河北省阜平縣小后溝泥石流發(fā)育特征及防治措施

籍進(jìn)柱，任良良，李懷彬

1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2. 中國(guó)冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定071051；3. 中國(guó)冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院，北京 101300

0 引言

泥石流是山區(qū)溝谷中常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，大量泥、砂石、礫石等固態(tài)物質(zhì)與水在重力作用下沿溝向下運(yùn)動(dòng)，破壞力強(qiáng)[1，2]。小后溝流域位于河北省保定市阜平縣史家寨鄉(xiāng)槐場(chǎng)村，在1996年暴雨期間，小后溝流域發(fā)生過(guò)較大規(guī)模洪水，沖垮了當(dāng)?shù)夭糠置穹康脑簤Γ珰v史上未曾發(fā)生過(guò)泥石流災(zāi)害[3]。2008年，小后溝上游有兩處個(gè)體礦山的采礦活動(dòng)，2009年采礦活動(dòng)被叫停，期間所采超貧磁鐵礦的廢渣，形成泥石流的主要物源，堆積在溝谷中，并有部分延伸到溝口。小后溝縱向坡降大，物源豐富，在強(qiáng)降雨條件下具備泥石流發(fā)生條件，如遇強(qiáng)降雨極易造成局部失穩(wěn)引發(fā)泥石流[4-7]，是一處潛在的泥石流地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域[3]。值得關(guān)注的是，槐場(chǎng)村小學(xué)和部分民房位于小后溝流域的溝口部位（圖1），通過(guò)泥石流數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示[3]，這一潛在泥石流地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅到溝谷下游槐場(chǎng)村小學(xué)師生、村民等數(shù)十人生命安全，還威脅到教學(xué)樓、溝口民房和交通道路等財(cái)產(chǎn)安全，潛在經(jīng)濟(jì)損失約200萬(wàn)元。

圖1 小后溝流域簡(jiǎn)圖Fig. 1 A schematic map of Xiaohougou watershed

根據(jù)《河北省重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害勘查技術(shù)要求試行（試行）》（河北省國(guó)土資源廳地環(huán)處，2011.09）的災(zāi)情與危害性分級(jí)，確定槐場(chǎng)村小后溝泥石流危害程度分級(jí)為較大級(jí)（中），由于該泥石流的危害對(duì)象主要為學(xué)校、師生和村民，屬于重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象，因此，對(duì)該泥石流溝進(jìn)行勘查和治理是十分必要。通過(guò)對(duì)小后溝實(shí)地勘查，根據(jù)溝內(nèi)現(xiàn)有礦渣的堆積特點(diǎn)，提出了針對(duì)性的防治措施，例如排導(dǎo)槽防治工程[8]和停淤場(chǎng)[9]。

表1 泥石流危害性分級(jí)表Table 1 Hazard classification of debris flow

1 小后溝泥石流形成條件

1.1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件

槐場(chǎng)村小后溝位于太行山北段腹地，為山西高原和華北平原的交界地帶，構(gòu)造活動(dòng)以抬升作用為主，使得河谷下切侵蝕強(qiáng)烈，多形成“V”字型溝谷，主要出露太古宙中—深變質(zhì)巖結(jié)晶基底，主要構(gòu)造線方向?yàn)楸蔽飨颍幱诒蔽飨虮承钡臇|北翼，區(qū)域片麻理發(fā)育，片麻理產(chǎn)狀一般為85°～94°∠15°～25°，片麻巖中發(fā)育腸狀小揉皺。第四系松散堆積物主要分布于小后溝溝道內(nèi)及兩側(cè)山坡，溝道內(nèi)堆積厚度1～3 m，坡面堆積厚度0.3～1 m，這種地層有利于泥石流的形成[10]。

小后溝流域主要以中低山為主，區(qū)內(nèi)海拔340～545 m，最大相對(duì)高差達(dá)198 m，地形起伏較大，地勢(shì)北高南低，溝道兩側(cè)坡度多在30o～55o之間，溝道較為狹窄，一般3～20 m（圖2），這樣的地形地貌是泥石流發(fā)育的有利位置[11]。

圖2 小后溝流域總體形態(tài)Fig. 2 General morphology of Xiaohougou watershed

1.2 氣象與水文條件

阜平縣屬大陸性氣候，冬季受西伯利亞氣流影響，氣候寒冷干燥；夏季受太平洋副熱帶高壓和暖溫氣流的影響，多偏南氣流，氣候炎熱；月平均氣溫為26℃，最冷月為1月，月平均氣溫為—3.5℃，年氣溫差29.5℃。據(jù)阜平縣氣象站資料，全縣最近50年的平均降水量為635 mm，降雨主要集中在6、7、8三個(gè)月份，占全年降雨量的73%～75%。日最大降雨量201 mm（2011.08.09）。受地形影響，各地降水量差異較大，太行山山脊迎風(fēng)面的段莊—史家寨是其中一個(gè)降水中心，年降水量可達(dá)693 mm。

小后溝為大清河水系鷂子河上游支溝，位于阜平縣城北約11.5 km，流域面積0.14 km2，主溝為北東—南西走向，長(zhǎng)780 m，平均縱坡降182.7‰，上陡下緩，溝口近南北向（圖1）。流域內(nèi)植被茂密，覆蓋率較高，以刺槐及灌木為主。本區(qū)內(nèi)地下水含水類型主要為松散巖類第四系孔隙水和基巖裂隙水，地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，雨水沿山坡及溝谷形成地表徑流，匯入下游河流。

1.3 物源條件

小后溝內(nèi)曾有多處民采鐵礦點(diǎn)，現(xiàn)均已停采，但采礦活動(dòng)共在溝道內(nèi)形成4處渣堆，渣堆均近似呈倒錐狀，主要由砂礫和塊石組成，總體積11 300 m3，可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量約6 700 m3，其中1號(hào)渣堆位于3#支溝與主溝的交匯處下游方向，堆積物儲(chǔ)量約7 000 m3，在暴雨沖刷下，可參與的物源動(dòng)儲(chǔ)量約4 500 m3，其余3處渣堆可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量合計(jì)約2 200 m3。在1號(hào)渣堆下游方向約70 m處（學(xué)校區(qū)域），人工切割山體，填埋溝谷，在溝道內(nèi)平整出一塊長(zhǎng)約70 m，寬約30 m的平臺(tái)，平臺(tái)上建有一所小學(xué)，小學(xué)校舍位于溝道中間，阻截了溝道內(nèi)雨水、泥砂的運(yùn)移。其次，溝口學(xué)校和道路的修建、居民點(diǎn)及生活垃圾隨意丟棄致使溝道行洪排泄渠道被擠占阻塞，流水不暢，增加了泥石流地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)性。另外，周邊村民在小后溝流域的養(yǎng)殖和放牧等人類活動(dòng)，也使自然環(huán)境受到一定的破壞。一旦遇強(qiáng)降雨，容易形成坡面徑流，加劇水土流失，為泥石流進(jìn)一步提供豐富的物源，會(huì)加速泥石流地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展。

2 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

2.1 泥石流的流速

泥石流的流速是決定泥石流運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的重要參數(shù)，本文對(duì)該區(qū)泥石流的流速估算采用經(jīng)驗(yàn)公式和半經(jīng)驗(yàn)公式[12]，由于小后溝泥石流為潛在泥石流溝，未曾發(fā)現(xiàn)過(guò)活動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)也未調(diào)查到泥痕斷面，無(wú)法采用泥痕調(diào)查法計(jì)算流速，故流速Vc按照2018年《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范（試行）》[13]中稀性泥石流的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，泥石流的流速為3.58 m/s，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 泥石流流速計(jì)算表Table 2 Calculation table for debris flow velocity

其中，Vc為泥石流平均流速（m/s）；Rc為水力半徑（m），一般可用平均水深H（m）代替，本次計(jì)算按照調(diào)查訪問(wèn)的1996年暴雨期間小后溝內(nèi)發(fā)生過(guò)洪水水位計(jì)算；I為泥石流水力坡降（‰），用溝床坡降代替；mw為河床外阻力系數(shù)，查表得數(shù)值為6.0。

式中，a=（γHφ+1）1/2，γH為泥石流中固體物質(zhì)容重2.65（t/m3）；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)，φ=（γc-γw）/（γH-γC）=0.57；γc為泥石流流體狀態(tài)容重，采用現(xiàn)場(chǎng)配漿法測(cè)到其容重為1.60（t/m3）；γw為清水的容重1.00（t/m3）。

2.2 泥石流峰值流量

根據(jù)2018年《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范（試行）》[13]，本文采用雨洪法估算了該地區(qū)泥石流的峰值流量，假設(shè)在泥石流與暴雨同頻率且同步發(fā)生的情況下，計(jì)算暴雨洪水設(shè)計(jì)流量全部轉(zhuǎn)變成泥石流流量。其計(jì)算過(guò)程：先按水文方法計(jì)算出特定頻率下的小流域暴雨洪峰流量（計(jì)算方法查閱《河北省保定地區(qū)水文計(jì)算手冊(cè)》[14]），然后選用堵塞系數(shù)，計(jì)算泥石流流量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 暴雨峰洪流量計(jì)算表Table 3 Calculation table of flood flow of storm peak

2.2.1 暴雨洪峰流量計(jì)算

根據(jù)《河北省保定地區(qū)水文計(jì)算手冊(cè)》的計(jì)算方法計(jì)算出20年一遇峰洪（P=5%）暴雨洪水流量Qp：

其中，Qp1為百年一遇洪峰流量（m3/s）；N為概率為P的暴雨洪峰流量折算系數(shù)（20年一遇峰洪，P=5%，N=0.54）；Cp為百年一遇洪峰模系數(shù)，本次計(jì)算取90 m3/s；F為流域面積（km2）。

2.2.2 泥石流峰值流量計(jì)算

泥石流流量是治理工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，又是計(jì)算泥石流總量和固體物質(zhì)沖出量的基礎(chǔ)。

泥石流峰值流量采用如下計(jì)算公式：

其中，QC為概率為P的泥石流峰值流量（m3/s）；QP為概率為P的暴雨峰值流量（m3/s）；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)；DC為泥石流堵塞系數(shù)。

泥石流堵塞系數(shù)取值是根據(jù)2018年《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范（試行）》[13]中的經(jīng)驗(yàn)表而來(lái)，取值為1.6。

20年一遇泥石流峰值流量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 泥石流峰值流量計(jì)算表Table 4 Calculation table for peak flow of debris flows

2.3 一次泥石流過(guò)流總量

一次泥石流過(guò)流總量Q可通過(guò)計(jì)算法和實(shí)測(cè)法確定。實(shí)測(cè)法精度高，但小后溝未曾發(fā)生過(guò)泥石流活動(dòng)，不具備測(cè)量條件。計(jì)算法根據(jù)泥石流歷時(shí)T（s）和最大流量Qc（m3/s），按泥石流暴漲暴落的特點(diǎn)，按照如下式計(jì)算[7]：

當(dāng)流域面積F<5 km2時(shí)，K取值為0.202。

根據(jù)走訪調(diào)查，1996年爆發(fā)的洪水，歷時(shí)約30分鐘，按20年一遇暴雨，計(jì)算泥石流一次過(guò)程總量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 泥石流一次過(guò)程總量計(jì)算表Table 5 Calculation table for one mud-flow process

2.4 一次泥石流固體沖出物

一次泥石流固體沖出物按照如下計(jì)算公式[6]：

其中，QH為一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量（m3）；Q為一次泥石流過(guò)程總量（m3）；γc為泥石流容重（t/m3）；γw為清水的容重（t/m3）；γH為泥石流固體物質(zhì)的容重（t/m3）。計(jì)算得20年一遇泥石流一次固體物質(zhì)沖出總量見(jiàn)表6。

表6 泥石流一次過(guò)程固體物質(zhì)沖出量計(jì)算表Table 6 Calculation table for solid material outflow during a mudslide

2.5 泥石流沖擊力計(jì)算

泥石流沖擊力是泥石流防治工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。根據(jù)2018年《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范（試行）》[13]，按照泥石流整體沖壓力計(jì)算公式：

其中，δ為泥石流體整體沖擊壓力（kPa）；g為重力加速度（m/s2），取g=9.8m/s2；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角（°），取90°；λ為建筑物形狀系數(shù)，方形為1.47，矩形為1.33，圓形、尖端圓端形為1，按照矩形計(jì)算；Vc為泥石流流速（m/s）。泥石流整體沖擊力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 泥石流沖擊力計(jì)算表Table 7 Calculation table for debris flow impact

2.6 泥石流發(fā)展趨勢(shì)分析

根據(jù)小后溝附近區(qū)域泥石流的災(zāi)害史，結(jié)合小后溝泥石流基本特征和參數(shù)，按照2018年《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范（試行）》[13]附錄G《泥石流溝的數(shù)量化綜合評(píng)判及易發(fā)程度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，確定小后溝泥石流為低頻泥石流，在強(qiáng)降雨條件下仍易發(fā)生泥石流災(zāi)害，溝道中隨著植被的恢復(fù)和部分物源趨于穩(wěn)定，其發(fā)生頻率可能逐漸降低。小后溝泥石流流域內(nèi)采礦的廢棄礦渣隨意堆放在其溝谷內(nèi)或山坡上，破壞了原有的地形地貌及植被覆蓋狀況，隨著溝道內(nèi)松散堆積物厚度逐漸增加，泥石流發(fā)生可能性增大。

小后溝泥石流的發(fā)展階段為形成期（青年期），具備發(fā)生泥石流的基礎(chǔ)條件，極有可能發(fā)生較大規(guī)模的泥石流，威脅當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)安全。

3 現(xiàn)存問(wèn)題及防治措施

3.1 既有防治工程評(píng)價(jià)

1號(hào)渣堆的坡腳處已有一座干砌石擋墻，擋墻修建于2009年，墻基建設(shè)在中風(fēng)化片麻巖之上，該檔墻為當(dāng)?shù)卮迕褡园l(fā)壘砌，墻體底部寬度有限（底寬約1.5 m），而高度過(guò)大（地表出露約3.5 m），墻體并未進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。持續(xù)降雨條件下，上部渣堆被雨水長(zhǎng)期浸泡，土體孔隙水壓力增大，在洪水沖擊力作用下，存在潰壩的可能。

既有排水渠過(guò)水?dāng)嗝孑^小（0.8×0.5 m2），且淤堵嚴(yán)重，在20年一遇暴雨條件下，洪峰流量為4.07 m3/s，無(wú)法滿足泄洪要求。

1號(hào)渣堆上種植有刺槐，保存率約80%，株距較合理。對(duì)穩(wěn)定渣堆起到了一定效果，降低了泥石流的易發(fā)性。

據(jù)當(dāng)?shù)卮迕窠榻B，在2011年8月9日（當(dāng)日降雨量201 mm，為近20年之最）特大暴雨發(fā)生時(shí)，洪水曾漫過(guò)1號(hào)渣堆頂部，直接沖刷下部的干砌石擋墻；槐場(chǎng)小學(xué)西側(cè)的排水渠也完全被洪水淹沒(méi)，學(xué)校操場(chǎng)全部漫水，深度約0.2 m，水流湍急，直接沖刷校舍樓（當(dāng)時(shí)為躲避風(fēng)險(xiǎn)，在校師生全部撤離了學(xué)校）。所幸當(dāng)日洪水急漲急落，排水渠堵塞尚不嚴(yán)重，加之植被覆蓋率較高等，干砌石擋墻未發(fā)生崩塌，教學(xué)樓也保持了穩(wěn)定。

綜上，小后溝底部較狹窄，具有短時(shí)間內(nèi)匯聚地表水的條件，且水流湍急，對(duì)溝床具破壞性，加之小后溝內(nèi)既有的防治工程總體防災(zāi)能力較差，隨著排水設(shè)施的進(jìn)一步淤堵和溝內(nèi)物源的積累，如遇強(qiáng)降雨等情況，極易造成局部失穩(wěn)，引發(fā)泥石流。

3.2 防治措施

針對(duì)小后溝泥石流特點(diǎn)，治理工程以固源加排導(dǎo)的方案進(jìn)行，固源主要為在礦渣堆坡腳新建擋土墻來(lái)加固已有擋墻和栽植苗木，防止物源啟動(dòng)；排導(dǎo)主要為修建排導(dǎo)槽，清理整治溝道等，使泥石流能順利排導(dǎo)入下游溝道。具體治理工程包括：擋土墻、排導(dǎo)槽、溝道清淤和生物綠化等。小后溝流域內(nèi)最大威脅為位于主支溝交匯處的1號(hào)渣堆，治理的具體措施為：

（1）擋土墻：在1號(hào)渣堆緊鄰有干砌石擋墻下方新建一堵漿砌石擋墻，提高擋墻強(qiáng)度，確保1號(hào)渣堆的穩(wěn)定。新建擋墻設(shè)計(jì)底寬2 m，高3.2 m，通過(guò)模擬計(jì)算，加固后的擋墻在泥石流2.78 kPa的沖擊力下，抗滑和抗傾覆均滿足穩(wěn)定性要求。在保證1號(hào)渣堆穩(wěn)定的前提下，利用地形特點(diǎn)，將1號(hào)渣堆上方現(xiàn)有的低洼區(qū)域設(shè)置為停淤池，來(lái)容納上游2、3、4號(hào)渣堆和溝道松散沉積物在強(qiáng)降雨條件下啟動(dòng)的物源。停淤池長(zhǎng)39 m，寬24 m，深約4 m，有效庫(kù)容約3 744 m3，泥石流一次固體物質(zhì)沖出量2 122.26 m3，可以滿足攔蓄上游啟動(dòng)物源的要求（圖3）。為防止洪水過(guò)大時(shí)，漫過(guò)渣堆頂部，在停淤池下方向渣堆坡面的頂部修建擋水土埂，引導(dǎo)洪水進(jìn)入西側(cè)的排導(dǎo)槽。

圖3 a-a＇治理工程剖面圖Fig. 3 a-a' Governance engineering profile

（2）排導(dǎo)槽：共設(shè)計(jì)兩條，第一條位于1號(hào)渣堆西側(cè)，作用是將1號(hào)渣堆上游的洪水通過(guò)擋水土埂引導(dǎo)至排導(dǎo)槽排泄，利于碴堆邊坡穩(wěn)定，減少對(duì)坡面的沖蝕；第二條設(shè)計(jì)在槐場(chǎng)小學(xué)操場(chǎng)、教學(xué)樓西側(cè)，將小后溝形成區(qū)流域的水通過(guò)排導(dǎo)槽排泄，防止溝內(nèi)流水對(duì)操場(chǎng)和教學(xué)樓的沖刷。排導(dǎo)槽針對(duì)的是小面積溝道排洪，對(duì)設(shè)計(jì)起決定性作用的是形成洪峰的短歷時(shí)暴雨。排導(dǎo)槽主要設(shè)計(jì)在既有排水渠的位置，進(jìn)一步加深拓寬原有排水渠的過(guò)水?dāng)嗝妫瑢⑴潘臑榕艑?dǎo)槽。設(shè)計(jì)排導(dǎo)槽過(guò)水?dāng)嗝鏋?×1.5 m2，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)流量和排導(dǎo)槽斷面尺寸結(jié)合驗(yàn)算，可以滿足20年一遇暴雨條件下，泥石流在峰值流量10.24 m3/s時(shí)的排導(dǎo)要求。

（3）生物措施：目前1、3號(hào)渣堆上刺槐長(zhǎng)勢(shì)較好，對(duì)渣堆具一定防護(hù)作用。建議對(duì)其余2處渣堆進(jìn)行換土種植刺槐，即有固源攔蓄作用，也有利于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的恢復(fù)。種植株行距1.5 m×2.0 m，“品”字型種植。

（4）溝道清淤：清淤工作主要針對(duì)整個(gè)溝道內(nèi)可能影響到泄洪的淤堵地段。重點(diǎn)部位為兩條排導(dǎo)槽間連接的區(qū)段，以及學(xué)校南部溝道至村口水泥路段。溝道淤積物中的碎石可作為漿砌石的原料，砂土體可用于壘筑擋水土埂，其余的清運(yùn)至場(chǎng)外。同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)管，特別是在暴雨來(lái)臨前，對(duì)小后溝內(nèi)淤積地段隨時(shí)進(jìn)行清淤，以提高溝道行洪能力[15，16]。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)小后溝流域的地形地貌、氣象水文和物源情況的調(diào)研，雖然歷史上未曾發(fā)生過(guò)泥石流災(zāi)害，但根據(jù)小后溝流域的地形地貌特征、氣象水文和物源情況可發(fā)現(xiàn)，小后溝具備發(fā)生泥石流的基礎(chǔ)條件，是一處潛在的泥石流地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域，特別是在6-8月雨季時(shí)期，極有可能發(fā)生較大規(guī)模的泥石流，嚴(yán)重威脅到溝谷下游槐場(chǎng)村小學(xué)師生、村民等數(shù)十人生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。本文對(duì)該地區(qū)的泥石流流速、流量和沖擊力等的計(jì)算，研究了小后溝泥石流的發(fā)育特征，提出有針對(duì)性的防治措施，研究主要得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)小后溝泥石流的流速、峰值流量、一次泥石流過(guò)流總量、一次泥石流固體沖出物、沖擊力的估算結(jié)果，判斷小后溝泥石流的發(fā)展階段為形成期，為該地區(qū)泥石流防治工程設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考和設(shè)計(jì)依據(jù)；

（2）既有防護(hù)措施總體防災(zāi)能力較差，存在較大的安全隱患。本文結(jié)合泥石流物源分布、成災(zāi)特征、動(dòng)力學(xué)特征等因素，提出了“攔排結(jié)合”的泥石流綜合治理方案，包括加固已有壩體，加深拓寬行洪渠道，利用1號(hào)渣堆固有地形，設(shè)置停淤池等。通過(guò)綜合治理，將能夠很好地達(dá)到固源護(hù)坡和減弱泥石發(fā)展的目的。