忻州伯強溝泥石流發(fā)育特征與防治措施建議

胡艷青

（北京得一成利環(huán)境工程技術有限責任公司，北京 100081）

忻州伯強溝泥石流發(fā)育特征與防治措施建議

胡艷青

（北京得一成利環(huán)境工程技術有限責任公司，北京 100081）

繁峙縣是山西省泥石流較發(fā)育的縣市之一，五臺山北麓泥石流發(fā)育特征比較典型，該泥石流溝位于五臺山景區(qū)內，嚴重威脅當?shù)厝嗣裆柏敭a(chǎn)安全。本文對伯強溝進行了詳細的野外調查，獲取了研究區(qū)泥石流溝的基礎數(shù)據(jù)資料，分析了伯強溝泥石流基本特性，通過對流域物源來源、補給長度、堵塞程度的計算，得出了該泥石流溝的發(fā)展階段及易發(fā)程度，結合野外資料采用多因子評價公式，對伯強溝泥石流溝做出了險情等級及危險性評估，得出該泥石流溝處于形成期（青年期）—發(fā)展期（壯年期），危險性發(fā)生幾率大，成災可能性大的結論，并且針對該泥石流溝的發(fā)育特征的認識及數(shù)據(jù)分析，提出泥石流綜合治理的防治對策。

山西省；泥石流；發(fā)育特征；防治措施

0 前言

山西五臺山被聯(lián)合國譽為世界文化遺產(chǎn)，伯強溝就位于山西省忻州市繁峙縣東山鄉(xiāng)南部華北屋脊五臺山北臺北麓，屬局地小氣候，降水量豐沛，基本位居山西省之首，該區(qū)域農(nóng)業(yè)基礎條件與設施落后薄弱，抵御自然災害的能力差。建國以來伯強溝泥石流頻發(fā)，大規(guī)模的泥石流就發(fā)生了3次，發(fā)生時間分別為1956年、1996年、1997年，共死亡4人，毀房159間，簡易路4.5km、橋梁2座，淤埋水井3眼，沖垮壩體120m，毀地300余畝，毀林、牲畜無數(shù)。1956年泥石流將坐落在溝口的伯強村半個村莊被沖毀，溝口被淤高，后河床被迫改道至南側，總直接經(jīng)濟損失達6000余萬元。如果再次發(fā)生泥石流，將不同程度對沿溝7個村莊1578余人的生命和財產(chǎn)安全等構成威脅，潛在經(jīng)濟損失可達1.8億元。

本文在對伯強溝泥石流調查研究的基礎上，對泥石流的發(fā)育特征有所認識，提出綜合治理的建議。

1 區(qū)域概況

1.1 地形地貌

伯強溝位于山西省中東部繁峙縣南部五臺山風景區(qū)保護帶范圍內，為羊眼河上游的一級支溝，主溝發(fā)源于五臺山北臺峰分水嶺，海拔高程3061m，伯強溝流域總面積約為24.9km2。流域內共有大小毛溝12余條。整個溝域形態(tài)呈桃葉形狀，流域形態(tài)對形成泥石流的暴雨徑流影響較大，桃葉形態(tài)的溝域，寬度較短，支溝均不長，極有利于洪水迅速匯集主溝，松散固體物質被運移起動，形成泥石流。

流域區(qū)域地貌類型為斷塊溶蝕剝蝕高中山。微地貌為剝蝕溶蝕高中山夾山間溝谷，地勢總體特征為兩側山高坡陡，中間溝谷低緩。主河道長約7.8 km，溝壑密度為0.8 km/km2，最大相對高差1513m，主溝縱坡降約194 ‰。上游區(qū)及支溝溝谷呈V型，中、下游溝谷呈較寬U型。溝坡坡度≥45°的占60%，25°～45°的占35%，＜25°的占5%，邊坡坡度較大。

伯強溝流域溝東南側北臺峰附近陰坡區(qū)植被覆蓋率約40%；溝西北側陽坡區(qū)植被不發(fā)育，多為裸巖，植被類型主要為荒草，溝深坡陡、覆蓋率低為泥石流的形成提供了有利條件。

1.2 地層巖性

溝域內為一套遭受強烈褶皺變動和區(qū)域變質作用的中—淺變質巖系，以太古界五臺群整體塊狀夾片狀堅硬夾較軟弱變質巖巖類為主，巖性主要為綠片巖、片麻巖、變粒巖等；其次為溝坡上第四系上更新統(tǒng)殘坡積淺黃色含碎石黃土和溝中大量堆積的全新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石、漂石和少量亞砂土。變質巖巖性變化大，風化較強烈，片麻理、節(jié)理裂隙發(fā)育，軟硬巖相間；陡坡上披覆有松散的殘坡積物，溝底分布有大量砂卵礫石層；坡體上各巖性均易形成崩塌、滑坡、坡面型泥石流和水土流失。

區(qū)域地處華北斷塊中北部呂梁—太行斷塊之次級單元五臺山塊隆的東部，在五臺群和滹沱群中北東向構造形跡普遍發(fā)育，主要包括一系列呈北東向展布的褶皺構造及與其平行的逆斷層和逆掩斷層，另外還伴生有許多與其近于垂直的張性斷層，溝域位于獅子坪—莊旺灘倒轉向斜西北翼，在溝域中下游發(fā)育三條垂直向斜走向的較大規(guī)模的正斷層。

1.3 水文地質條件

區(qū)內降雨高度集中在6—8月，降水受地形影響極大，降水量隨山地高度的增加而增加，五臺山區(qū)成為多雨區(qū)，年降水量在580～1000mm間，平均相對濕度60%；多年平均降水量624.5mm；年最大降水量為1959年1610.0mm，年最小降水量為1998年497.9mm；汛期降水量占全年降水量的80%左右，日最大降水量81.5mm（1996年8月5日）；1小時最大降水量39.2mm（1997年7月3日），10分鐘最大降水量21.1mm（2009年）。

伯強溝常年有水，清水流量約為1.2 m3/s，地下水接受大氣降水入滲補給，受地形控制總體由南北兩側山區(qū)向中部徑流和運動，地下水富水性受巖石風化程度、裂隙發(fā)育程度及植被條件的影響，北部山區(qū)植被較差，風化層較薄，南部山區(qū)植被發(fā)育，風化層厚度較大，地下水調節(jié)能力相對較強，地下水位的變化對邊坡的穩(wěn)定性影響較小。

2 泥石流發(fā)育特征

2.1 松散固體物質來源

泥石流是固液兩相流體，內含大量的泥沙、碎塊石、漂礫等固體物質，是泥石流不同于水流或洪流的主要標志。松散固體物質的形成與地質背景條件和地質營力有關，泥石流固體物源累積過程多與不良地質現(xiàn)象和人類工程活動聯(lián)系在一起（趙小平，2010）。

溝域內物源為自然松散固體物源，一是溝坡上的殘坡積物、易崩塌的巖體、坡面泥石流；二是溝底可再次搬運的堆積物，分布于整個流域。根據(jù)現(xiàn)場調查山坡上隨處可見松散物源坡積物，主要分布于陽坡植被不發(fā)育地帶，厚度平均約0.5m，分布面積約12×104m3，約有潛在物源總量約為6×104m3。

溝道中松散層厚度5～75m。根據(jù)《公路工程水文勘測設計規(guī)范》（JTG C30-2015）中10.2.6-1公式：

式中：hp為一般沖刷后水深（水面以下）（m）；qs為泥石流最大單寬流量（m3/s·m），取10.5m3/s·m；hm為最大泥深（m），調查為2m；d為河床泥沙平均粒徑（m），調查為0.2m。

計算得沖刷深度（河床以下）約1.6m，河道淤積長度約7.8km，平均寬度以15m計，溝中物源量約為18.7×104m3。伯強溝泥石流總松散物源量為24.7×104m3。

2.2 泥沙沿程補給長度比

一般泥石流運動規(guī)律在空間展布上可分為形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)（圖1）。伯強泥石流溝形成區(qū)與流通區(qū)在流域中上游界線較明顯，泥石流物源沿程一直在補給，邊形成邊流通，一般溝底基本為流通區(qū)，兩邊坡均為物源形成區(qū)。泥沙沿程補給長度比＞80%，在流域上游、中游溝谷開闊處或支溝溝口、主溝口均為泥石流堆積區(qū)。距調查3次發(fā)生泥石流時，在溝谷寬闊處、各支溝溝口和主溝口均不同程度形成了不規(guī)則的泥石流扇形地，伯強溝泥石流進入了主河道區(qū)，對主河道河形無較大影響，僅主流受迫偏移。

2.3 泥石流堵塞程度

伯強泥石流溝谷形態(tài)在上游區(qū)“V”與窄“U”型呈交替出現(xiàn)，基巖崩塌、坡面型泥石流較發(fā)育，溝中沖洪積物堆積嚴重，溝床狹窄不一；中、下游區(qū)呈寬“U”型，溝槽較順直，崩塌、坡面型泥石流發(fā)育一般，但村莊建設、耕地和道路等占用了部分溝道，有5處過水路面，兩處不能滿足排洪能力的過水涵洞，主支溝交角多小于60°，洪水搬運能力強，排洪能力較弱，造成泥砂、石塊在溝道散亂堆積，石塊堵塞河道，於高堆積，造成惡性循環(huán)，石塊越積越多，造成洪水分流和改道，溝床擺動，堵塞系數(shù)介于1.5～2.5間，堵塞程度屬中等（表1）。

2.4 泥石流溝發(fā)展階段

對照《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220-2006）附錄C（表C.1），判斷伯強溝泥石流溝的發(fā)展階段。主溝侵蝕速度＞支溝侵蝕速度，溝口出現(xiàn)扇形堆積地形或扇形地處于發(fā)展中，堆積扇發(fā)育逐步擠壓大河，河型間或發(fā)生變形，無較大變形，僅主流受迫偏移，對對岸尚未構成威脅。新老扇形疊置不明顯或成外延式疊置，為疊瓦式，扇面變幅在0.2～0.5m之間。松散物儲量在＞10萬m3/km2，松散物高邊坡堆積高度在10～30m間，具32°以上高邊坡。崩塌、滑坡、水土流失等不良地質現(xiàn)象發(fā)育，溝道縱向、橫向切蝕中等，朔源沖刷、溝槽不穩(wěn)，溝坡陡峻，溝型順直束窄。植被覆蓋率在10%～30%，觸發(fā)雨量較小。綜合判斷：伯強溝泥石流溝發(fā)展階段處于形成期（青年期）—發(fā)展期（壯年期）（張妮，2010）。

表1 泥石流堵塞系數(shù)Dc值Tab.1 Debris fl ow block coeff i cient

2.5 泥石流溝易發(fā)程度

根據(jù)該流域內反映泥石流活動條件的諸因素，對照《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220-2006）附錄G（表G.1、G.3），選擇15項代表因素進行數(shù)量化評分，判別泥石流溝的易發(fā)程度。崩塌、滑坡、水土流失為較嚴重，得分21；泥沙沿程補給長度比大于60%，得分16；溝口泥石流堆積活動程度中等，河形無較大變化，僅大河主流受迫偏移，得分11；河溝縱坡降約194‰，得分9；區(qū)域構造屬強烈抬升區(qū)，影響程度嚴重，得分9；流域植被覆蓋率約10%～30%間，得分7；河溝近期一次變幅0.3～0.5m，得分4；巖性為軟硬巖，得分5；沿溝松散物儲量大于10萬m3/km2，得分6；溝岸山坡坡度一般均大于32，得分6；產(chǎn)沙區(qū)溝槽橫斷面為“V”型谷、“U”型谷，谷中谷，得分5；產(chǎn)沙區(qū)松散物平均厚度大于5～10m，得分4；流域面積24.9km2，介于10～100km2之間，得分3；流域內最大相對高差為1510m，得分4；河溝堵塞程度中等—嚴重，得分4。

綜上所述，總評分為114分，為易發(fā)泥石流溝。

2.6 泥石流危險性評價

該流域由于自然條件和地質條件的特殊性，松散固體物源儲量豐富，主溝內存在大量的巖石體堆積在主溝中，溝內固體堆積物約有13.2萬m3，有可能參與泥石流活動；主溝與支溝縱坡降大，匯流深度快，溝道堵塞程度嚴重，淤積長度約3km，流通區(qū)溝道存在較大隱患，部分已有治理工程已失效，有的村莊較大隱患。一旦遭遇特大暴雨和長時間降雨（最小觸發(fā)泥石流發(fā)生的連續(xù)降雨量僅為72.5mm），存貯于谷岸邊坡和溝谷道內的堆積物順流而下，暴發(fā)泥石流的可能性極大，將直接危害沿溝7個村莊430戶1578余人人身財產(chǎn)安全以及對道路等人類工程構成威脅，潛在經(jīng)濟損失達1.8億元；該泥石流地質災害險情等級為“特大型”（劉希林，2002）。

溝域多年平均降水量624.5mm，根據(jù)《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220-2006）附錄B，山西省10分鐘、1小時、24小時可能發(fā)生泥石流的限界值分別為6mm、15mm、30mm，地表徑流多呈暴漲暴落，為泥石流的形成提供了較為有利的水動力條件。

暴雨強度指標R計算公式如下：

R=K（H24/H24(D)+H1/H1(D)+H1/6/H1/6(D)）

式中：K為前期降雨修正系數(shù)，取K=1.2；H24為24小時最大降雨量，H24=81.5mm；H1為1小時最大降雨量，H1=39.2 mm；H1/6為10 min最大降雨量，H1/6=21.1 mm；H24(D)、H1(D)、H1/6(D)為可能發(fā)生泥石流的24 h、1 h、10 min的限界雨值。

經(jīng)計算，項目區(qū)暴雨強度指標R=10.6＞10，泥石流發(fā)生幾率為＞0.8。

3 泥石流防治措施

根據(jù)泥石流的發(fā)生條件、性質、發(fā)展趨勢全流域統(tǒng)一規(guī)劃，采取切實可行的工程措施，以達到控制泥石流發(fā)生和發(fā)展，減輕泥石流對村莊的危害，創(chuàng)造良性的生態(tài)平衡，改善人類生存環(huán)境的目的。在泥石流形成區(qū)以抑制泥石流發(fā)生的生物措施、攔擋工程為主，在流通區(qū)、堆積區(qū)以固源、排導泥石流過境、保護村莊的工程措施為主。工程措施和生物措施，一般工程和主體工程，相互配致，層層設防，形成一個完整的防治體系（王璨，2012）。

（1）形成區(qū)治理措施

在形成區(qū)宜采取生物措施，該區(qū)為五臺山臭冷杉保護區(qū)，可以種植臭冷杉，其次還可種植樺樹和楊樹，所選樹種均為當?shù)匾殉闪謽浞N。

（2）流通區(qū)、堆積區(qū)治理措施

在流通區(qū)、堆積區(qū)采取攔擋、固源、清淤、疏通、排導工程，根據(jù)泥石流地質災害治理與當?shù)丨h(huán)境景觀建設相結合的原則，在伯強溝的上游部位，進行過水消能壩的構建。其主要功能為調整河流流態(tài)、降低侵蝕源點、穩(wěn)定溝床，消減水能等。伯強溝泥石流地質災害治理項目防護對象沿線居民和房屋財產(chǎn)，泥石流的治理采用疏排方式。排導工程是擬在伯強溝上游北臺峰村外側以及對岸山麓設置漿砌石重力式排導護堤。

（3）監(jiān)測工程

主要采用的是氣象監(jiān)測、地表水監(jiān)測、地面位移監(jiān)測，即治理施工期間：對治理區(qū)域設專人每天收聽氣象預報、進行地表水監(jiān)測，確保施工安全；治理后對壩體消力池工程、排導護堤工程治理效果進行監(jiān)測。

伯強溝位于五臺山風景區(qū)保護范圍、五臺山國家級森林公園，已作為紅色旅游開發(fā)區(qū)，泥石流溝得到綜合治理后，該工程與羊眼河主河道治理工程相銜接，將成為五臺山旅游的又一處驛站，可吸引外來的旅游投資資金和增加旅游經(jīng)濟收入，為當?shù)卮迕駝?chuàng)造就業(yè)機會，其經(jīng)濟效益是可觀的。工程治理后生態(tài)環(huán)境也得到改善，到時該溝谷將集紅色旅游、佛教旅游、科普旅游、自駕旅游、步行野營等諸多元素吸引四面八方的游客。

4 結論

（1）該泥石流溝物源豐富，泥沙沿程補給長度比＞80%，堵塞程度中等，為易發(fā)泥石流溝。

（2）通過泥石流危險性評價，該泥石流溝地質災害危險性等級為“特大型”，泥石流發(fā)生幾率＞0.8。

（3）在形成區(qū)采取生物工程和流通區(qū)、堆積區(qū)采取攔擋工程結合的措施，形成完整的防治體系。

北京得一成利環(huán)境工程技術有限責任公司，2013.山西省忻州市繁峙縣東山鄉(xiāng)伯強溝泥石流綜合治理可行性研究報告[R]．

北京得一成利環(huán)境工程技術有限責任公司，2014.山西省忻州市繁峙縣東山鄉(xiāng)伯強溝泥石流治理項目調查報告[R]．

劉希林，2002. 我國泥石流危險度評價研究：回顧與展望[J].自然災害學報，11(4)：1-8.

王璨，2012. 泥石流的危害及防治[J]. 山西建筑，38(7)：56-57.

趙小平，2010.山西省泥石流地質災害發(fā)育特征與防治對策[J].華北科技學院學報，7(2)：12-19.

張妮，梁收運，鐘秀梅，2010. 泥石流類型與地貌分形特征的關系研究[J]. 工程地質學報，18(5)：664-668.

Development Characteristics and Prevention Suggestions of Boqianggou Debris Flow in Xinzhou City

HU Yanqing

(De Yi Cheng Li Environmental Engineering and Technology Ltd Co., Beijing 100081)

Fanshi County is one of counties where the debris flow is relatively developed in Shanxi Province.The development characteristics of debris fl ow in northern Mount Wutai is typical. This debris fl ow ditch located in Mount Wutai, and it is a serious threat to the lives and property of the local people. We got the basic data of the debris flow by the detailed field investigation, then analyzed the characters of the debris flow. Through the calculation of the basin provenance supply source, length, degree of blockage factor, we understood the development stage and the easy degree of the debris fl ow. Combined with fi eld data by multi-factor risk assessment of debris flow danger, it shows that the debris flow is at the youth stage to mature stage, with the high risk probability of disaster. Based on the understanding of the development characteristics of debris fl ow gully and the data analysis, this paper puts forward the countermeasures for the comprehensive control of debris fl ow.

Shanxi Province; Debris fl ow; Development characteristics; Prevention suggestions

A

1007-1903（2017）03-0071-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.0014

山西省國土資源廳治理項目（[2015]17號）

胡艷青（1981－ ），男，碩士，工程師，主要從事地質災害、地質環(huán)境研究。E-mail：27300655@qq.com