高山峡谷区弃渣泥石流弹性调控模式研究
——以牛棚沟弃渣场为例

王 政,陈宁生,刘丽红,胡桂胜,张 勇

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都 610041;2.中国科学院大学，北京 100049)

在金沙江、雅砻江、大渡河流域等高山峡谷区兴修水利工程是我国加快水利改革的重大战略，目前在三大江流域峡谷区已投产、规划和正在建设的大中型水电站中，中型水电站的分布已较为密集且数量众多，而小型水电站更是不计其数。随之而来的是修建水电站所产生的大量弃土弃渣问题。从水利工程的特殊性和经济性方面考虑，高山峡谷干旱河谷地区所广泛分布的泥石流沟不可避免地被选择作为弃渣场。该类泥石流沟具有典型的高山峡谷特点，其自然坡大，沟内有大量松散物质堆积，自身具有较好的泥石流起动条件。

水电工程弃渣具有弃渣量较大、弃渣场选择困难以及弃渣水土流失危害较大等特点[1-2]，同时未经合理堆放的弃渣会为泥石流的形成提供大量物源，此类由不合理堆放弃渣所引发的泥石流称为弃渣泥石流，按照起动位置可分为沟谷型弃渣泥石流和坡面型弃渣泥石流两类[3]。弃渣泥石流相较于一般泥石流具有不同的特征，其物质组成以中等以上颗粒为主，且在工程区内通常与其他地质灾害相伴而生。传统的弃渣治理大都采用“一坡到底”形式进行堆渣[4]，这种堆积方式易形成陡峭边坡，其堆渣体整体稳定性和局部稳定性都较差。陈宁生等[5]依据我国矿山防治经验，总结出稳拦排全面控制、截流排导和拦排结合3种弃渣泥石流防治模式；倪化勇等[3]提出了弃渣泥石流的防治措施包括防止弃渣乱堆、防止弃渣补给和防止弃渣侵蚀三个方面;吕钊等[6]对弃渣场的土壤侵蚀形式、机制进行了分类，并提出了弃渣场水土流失的各种防治措施；黄斌等[7]针对金沙水电站石家沟弃渣场，提出以“先拦后弃，以排为主，工程、植物、临时措施相结合”为原则的弃渣场防护方案；胡桂胜等[8]针对金沙江白鹤滩水电站弃渣场，提出了“以排为主，适当拦挡”的水电工程泥石流治理模式；史小栋等[9]针对叶巴滩水电站俄德西沟弃渣场，总结出拦挡、减势、排导清水、后期清淤、清障等综合防护措施。

综上所述，弃土弃渣的防治主要以挡渣墙、拦砂坝、拦渣堤等工程措施为主，直接拦截泥沙和间接稳沟固坡，从而减少泥石流物源，降低泥石流规模和频率；同时，采取土体整治和植被恢复相结合等非工程措施，通过减少地表水土流失，从而减少泥石流土源，控制泥石流规模和频率[10-11]。

目前已有的弃渣治理方式虽然取得了一定的泥石流防控效果，但是无法对泥石流起到消能作用，并且需要容量较大的拦砂坝以拦蓄沟内泥石流固体物质，而修建的拦砂坝越大，其施工难度和建设资金就越高。因此，有必要结合具有消能效果的跌坎类排导槽，采用新型治理模式对弃渣进行治理。该模式是从安全和经济的角度出发，通过对牛棚沟弃渣场泥石流的治理，验证所提出的具有逐级消能作用的新型弹性稳拦排综合调控模式的可行性，以便推广到高山峡谷区工程弃渣泥石流的综合防控。

1 牛棚沟弃渣场泥石流特点

1.1 牛棚沟弃渣场概况

古瓦水电站位于四川省甘孜藏族自治州乡城县境内，是硕曲河干流乡城、得荣段“一库六级”梯级开发方案中的“龙头水库”电站，下游为娘拥水电站。牛棚沟弃渣场主要用于解决修建古瓦水电站蝶阀室交通洞所产生的约25万m3工程弃渣问题。弃渣场选择在泥石流的形成流通区，相比沟口堆积区，其拥有天然的三侧边坡，且满足对于该弃渣场容量的要求，弃渣若堆积在沟口将会耗费大量的资金且工程量较大；若堆积在上游形成区，其坡度较高，危险系数较大，削坡护坡措施不能完全满足安全性的要求。综合成本、工程量和安全系数考虑，选择泥石流的形成流通区作为弃渣堆积位置是最可取的。

牛棚沟流域位于四川省溪洪引发泥石流灾害低易发区，因地势高耸，相对高差悬殊，山体重力势能大；新构造上升运动强烈，岩石破碎，自然灾害频发[12]。其地势东高西低，距沟口约1.3 km处上游分为两支，平面上呈“Y”形展布，沟内长年流水。牛棚沟沟口堆积冲洪积碎石土，顺河长约140 m，前沿为陡坎，高出河水面约10 m；右岸谷坡在高程3 200 m以上基岩大多出露，自然坡度一般40°～50°，坡脚及谷坡凹槽分布崩坡积堆积体，自然坡度一般为30°～38°，植被发育。牛棚沟沟床比降较大，弃渣总量较多，主要威胁古瓦水电站及其附属设施，其泥石流的治理情况直接关系到古瓦水电站工作的正常运行。牛棚沟泥石流沟主要特征见表1。

受地貌条件影响，干旱河谷区干燥指数较高。对研究区所处乡城站的日降水量历年各月发生日数做分级统计，统计结果表明：降水量在0.50～5 mm之间的降水日数，年平均为49 d；降水量在5～30 mm之间的降水日多发生于每年6～9月份，其中尤以7、8月份最多，均接近100 d；而降水量大于30 mm的降水日数最少，多年平均在7、8月份还不足1 d，属典型的干旱河谷区气候，在雨季和强降雨期为泥石流的形成提供了丰富的水源条件[13]。

表1 牛棚沟泥石流沟特征表Table 1 Characteristics table of Niupeng Gully debris flow

1.2 牛棚沟弃渣特征分析

经调查，古瓦水电站弃渣岩性主要为印支期斑状黑云母花岗岩。该花岗岩呈灰白色，具粗粒似斑状结构、块状构造，由钾钠长石、斜长石、石英、黑云母等组成，以斜长石为主。通过对古瓦水电站弃渣粗大颗粒粒度、岩性及磨圆度的统计发现，弃渣块石粒径最大为150 cm，几乎全为棱角状或次棱状(见图1)。表2为牛棚沟弃渣场堆积物颗粒组成。由颗粒分析试验结果(见表2)可见，弃渣以砾石为主，砾粒的含量为78.46%，黏粒的含量为0.33%。

图1 牛棚沟弃渣场堆积物及航拍影像Fig.1 Deposit and aerial images of Niupeng gully waste slag site

表2 牛棚沟弃渣颗粒组成(单位：%)Table 2 Particle composition of waste slag in Niupeng gully (unit:%)

1.3 牛棚沟弃渣体对泥石流的影响

综合分析牛棚沟的地形地貌、地层岩性、地质构造和流域松散物源量，牛棚沟弃渣泥石流原为轻微易发，但在强震、森林火灾和强降雨等偶然联合作用下，牛棚沟还可能会暴发大规模的泥石流。牛棚沟弃渣场位于牛棚沟下游，泥石流不仅会对沟岸进行剧烈冲刷，而且也会对弃渣体造成强烈的撞击，弃渣体将占据大部分沟道，堆渣区会形成束窄沟道段冲击侵蚀，这会增强泥石流的冲刷和破坏能力[14]。

通过现场调查分析发现，牛棚沟弃渣体对沟内泥石流的影响主要有两方面：一方面弃渣堆积体的破坏受渣体中粒径为2 mm的砾粒含量的影响较大，弃渣体松散遇水即起动，但多以松散体参与泥石流起动[15]，而堆积的弃渣初期结构较为松散，暴露于泥石流中的坡脚弃渣物质易受泥石流体的不断冲刷、掏蚀，造成堆渣体坡脚悬空，上部弃渣体在重力作用下发生失稳破坏，且在堆积的过程中形成较陡的坡面，其自然坡度约37°，为泥石流起动提供了较好的坡降条件，遇强降水可能会发生坡面整体滑移或垮塌，对弃渣场造成威胁(见图1)；另一方面弃渣场堆渣后将使牛棚沟物源总量和不稳定物质显著增多，这极大地增加了泥石流起动所需要的物源条件,且弃渣的堆积影响了泥石流通行，当泥石流起动后不断冲刷淤积于沟道的弃渣，揭底启动弃渣，放大了泥石流规模，可能酿成较重灾害[7,16-17]。

2 牛棚沟弃渣场泥石流弹性调控模式

弃渣场的安全防护工程应以尽量减少泥沙块石入河、不堵塞河道、不危害下游水电站建筑和设备为目标，而弃渣的防治则优先选择稳沟、固坡、恢复生态等措施，通过防治沟道下切，避免弃渣进入沟床而形成新的泥石流物源。针对牛棚沟25万m3弃渣的治理，本文提出了新型的弹性稳拦排综合调控模式(见图2)，该模式主要分为两部分，即采用弃渣泥石流稳拦排防治方案解决18万m3弃渣和采用分级堆积防治方案解决剩下的7万m3弃渣。

图2 牛棚沟弃渣场泥石流新型的弹性稳拦排综合调控模式Fig.2 New elastic integrated control model for debris flow of Niupeng gully waste slag site

传统的稳拦排防治方案主要是通过泥石流沟道治理工程对弃渣进行治理，其工程措施主要包括拦砂坝、排导槽、宾格石笼、八字墙等[见图3(a)]，即弃渣整体沿沟道按照14.8%的坡比进行堆放，两侧则以57.14%的坡比进行固坡。而分级堆积防治方案则是在传统的稳拦排防治方案上采用8%的坡比进行重新分级堆积[见图3(b)]，同时需对全部25万m3弃渣进行压实处理，保证其有较好的稳定性。经重新堆积后的弃渣场所需的拦砂坝较传统方案中的更小，且梯级排导槽对泥石流具有逐级消能作用。该堆积方式的不足之处则在于不能完全使弃渣都处于稳定状态，经估算，按传统方案堆积的近18万m3弃渣是相对稳定的，而剩余的7万m3弃渣则处于欠稳定状态。针对这7万m3欠稳定弃渣，首先应加固排导槽以防止泥石流对槽底的侵蚀以及渣体对排导槽的撞击，并且应加强渣场后期的管理。采用这种分级堆积治理的弹性模式，是在结合了工程防治的安全性及灾害的可控性之后进行方案优化的选择。

图3 牛棚沟弃渣场防治工程布置图(a)和新型弹性调控模式改变沟道纵坡比降示意图(b)Fig.3 Arrangement plan of controlling engineering of Niupeng gully waste slag site (a) and schematic diagram of changingthe slope gradient of the channel of the new elastic control model

3 模式验证与分析

3.1 拦砂坝抗滑稳定性计算

根据《泥石流防治指南》，作用于拦砂坝上的基本荷载有：坝体自重、泥石流压力、堆积物的土压力、水压力、扬应力、冲击力等[18]。针对牛棚沟弃渣场的泥石流类型、库内堆积物特征，以及泥石流拦砂坝过流方式，其在满库过流状态下时，下层为非泥石流堆积物，上层为稀性泥石流堆积物，拦砂坝荷载组合有：坝体自重Wd，堆积物重Ws，整个坝体设计高度的稀性泥石流堆积物水平压力Fdl，水平水压力Fwl以及扬压力Fy。取单宽计算，其结果见表3。

泥石流冲击力Fc根据《泥石流防治工程技术》中“表3-30泥石流大石块对圆形桥墩冲击力F值表”[19]插值取199.5 kN。拦砂坝抗滑稳定性安全系数按以下公式计算：

(1)

式中：Kc为沿坝基面按照抗剪强度计算的抗滑稳定性安全系数；f为坝体同坝基间的摩擦系数，此处取1.05；∑W为作用于单位坝宽各垂直力的总和(kN)；∑Q为作用于单位坝宽各水平力的总和(kN)。

代入各项估算结果,按公式(1)计算可得拦砂坝抗滑稳定性安全系数Kc为1.58，满足满库过流条件下拦砂坝的抗滑稳定性安全系数Kc≥1.30的要求。

表3 牛棚沟弃渣场在满库过流状态下拦砂坝的荷载组合Table 3 Load combinations of check dam of Niupeng gully waste slag site under full reservoir condition

注：Vb为单宽坝体体积(m3)；γb为筑坝材料容量(kN/m3);Vs为堆积物体积(m3);γs为堆积物容重(kN/m3);hs为稀性泥石流厚度(m);n为孔隙率；φys为浮沙内摩擦角(°);γw为水体容重(kN/m3);Hw为迎水面水深(m)。

牛棚沟弃渣场边坡局部稳定性计算采用商业软件GeoStudio中的Slope/W模块进行验算，选取自然状态下最不稳定的梯级边坡上部区域，通过Morgenster-Price法得出该边坡的局部稳定性安全系数见表4。

表4 牛棚沟弃渣场梯级边坡局部稳定性安全系数计算结果Table 4 Calculation result of local stability safety factor of step slope of Niupeng gully waste slag site

由表4可见，在天然工况下牛棚沟弃渣场稳定性安全系数在1.15以上，满足标准要求；而在暴雨工况下渣场边坡稳定性安全系数略小于1.15，处于基本稳定状态，为保证渣场安全需增设雨季巡查排查；地震对弃渣场堆积体稳定性影响较为显著，在该工况下渣场边坡稳定性安全系数较低，该渣场边坡具有失稳破坏的可能。

3.2 减沙效益

经实地勘察发现牛棚沟内原松散堆积物表面积约为0.145 km2，不稳定物源总量约为15.7万m3，弃渣总量为25万m3。堆渣期间，弃渣呈自然堆置状态，最高弃渣高度约为150 m，弃渣体的堆积坡度约为37°～38°，坡度较陡，易发生垮塌。本方案中两侧采用57.14%的坡比设计堆渣坡比，结合拦砂坝能够有效固坡约18万m3，剩余7万m3弃渣的稳定性相对较差，易发生垮塌。再经分级堆积治理后，可稳固不稳定弃渣约3～4万m3，剩余的不稳定弃渣则另寻渣场堆置。因此，通过弹性稳拦排综合防控模式能够大大降低泥石流起动所需要的物源总量。

3.3 减灾效益

(1) 弃渣体泥石流容重的计算。由表2弃渣颗粒组成试验结果可见，弃渣体的黏粒含量约为0.33%，参照文献[20]，给出泥石流容重关于黏粒含量的多项式如下：

γc=-1.32×103x7-5.13×102x6+8.91×102x5-55x4+34.6x3-67x2+12.5x+1.55

(2)

式中：γc为泥石流的容重(g/cm3)；x为泥石流中黏粒的含量(%)。

由公式(2)计算得到牛棚沟弃渣体的容重为1.59 g/cm3，该沟若发生泥石流而其主要物源为弃渣，参照附近泥石流爆发历史，可以得出泥石流以低频稀性为主。

(2) 分级堆积治理后泥石流流速的变化。参照文献[21]所推荐的稀性泥石流公式计算，泥石流流速的计算公式为

(3)

式中：Mc为沟床糙率系数(1/nc)；Ic为泥石流流面纵坡比降(‰)；a为阻力系数；Rc为泥位深度(m)。

上式中沟床糙率系数Mc在牛棚沟弃渣场泥石流分级堆积治理前分别选定为9、11，治理后选定为10.8、12.9，泥石流流速的计算结果见表5。

表5 牛棚沟弃渣场泥石流流速的计算结果(治理前/治理后)Table 5 Calculation of debris flow velocity and discharge of Niupeng gully waste slag site (before/after the control)

由表5可知，牛棚沟弃渣场泥石流流速在不同的沟段由于纵坡比降和沟床糙率系数以及沿途支沟的汇入、补给量的不同而有所变化。牛棚沟原沟道坡度比降为25%，计算得到泥石流流速变化在4.11～4.35 m/s之间，而按分级堆积治理后其坡度比降为8%，泥石流流速降低为2.94～3.03 m/s。

(3) 分级堆积治理后泥石流峰值流量的变化。目前泥石流峰值流量计算的基本方法主要采用配方法，其计算步骤是先按照水文方法计算出不同频率下小流域的清水流量，然后再考虑沟道堵塞系数按下式计算泥石流峰值流量：

Qc=(1+φ)+QpDc

φ=(γc-γw)/(γs-γc)

(4)

式中：Qc表示频率为P的泥石流峰值流量(m3/s)；φ为泥石流泥沙修正系数；Qp表示频率为P的清水流量(m3/s)；Dc为泥石流堵塞系数；ψ为洪峰径流系数，ψ=f(u，τn)，其中u为入渗强度(mm/h)，τn=f(m，s，J，L)，τ为汇流时间(h)，n为暴雨指数，m为汇流参数,s为暴雨雨力(mm/h),J为河道平均坡度(‰),L为沟道长度(km)；F为流域面积(km2);γc为泥石流重度(g/cm3)；γw为清水重度(g/cm3)；γs为泥石流中固体物质比重(g/cm3)。

假设牛棚沟弃渣场不同频率下暴发泥石流(频率P分别为0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%、5%、10%)，按分级堆积治理前、后不同情况计算泥石流峰值流量，其计算结果见表6。

表6 不同频率下牛棚沟弃渣场泥石流峰值流量计算结果(治理前/治理后)Table 6 Calculation of peak flow of debris flow of Niupeng gully waste slag site (before/after control)

由表6可知，牛棚沟弃渣场泥石流治理前、后的清水流量和峰值流量都有较明显的下降，治理前100年一遇频率下的泥石流峰值流量为60.18 m3/s，治理后则其降为43.93 m3/s。牛棚沟弃渣场泥石流治理工程排导槽断面面积为12.5 m2，其过流能力约为37.5 m3/s，因此能够基本满足100年一遇泥石流的过流要求。

3.4 经济性

牛棚沟弃渣场泥石流治理工程通过对比传统治理方案和新型弹性治理方案，充分考虑经济性原则，在满足弃渣能够被安全治理的前提下，采用相对经济的治理方案是毋庸置疑的。表7列出了传统方案和新型方案下拦砂坝尺寸的对比。

表7 两种方案下拦砂坝尺寸比较Table 7 Comparison of check damsizesin two projects

由表7可知，采用新型方案的拦砂坝较传统方案下的拦砂坝尺寸及体积相比相差甚大,这也就意味着修筑新型方案的拦砂坝需要的建筑材料更少，且修建该坝的难度也会大大降低。两种方案下建设排导槽、挡渣墙和八字墙等附属设施所需的经费差别不大，在此则不做过多论述。因此，在结合工程防治的安全性、投资合理性及灾害可控性进行方案的优化选择后，本文提出该新型弹性综合调控模式，且可广泛推广于高山峡谷区工程弃渣泥石流的综合治理。

4 结论与建议

将高山峡谷区遍布的泥石流沟作为弃渣场是当前水电工程用于解决弃渣堆积的趋势，而工程弃渣堆积于沟道内易加剧泥石流规模从而酿成较严重的灾害，因此对水电工程弃渣场进行治理是水电站正常运行的重大保障，必须把弃渣场泥石流的防治工作放在重要位置。本文针对牛棚沟弃渣场泥石流治理工程的研究，得到以下结论：

(1) 本文提出新型的弹性“稳拦排”综合调控模式，该模式将弃渣分为两部分分别采用传统稳拦排治理和弹性分级堆积防治，与传统稳拦排治理模式相比，新增弹性防控方案，可最大限度地利用拦挡工程的效益，并能对泥石流起到逐级消能作用，在经济性和安全性间找到平衡点。该模式可为高山峡谷区后续的水电站弃渣泥石流工程治理提供借鉴。

(2) 该工程案例中总弃渣量约为25万m3，采用传统方案包括拦砂坝、挡渣墙等治理18万m3弃渣，弹性分级堆积则采用8%分级比降堆积压实治理剩余的7万m3弃渣。应用分级堆积治理后泥石流流速从4.11～4.35 m/s降低为2.94～3.03 m/s，百年一遇泥石流峰值流量则从60.18 m3/s 降低至43.93 m3/s，治理效果明显。

基于以上结论，本文就高山峡谷区弃渣场泥石流治理提出以下建议：

采用该新型治理方案能有效降低弃渣堆积的高坡比，但拦砂坝在此只能起到稳坡作用，一旦沟内弃渣体被侵蚀则不能起到拦渣作用，因此必须对排导槽进行加固，以防止被泥石流损毁。此外，还需结合监测预警和生态防护方法共同对弃渣场进行防治，才能有效将该模式推广于高山峡谷地区工程弃渣泥石流的综合治理。同时，要加强渣场管理，在雨季及雨季之前应加大巡查排查力度，加强对渣场泥石流的监测预警。