河北省阜平縣小后溝泥石流發育特征及防治措施

籍進柱，任良良，李懷彬

1. 內蒙古工業大學 礦業學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2. 中國冶金地質總局地球物理勘查院，河北 保定071051；3. 中國冶金地質總局礦產資源研究院，北京 101300

0 引言

泥石流是山區溝谷中常見的地質災害，大量泥、砂石、礫石等固態物質與水在重力作用下沿溝向下運動，破壞力強[1，2]。小后溝流域位于河北省保定市阜平縣史家寨鄉槐場村，在1996年暴雨期間，小后溝流域發生過較大規模洪水，沖垮了當地部分民房的院墻，但歷史上未曾發生過泥石流災害[3]。2008年，小后溝上游有兩處個體礦山的采礦活動，2009年采礦活動被叫停，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，在強降雨條件下具備泥石流發生條件，如遇強降雨極易造成局部失穩引發泥石流[4-7]，是一處潛在的泥石流地質災害發生區域[3]。值得關注的是，槐場村小學和部分民房位于小后溝流域的溝口部位（圖1），通過泥石流數值模擬計算結果顯示[3]，這一潛在泥石流地質災害，嚴重威脅到溝谷下游槐場村小學師生、村民等數十人生命安全，還威脅到教學樓、溝口民房和交通道路等財產安全，潛在經濟損失約200萬元。

圖1 小后溝流域簡圖Fig. 1 A schematic map of Xiaohougou watershed

根據《河北省重點地質災害勘查技術要求試行（試行）》（河北省國土資源廳地環處，2011.09）的災情與危害性分級，確定槐場村小后溝泥石流危害程度分級為較大級（中），由于該泥石流的危害對象主要為學校、師生和村民，屬于重點保護對象，因此，對該泥石流溝進行勘查和治理是十分必要。通過對小后溝實地勘查，根據溝內現有礦渣的堆積特點，提出了針對性的防治措施，例如排導槽防治工程[8]和停淤場[9]。

表1 泥石流危害性分級表Table 1 Hazard classification of debris flow

1 小后溝泥石流形成條件

1.1 區域地質環境條件

槐場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，構造活動以抬升作用為主，使得河谷下切侵蝕強烈，多形成“V”字型溝谷，主要出露太古宙中—深變質巖結晶基底，主要構造線方向為北西向，處于北西向背斜的東北翼，區域片麻理發育，片麻理產狀一般為85°～94°∠15°～25°，片麻巖中發育腸狀小揉皺。第四系松散堆積物主要分布于小后溝溝道內及兩側山坡，溝道內堆積厚度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，區內海拔340～545 m，最大相對高差達198 m，地形起伏較大，地勢北高南低，溝道兩側坡度多在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育的有利位置[11]。

圖2 小后溝流域總體形態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，太行山山脊迎風面的段莊—史家寨是其中一個降水中心，年降水量可達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780 m，平均縱坡降182.7‰，上陡下緩，溝口近南北向（圖1）。流域內植被茂密，覆蓋率較高，以刺槐及灌木為主。本區內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，地下水的補給來源主要為大氣降水，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

小后溝內曾有多處民采鐵礦點，現均已停采，但采礦活動共在溝道內形成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的動儲量約6 700 m3，其中1號渣堆位于3#支溝與主溝的交匯處下游方向，堆積物儲量約7 000 m3，在暴雨沖刷下，可參與的物源動儲量約4 500 m3，其余3處渣堆可能參與泥石流活動的動儲量合計約2 200 m3。在1號渣堆下游方向約70 m處（學校區域），人工切割山體，填埋溝谷，在溝道內平整出一塊長約70 m，寬約30 m的平臺，平臺上建有一所小學，小學校舍位于溝道中間，阻截了溝道內雨水、泥砂的運移。其次，溝口學校和道路的修建、居民點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，增加了泥石流地質災害發生的危險性。另外，周邊村民在小后溝流域的養殖和放牧等人類活動，也使自然環境受到一定的破壞。一旦遇強降雨，容易形成坡面徑流，加劇水土流失，為泥石流進一步提供豐富的物源，會加速泥石流地質災害的發展。

2 泥石流危險性評價

2.1 泥石流的流速

泥石流的流速是決定泥石流運動性質的重要參數，本文對該區泥石流的流速估算采用經驗公式和半經驗公式[12]，由于小后溝泥石流為潛在泥石流溝，未曾發現過活動，現場也未調查到泥痕斷面，無法采用泥痕調查法計算流速，故流速Vc按照2018年《泥石流災害防治工程勘查規范（試行）》[13]中稀性泥石流的經驗公式進行估算，泥石流的流速為3.58 m/s，具體計算結果見表2。

表2 泥石流流速計算表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，本次計算按照調查訪問的1996年暴雨期間小后溝內發生過洪水水位計算；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，查表得數值為6.0。

式中，a=（γHφ+1）1/2，γH為泥石流中固體物質容重2.65（t/m3）；φ為泥石流泥沙修正系數，φ=（γc-γw）/（γH-γC）=0.57；γc為泥石流流體狀態容重，采用現場配漿法測到其容重為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2018年《泥石流災害防治工程勘查規范（試行）》[13]，本文采用雨洪法估算了該地區泥石流的峰值流量，假設在泥石流與暴雨同頻率且同步發生的情況下，計算暴雨洪水設計流量全部轉變成泥石流流量。其計算過程：先按水文方法計算出特定頻率下的小流域暴雨洪峰流量（計算方法查閱《河北省保定地區水文計算手冊》[14]），然后選用堵塞系數，計算泥石流流量，計算結果見表3。

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

2.2.1 暴雨洪峰流量計算

根據《河北省保定地區水文計算手冊》的計算方法計算出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（20年一遇峰洪，P=5%，N=0.54）；Cp為百年一遇洪峰模系數，本次計算取90 m3/s；F為流域面積（km2）。

2.2.2 泥石流峰值流量計算

泥石流流量是治理工程結構設計的重要依據，又是計算泥石流總量和固體物質沖出量的基礎。

泥石流峰值流量采用如下計算公式：

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；DC為泥石流堵塞系數。

泥石流堵塞系數取值是根據2018年《泥石流災害防治工程勘查規范（試行）》[13]中的經驗表而來，取值為1.6。

20年一遇泥石流峰值流量計算結果見表4。

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

2.3 一次泥石流過流總量

一次泥石流過流總量Q可通過計算法和實測法確定。實測法精度高，但小后溝未曾發生過泥石流活動，不具備測量條件。計算法根據泥石流歷時T（s）和最大流量Qc（m3/s），按泥石流暴漲暴落的特點，按照如下式計算[7]：

當流域面積F<5 km2時，K取值為0.202。

根據走訪調查，1996年爆發的洪水，歷時約30分鐘，按20年一遇暴雨，計算泥石流一次過程總量，計算結果見表5。

表5 泥石流一次過程總量計算表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算公式[6]：

其中，QH為一次泥石流沖出固體物質總量（m3）；Q為一次泥石流過程總量（m3）；γc為泥石流容重（t/m3）；γw為清水的容重（t/m3）；γH為泥石流固體物質的容重（t/m3）。計算得20年一遇泥石流一次固體物質沖出總量見表6。

表6 泥石流一次過程固體物質沖出量計算表Table 6 Calculation table for solid material outflow during a mudslide

2.5 泥石流沖擊力計算

泥石流沖擊力是泥石流防治工程設計的重要參數。根據2018年《泥石流災害防治工程勘查規范（試行）》[13]，按照泥石流整體沖壓力計算公式：

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，方形為1.47，矩形為1.33，圓形、尖端圓端形為1，按照矩形計算；Vc為泥石流流速（m/s）。泥石流整體沖擊力計算結果見表7。

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

2.6 泥石流發展趨勢分析

根據小后溝附近區域泥石流的災害史，結合小后溝泥石流基本特征和參數，按照2018年《泥石流災害防治工程勘查規范（試行）》[13]附錄G《泥石流溝的數量化綜合評判及易發程度等級標準》，確定小后溝泥石流為低頻泥石流，在強降雨條件下仍易發生泥石流災害，溝道中隨著植被的恢復和部分物源趨于穩定，其發生頻率可能逐漸降低。小后溝泥石流流域內采礦的廢棄礦渣隨意堆放在其溝谷內或山坡上，破壞了原有的地形地貌及植被覆蓋狀況，隨著溝道內松散堆積物厚度逐漸增加，泥石流發生可能性增大。

小后溝泥石流的發展階段為形成期（青年期），具備發生泥石流的基礎條件，極有可能發生較大規模的泥石流，威脅當地人民的生命財產安全。

3 現存問題及防治措施

3.1 既有防治工程評價

1號渣堆的坡腳處已有一座干砌石擋墻，擋墻修建于2009年，墻基建設在中風化片麻巖之上，該檔墻為當地村民自發壘砌，墻體底部寬度有限（底寬約1.5 m），而高度過大（地表出露約3.5 m），墻體并未進行穩定性驗算。持續降雨條件下，上部渣堆被雨水長期浸泡，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。

既有排水渠過水斷面較?。?.8×0.5 m2），且淤堵嚴重，在20年一遇暴雨條件下，洪峰流量為4.07 m3/s，無法滿足泄洪要求。

1號渣堆上種植有刺槐，保存率約80%，株距較合理。對穩定渣堆起到了一定效果，降低了泥石流的易發性。

據當地村民介紹，在2011年8月9日（當日降雨量201 mm，為近20年之最）特大暴雨發生時，洪水曾漫過1號渣堆頂部，直接沖刷下部的干砌石擋墻；槐場小學西側的排水渠也完全被洪水淹沒，學校操場全部漫水，深度約0.2 m，水流湍急，直接沖刷校舍樓（當時為躲避風險，在校師生全部撤離了學校）。所幸當日洪水急漲急落，排水渠堵塞尚不嚴重，加之植被覆蓋率較高等，干砌石擋墻未發生崩塌，教學樓也保持了穩定。

綜上，小后溝底部較狹窄，具有短時間內匯聚地表水的條件，且水流湍急，對溝床具破壞性，加之小后溝內既有的防治工程總體防災能力較差，隨著排水設施的進一步淤堵和溝內物源的積累，如遇強降雨等情況，極易造成局部失穩，引發泥石流。

3.2 防治措施

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

（1）擋土墻：在1號渣堆緊鄰有干砌石擋墻下方新建一堵漿砌石擋墻，提高擋墻強度，確保1號渣堆的穩定。新建擋墻設計底寬2 m，高3.2 m，通過模擬計算，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定性要求。在保證1號渣堆穩定的前提下，利用地形特點，將1號渣堆上方現有的低洼區域設置為停淤池，來容納上游2、3、4號渣堆和溝道松散沉積物在強降雨條件下啟動的物源。停淤池長39 m，寬24 m，深約4 m，有效庫容約3 744 m3，泥石流一次固體物質沖出量2 122.26 m3，可以滿足攔蓄上游啟動物源的要求（圖3）。為防止洪水過大時，漫過渣堆頂部，在停淤池下方向渣堆坡面的頂部修建擋水土埂，引導洪水進入西側的排導槽。

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

（2）排導槽：共設計兩條，第一條位于1號渣堆西側，作用是將1號渣堆上游的洪水通過擋水土埂引導至排導槽排泄，利于碴堆邊坡穩定，減少對坡面的沖蝕；第二條設計在槐場小學操場、教學樓西側，將小后溝形成區流域的水通過排導槽排泄，防止溝內流水對操場和教學樓的沖刷。排導槽針對的是小面積溝道排洪，對設計起決定性作用的是形成洪峰的短歷時暴雨。排導槽主要設計在既有排水渠的位置，進一步加深拓寬原有排水渠的過水斷面，將排水渠改為排導槽。設計排導槽過水斷面為2×1.5 m2，通過對設計流量和排導槽斷面尺寸結合驗算，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時的排導要求。

（3）生物措施：目前1、3號渣堆上刺槐長勢較好，對渣堆具一定防護作用。建議對其余2處渣堆進行換土種植刺槐，即有固源攔蓄作用，也有利于當地生態環境的恢復。種植株行距1.5 m×2.0 m，“品”字型種植。

（4）溝道清淤：清淤工作主要針對整個溝道內可能影響到泄洪的淤堵地段。重點部位為兩條排導槽間連接的區段，以及學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，其余的清運至場外。同時加強監管，特別是在暴雨來臨前，對小后溝內淤積地段隨時進行清淤，以提高溝道行洪能力[15，16]。

4 結論

通過對小后溝流域的地形地貌、氣象水文和物源情況的調研，雖然歷史上未曾發生過泥石流災害，但根據小后溝流域的地形地貌特征、氣象水文和物源情況可發現，小后溝具備發生泥石流的基礎條件，是一處潛在的泥石流地質災害發生區域，特別是在6-8月雨季時期，極有可能發生較大規模的泥石流，嚴重威脅到溝谷下游槐場村小學師生、村民等數十人生命安全和財產安全。本文對該地區的泥石流流速、流量和沖擊力等的計算，研究了小后溝泥石流的發育特征，提出有針對性的防治措施，研究主要得出以下結論：

（1）根據小后溝泥石流的流速、峰值流量、一次泥石流過流總量、一次泥石流固體沖出物、沖擊力的估算結果，判斷小后溝泥石流的發展階段為形成期，為該地區泥石流防治工程設計提供了數據參考和設計依據；

（2）既有防護措施總體防災能力較差，存在較大的安全隱患。本文結合泥石流物源分布、成災特征、動力學特征等因素，提出了“攔排結合”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號渣堆固有地形，設置停淤池等。通過綜合治理，將能夠很好地達到固源護坡和減弱泥石發展的目的。