山区单沟泥石流演化历程分析及防治措施探讨——以红枫水力发电厂红林电站库首左岸冲沟为例

郑飞舟 付鑫

（贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州遵义 563000）

国家能源集团贵州电力有限公司红枫水力发电厂红林电站库首左岸冲沟位于红枫水力发电厂红林水电站库首左岸，距离电站水库大坝水平距离约100m。近年来大气降雨诱发该冲沟发生泥石流，且呈不断加剧趋势。该冲沟前缘正对红林水电站引水隧洞进口，泥石流灾害已对红林水电站引水隧洞进口造成潜在威胁，将影响红林水电站正常发电生产活动。

1.1 地形地貌特征

冲沟区属构造侵蚀-溶蚀中低山河谷斜坡地貌，泥石流冲沟地形大致分为崖顶平缓台地地形、陡崖区陡坡地形、缓斜坡区冲沟地形、河床岸坡堆积台地地形四级地形，各种地形特征描述如下：①崖顶平缓台地地形：位于猫跳河岸坡坡顶，地势平坦，多呈阶梯状耕地，坡度5°～8°，为下部冲沟主要水源补给区，汇水面积0.22km2；
②崖区陡坡地形：位于泥石流冲沟顶部，高约120m 左右，因历史崩塌原因，该区域形成天然豁口，呈“漏斗”状，平均坡度约40°，上部地表水在该区汇集对底部斜坡进行集中冲刷；
③冲沟缓斜坡地形：位于陡崖陡坡至河床堆积台地一带，平均地形坡度28°左右；
斜坡堆积大量古崩塌堆积块碎石，结构松散，易被地表水冲刷；
因受崖区陡坡地表水集中冲刷形成天然冲沟，按变形情况分为上下游两段：上游段地形平缓，平均地形坡度18°，下游段平均地形坡度约27°，受暴雨洪水冲刷发生局部滑塌后表层松散滑塌体已被冲入库区或堆积到河床堆积扇区；
上下游交接处形成高约14m 的高陡临空面，临空面平均坡度约70°；
④河床岸坡堆积台地地形：位于冲沟底部河床岸坡平缓处，为冲积物主要堆积区，沟口具有明显的扇形堆积地形特征。

1.2 地层岩性特征

冲沟区出露的岩土层自上而下分布为第四系全新统（Q4ml）耕植土、第四系全新统崩坡积层（Q4dl+col）块碎石、寒武系中上统娄山关群（∈2-3ls）白云岩，特征描述如下：①耕植土：黄褐色～黑褐色，含少量碎石角砾，结构松散，夹杂植物根系；
区内广泛分布，厚度0.3～1.0m；
②块碎石：广泛分布于陡崖底部斜坡及冲沟区，以块石为主，块径一般0.2～2m，少量碎石，厚度2.1～11.3m 间，平均厚度为4.0m；
③白云岩：灰褐色，岩体较破碎。

1.3 水源特征

该冲沟为雨源性冲沟，大气降雨在崖顶平缓台地区汇集后，汇流于陡崖“豁口”处，对崖顶斜坡进行集中冲刷，补给冲沟水源，因此冲沟水源完全受大气降雨补给。根据收集红林电站水库库区气象水文站2017 年1 月1 日 至2021 年12 月20 日 全 时段各小时内实测降雨值，近5年来月最大降雨发生在2017年6月，月最大降雨量达451.5mm，其次为2021 年6 月、2020 年7 月、2020 年6 月，月降雨量分别为392.5mm、370.5mm、327.5mm，均大于300mm；
每年5 月～9 月为降雨集中期，月平均降雨量基本大于100mm（2019年8 月、2020 年8 月降雨量相对偏少）；
2017 年6 月、2019 年9 月、2020 年7 月、2021 年6 月均存在降雨量大于40mm/h的集中强降雨，其中雨强最大为2020年07 月09 日19 时，降雨雨强达51.0mm/h；
集中强降雨持续时间最长为2020 年07 月09 日19 时～10 日12时，持续时长18小时。

2.1 冲沟泥石流变形演化历史遥感影像特征

根据不同时期冲沟区遥感影像对比分析：①2017年02月27日前冲沟区植被全覆盖，沟口前缘未见冲洪积堆积体，冲沟未见变形特征；
②2019 年05月15日卫星影像图显示冲沟中部局部出现裸露岩土体，沟口前缘见少量冲洪积堆积体，但冲沟崩塌堆积体裸露区至沟口冲洪积堆积体之间植被发育，未见沟域裸露；
③2020年08月16日卫星影像图显示原冲沟中部局部出现裸露崩坡积堆积体至沟口之间岩土体裸露，前缘冲洪积堆积扇地形特征明显，原变形区域向冲沟后缘延伸；
④根据2021年11月26日航测影像图对比2020 年06 月16 日卫星影像图冲沟内堆积块石明显减少，沟口冲洪积堆积扇范围显著增大，冲沟原变形后缘变形规模增大。

图1 2017.02.27卫星影像图

图2 2019.05.15卫星影像图

图3 2020.8.16卫星影像图

图4 2021.11.26航测影像图

2.2 泥石流历史演化时空分析

根据冲沟区遥感影像可知2017年2月27日以前冲沟植被全覆盖，无岩土体裸露，冲沟前缘无扇形堆积体，说明此前冲沟未变形，结合红林电站水库库区2017 年1 月1 日至2022 年12 月20 日 实 测 降雨资料分析：①2017 年2 月27 日～2019 年5 月15 日之间冲沟中部局部出现裸露岩土体，且前缘存在冲洪积扇形堆积体，在此期间出现强度大且持续时间长两场强降雨时间段分别为2017年06月12日02时～12日09 时（持续时长8h、最大雨强43.5mm/h、平均雨强12.5mm/h）和2017 年06 月23 日06 时～23 日12 时（持续时长7h、最大雨强40.5mm/h、平均雨强12.2mm/h），其余发生过3 场雨强相对较大的强降雨，但最大雨强均小于30mm/h，说明泥石流冲沟初始变形时间位 于2017 年06 月12 日02 时～12 日09 时 或2017 年06 月23 日06 时～23 日12 时时间段；
②2020 年08 月16 日卫星影像图显示泥石流冲沟已基本成型，从收集实测降雨资料来看2019 年5 月15 日～2020 年08月16 日区内共发生7 次降雨雨强大于20mm/h 的持续强降雨，其中规模最大一次为2020 年07 月09 日19 时～10 日12 时，最大降雨雨强为51.0mm/h，持续时间达18h，该次降雨期为泥石流主要成型期；
③根据收集降雨资料自2020 年08 月16 日至今区内仅发生过6 次降雨雨强大于20mm/h 的持续强降雨，从2020 年08 月16 日卫星影像对比航测正射影像对比来看，泥石流沟域前缘堆积体面积增大，冲沟区岩土裸露面积亦增大，表现出泥石流冲沟受到侧向侵蚀及溯源侵蚀，在区内正常雨强下，泥石流冲沟正处于不断壮大发展过程中。

2.3 泥石流发展趋势及危害性预测

根据不同时期遥感影像分析该冲沟泥石流自2019 年5月至2021年12月时间约30个月，冲沟泥石流堆积体增加长度约15m，增加堆积体面积约260m2，河床平均深度按14m 计算，则泥石流冲出物约3500m3，则泥石流堆积体每年增加长度为6m，泥石流冲出物每年堆积方量为1400m3；
目前堆积体前缘距离引水隧洞进口距离约60m，冲沟前缘断面面积830m2，泥石流堆积扇幅度角为60°，则按此估算泥石流冲出物堆积至引水隧洞进口需要60m÷6m/年=10 年，泥石流冲出物堆积满水库需要830m2×10m×2tan60°÷1400m3/年≈20 年。由于该泥石流正处于形成期，其发生规模正不断增大，泥石流启动的降雨雨强也将不断减小，泥石流冲出物堆积至引水隧洞进口及泥石流冲出物堆积满水库所需时间相对于估算计算结果更短。

2.4 泥石流成因机制分析

通过前述泥石流形成条件分析及泥石流历史演化分析，红枫水力发电厂红林电站库首左岸冲沟泥石流形成机制如下：①冲沟斜坡地形有利于松散对他堆积体在外力作用下沿斜坡发生位移；
②冲沟上游汇水面积较大且在陡崖处形成集中汇流，陡崖高度大坡度陡，地表水对坡体冲刷能力强；
③2019年05月15 日左右冲沟中部局部陡坎开始出现变形，失去植被有效保护的变形区在地表水强力冲刷作用下变形加剧，逐步演化为泥石流。

图5 红枫水力发电厂红林电站库首左岸冲沟泥石流形成机理

单沟泥石流防治方案选择应根据泥石流成因机制、防治目的、变形发展趋势等进行综合考虑，以红枫水力发电厂红林电站库首左岸冲沟泥石流治理为例：

①从治理目的来看：冲沟治理目的为防止泥石流固体冲出物冲入库区，可在在沟域设置拦渣结构，使泥石流在运动过程中实现水渣分离，从而达到避免固体冲出物冲入库区的目的；

②从泥石流成因机制来看：物源、水源、斜坡共同作用为泥石流形成的必要条件，在物源区外围设置截排水沟防止地表水与物源接触可直接消除冲沟发生泥石流的潜在危害；

③从泥石流变形发展趋势来看：冲沟中后缘已经形成稳定性较差的高陡临空面，为泥石流主要物源区，对该临空面加固进行处理，避免坡面土体发生位移可避免泥石流发生；

④从冲沟地质环境来看：冲沟中下游沟底及两侧沟壁侵蚀冲刷严重，在冲沟两侧形成临空面，已经发生多处滑塌且处于变形加剧，若不处理势必将对沟域造成堵塞，因此对冲沟进行治理在冲沟中下游设置排导工程必不可少。

虽红枫水力发电厂红林电站库首左岸冲沟泥石流治理工程方案有多种选择，但还应从泥石流发生与活动可控程度、泥石流危害的控制程度、治理措施的可行性、方案投资比较、方案经济效益比较、方案的社会和环境效益比较等多因素综合对比选择最优治理方案。

山区单沟泥石流难以直接记录其变形演化历程，可收集各时期遥感影像、区内降雨资料对单沟泥石流历史演化进行分析，结合现场调查结果，反演泥石流冲沟不同时期变形情况，分析泥石流冲沟变形速率，对泥石流冲沟发展趋势及危害性做出科学预测，为泥石流防治工程提供科学依据。泥石流防治方案选择具有多样性，但在泥石流防治方案选择应根据泥石流形成机制、泥石流发展趋势及具体项目泥石流防治目的，从泥石流发生与活动可控程度、泥石流危害的控制程度、治理措施的可行性、方案投资比较、方案经济效益比较、方案的社会和环境效益比较等多因素综合对比选择最优治理方案。