西藏某电站厂房区泥石流成因及其对工程影响评价

铁永波,唐川,余斌

(1.成都地质矿产研究所,成都 610081;2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059)

西藏某电站厂房区泥石流成因及其对工程影响评价

铁永波1,唐川2,余斌2

(1.成都地质矿产研究所,成都 610081;2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059)

泥石流是水电站建设中常见的地质灾害之一,研究泥石流的活动特征及评价其危险性对电站的施工及运行都具有重要的作用。根据对某水电站厂址区勘查所获取的第一手资料,对厂址区后山5条泥石流沟的成因进行分析,并在此基础上分别对5条泥石流沟的危险性及其可能在不同阶段对工程的影响进行了评价,研究结果可为厂房的设计、施工及运行提供可靠的依据。

泥石流;发育条件;危险性评价;发展趋势;工程影响分析

泥石流是发生在山区一种常见的自然灾害,具有极强的破坏性,往往给当地人民群众的生命财产造成极大威胁,同时也给当地的生态环境造成严重的破坏,严重阻碍着山区经济发展和生态建设。开发水能资源是山区经济发展的一条重要途径,对山区经济的发展具有重要的意义,但由于水电站利用水力势能发电,需要有较大的高差,对地形的要求较为特殊,而符合水电站要求的地形地貌区往往又是泥石流孕育和活动的主要场所,因此,泥石流成为水电站建设中不可避免的一大问题。某电站的建设不但可以解决该地区的能源缺乏问题,还可以为周边地区输送电能,能在很大程度上减少当地居民因燃料缺乏而对环境的破坏,因此,该电站的建设将发挥较大的经济效益、社会效益和环境效益。

该电站的厂房建设区初步选定在山前河流的Ⅰ级阶地和泥石流等的堆积扇上,地势较为平坦,后山共发育了5条泥石流沟(图1)。各沟并排分布在厂址后山,虽然流域面积都不大,但沟道坡降较大,沟道内不良地质体较为发育,有足够的固体物质补给源,在强降水作用下极易暴发泥石流,任何一条沟暴发泥石流都将会对厂房的各个建筑造成不同程度的危害。厂址区泥石流活动是否会对厂房的施工及运行产生颠覆性的破坏将直接影响到厂房是否需要重新选址的问题,因此,分析该电站厂址区泥石流的成因即危险性评价对厂房的建设具有重要意义。

图1 研究区泥石流发育特征的立体遥感影像图Fig.1 The dimension remo te sensing image of debris flow in study area

1 泥石流形成条件分析

1.1 地质地貌条件

地质地貌条件是泥石流发育的主要条件之一,不稳定的地质构造和陡峭的地形条件可为泥石流松散固体物质的孕育和运动提供条件。电站厂址区位于山前河流阶地与泥石流的冲积扇上,后山总体地势起伏相对较大,相对高差约800 m,区内山脉延伸方向、主河流流向与构造线展布方向基本一致,总体近EW向。厂址区地质构造以中新世的构造变动最为强烈,断裂发育,地震强度较高,岩石主要分布有较软弱的砂岩、板岩和页岩,局部还有少量辉绿辉长岩出露,在强风化作用下较为破碎。第四系覆盖层主要由坡残积、崩积、冲洪积等组成,主要分布在河谷、沟谷及斜坡坡脚地带。陡峭的地形不但为地表径流提供了足够的势能,还为沟道两岸不稳定松散堆积体的坍塌与滑动提供了足够的临空面,有利于泥石流固体物质的补给。各条泥石流沟的基本参数见表1。

表1 厂址区5条泥石流沟流域特征参数Table 1 The characteristics of five debris flow gullies in study area

1.2 降水

降水是引发泥石流的主要动力因素,绝大部分泥石流都是由于暴雨而引发的,这种现象在大陆型气候区显得特别突出。在强降水的作用下,雨水迅速汇集,形成地表径流冲下,带走坡面松散固体物质并掏蚀沟道两岸的坡角,使得沟道两岸的松散堆积体不断坍塌,为泥石流提供足够的固体物质。厂址区属于高原温带半干旱区,是典型的大陆型气候,干季和雨季分明,由于该地区缺乏详细的降水观测资料,距离最近的两个气象观测站距研究区分别有31 km和45 km。根据其中一个与研究区气象背景最接近的一个气象观测站气象要素统计,该地区降雨多集中在6～9月4个月,占年降雨量的90%左右,年际变化小。多年平均年降雨量408.6 mm,历年最大年降雨量为651.2 mm,最大日降雨量50.1 mm,≥50.0 mm降水日数主要集中在7、8两个月。通过对该地区的降水资料统计分析和对当地居民的访问,该地区的降水具有暴雨频率大、降水集中及降水多发生在夜间的特点,短时强降水是引发该地区泥石流的主要原因。

1.3 松散固体物质补给

松散固体物质是泥石流形成的主要条件之一,一般在松散固体物质含量较少的情况下,都不称之为泥石流,而是称为洪水,因此,松散固体物质的含量是区分泥石流和洪水的主要依据之一,同时也是决定泥石流流体性质的主要条件。据调查滑坡、坡面松散堆积体及沟道内的松散堆积物是厂址后山5条泥石流沟的主要固体物质来源。通过调查,1#沟和2#沟流域面积较小,没有明显的支沟发育,固体物质补给源主要是沟道松散堆积物和坡面松散堆积物。3#沟的固体物质补给主要来源于物源区内分布的6个滑坡,滑坡体总方量约2.4×104m3。4#沟内共发育有6条支沟,流域内共分布有10个滑坡,方量约4.2×104m3,约占该沟固体物质总量的1/3。5#沟流域面积相对较大,约1.6 km2,流域内共发育有4条支沟,分布有19个不同规模的滑坡,其固体物质主要来源于形成区和流通区,流域内松散固体物质总储量约47.2×104m3,其中形成区为43.95×104m3,占总固体物质储量的90%以上(表2)。

表2 厂址区各泥石流沟的物源统计情况Table 2 The loosematerialmagnitude of each debris flow gully in study area

从各条泥石流沟的固体物质补给方式上看,流域内的滑坡体和坡面松散堆积体是该区泥石流的主要物源补给方式;从固体物源的补给量看,任何一条沟都具备了充足的松散固体物质,只要降水条件满足泥石流的启动需求,就会发生泥石流。

2 泥石流沟的流域特征

2.1 泥石流沟发育的完整系数

流域完整系数反映了流域地表径流的汇流条件和水动力特征,在流域形态上,若其长、宽比越接近1,则表明其汇流条件较好;而流域的完整系数越大,沟道中洪峰流量越大,越有利于沟道内松散的固体物质启动形成泥石流[7]。流域完整系数的计算方法如下:

式中,δ为流域完整系数(无量纲);A为流域面积(km2);L为主沟长度(km)。若δ值较大,说明流域的主沟和支沟发育较完整,具有较好的汇流条件,对泥石流的形成有利,反之则不利于泥石流的发育。通过厂址区5条泥石流沟的流域完整系数计算可以得出:1#沟的流域完整系数最大,虽然该沟流域面积相对较小,但其发育较为完整,汇水条件较好,有利于泥石流的发育。5#沟虽然流域完整系数最小,不利于汇流作用,但由于该沟流域面积大,在强降水的作用下也很容易达到泥石流启动所需的汇流条件(表3)。

表3 厂址区5条泥石流沟的发育完整系数Table 3 The evolve integrity index of five debris flow gullies

2.2 泥石流沟的发育程度

流域发育程度反映了流域地貌的演化阶段,可以用流域的相对切割程度对流域的发育程度进行判别。相对切割程度值越小,流域发育成熟度越高;反之,相对切割程度值越大,则流域发育成熟度越低[7]。流域的相对切割程度值由下式确定:

式中,h′为流域相对切割程度(以小数表示,无量纲);h最大为流域最大相对高度(m);L周为流域周界长度(m)。

通过在1∶5000地形图上量测,计算得到厂址区5条泥石流沟的流域发育程度(表4)。从表中可以看出,5#沟的发育程度最小,说明该沟正处于流域强烈侵蚀的阶段,而那些因侵蚀作用而产生的松散固体物质都会成为泥石流的固体物质补给来源。相比之下,1#、2#沟的发育程度相对较大,说明沟道的切割相对较弱,松散固体物质的量也就相对较小(表4)。

表4 厂址区5条泥石流沟的发育程度Table 4 The evolve degree of five debris flow gullies in study area

通过以上分析可以判断出,5#沟、1#沟和2#沟的流域发育特征有利于泥石流的形成,为泥石流的孕育提供了较好的地貌条件,相比之下,3#沟和4#沟的发育条件不利于泥石流的发育和形成,这与实际调查所得到的情况基本一致。

3 厂址区泥石流危险性评价

泥石流危险度计算是危险性评价中的一个重要内容,它是危险性评价的定量表达。由于泥石流自身的复杂性和影响因子的不确定性使得泥石流危险度评价较为困难,加之不同区域泥石流的成因差异使得对区域泥石流危险度的评价研究更为复杂。国内外学者都开展过相关研究,随着对泥石流这一学科的不断认识,泥石流危险性的评价方法在逐步得以完善,评价的方法和手段都趋于综合化和多元化[3～6]。单沟泥石流危险度评价因子包括泥石流规模M、频率F、流域面积S1、主沟长度S2、流域相对高差S3、流域切割密度S6及不稳定沟床比例S9。单沟泥石流危险度的计算采用刘希林等推荐的公式,其计算公式为[8]:

式中,M、F、S1、S2、S3、S6、S9分别按照单沟泥石流危险度评价因子的转换函数表计算可得相应的转换值并带入公式进行计算并进行分级判定。若计算值(H单)<0.2,为极低危险;计算值在0.2～0.4之间为低度危险;计算值在0.4～0.6之间为中度危险;计算值在0.6～0.8之间为高度危险;计算值在0.8～1.0之间为极高危险(表5)。

表5 厂址区5条泥石流沟危险度评价结果Table 5 The hazard assessment result of five debris flow gullies in study area

从评价结果可以得出,5#沟属于极高危险的泥石流沟;1#沟和4#沟属于高度危险;2#、3#沟属于中度危险。从各条沟的现状看,流域内都具备有大量的松散固体物质,在受到该地区特殊地质和地形条件的作用下,松散固体物质的储量还将会继续加大,但由于受降水条件的影响,虽然降水具有强度大的特征,但其历时相对较短,这就决定了泥石流的规模不会很大。

4 泥石流对工程区的影响评价

为实现对厂区各条泥石流沟在不同设计频率下是否对厂区的厂房、尾水水渠、沉沙池和引流管道等电站设施作出影响评价。评价过程中主要应用泥石流屈服应力与可能淤积厚度的计算共识,结合现场测量的13个洪痕断面数据而进行。相对其他防治工程而言,水电站运营是一个较长期的过程,为此,分别对相对较高频率条件下(50 a一遇、200 a一遇、500 a一遇)各泥石流沟可能的危险区范围图进行评价(图2)。在泥石流危险区划中,因为泥石流在厂区的堆积扇上散开,在堆积扇上无主流沟道,因此泥石流在堆积扇的左右来回摆动的特点决定了泥石流的危险范围充满整个堆积扇。泥石流的淤埋范围是以泥石流的总径流量和淤积厚度相结合来确定泥石流的淤埋范围。鉴于泥石流的危害主要以淤埋堆积为主,因此泥石流的危险区即是泥石流的淤埋堆积区。

图2 厂址区不同频率下泥石流危险性分区图Fig.2 The sub-area of debris flow hazard under different frequency in study area

4.1 施工期间泥石流对工程的影响

在厂房施工期间,工程活动强度较大,施工时的开挖会产生大量的弃渣,为泥石流提供更多的松散固体物质,会在一定程度上增大泥石流的规模。在这期间,1#、2#沟泥石流会对厂址区东北角厂房的施工和尾水水渠开挖产生影响,主要表现在对开挖区的淤埋、冲击等破坏作用较弱。由于沟口海拔相对高于厂房的主要布置区,3#沟泥石流会对厂址区西北角的施工设施及建筑造成较大的冲击和淤埋,同时还对整个厂房区的施工和下游的料场、简易通道等造成较大程度的影响。4#及5#沟的右支沟的堆积区主要在厂房的西北角,会对尾水渠、料场、厂房围墙造成淤埋和冲击,由于水渠和料场施工区离两条沟的出口较远,冲击作用不会很强烈,主要表现为淤积。

4.2 厂房运行期间泥石流对工程的影响

相对施工期来说,厂房运行期的时间相对较长,尤其是在低频暴雨的情况下,泥石流的冲击力、淤积厚度、淤积范围等都会相对较大。其中1#沟、2#沟在电站运行期间可能暴发规模较大的泥石流,会对厂房、尾水渠等造成较大程度的影响。在泥石流规模较大的情况下,厂房的西北角和西侧是3#、4#、5#沟的主要危险区,3#沟主要影响到厂区的西侧, 4#、5#沟若发生泥石流,可能会直接冲击到厂房的西侧并造成破坏,会直接危害到厂房的安全。

5 结论

(1)通过对某电站厂址区泥石流的气象条件分析可以判定,厂址区后山发育的5条泥石流沟都属于暴雨型泥石流,流域内固体松散物质储量较大,在强降水作用下很容易暴发泥石流。

(2)通过对厂址区5条泥石流沟的危险性定量评价可以看出,5#沟泥石流危险度最高;1#沟、4#沟危险度次之;2#沟和3#沟相对较低。从该地区流域的发育特征来看,5#沟、1#沟和2#沟的流域发育特征有利于泥石流的形成,3#沟和4#沟的发育条件则不利于泥石流的发育和形成。

(3)从发展趋势来看,由于受到特殊地质、地貌条件的影响,流域内不良地质体较为发育,5条泥石流沟的地表松散固体物质储量会不断增加,只要降水条件达到泥石流启动的要求,就会暴发泥石流。但由于受该地区降水条件的影响,虽然流域内具备了充足的松散固体物质且降水强度较大,但其历时往往较短,即没有足够的降水让沟道内的松散固体物质一次性全部启动,因此,即使松散固体物质储量较大,但由于受到降水的限制,泥石流暴发的规模不会太大。

(4)泥石流对厂址区工程的影响主要表现在两个阶段:即施工阶段和厂房运行阶段。对于前者,施工时间相对较短,泥石流的危害可以通过一些简单的排导或引流工程措施得以解决;但对厂房的运行期而言,由于电站运行时间较长,对低频泥石流发生的可能性相对较大,从长期考虑,需要通过一系列导流、护堤等工程措施才能将泥石流的危害降低到最小。

[1]王继康.泥石流防治工程技术[M].北京:中国铁道出版社,1996:61-63.

[2]四川省水利厅.四川省中小流域暴雨洪水计算手册[M].成都:四川省水利厅,1984.

[3]唐川,朱大奎.基于GIS技术的泥石流风险评价研究[J].地理科学,2002,22(3):300-304.

[4]唐川,刘希林,朱静.泥石流危险性堆积泛滥区危险度的评价与应用[J].自然灾害学报,1993,20(4):79-84.

[5]刘希林,莫多闻.泥石流风险评价[M].成都:四川科技出版社, 2002:35-41.

[6]谭炳炎.泥石流沟严重程度的数量化综合评判[J].水土保持通报,1986,6(1):51-57.

[7]严钦尚,曾昭璇.地貌学[M].北京:高等教育出版社,2003:74-82.

[8]刘希林,唐川.泥石流危险性分析[M].北京:科学出版社, 1995:13-20.

DEBRIS FLOW GENESIS ITS EFFECTON A HYDROPOWER STATION FACTORY

TIE Yong-bo1,TANG Chuan2,YU Bin2
(1.Chengdu Institute of Geology and M ineral Resources,Chengdu 610081,China; 2.State Key Laborato ry of Geological Hazard and Geological Environment Protection, Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

Debris flow is oneof the geologic hazard w hich can often seen in hydropower station construction,and analyzing the cause formation and hazard assessmentof debris flow is impo rtant for station construction.Based on the field investigation data in the station area,the paper analysed the cause of fo rmation and assessment the hazard of five debris flow gulliesw hich threaten the station factory,and the evolution trend of debris flow and its effect in different engineering stages.The results can p rovide reasonable suggestions fo r decision making during the design,construction and wo rking of station construction.

debris flow;cause formation;hazard assessment;evolution trend;impaction analysis

P642;P642.23

:A

1006-4362(2010)02-0019-05

铁永波(1979-),男,云南大关人,博士,助理研究员,主要从事环境地质及地质灾害评价研究。

2009-10-19改回日期:2010-02-08