苗尾水電站魯羌溝泥石流防治設計

馬海忠，楊忠良，汪振，丁兵勇

（1.華能瀾滄江水電有限公司苗尾·功果橋水電工程建設管理局，云南大理672708；2.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江杭州310014）

1 工程概況

苗尾水電站采用引水式地面廠房開發方式，廠內安裝4臺單機容量為350 MW的水輪發電機組，總裝機容量1400 MW。在發電廠房尾水出口下游約150 m處的右岸發育有一條泥石流溝——魯羌溝，該溝流域面積7.78 km2，溝谷總體上呈SWW向展布，流域最高海拔高程3227.9 m，溝口處海拔高程1307 m，流域相對高差1920.9 m，流域全長約6.6 km，溝床縱向平均坡降194.9‰。魯羌溝設計洪水頻率為2%、5%、10%時的流量分別為40.7 m3/s、30.9 m3/s和23.7 m3/s。魯羌溝泥石流性質屬溝谷型暴雨激發的低頻粘性泥石流，按泥石流易發程度數量化評分標準，其數量化評分90，屬輕度易發等級。

2 魯羌溝泥石流形成條件及發展趨勢

魯羌溝具有典型泥石流的地形地貌特征，其物源區、流通區和堆積區在地形上的變化較為明顯，各區體現的功能較突出。物源區位于魯羌溝上游河段1610 m高程以上，溝床坡度多在20°以上，兩岸崩坡積厚度大，松散物源以殘坡積和崩坡堆積物為主；物源區土源約52.0萬m3，崩坡堆積物約157萬m3，松散堆積物約209萬m3。流通區位于魯羌溝中下游河段1315～1610 m高程，該段溝床多有基巖出露，兩岸溝坡坡度45°～50°，溝床縱坡較大且溝道較順直，對泥石流有明顯的加速作用。堆積區位于魯羌溝下游溝口處，屬典型泥石流堆積扇。

從調查結果分析，魯羌溝為低頻泥石流溝，自1985年發生重現期100年泥石流以來，沒有再發生大規模的泥石流，預計未來50年內魯羌溝將以重現期10～20年小規模稀性泥石流為主，但不能排除在強降雨加地震等突發條件下爆發重現期100年大型泥石流的可能。

3 魯羌溝泥石流基本運動參數分析

（1）泥石流容重

根據現場調查試驗法并結合經驗公式法確定重現期100年泥石流容重為1.91 g/cm3，而重現期100年以內的泥石流容重按規范公式計算：重現期50年泥石流的容重1.83 g/cm3，重現期10年泥石流的容重1.63 g/cm3。

（2）泥石流流速、流量

泥石流的流速是很重要的運動參數，不同溝段因比降、糙率不同，流速變化會很大。

根據規范推薦的公式計算出魯羌溝距溝口250 m處的流速為5.98 m/s，距溝口300 m處的流速為3.93 m/s。泥石流流量計算方法采用雨洪計算法，由此計算出魯羌溝溝口處重現期50年泥石流流量161.0 m3/s，重現期100年泥石流流量226.7 m3/s。

（3）一次泥石流總量

魯羌溝泥石流屬粘性陣性泥石流，一次泥石流總量WC、一次泥石流固體總量Qs的計算公式如下：

式中：流域面積為5～10 km2，取K=0.113；

T為泥石流歷時，s；

QC為泥石流最大流量，m3/s。

式中：γC為泥石流容重；

γw為清水的容重；

γh為泥石流固體物質的容重。

可以得出魯羌溝重現期100年泥石流固體物質總量3.7萬m3，重現期50年泥石流固體物質總量2.3萬m3。

（4）泥石流大塊石的沖擊力

根據現場調查，魯羌溝1985年發生泥石流時，有直徑5 m左右的石塊被搬動過，按彈性撞擊法計算泥石流最大塊石沖擊力約234～1816 kN。

4 魯羌溝泥石流防治的必要性

魯羌溝泥石流為溝谷降雨型低頻大型粘性泥石流，其危害性主要體現在如下幾個方面：

（1）苗尾水電站發電廠房尾水渠從魯羌溝溝口通過，如果不采取防治措施，苗尾水電站運行期間，若魯羌溝發生泥石流，將會阻礙電站尾水渠進而影響電站的正常運行。如果泥石流的規模較大，可能沿尾水渠反坡段下行，淤積并堵塞廠房尾水出口，威脅廠房建筑物的安全，也可能直接沖擊廠房尾水左擋墻，并對其安全穩定造成威脅。

（2）在苗尾水電站施工期間，如果魯羌溝發生泥石流，不但威脅發電廠房基坑的施工安全，還將對溝口處的臨時施工設施造成破壞，并威脅到施工人員的生命安全。

（3）由于進廠公路要跨過魯羌溝，如果不采取防治措施，一旦魯羌溝發生泥石流，將阻斷進廠交通，進而影響電站的正常施工或運行。

可見，魯羌溝泥石流對工程的危害性比較大，為保證苗尾水電站施工期和運行期的安全，有必要對魯羌溝泥石流進行綜合防治處理。

5 魯羌溝泥石流防治方案

按照DZ/T0239-2004《泥石流災害治理工程設計規范》，魯羌溝泥石流治理工程的設計標準確定為：按重現期50年設計，其中重現期50年的泥石流容重為1.83 g/cm3，流量為161 m3/s，一次固體總量為2.3萬m3。

魯羌溝泥石流防治采用以削弱泥石流的發生頻率及規模為重點，以排導為主，輔以攔擋相結合的防治措施。魯羌溝泥石流防治方案見圖1。

圖1 魯羌溝泥石流防治方案Fig.1 Prevention scheme of Luqianggou debris flow

5.1 攔擋系統

5.1.1 攔擋壩布置

魯羌溝原物源區主要分布在上游1600 m高程以上，但受交通條件限制，溝道兩岸陡峻，無交通條件。若沿溝修建交道便道勢必會帶來大量棄渣及道路邊坡等問題，且投資較大，在1600 m高程物源下游修建攔擋壩無法實施，主要對物源區臨溝側坡腳實行鉛絲籠護腳。攔擋壩共布置兩級，壩址選擇主要依據魯羌溝地形地質、施工條件及相關建筑的布置。

攔擋系統規模，按其庫容滿足按重現期50年一次泥石流固體物質總量2.3萬m3控制。根據地形地質條件，確定上游攔蓄系統布置在溝底高程1440～1350 m河段內，由1～2級攔擋壩組成，各壩址兩岸自然邊坡穩定，溝底稍有覆蓋層分布，各攔擋壩基礎均坐落在弱風化砂/板巖上，具備布置攔擋壩的地質條件。經過壩高與庫容的試算，確定兩級攔擋壩采用壩高16 m、12 m設計，總攔蓄庫容2.5萬m3。

1級攔擋壩布置于溝底1435 m高程，距排導渠進口約1 km，壩址基巖出露，兩岸陡峻，壩址上游溝道縱坡約為11%，壩址下游150 m為魯羌隧洞跨溝橋墩；該壩址施工便利、有效庫容相對較大，且有利下游魯羌隧洞跨溝橋墩的安全。2級攔擋壩布置于溝底1373 m高程，距排導渠進口約450 m，位于一溝道轉彎下游，壩址右岸基巖出露，左岸為堆積體，該壩址具有施工條件便利、上游庫容較大等優點。

5.1.2 兩級攔擋壩結構設計

1～2級攔擋壩均采用格柵式重力壩結構，并設置溢流孔，見圖2。根據攔蓄庫容確定壩頂高程、堰頂高程，壩體上游坡采用1∶0.7，下游坡采用1∶0.2。壩體排泄孔尺寸0.5m×1.0m（寬×高），水平間距2.0 m，垂直間距2 m，呈“品”字形布置。在壩體上游側一定范圍內回填塊石，以減緩泥石流對壩體的直接沖擊，有利于壩體的整體穩定。壩體橫縫間距按15～20 m控制。攔擋壩的頂部設開敞式溢流堰，并對應下游河道居中布置，攔擋壩所需溢流口尺寸，按重現期50年泥石流過流能力設計。

圖2 攔擋壩典型斷面圖Fig.2 Typical section of the debris flow control dam

5.1.3 各級攔擋壩副壩設計

1～2級攔擋壩的下游消能均采用副壩結構型式，經計算，主、副壩間距均在15～20 m之間。根據規范公式計算副壩與主壩重疊高度，進而確定副壩壩高。副壩均采用重力壩結構，在副壩的上游側回填碎石作為緩沖區，減緩泥石流對壩體的沖擊力。

5.2 尾部排導系統設計

尾部排導系統布置于魯羌溝尾部，位于溝口上游約250 m轉彎處，通過裁彎取直，出口改道，利用攔導壩將泥石流導入排導槽，排至尾水渠集渣坑內。尾部排導系統各建筑物尺寸，按重現期50年泥石流過流能力設計，穩定應力滿足規范要求。

尾部排導系統主要包括尾部攔導壩、潛壩、排導槽及集渣坑等建筑物，具體見圖3、圖4。尾部攔導壩位于魯羌溝下游段，距溝口約250 m；壩軸線與溝道呈約50°夾角，既是阻止泥石流進入廠房尾水渠的攔擋設施，又是泥石流進入排導槽的導流壩；攔導壩為重力壩，壩頂高程為1345 m，壩基為弱風化砂板巖。排導槽進口布置高度約7 m的潛壩，基礎坐落在基巖上，其主要作用是避免排導排泄泥石流時揭底。排導槽布置于原溝道右岸，通過開挖形成開敞式排泄通道，排導槽底寬10 m，縱坡10.6%大于上游溝道10%，排導槽底板基礎為弱風化砂板巖，底板采用C25混凝土襯砌。排導槽尾部下游尾水渠內布置一約為5000 m3的集渣坑。

圖3 尾部攔導及排導槽進口典型剖面Fig.3 Typical section of the control and drainage canal at the end and the inlet

圖4 尾部排導槽縱剖面圖Fig.4 Longitudinal section of the control and drainage canal at the end

6 結語

通過對魯羌溝泥石流的形成條件、發展趨勢、基本運動參數的調查分析，并根據魯羌溝地形地質、施工條件及魯羌溝與尾水發電出口的相對關系，提出了以排導為主、輔以攔擋的防治方案，有效地解決了魯羌溝對施工期基坑及電站正常運行的不利影響。■

[1]魯羌溝泥石流治理工程設計專題報告[R].華東勘測設計研究院.2010.