白鶴灘水電站大寨溝泥石流綜合治理研究

黃成家，彭 育，徐建榮，薛 陽，汪 振

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

0 引言

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內，裝機容量16 000 MW，樞紐工程由雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、左右岸引水及發電系統等建筑物組成。大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834 m，最大壩高289 m。

大壩位于大寨溝口下游附近的金沙江河段上，右岸發電進水口位于大寨溝出口下游，緊鄰大寨溝，上游圍堰則位于大寨溝溝口上游。大寨溝為溝谷型暴雨激發的低頻率粘性泥石流溝，長年流水，歷史上曾經發生大規模泥石流。大寨溝直接威脅到電站進水口和基坑的安全，為確保電站的正常施工與運行，需對大寨溝進行治理。

1 大寨溝泥石流特性

大寨溝口位于右岸電站進水口上游約300 m，主溝長11.2 km，溝床平均坡比降205‰，岸坡平均坡度339‰，流域面積28.73 km2。溝內泥石流物源豐富，具備發生大規模泥石流的條件。大寨溝是暴雨激發的低頻率粘性泥石流溝，溝口斷面處重現期100年的泥石流峰值流量達827 m3/s，一次泥石流總量為30萬m3。

大寨溝溝口上游附近右岸為下紅巖堆積體，堆積體位于壩址右岸岸坡頂部斜坡上（谷肩），表面為走向近東西向、緩傾南、傾角12°～15°的斜坡。堆積體物質成分復雜、顆粒大小懸殊且相互混雜，堆積物厚度不均，最大厚度達57.90 m。

2 治理原則和設計標準

2.1 治理原則

大寨溝泥石流治理的主要目的是消除泥石流對白鶴灘水電站主體工程的危害，確保樞紐建筑物在施工期和運行期的安全。因此，結合大寨溝泥石流的特點、流域人文地理情況和工程建設的需要，采取以工程措施為主的治理方案。治理原則如下：

圖1 大寨溝溝口段地貌Fig.1 Landform of the outlet of Dazhai gully

（1）避免改變大寨溝流域特別是下紅巖的人文地理條件，減少對生態環境的干擾；

（2）泥石流治理應緊密結合下紅巖堆積體治理；

（3）治理工程應在主體工程開工前完成，因而治理措施的選擇應兼顧施工條件；

（4）中下游物源區以控制泥沙產生為主，通過修建攔擋措施，固定溝床、穩定邊坡，減少形成泥石流的土體物質；

（5）下游出口附近對溝道進行開挖、截彎取直，加大排導能力；

（6）下紅巖堆積體的治理應以提高整體穩定性為主要目的，消除堆積體蠕滑變形對大寨溝泥石流治理工程的不利影響；

（7）治理工程竣工后，加強對泥石流和下紅巖堆積體的長期監測。

2.2 設計標準

根據保護工程的重要性，參照DZ/T 0329-2004《泥石流災害防治工程設計規范》的規定，大寨溝泥石流治理工程安全等級為一級，相應降雨強度為重現期100年，工程建筑物按2級建筑物設計。

下紅巖堆積體治理為大寨溝綜合治理工程的一部分，下紅巖堆積體滑坡不直接影響電站樞紐主要建筑物的安全，參照DL/T 5353-2006《水電水利工程邊坡設計規范》，下紅巖堆積體按B 類Ⅰ級邊坡設計。

3 治理方案研究

根據大寨溝泥石流特性和主體工程建設需要，為避免泥石流對主體工程的影響，結合下紅巖蠕滑變形體處理，形成兩個典型的綜合治理方案：“排導明渠（槽）+堆渣壓坡+局部抗滑樁”方案和“排導洞+抗滑樁”方案。

“排導明渠（槽）+堆渣壓坡+局部抗滑樁”方案，利用明渠（槽）排導大寨溝泥石流，堆渣壓坡+局部抗滑樁治理下紅巖堆積體蠕滑變形體的穩定問題。明渠建立在堆渣上，下游開挖馬脖子山形成排導槽將泥石流改道排出工程區。工程由梯級攔沙壩、潛壩、排導渠、排導槽、溝口擋渣壩、護岸、堆渣壓坡及局部抗滑樁等建筑物組成。

“排導洞+抗滑樁”方案，利用排導洞排泄泥石流，抗滑樁治理下紅巖蠕滑變形體的穩定問題。在大寨溝溝口上游約360 m 的拐彎處設攔導壩和排導洞將泥石流改道，排導洞穿越左岸馬脖子山體將泥石流導離樞紐建筑區并安全排泄至金沙江中。泥石流治理工程由攔導壩、排導洞、溝口攔沙壩、梯級攔沙壩群、護岸護坡等建筑物組成。

經技術經濟比較，選擇施工難度更小且泥石流排導更為安全可靠的“排導渠（槽）+堆渣壓坡+局部抗滑樁”方案。

4 綜合治理方案設計

4.1 治理工程布置

大寨溝泥石流綜合治理工程由梯級攔沙壩、潛壩、排導渠、排導槽、溝口擋渣壩、護岸、堆渣壓坡及局部抗滑樁等建筑物組成。另外，設置系統的監測設施，對邊坡、堆渣和建筑物進行監測，排導渠（槽）定期清淤和維護。

綜合治理工程平面布置見圖2。

圖2 大寨溝綜合治理工程平面布置圖Fig.2 Layout of the debris flow treatment of Dazhai gully

4.2 攔沙壩設計

攔沙壩的作用是固床穩坡及形成停淤庫容，因此布置在大寨溝流域內的主要物源溝段（中、下游段），根據地質情況及河谷能形成的庫容條件，在該溝段內一共布置了5 級攔沙壩。自中游梨園附近布置第1 級攔沙壩，以200～400 m 間距向下游依次布置，至潛壩上游100 m處布置第5級。

攔沙壩采用混凝土C20 重力壩，壩高約10 m，壩頂寬3 m。第1、3、4級攔沙壩全部建基于基巖之上，第2級攔沙壩全部建基于覆蓋層之上，第5級攔沙壩的左壩頭建基于覆蓋層之上、其余部位建基于基巖之上。

4.3 潛壩設計

排導渠進口設潛壩，壩頂高程與排導渠底板同高，防止上游來水沿堆渣下滲，避免泥石流淘刷堆渣導致揭底破壞。

潛壩建基在弱風化、弱卸荷基巖上，采用C20混凝土重力壩，最大壩高23 m，壩頂寬度1 m。壩頂中央設溢流缺口，與下游排導渠銜接，溢流缺口面積約200 m2，滿足重現期100年泥石流的過流要求。

4.4 排導渠（槽）設計

4.4.1 排導渠（槽）布置

排導渠（槽）由兩部分組成：排導渠和排導槽，總長約1 200 m，排導渠進口底高程1 039.75 m，排導槽入口底高程963.75 m，出口高程934.19 m。

為保證泥石流和洪水的平順過流，排導渠（槽）平面布置大部分順直，局部遇山體部位設半徑為200 m的圓弧段連接，轉彎角度13°～27°。

渠線布置滿足進流平順、盡量增加下紅巖前緣堆渣、減小馬脖子山體開挖高度、兼顧施工期泥石流對導流洞影響等要求。將渠道布置于堆渣上并靠左岸布置，局部適當開挖左岸邊坡以使渠線順暢。排導渠進口位于下紅巖堆積體外緣上游，按7.5%和9%的坡度在渠底高程963.75 m 處接排導槽。排導槽按W35°S方向穿過馬脖子山，排導槽坡度為10%，出口位于金沙江右岸陡壁。

4.4.2 排導渠（槽）縱坡

排導槽縱坡綜合考慮流通段坡度和泥石流容重進行選擇。大寨溝流通區坡度11.1%～13.8%，根據已建工程經驗，排導槽縱坡最小可按流通段縱坡85%設計，坡度應不小于10%～12%。容重為1.9～2.1 t/m3的粘性泥石流，排導縱坡宜為8%～12%。考慮到上游梯級攔沙壩建成后，泥沙回淤，溝床坡度有所降低，根據排導縱坡與流通區縱坡相適應的原則，排導渠（槽）的縱坡取為7.5%～10%。

4.4.3 排導渠（槽）斷面

排導渠采用復式梯形斷面，基本與原溝床同寬，以適應大寨溝規模懸殊的泥石流特性（重現期100年泥石流827 m3/s，正常年份在雨季多為洪水或高含沙水流），使小規模泥石流或山洪從其最小的斷面排走，大規模泥石流從復式梯形斷面排走。復式斷面設計可防止大規模泥石流來臨之前小規模的山洪泥石流大量淤于槽內而影響排泄能力。

4.5 監測設計

針對排導渠（槽）和潛壩的表面變形、地下水位、兩側開挖邊坡變形及支護結構受力等設置監測測點。

4.5.1 排導渠結構監測

選擇排導渠中段堆渣厚度較大處，沿一定的間距在渠堆渣頂部布置臨時沉降測點，以觀測排導渠混凝土結構澆筑前的堆渣沉降。在排導渠混凝土結構形成后，在下紅巖堆積體前緣部位的右側渠頂沿一定的間距布置表面變形測點，監測排導渠變形情況。另外在部分變形監測點旁布置地下水位孔，以監測地下水位情況。

4.5.2 排導渠邊坡監測

排導渠邊坡主要以表面變形和支護結構受力監測為主。排導渠開挖邊坡規模稍大的，在開挖線邊緣或殘坡積體上布置表面變形測點和錨桿應力計。

4.5.3 排導槽邊坡監測

沿左岸邊坡最大開挖高度布置一個表面變形監測斷面，在馬道和開挖線邊緣布置表面變形測點，另外在邊坡上布置錨桿應力計、錨索測力計和地下水位孔。在右岸邊坡的開挖線邊緣、鋼管樁頂部、碾壓堆渣頂部、馬道和擋墻頂部等部位布置表面變形測點，同時在邊坡上布置錨桿應力計和錨索測力計。

4.5.4 潛壩監測

在潛壩的左右岸頂部布置表面變形測點，同時在右岸開挖線邊緣布置表面變形測點。在潛壩左岸壩基邊坡布置錨桿應力計。

4.6 監測結果分析

4.6.1 變形監測

表面變形測點累計水平合位移1.04～1174.06 mm。2014年5月6日～12月8日，排導槽右邊坡測點水平合位移沿順坡向呈較明顯的遞增趨勢，期間位移遞增速率最大達9.94 mm/d，之后隨著混凝土擋墻澆筑完成，混凝土擋墻與鋼管樁之間進行了渣土回填，對邊坡變形起到了抑制作用。之后各表面變形測點的位移已逐漸趨于穩定。

4.6.2 應力應變監測

邊坡錨桿應力一般為受拉，最大拉應力44.56～170.32 MPa，在錨桿強度范圍之內。

4.6.3 地下水位監測

地下水位監測孔的孔內水位主要受降雨影響，均在正常范圍內。

5 結語

大寨溝泥石流規模較大，直接威脅電站的施工與運行。采用“排導明渠（槽）+堆渣壓坡+局部抗滑樁”進行綜合處理，排導可靠性好，施工難度也較為適當。大寨溝泥石流綜合治理工程于2012年初開始施工，2014 年完成全部施工項目，至今已順利度過多個汛期，有效保證了電站的正常施工。