泥石流對(duì)水電工程的威脅也越來(lái)越受到重視［3］。工程建設(shè)前期研究及運(yùn)行期對(duì)樞紐區(qū)、水庫(kù)區(qū)典型中～大型泥石流溝研究詳盡，并采取相應(yīng)的措施，但對(duì)樞紐區(qū)小型沖溝、細(xì)溝稀性泥石流、坡面泥石流等研究較缺乏。近年來(lái)中小型水電站樞紐區(qū)小型沖溝、細(xì)溝、坡面泥石流對(duì)中小型水電站影響突出，富春江左岸微波山泥石流以小型沖溝及坡面流為主，對(duì)其研究較為重要。主要采用現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪、坑探等方法，進(jìn)行泥石流沖擊力評(píng)價(jià)，提出有效治理措施。

1 微波山泥石流概況

富春江水電站位于浙江桐廬縣境內(nèi)的富春江上，壩址在桐廬縣富春江鎮(zhèn)。2009年08月13日晚，受臺(tái)風(fēng)“莫拉克”影響，富春江鎮(zhèn)遭受大暴雨 (觀測(cè)站最大降雨量3h達(dá)到191.0mm)，引發(fā)了富春江電站左岸微波山多處沖溝、坡面發(fā)生滑坡，在持續(xù)的降雨作用下轉(zhuǎn)化為泥石流。泥石流沖毀部分排水設(shè)施、上山道路及消防水管，坡腳堆積物厚度達(dá)1m。由于人員及時(shí)轉(zhuǎn)移、應(yīng)急措施得力，此次泥石流災(zāi)害未造成人員傷亡及重大財(cái)產(chǎn)損失。但泥石流災(zāi)害嚴(yán)重威脅富春江電站開(kāi)關(guān)站、水泵房、碼頭及消防管路的安全。

2 微波山泥石流形成條件分析

水電工程區(qū)泥石流的形成有自身的特點(diǎn)，由于水電工程在建設(shè)過(guò)程中人類活動(dòng)頻繁 (開(kāi)挖隧道、砍伐樹(shù)木、修建公路等)，會(huì)對(duì)工程區(qū)巖土體的穩(wěn)定性造成不同程度的影響。泥石流的形成影響因素眾多，不同的地域類型、氣候特點(diǎn)泥石流的發(fā)育特征也有明顯的差異。但泥石流形成所需的條件是必須具備的［4］能量條件、物源條件及強(qiáng)大的水動(dòng)力條件，各種外在因素大多是通過(guò)影響這3大條件中的某個(gè)或其組合而影響泥石流的形成。

2.1 地形地貌及物源條件

富春江電站左岸微波山山頂高程約202.0m，坡底高程約32.0～35.0m，山體自然坡度約25～55°，山體斜坡沖溝發(fā)育，平均縱坡降500‰～700‰，溝床坡降大，為泥石流提供了巨大的能量。溝底多基巖出露，溝谷兩側(cè)岸坡地形坡度較陡，一般均大于32°，坡面覆蓋層分布廣泛，厚度約1～3m，下伏為堅(jiān)硬塊狀巖體，沿溝陡坡覆蓋層在降雨飽和后易塌滑，為泥石流形成提供了有利的地形條件和物源條件。

微波山地層主要由第四系殘坡積地層和侏羅系地層構(gòu)成，第四系殘坡積層 (Qel-dl)，分布于微波山山坡表面，與基巖直接接觸，紅褐色～灰黃色，巖性為粉砂質(zhì)黏土夾碎石，碎石成分與下伏基巖關(guān)系密切，為含角礫熔結(jié)凝灰?guī)r，厚度1～3m。

巖性是影響泥石流發(fā)育的重要因素之一，不同類型的巖石成分、結(jié)構(gòu)及風(fēng)化程度，造成泥石流溝的發(fā)育程度不同，表現(xiàn)為泥石流對(duì)不同巖性的敏感性不同［5-6］。雖然微波山流域內(nèi)巖性并不復(fù)雜，但經(jīng)勘察發(fā)現(xiàn)各巖性的風(fēng)化差異卻較為明顯，風(fēng)化差異的巖性組合很容易為泥石流的發(fā)生提供物源［7］。且由于山坡地形較陡，一般32°以上，局部溝床基巖出露，沿溝床分布的殘坡積覆蓋層在降雨飽水后易向溝內(nèi)塌滑，形成泥石流物源 (見(jiàn)圖1)。

圖1 沖溝岸坡塌滑及岸坡堆積物圖

2.2 氣象水文條件

富春江水電站所在區(qū)域?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季6—9月為光濕高峰期，5月中旬至6月上旬為“梅雨期”，雨量較為集中，7—9月是臺(tái)風(fēng)季節(jié)，此季節(jié)多陣雨，偶有冰雹、龍卷風(fēng)。多年平均降水量1462.0mm，日最大降水量153.4mm，年最大降水量2356.0mm，年最小降水量954.0mm，雨量集中在梅雨季和臺(tái)風(fēng)季。年平均降水天數(shù)170d。其中降水量大于10.0mm的天數(shù)為45d，最長(zhǎng)連續(xù)降水天數(shù)15d。

泥石流的暴發(fā)是前期一定的降水積累和暴雨激發(fā)2個(gè)因素共同作用的結(jié)果［8］;研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)引發(fā)泥石流的水源主要來(lái)自暴雨［9］。目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)降雨與泥石流之間的關(guān)系進(jìn)行了較為深入的研究，并采用不同的分析方法和模型研究不同區(qū)域泥石流發(fā)生時(shí)的雨量或雨強(qiáng)的臨界值，在很大程度上揭示了降雨與泥石流災(zāi)害之間的關(guān)系［10-12］。

由于微波山流域降雨較為豐富，流域內(nèi)巖土體在前期降雨作用下接近飽和，土體的強(qiáng)度降低［13］，在大暴雨的作用下，坡體表面及內(nèi)部均出現(xiàn)徑流。在表面徑流的沖刷及掏蝕作用下，土體的滲透性增大，入滲的水分增多，滲透力增大，土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，隨著土體內(nèi)部孔隙水壓力的升高，土體的強(qiáng)度降低甚至為零，在強(qiáng)降雨的激發(fā)作用下暴發(fā)泥石流。受臺(tái)風(fēng)“莫拉克”影響，富春江鎮(zhèn)遭受大暴雨 (觀測(cè)站最大降雨量3h達(dá)到191.0mm)，瞬時(shí)暴雨強(qiáng)度大，左岸微波山?jīng)_溝兩側(cè)陡坡處局部發(fā)生淺層塌滑，并隨暴雨洪水搬運(yùn)形成小規(guī)模泥石流。

2.3 微波山?jīng)_溝特征

富春江左岸微波山?jīng)_溝發(fā)育，臨近電站大壩段岸坡主要發(fā)育4條沖溝 (見(jiàn)圖2)，C1沖溝沖溝主溝全長(zhǎng)約280.0m，溝口高程30.0m，溝源高程180.0m，溝床平均縱坡降535.7‰，溝谷較順直，溝內(nèi)支溝不發(fā)育，溝谷流域匯水面積約16500m2。C2沖溝溝谷較順直，溝內(nèi)有1條支溝發(fā)育，沖溝主溝全長(zhǎng)約430.0m，溝口高程約34.0m，溝源高程252.0m，溝床平均縱坡降507.0‰，溝谷流域匯水面積約72000m2。C3沖溝溝谷較順直，溝內(nèi)支溝不發(fā)育，沖溝全長(zhǎng)約125.0m，溝口高程約34.0m，溝源高程127.0m，溝床平均縱坡降747.0‰，溝谷流域匯水面積約9500m2。C4沖溝溝谷較順直，溝內(nèi)支溝較發(fā)育，主溝全長(zhǎng)約230.0m，溝口高程約34.0m，溝源高程198.0m，溝床平均縱坡降713.0‰，溝谷流域匯水面積約15600m2。沖溝具有溝源不長(zhǎng)、匯水面積不大，但縱坡降較大的特點(diǎn)，且山體坡度陡，殘坡積分布范圍廣。

圖2 富春江左岸微波山及其坡面沖溝分布圖

2.4 暴雨強(qiáng)度

微波山以往沒(méi)有爆發(fā)過(guò)較大規(guī)模的泥石流，2009年08月13日在強(qiáng)暴雨作用下工程區(qū)多條沖溝及坡面爆發(fā)泥石流，泥石流是由強(qiáng)降雨激發(fā)。當(dāng)天3h降水量達(dá)191.0mm，降雨持續(xù)時(shí)間短，集中，暴雨強(qiáng)度大，由于沖溝溝床坡降大，洪水迅猛，導(dǎo)致溝內(nèi)松散物源被洪水?dāng)y帶形成泥石流。

據(jù)DZ/T 0220—2006規(guī)范附錄B，其暴雨強(qiáng)度指標(biāo)值R=K(H24/H24(D)+H1/H1(D)+H1/6/H1/6(D))，桐廬縣處于浙江省西北部，前期降雨量修正系數(shù)K取1.1;24h最大降雨量H24為183.0mm，可能發(fā)生泥石流的24h的界限雨量值H24(D)為60.0mm，1h最大降雨量H1為100.0mm，可能發(fā)生泥石流的1h的界限雨量值H1(D)為20.0mm，10min最大降雨量H1/6為22.0mm，可能發(fā)生泥石流的10min的界限雨量值H1/6(D)為10.0mm，計(jì)算得R=11.3，其發(fā)生泥石流的可能性大于80%。

3 微波山泥石流形成機(jī)制及形成過(guò)程

3.1 微波山泥石流形成機(jī)制

基于以上分析可知，富春江水電站左岸微波山位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)降雨較為充沛，前期降雨量較大。前期降雨量越大，激發(fā)泥石流所需的臨界雨量就越?。?4］。微波山流域內(nèi)沖溝發(fā)育，溝道坡降大，岸坡地形較陡，坡面松散堆積物分布廣發(fā)，在降雨過(guò)程中很容易被雨水沖刷堆積于沖溝內(nèi)，在山洪的沖擊作用下，山洪的巨大揭底作用會(huì)使溝床及沿途物質(zhì)參與泥石流運(yùn)動(dòng)，形成一定規(guī)模的泥石流。

3.2 富春江水電站泥石流形成過(guò)程

風(fēng)化地質(zhì)作用→土體結(jié)構(gòu)遭到破壞→豐富的前期降雨→激發(fā)泥石流的強(qiáng)降雨→松散固體物質(zhì)淺層塌滑堆積于溝道→強(qiáng)降雨的持續(xù)作用形成山洪→沿溝床搬運(yùn)掏蝕→水石流 (稀性泥石流)。

3.3 微波山泥石流發(fā)展趨勢(shì)

微波山?jīng)_溝歷史上無(wú)明確災(zāi)害記錄，最近發(fā)生的泥石流災(zāi)害在2009年;表明泥石流處于發(fā)展期 (壯年期)，發(fā)生短時(shí)特大暴雨，或長(zhǎng)時(shí)間的暴雨，就會(huì)發(fā)生小型泥石流災(zāi)害。

4 微波山泥石流沖擊力評(píng)價(jià)

泥石流沖擊力評(píng)價(jià)是基于基巖泥石流流速、流量計(jì)算的基礎(chǔ)上的，進(jìn)行整體沖擊力和單塊最大沖擊力計(jì)算。

4.1 計(jì)算方法

泥石流整體沖擊力按下式計(jì)算:

式中:F為泥石流整體沖壓力，tf/m2(1tf相當(dāng)于104N);g為重力加速度，9.8m/s2;α為受力面與泥石流沖壓力方向所夾的角，°;λ為受力體形狀系數(shù)，方形為1.47;矩形為1.33;圓形、尖端及圓端形為1.00。

單塊塊石的最大撞擊力按下式計(jì)算:

式中:FS為單塊巨石的撞擊力，tf;γ為動(dòng)能折減系數(shù)，正面撞擊時(shí)取0.3;α為受力面與泥石流撞擊面撞擊角;C1、C2為巨石的撞擊系數(shù)，C1+C2=0.005;W為巨石重量，tf。

4.2 計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)

根據(jù)式 (1)、式 (2)，微波山?jīng)_溝泥石流沖擊力的計(jì)算均考慮最危險(xiǎn)情況，即有關(guān)參數(shù)采用沖擊力最大的數(shù)值，并且只考慮正面撞擊，單塊塊石方量按0.5m3計(jì)算，其相應(yīng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。計(jì)算結(jié)果表明泥石流整體沖擊力較小，由于溝床坡降大，單塊沖擊大，破壞力大。

表1 微波山泥石流撞擊力計(jì)算表

5 泥石流對(duì)工程的影響及治理措施建議

微波山?jīng)_溝泥石流以往沒(méi)有發(fā)生過(guò)泥石流，泥石流易發(fā)程度為輕度易發(fā)，本次爆發(fā)的泥石流為100a一遇的泥石流，通過(guò)本次泥石流后溝內(nèi)溝床及兩側(cè)岸坡被沖刷、掏蝕，使原始地貌發(fā)生改變，將來(lái)再次爆發(fā)泥石流的可能性大，泥石流易發(fā)程度為趨于易發(fā)。沖溝口為沿江公路，江邊為碼頭、水泵房，泥石流主要危害沿江公路及江邊碼頭、消防水管等。

根據(jù)調(diào)查及估算，微波山C1、C2、C3、C4沖溝100a一遇泥石流總量分別約1300，8000，600，1400m3，一次泥石流輸沙量約500，3300，300，600m3，輸砂量均較小，C2沖溝相對(duì)較大。結(jié)合地區(qū)泥石流防治措施經(jīng)驗(yàn)及溝口特點(diǎn)，C1沖溝泥石流采用排導(dǎo)的防治措施難度及工程量較大，目前溝內(nèi)泥石流固體物源主要分布在溝口段溝床及溝谷兩側(cè)，溝谷中上游溝床基巖出露，泥石流物源相對(duì)較少，溝口段溝床坡降較緩，建議溝口段修筑漿砌石排水溝，使溝口段溝床及溝谷兩側(cè)不被再次沖刷、掏蝕;溝內(nèi)設(shè)攔擋壩，攔擋上游固體物質(zhì)，汛期及時(shí)清理攔擋壩內(nèi)堆積物;清理溝內(nèi)被沖出的樹(shù)根、枯木及容易滾動(dòng)的塊石;溝源滑坡區(qū)進(jìn)行坡面加固或支擋、攔擋。C2沖溝溝口無(wú)建筑物，建議溝口修筑排導(dǎo)渠，將泥石流排入江內(nèi)，溝內(nèi)泥石流固體物源主要分布在溝口段溝床及溝谷兩側(cè)，溝谷中上游溝床基巖出露，泥石流物源相對(duì)較少，溝口段溝床坡降較緩，建議溝口段修筑漿砌石排水溝，使溝口段溝床及溝谷兩側(cè)不被再次沖刷、掏蝕;溝內(nèi)設(shè)攔擋壩，攔擋上游固體物質(zhì)，汛期及時(shí)清理攔擋壩內(nèi)堆積物;清理溝內(nèi)被沖出的樹(shù)根、枯木及容易滾動(dòng)的塊石;溝源滑坡區(qū)進(jìn)行坡面加固或支擋、攔擋。C3沖溝口為江邊有水泵房，溝口采用排導(dǎo)的防治措施難度大，溝口溝床坡降大，基巖出露，建議溝口采用混凝土擋墻攔擋，清理溝內(nèi)部分松散物，溝內(nèi)部分溝谷兩側(cè)被沖刷地段可采用漿砌石或混凝土駁坎護(hù)坡;溝源滑坡區(qū)進(jìn)行坡面加固或支擋、攔擋，清除溝源孤石。C4沖溝口有消防，溝口采用排導(dǎo)的防治措施難度大，溝口溝床坡降大，基巖出露，建議溝口采用混凝土擋墻攔擋，溝內(nèi)目前有滑坡堆積物殘留，建議進(jìn)行清理，溝內(nèi)部分溝谷兩側(cè)被沖刷地段可采用漿砌石或混凝土駁坎護(hù)坡;溝源滑坡區(qū)進(jìn)行坡面加固、支擋。

6 治理設(shè)計(jì)及治理效果

6.1 治理設(shè)計(jì)原則及高坡降小流域泥石流治理研究

以人為本，采取防治結(jié)合的目標(biāo)原則，保證泥石流不形成災(zāi)難性的危害，最大限度地遏制微波山村泥石流災(zāi)害的發(fā)生，確保富春江水電站及周邊人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全、社會(huì)和諧穩(wěn)定和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

根據(jù)浙江省高坡降泥石流特點(diǎn)，一般采用泥石流分區(qū)治理，形成區(qū)一般采用封山育林，25°以上陡坡地區(qū)退耕還林，科學(xué)規(guī)劃集排水系統(tǒng)，坡面治理工程，溝谷穩(wěn)坡穩(wěn)谷治理工程、低壩群 (實(shí)體壩)、護(hù)底護(hù)岸工程等;流通區(qū)一般采用攔擋工程格柵壩 (水石型、泥石型)、實(shí)體壩 (泥流地區(qū))、淤地壩 (泥流地區(qū))、護(hù)底、護(hù)岸工程、導(dǎo)流工程;堆積區(qū)一般采用導(dǎo)流工程、排導(dǎo)工程、護(hù)底、護(hù)岸工程、停淤場(chǎng)、緩沖林帶、集流歸槽。

6.2 治理設(shè)計(jì)

微波山泥石流活動(dòng)性中等，擁有一定物源量，而水源條件并不豐富，泥石流主要為暴雨作用下的短時(shí)洪流所激發(fā)，其運(yùn)動(dòng)具有歷時(shí)較短、流量較大等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)主要采用在流通區(qū)進(jìn)行攔擋的治理方案，即在泥石流的流通區(qū)(中下游)主要以護(hù)底攔擋為主，減小泥石流流速和沖擊力，改變泥石流流體性質(zhì)，保護(hù)溝底和沖溝兩岸，同時(shí)攔擋較粗大的固體物源，以利于剩余的少量較細(xì)顆粒泥石流(稀性為主)順暢往下排泄及堆積。溝口段設(shè)置排水溝、導(dǎo)流槽 (護(hù)面墻)等。

6.3 治理效果

根據(jù)治理措施建議，微波山泥石流溝治理工程設(shè)計(jì)采用攔擋壩+排水溝相結(jié)合的防治工程，溝源進(jìn)行護(hù)面加固，溝道新建排水溝，溝口進(jìn)行漿砌塊石護(hù)坡，C2溝口設(shè)置箱涵外其余沖溝設(shè)置攔擋壩治理。2010年臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前治理竣工，2010年以來(lái)臺(tái)風(fēng)季節(jié)暴雨期間未再次發(fā)生泥石流地質(zhì)災(zāi)害，2012年“海葵”、2013年“菲特”臺(tái)風(fēng)正面登陸影響，暴雨強(qiáng)度強(qiáng)于2009年，微波山亦未發(fā)生泥石流災(zāi)害。

7 結(jié)語(yǔ)

(1)富春江水電站左岸微波山溝谷存在暴發(fā)泥石流的地形地貌、固體物源及水動(dòng)力條件，將來(lái)有發(fā)生一定規(guī)模泥石流的可能性。為了防止泥石流暴發(fā)對(duì)電站運(yùn)行的危害，將泥石流的危害程度降至最低程度，采取合理的防治治理措施是必要的。

(2)微波山泥石流溝源短、匯水面積小、坡降大，泥石流整體沖擊力雖較小，由于溝床坡降大，單塊沖擊大，破壞力大。采溝源護(hù)面加固、新建溝道處理、溝口攔擋是可以的。

(3)經(jīng)過(guò)治理，經(jīng)歷更加強(qiáng)力的臺(tái)風(fēng)暴雨，亦未發(fā)生泥石流地質(zhì)災(zāi)害，治理效果好，對(duì)針對(duì)小型沖溝稀性泥石流具有推廣、應(yīng)用價(jià)值。

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