近坝泥石流对水电站工程影响的精细化评价方法初探

近坝泥石流对水电站工程影响的精细化评价方法初探以扯索沟泥石流对拟建某水电站（比选闸址）的影响评价为例摘要泥石流作为一种不确定性极大的突发性山地灾害，至今尚缺乏成熟可靠的定量化评价体系，其对工程的影响评价也很难达到精细化要求，但近坝泥石流作为水电站工程中的重大危险源，有时又需要将其对工程的具体影响尽量进行精细化评价，以获得较为精确的评价结果，为工程的选址或枢纽布置等提供地质灾害危险性评价方面的科学依据。本文依托拟建某水电站工程区泥石流灾害影响评价专题研究，参阅大量文献资料，以扯索沟泥石流对该工程比选闸址影响的精细化评价为例，介绍了近坝泥石流对水电站工程具体影响所需评价的主要内容，选用了适合沟域泥石流发育特征的系列经验公式及预测模型，对相应内容的精细化评价方法进行了初步探讨，冀此分析思路与方法能对类似工程具有参考和借鉴意义。关键词近坝泥石流；水电站工程；影响评价；精细化评价；扯索沟1、前言水电站工程中近坝泥石流作为一个重大的危险源，对水电站工程的建设与运营都潜存多方面的不利影响。目前，泥石流对工程的影响评价，多采用较为成熟的泥石流危险性评价方法体系，该体系诸方法均基于多因子综合评判模型，属定性与半定量相结合的评价方法，其评价结果较为宏观、初略，虽然能在整体上较好地反映出泥石流沟的灾害危险性程度，但难以满足诸如对工程具体部位的实际影响等精确性评价要求。泥石流作为一种不确定性极大的突发性山地灾害，至今尚缺乏成熟可靠的定量化评价体系，其对工程的影响评价也很难达到精细化要求，但近坝泥石流作为水电站工程中的重大危险源，有时则需要将其对工程的具体影响尽量进行精细化评价，以获得较为精确的评价结果，为工程的选址或枢纽布置等提供地质灾害危险性评价方面的科学依据。本文依托拟建某水电站工程区泥石流灾害影响评价专题研究，参阅大量文献资料，以扯索沟泥石流对该工程比选闸址影响的精细化评价为例，介绍了近坝泥石流对水电站工程具体影响所需评价的主要内容，选用了适合沟域泥石流发育特征的系列经验公式及预测模型，对相应内容的精细化评价方法进行了初步探讨。2、扯索沟泥石流及拟建水电站工程概况21拟建水电站工程与扯索沟流域概况拟建某水电站位于四川省甘孜藏族自治州泸定县境内，为大渡河干流的梯级电站。工程主要任务是发电，初拟正常蓄水位1246M，库容约240万M3，引水式开发装机容量1170MW，电站枢纽建筑物由闸坝、引水隧洞、调压井及地下厂房等组成。扯索沟属于大渡河右岸一级支沟，位于拟建水电站（比选闸址）上游约800M。扯索沟流域在平面上呈狭长“树叶状”（图1），主沟长741KM，流域面积194KM2，发源于2900M高程，在1235M高程汇入大渡河，平均纵坡降2257。图1扯索沟流域全貌该沟曾于1957年与2005年暴发过两次规模较大的泥石流，均短暂堵塞大渡河，还于1961年暴发过一次规模相对较小的泥石流；2005年泥石流经调查访问及分析推导其泥石流总量2025万M3，相应固体物质总量1114万M3。鉴于扯索沟距比选闸址很近，而拟建电站规模大、库容小，该沟潜存的大规模泥石流对其存在较大威胁，需在查明该沟泥石流发育特征的基础上较为准确地评价泥石流对电站的具体影响，以便于为闸址比选提供地质灾害危险性评价方面的科学依据。22扯索沟泥石流发育特征扯索沟是一条较为典型的沟谷型泥石流沟，其沟谷特征显示它有明显的物源区、流通区及堆积区，其物源区可提供大量松散固体物质，流通区具有良好的加速流通功能，堆积区规模较小，对流体中固体物质的截留停歇能力较差。据物源量调查统计，全流域松散固体物质总量约2000万M3，大多处于稳定状态，能为全沟泥石流提供的潜在不稳定松散固体物质量约290万M3；据近沟口堆积调查，新近泥石流的堆积区总体呈带状，长约1KM，嵌于老堆积扇上游侧，老堆积扇为第四纪以来该沟的泥石流与洪流混合堆积，沟床下切的横断面上显示老扇体承接了该沟历史上多次泥石流堆积。新、老泥石流的内叠式堆积显示从较长历史时期来看，该沟泥石流发展总体上呈现衰退趋势，近代以暴发中低频率泥石流为主，其地质灾害危险性评价结果显示，该沟泥石流易发、危险性中等偏大、危险度中等偏高。22扯索沟泥石流动力学特性通过雨洪法的配方试算，结合实测断面的泥痕调查、泥石流过程的访问调查及反演推算，对扯索沟泥石流的流速、峰值流量和泥石流总量等动力学特性经系统分析、综合比较，得出较为合理的取值结果（表1）。表1扯索沟泥石流动力学特性计算结果简表设计概率105210502设计流速M/S343375535620690750峰值流量M3/S1125317461388025976684574117427泥石流总量万M337083030735680937814880固体物质总量万M310631017023146519482423、扯索沟泥石流对拟建水电站（比选闸址）影响的精细化评价扯索沟泥石流对拟建水电站（比选闸址）影响的精细化评价内容主要包括以下三个方面（1）定量化评价泥石流在冲出沟口后，固体物质入库对水库库容的影响；（2）定量化评价泥石流对电站正常运营的影响；（3）定量化评价泥石流对电站施工期间的不利影响。31对水库库容影响的量化评价扯索沟沟口低于拟建电站正常蓄水位，冲出沟口的泥石流直接入库，而其堆积区基本不被淹没，对单次泥石流的固体物质有所截留，故其泥石流对水库库容的影响评价需在分析单次泥石流固体物质入库量的基础上进行。单次泥石流固体物质入库量按下式计算SPSV0式中某设计频率下泥石流固体物质入库量，M3；0SV某设计频率下泥石流固体物质总量，M3；S某设计频率下泥石流固体物质入库系数。P50年一遇设计频率的可通过该沟2005年泥石流的近沟口堆积特征调查和堵江过程P分析反算加以确定，其它频率进行理论分析结合经验类比确定，之后可得出单次泥石流的固体物质入库量（表2）。表2各种设计频率下扯索沟泥石流一次性入库量设计概率（）105210502固体物质总量万M31063101702314651948242入库系数090908080707入库量万M30952791362251736365769水库运营按100年计，保守估计，期间发生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，据此可计算出水库运营期间，泥石流固体物质的可能最大入库总量（表3）。表3扯索沟泥石流固体物质可能最大入库总量计算表设计概率（）10521各频率一次入库量万M309527913622517可能遭遇次数10521各种频率入库总量万M395139527242517100年内泥石流入库总量万M37586计算结果表明，水库运营期间（按100年计）理论上泥石流固体物质可能的最大入库总量约76万M3（最终淤积量则与工程运营方式及运营期限密切相关），鉴于水库总库容仅约240万M3，该沟泥石流对其影响比较明显。32对电站正常运营影响的量化评价泥石流对拟建电站正常运营的影响主要表现为可能存在的壅堵水库及威胁枢纽建筑物问题，电站排砂、清淤问题次之。电站蓄水后，沟口大渡河基本处于静水状态，扯索沟泥石流所携带大量固体物质绝大部分将迅速堆积于近沟口水库中，会否形成对水库的壅堵甚至对枢纽建筑物的直接威胁，从而严重影响到电站的正常运营，关键在于确定泥石流入库后的堆积方式及堆积范围，而这又需要以自然堆积宽度与自然淤积厚度的确定为基础。根据扯索沟近沟口实际特征，首先采用经验公式得到出沟口泥石流5031CPQB流体宽度范围，再用该沟2005年泥石流的调查结果进行复核，确定合理取值，按没有地形约束的条件考虑，泥石流的自然堆积宽度一般可取流体宽度的502CPQB6倍，由此可推算扯索沟出沟口的泥石流自然堆积宽度（表4）。表4不同设计概率下扯索沟泥石流出沟口自然堆积宽度计算表设计概率（）105210502峰值流量QC1125317461388025976684574117427流体宽度范围M1593181983962965913677334368725141028选择流体宽度M2653304493611727857堆积宽度M1591198212955366743625140泥石流在水库中的自然淤积厚度可按公式（泥石流屈服应SIN0GHRCBB力，H淤积厚度，沟床底坡，泥石流容重，水的容重）进行计算，根据对SINCR历史泥石流典型淤积厚度的调查和测量，对比无库水顶托淤积厚度计算公式进行推导反算，可求得扯索沟50年一遇泥石流入库后的自然淤积平均厚度IGRCB约51M，其它频率以此为依据按经验取值，结果见表5。表5扯索沟不同频率泥石流入库后的自然淤积厚度设计概率（）105210502自然淤积厚度（M）345166875根据各频率泥石流入库后的自然堆积宽度和自然淤积厚度，结合各频率泥石流入库量计算结果，对比沟口及库底地形地貌，扯索沟10年与20年一遇的单次泥石流在水库中堆积区域尚不能到达对岸，其堆积形式是自然停淤，而50年及以上一遇的单次泥石流则堆积至对岸，其堆积形式是在自然停淤的基础上受迫停积。受迫停积会形成以对岸为喇叭口的喇叭状堆积，受迫停积的堆积形式异常复杂，难以定量化评价，但总体而言其堆积宽度和堆积厚度均较自然堆积宽度和自然淤积厚度有所增大，且堆积厚度不会无限制增大，按经验结合其它工程类比，该处受迫堆积范围平均堆积厚度可按自然淤积厚度的2025倍进行控制，在50年、100年、200年与500年一遇状况下受迫堆积范围平均堆积厚度分别取100110M、125135M、150160M与175185M，而近沟口原始漫滩横向按实际地形考虑，据此可以求得50年、100年、200年与500年一遇泥石流的最大堆积宽度分别约320350M、460490M、600640M、720760M（泥石流沟口堆积范围与水工建筑物位置关系见图2）。图2扯索沟泥石流出沟口堆积范围与水工建筑物位置关系图分析结果表明，电站正常运营时，扯索沟泥石流不会直接危及枢纽建筑物。拟建电站多年冲淤平衡高程在扯索沟沟口段约为1230M，在不考虑其它特殊条件影响的情况下，扯索沟50年一遇单次泥石流在库中平均堆积高程约12401241M，100年一遇单次泥石流在库中平均堆积高程约1242512435M，对水库会产生一定程度的淤塞；200年一遇的单次泥石流在库中平均堆积高程约12451246M，接近于正常蓄水位，500年一遇的单次泥石流在库中平均堆积高程达1248M，高于正常蓄水位，会形成对水库的堵断，从而威胁到电站的正常运营。33对电站施工期间不利影响的量化评价采用刘希林唐川一次泥石流危险范围预测模型A05063L2L871VGRC/LNRC1/3D0017VRC/（G2LNRC）1/3式中A一次泥石流危险范围（M2），L一次泥石流最大堆积长度（M），D一次泥石流最大堆积厚度（M），V一次松散固体物质（可能）最大补给量，G堆积区纵坡，RC泥石流（可能）最大容重。可得天然状况下扯索沟泥石流进入大渡河后的危险范围（表6），鉴于拟建电站导流明渠进水口轴线与上游围堰轴线距扯索沟沟口分别约420M与615M，可初步认为20年及以下一遇泥石流基本不对临时挡水建筑物构成直接威胁。表6天然状况下扯索沟泥石流入河后危险范围计算结果表设计概率（）105210502范围AM2823131558264466796727629397741278529厚度D（M）31437289105123长度L（M）127517542970364543085025通过历史泥石流的调查，结合动力学特性综合分析，判断扯索沟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（历史上已知两次50年一遇的泥石流都曾短暂堵塞大渡河）。工程施工期间若遇扯索沟暴发20年及以下一遇泥石流，不会造成大渡河的暂时性堵断，也不对临时挡水建筑物构成直接威胁，但存在着对现场施工安全的威胁；工程施工期间若遇扯索沟暴发50年与100年一遇的较大规模泥石流，虽然对临时挡水建筑物的直接威胁不大，但大渡河暂时性堵断的可能性很大，堵塞后的溃决对工程的不利影响比较明显；鉴于施工期的导流建筑物拟采用20年一遇设计洪水标准，而泥石流的暴发具有极大的不确定性，因此施工期还是需要对该沟加强巡视并制订相应的应急预案。4、结语近坝泥石流对水电站工程影响的精细化评价，需要在阐明沟域泥石流发育特征的基础上，选用符合相应发育特征的相关经验公式及预测模型，并用历史泥石流的调查成果进行复核验证，方能在定性化与定量化的综合评价中得到较为准确的评价结果，从而为电站的选址、枢纽布置及灾害防治等提供可靠依据。近坝泥石流对水电站工程影响的精细化评价内容因工程而异，但主要集中在对水库库容影响的量化评价、对电站正常运营影响的量化评价与对电站施工期间不利影响的量化评价三大方面。对水库库容影响的量化评价一般宜在分析不同频率下单次泥石流固体物质入库量的基础上进行，理论上可以按运营期限进行异频叠加推求可能的最大入库总量，从而为低坝（闸）小库工程冲淤问题提供参考依据；对电站正常运营影响的量化评价关键在于确定泥石流入库后的堆积方式及堆积范围，然后是看能否直接危及枢纽建筑物或形成低坝（闸）库内的淤塞甚或堵断，从而为制订工程运营期间防灾预案提供可靠依据；对施工期间不利影响的量化评价关键在于确定天然状况下的堵江可能性及溃决危险性，进而分析不同频率下泥石流对临时挡水建筑物及现场施工安全威胁程度，从而为施工期防灾设计及防灾预案制订提供可靠依据。由于面向对象特性的泥石流影响量化评价体系尚不完善，部分评价方法尚不成熟，类似近坝泥石流对水电站