葉巴灘水電站俄德西溝泥石流防護工程設計

周 順 文， 相 昆 山， 張 永 清， 楊 玉 川

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

1 工程概況及地質情況

1.1 工程概況

葉巴灘水電站位于四川與西藏界河金沙江上游，系金沙江上游13個梯級水電站的第7級。電站樞紐布置方案由混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2 894 m，最大壩高217 m，水庫正常蓄水位2 889.00 m，相應庫容10.80億m3，死水位

2 855.00 m，調節庫容5.37億m3，電 站 裝 機 容 量2 285 MW，為一等大(1)型工程。

俄德西溝位于葉巴灘水電站壩址下游金沙江左岸，溝口1.5 km范圍內規劃為葉巴灘水電站工程的主要棄渣場，分為Ⅰ、Ⅱ區，俄德西溝渣場最終堆渣量600萬m3，最大堆渣高度為285 m，為攔溝型渣場。

1.2 俄德西溝泥石流基本特征

俄德西溝水系較簡單，距離俄德西溝溝口1.5 km處有右支溝匯入主溝。主溝溝谷狹窄、順直、坡降大，兩岸地形陡峻，常年流水。兩岸岸坡崩坡積、滑坡體發育，松散物源豐富，穩定性較差。根據遙感調查和野外勘察，俄德西溝內的松散固體物質非常豐富，但分布較為分散，主要物源類型包括崩滑體和溝道堆積物源。

俄德西溝(右支溝匯口前)在20年、50年和100年一遇的條件下的泥石流為稀性。20年一遇、50年一遇、100年一遇的泥石流固體物質一次沖出量分別為0.48萬m3、1.0萬m3、1.68萬m3，20年一遇泥石流規模較小，50年一遇中等，100年一遇的泥石流規模中等。

俄德西溝右支溝20年一遇、50年一遇、100年一遇的泥石流固體物質一次沖出量分別為0.40萬m3、1.27萬m3、3.40萬m3，50年、100年一遇泥石流為中等規模。

在施工期內，俄德西溝及右支溝存在爆發較大規模泥石流的可能性，對溝道內棄渣場、砂石加工系統及溝水處理建筑物產生威脅。因此，需要對俄德西溝泥石流進行防護設計；同時由于溝道常年有水，還需要進行溝水處理[2]。

2 俄德西溝泥石流防護工程設計

2.1 防護標準

2.1.1 洪水設計標準

本渣場位于葉巴灘電站壩址下游，周邊無城鎮、大型工礦企業、干線交通等設施，根據渣場的堆渣量及堆渣高度、失事后果、水土保持設計標準等綜合分析，選擇俄德西溝棄渣場防洪標準為50年一遇，相應洪水流量為64.8 m3/s。

2.1.2 泥石流防治設計標準

俄德西溝泥石流防護工程的保護對象為俄德西溝永久渣場、電站施工期渣場頂面布置的3#砂石加工系統。防護工程設計時水電行業尚無泥石流防護工程相關設計規范，參照地礦行業標準《泥石流災害防治工程設計規范(DZ/T0239-2004)》，綜合考慮泥石流災害的受災對象、死亡人數、直接經濟損失、期望經濟損失和防治工程投資等因素，確定泥石流防治設計標準采用50年一遇，對應降雨強度取50年一遇。在50年一遇情況下，該工程泥石流特征參數見表1。

表1

2.2 設計方案

本著“因害設防、經濟適用”的原則，本工程推薦采用預警、預報，攔擋、減勢，排導清水，后期清淤、清障等綜合防護措施。根據泥石流攔擋、停淤方式不同，研究了兩個布置方案。

2.2.1 方案一

設置兩道攔擋壩停淤減勢，擋水壩擋水，排水洞宣泄水流。攔擋壩庫容按照50年一遇一次泥石流固體物質量2.27萬m3考慮。考慮到泥石流一旦發生則來勢兇猛，兩道攔擋壩的總庫容按照攔截泥石流中的固體物質設計，對泥石流僅能起到一定減勢作用，攔擋壩攔蓄的固體物質流量在泥石流總流量中占比較小，消減泥石流洪峰的作用有限，且難以量化計算，因此，排水洞按照泥石流洪峰水體流量206.83 m3/s設計。

排水洞按無壓洞設計，排水洞長1.1 km，進口高程為3 016.00 m，出口高程2 940 m，隧洞底坡6.8%。排水洞過水斷面為6 m×8 m～6 m×5.5 m(城門洞)。

布置2道混凝土重力式攔擋壩，位于右支溝匯口以下、排水洞進口之間。第一道壩距右支溝匯口約60 m，距排水洞進口約240 m攔擋壩高18 m，庫容為1.9萬m3；第二道攔擋距壩右支溝匯口約150 m，距排水洞進口約145 m，攔擋壩高17 m，庫容為0.9萬m3。

擋水壩采用可利用工程棄渣的堆石壩壩型，壩軸線距排水洞進口60 m，壩前水位為3 025.48 m，壩頂高程為3 028 m。擋水壩最大壩高約為26 m，壩頂寬10 m，壩頂軸線長約為81.53 m。對壩體與壩基設置水平內鋪蓋和心墻進行防滲處理。

2.2.2 方案二

排水洞進口設分層過流進水塔攔渣排水，擋水壩適當增大高度，在壩前形成停淤庫容，泥石流停淤庫容在不小于設計標準下一次泥石流總量7.17萬m3，排水洞進口上游設兩道低攔擋壩減勢，排水洞按50年一遇洪水64.8 m3/s設計。

在右支溝匯口以下、排水洞進口以上區間布置2道高10～12 m的混凝土攔擋壩，攔渣并減緩溝道坡降，削減泥石流流速和沖擊力，同時起到固床作用。

排水洞按無壓洞設計，排水洞長1.1 km。進口高程為3 016.00 m，出口高程2 940 m，隧洞底坡6.8%。排水洞過水斷面為4 m×5.5 m～4 m×3.5 m(城門洞)。

由于停於減勢的上游兩座混凝土攔擋壩攔擋的泥石流固體物質非常有限，在位于淤積區的排水洞進口設置分層過流進水塔以宣泄洪水。進水塔溢流口應設在泥石流淤積高程以上。經計算，3 033 m高程以下的庫容7.3萬m3，滿足攔蓄一次泥石流總量共7.17萬m3要求。

擋水壩壩型及防滲方式均以方案一相同。設計流量下壩前水位為3 036.13 m，壩頂高程為3 040.00 m。擋水壩最大壩高約為42 m，壩頂寬10 m，壩頂軸線長約為106 m。

2.2.3 方案比選

方案一比較： 攔擋壩的庫容僅攔截一次泥石流中的固體物質，攔截量較小，對泥石流峰值流量的削峰有限；建于覆蓋層上的攔擋壩溢流缺口高于原河床約9.3 m，地基應力較高、變形較大，攔擋壩一旦失事后形成的次生災害相對較大。

排水洞進口位于攔擋壩下游，需下泄攔截大塊石后的水體，需要的設計泄流能力較大，相應排水洞洞身斷面尺寸大。排水洞進口高程較低，擋水壩的高度相對較低，壩前無停於庫容。攔擋壩具有停淤作用，越過攔擋壩的固體物質對擋水壩的沖擊較小。

方案二比較：攔擋壩考慮一定的停於減勢作用，壩的高度最低，由于河床坡降陡峻，減勢效果相對方案一較差；但溢流缺口僅高于原河床5～6 m，建于覆蓋層上的攔擋壩一旦失事后形成的次生災害相對最小。

排水洞進口位于攔擋壩下游、擋水壩前的停於區，擋水壩對泥石流削峰后，只需按設計洪水流量設計其泄流能力，相應排水洞的斷面尺寸最小。排水洞進口進水塔溢流口高程較高，擋水壩的高度也相對最高；擋水壩壩前庫容攔截一次泥石流的總量，起到了對泥石流峰值流量削峰的作用；泥石流中的固體物質對擋水壩的沖擊相對較大，壩面需要做好防沖保護。

方案比較見下表2，方案二投資最小，風險低。參照《泥石流災害防治工程設計規范》(DZ/T0239-2004)中“為保證下游安全，在同一河段內建造的攔擋壩不應少于3座”。除擋水壩起到停淤攔擋泥石流作用外，在排水洞至俄德西溝右支溝匯口之間適當位置還需修建2座攔擋壩，攔擋大塊石、固床、降低溝床縱坡、減緩泥石流流速、減小對土石擋水壩的沖擊力。因此綜合考慮，推薦方案二。

表2 方案比較表

2.3 建筑物設計

2.3.1 攔擋壩

2.3.1.1 壩線選擇

考慮地形、地質、施工等條件，盡量選擇在壩體工程量較小、攔擋庫容較大處建壩。綜合分析，在排水洞進口上游約250 m及140 m處設置兩道攔擋壩。

2.3.1.2 壩型選擇

攔擋壩壩型應該滿足防治泥石流的要求，攔擋壩應不被泥石流沖毀，同時滿足泄流、抗沖刷的要求。考慮現場調查的泥石流最大塊體體積26.2 m3(當量直徑3.7 m)，沖擊力強，選擇混凝土重力式攔擋壩。

2.3.1.3 壩頂高程

攔擋壩的主要功能是減勢，壩的有效高度越大，其庫容相應增大，攔蓄泥石流和減少泥石流沖擊力的效果越明顯。但綜合考慮壩體穩定及工程投資等因素，結合該溝地形地質條件，確定1#、2#攔擋壩最大壩高為12 m，1#攔擋壩壩頂高程為3 074.00 m，2#攔擋壩壩頂高程為3 053.00 m。

2.3.1.4 溢流缺口布置

當攔擋壩庫內淤積滿后，泥石流通過溢流口翻過壩體排向下游。溢流口設計成開敞式斷面，根據實際地形條件，1#攔擋壩溢流口寬度為30 m、深為3 m； 2#攔擋壩溢流口寬度均為35 m、深為3 m。

2.3.1.5 攔擋壩結構設計

1#攔擋壩壩頂軸線全長53.57 m，頂寬4.0 m，上游面坡比上部為1∶0.7，下部為1∶2.5，下游面坡比1∶0.2。在壩頂中部設置溢流口，溢流口寬度為30.0 m，深度3.0 m。溢流壩身設置兩層共15個泄水孔，孔口尺寸1 m×1 m，兩層孔口凈距1.5 m，每排孔口凈距2 m，其中上層共8個孔口，下層共7個孔口。

2#攔擋壩壩頂軸線全長65.32 m，頂寬4.0 m，其他結構布置與1#攔擋壩相同。

攔擋壩需要過泥石流和水流，因此，在攔擋壩下游一定范圍需要考慮防沖措施。在1#、2#攔擋壩下游25 m范圍內鋪設1.5 m厚的鋼筋混凝土板防沖，在鋼筋混凝土板下游10 m范圍內鋪設2 m厚的大塊石防沖。

2.3.2 進水塔

排水洞進口處設置分層過流進水塔。進水塔溢流口高程以下擋水壩庫前庫容按照攔蓄設計標準下一次泥石流總量7.17萬m3來設計，因此溢流口高程確定為3 033.00 m。塔身正面布置四層泄水孔，用以宣泄一般洪水。

考慮到進水塔溢流口高程以下，塔身與擋水壩形成庫容攔擋設計標準下的泥石流，排水洞設計和進水塔溢流口設計按50年一遇洪水流量64.8 m3/s計。

發生泥石流把塔身泄水孔淤堵后，由溢流口泄流，在50年一遇泥石流峰值流量下，上游水位為3 036.13 m，考慮超高，進水塔頂高程取3 040.00 m。

進水塔塔體尺寸為12 m×12 m×30.5 m×2 m(長×寬×高×厚)，溢流口尺寸為8.0 m×7.0 m(寬×高)，為整體框架結構。為了便于塔身過流和后期庫內清淤排水，在塔身迎水面高程3 020.00 m、3 022.50 m、3 025.00 m及3 027.50 m處設置4排共20個泄水孔，孔口尺寸為0.5 m×1.5 m。進水塔基礎座落在基巖上，采用固結灌漿與錨筋束(3C32、L=12.0 m)加強其整體性，固結灌漿孔間距2.0 m、孔深8.0 m。

2.3.3 排水洞

俄德西溝左岸邊坡大部分為崩坡積覆蓋，覆蓋層厚度10～20 m，僅局部(右支溝匯口下游約260 m處)有基巖出露。為方便與上游進水塔銜接布置，將排水洞進口布置在基巖出露處。為減小進口邊坡開挖范圍，進口段洞線與地形呈大角度相交。

排水洞進口高程為3 016.00 m，出口高程2 940 m，隧洞底坡6.67%。排水洞洞寬為4 m，根據洞內水面線，洞高分為兩段，樁號(排)0+000～(排)0+200段過水斷面高度5.5 m，樁號(排)0+220～(排)1+140段斷面高度3.5 m，樁號(排)0+200～(排)0+220為漸變段。洞身采用錨噴支護；Ⅴ、Ⅳ、采用全斷面鋼筋混凝土襯砌；Ⅲ、Ⅱ類圍巖洞段直墻底板采用鋼筋混凝土襯砌。

2.3.4 擋水壩

擋水壩與渣場尾部結合布置，采用可利用工程棄渣的堆石壩型，壩軸線距排水洞進口80 m。

通過進水塔溢流口設計泄流流量64.8 m3/s時，相應的壩前水位為3 036.13 m。在考慮波浪爬高、壅高和安全超高后，確定壩頂高程為3 040 m。擋水壩最大壩高約為42 m，壩頂寬10 m，壩頂軸線長約為106 m。

擋水壩地基覆蓋層深厚，透水性強。擋水壩填筑材料為工程開挖石渣料，需要單獨擋水運行2年以上。為了壩體與壩基的滲透穩定，對壩體與壩基設置水平內鋪蓋和心墻進行防滲處理。壩體復合土工膜心墻高42 m，復合土工膜水平內鋪蓋長230 m，其中壩軸線上游80 m，壩軸線下游150 m。擋水壩上游壩坡坡比為1∶2，下游壩坡坡比為1∶2.5～1∶2，上游坡面采用1.5 m厚漿砌塊石進行防沖保護。為防止坡腳覆蓋層發生滲透破壞，增設反濾層和排水棱體。經計算，擋水壩壩體及基礎滲流穩定、壩坡穩定均滿足規范要求。

3 結 論

通過對葉巴灘水電站俄德西溝泥石流防護工程設計，采用兩道攔擋壩、進水塔及擋水壩攔擋的方案可基本保障俄德西溝泥石流不對俄德西溝渣場及相關場地、設備產生威脅。但泥石流是不良的復雜地質體，物理力學參數變異性大，泥石流災害防治工程迄今處于探索階段，其防治工程設計受諸多不確定因素的影響，必然存在著相當大的風險。因此，俄德西溝雨季應加強泥石流監測和預報，采取有效措施確保人員和財產安全。

為了確保一定有效容量停淤固體物質及泥石流，以調節汛期可能發生的泥石流，應定期(特別是汛前)清理渣場、攔擋壩、擋水壩及進水塔前堆積物。每年汛后應檢查攔擋壩、排水洞及進水塔等建筑物淤積及損壞情況，如有損壞，應適時維護、維修。