青海省洪水鎮大寨子村西山溝泥石流動力學特征及治理方案

關全成，王羽佳

（青海省核工業地質局，青海 西寧 810016）

0 引言

我國泥石流災害遍及26個省（直轄市）的廣大山區，是世界上受泥石流危害最嚴重的國家之一（崔鵬等，2009）。我國山地占國土面積的2/3以上，特殊的地質背景、地貌組合和季風氣候，為我國泥石流的形成提供了有利的大尺度環境因子（杜榕桓和李鴻璉，1995）。據不完全統計，我國數萬條泥石流溝的形成幾乎都與上述大尺度的孕災條件有關（符文熹，1997）。青海地處內陸腹地，由于地形復雜，氣候多變，加之人類活動因素使暴雨、山洪、泥石流災害時有發生。從近十年山洪、泥石流發生的地區、頻率、范圍、造成的損失來看，有日益加劇之勢（韓永榮，1996）。目前，對于暴雨型泥石流的治理手段，從宏觀上來看不外乎治水、治土、排導及生物等措施（唐邦興等，1994），一般采用不同措施相結合的方法，從而形成比較完善的防治體系（胡向德等，2012）。

大寨子村西山溝位于青海省洪水鎮（圖1）。洪水鎮位于海東市樂都區東部，湟水河南岸，109國道橫穿境內，鎮轄域總面積169 km2。2018年8月24日，洪水鎮西大寨子村地區普降大雨，導致2號溝與3號溝暴發大規模泥石流，泥石流穿越鄉鎮道路，造成道路中斷，并進入下游溝口村民家中，損壞房屋一間，大量泥流進入村莊，阻塞道路，嚴重危害影響當地村民日常生活。因此，洪水鎮大寨子村西山溝泥石流防治工程迫在眉睫。

圖1 洪水鎮大寨子村西山溝分布位置概況

1 西山溝地質條件

1.1 泥石流流域特征

洪水鎮大寨子村西山溝泥石流共有2條，分別為2號溝、3號溝，均位于大寨子村北側。泥石流流域地貌形態上屬于侵蝕剝蝕低山丘陵地貌區，微地貌呈中高山溝谷景觀，地勢西高東低，海拔高程1936～2426 m，2號溝溝道走向為北東-南西向，3號溝走向為東西向，溝谷橫斷面多呈“U”字型，兩側斜坡坡度45°～75°，2號溝主溝溝谷縱坡降180‰，3號溝主溝溝谷縱坡降237.2‰。

根據流域、溝段的縱坡特征及泥石流在形成、運動、堆積過程中的侵蝕與堆積作用，可以將2號溝一個流域劃分為清水區、形成流通區及堆積區。清水區位于丘陵區西側，為物源區以上至海拔標高2626 m的地區，面積約1.06 km2，溝谷呈“U”字型，底寬多在2～10 m，支溝較發育，溝谷坡度一般35°～50°，植被覆蓋率約10%～30%左右。形成流通區位于泥石流溝流域的中部，主要為2號溝主溝和支溝溝道，面積約1.99 km2，流通長度約3.6 km，溝道呈典型的“U”型，局部呈“V”型，溝道寬度多在20～30 m，兩側山坡坡度大多在45°～75°，植被覆蓋率小于15%。堆積區位于溝口地帶，溝口處人類工程活動強烈，溝口的局部地帶被人工改造成綠化帶，堆積扇中部為縣級道路，堆積扇下部植被生長發育，覆蓋率達30%。

3號溝主要劃分為形成區、流通區及堆積區。形成區位于泥石流溝流域的西部，西高東低，總體而言平面形態呈“不規程”形，面積為0.189 km2，溝谷呈“V”字型，溝谷坡度一般50°～60°，植被覆蓋率15%左右。流通區位于為3號溝主溝和支溝溝道，海拔高度2000～2300 m，面積 0.028 km2，流通長度約0.9 km，呈典型的“U”型，溝道寬度多在15～20 m，兩側山坡坡度大多在35°～50°。堆積區位于泥石流溝溝口至虎狼溝河谷段，溝道縱坡降相對形成區較小，泥石流出山口后沿固定溝道排導，且溝口處明顯有一彎道，從堆積體的左側通過，溝道分布有少量的松散堆積物，堆積扇面積0.025 km2。

1.2 泥石流形成條件分析

（1）地形。后援山勢較陡（多在40°以上），泥石流的形成區均發育于構造侵蝕低山丘陵區，地形為三面環山，一面出口的瓢狀，且溝谷中的堆積物易隨水流沖至主溝內，下部地勢開闊平坦，易于形成泥石流。

（2）物源。兩條溝的物源主要由坡面物源、不穩定斜坡物源、溝道物源、人工堆積松散物源組成。據現場調查，2號溝坡面物源量約9.3×104m3，溝底及溝道兩岸物源約10.24×104m3，滑坡物源約38.32×104m3，不穩定斜坡物源約5.37×104m3，崩積物源量約14.33×104m3，人工堆積物物源量約1.92×104m3，總量可達79.48×104m3。3 號 溝溝底及溝道兩岸物源約0.51×104m3，滑坡物源約4.79×104m3，不穩定斜坡物源約5.7×104m3，崩積物源量約0.21×104m3，總量可達11.21×104m3。

（3）水源。該區泥石流的水源主要來源于大氣降水。據統計，1980—2019年期間，海東市樂都區地區多年平均降水量為329.6 mm，24小時最大降水量達到53.5 mm（1979年8月6日），1小時最大降雨量為26.3 mm（2006年8月17日），在此過程中，洪水鎮地區發生了泥石流災害，強降雨出現與泥石流災害發生大體吻合。區內各溝匯水區均呈漏斗狀或瓢狀，溝內地形陡峻，有利于地表降水的徑流和匯集，為泥石流的形成提供了有利的水源條件。

2 大寨子村西山溝泥石流力學參數

2.1 流體重度

由于泥石流的突發性、沖擊力大小等條件所限，難以直接測得天然泥石流重度，因此，一般采取現場調查和理論上一系列重度的估算，最后確定泥石流重度（韓慕吾，1985；陳寧生等，2003）。由于該泥石流溝以往沒有監測資料，只能通過配漿法和查表法兩種方法來確定泥石流流體重度。這兩種方法各具特點，但本次勘查發現該泥石流屬黏性泥石流，配漿法所得結果與該區泥石流的性質更加相符，故本次泥石流重度的綜合取值采用配漿法取值。

按照《泥石流災害防治工程勘查規范》（DZ/T0220-2006）①中泥石流試驗方法，通過在錫鐵山溝溝口堆積扇中部采取泥石流堆積物配合溝水攪拌泥石流漿體，并進行稱重，量測漿體體積，計算其重度作為泥石流流體的重度。

（3）指事字的教學。漢字的演變是由形象逐漸向抽象發展的過程，教師在教授學生指事字時也應注意給學生提供有關漢字的來源，如在教“朱”字時，可告訴學生，“朱”字在的一橫在木字之中，指的是木的中間，也就是樹的中間，而這棵樹剛好是松柏樹，樹中是赤紅色的，所以朱字也就有紅色的含義了。

式（1）中，γc、Gc、V分別為泥石流重度（t/m3）、配制泥漿重量（t）、配制泥漿體積（m3）。

最后，確定2號溝泥石流重度為1.641 t/m3；3號溝泥石流重度為1.731 t/m3。

2.2 泥石流流量

泥石流流量計算常用方法為雨洪法和形態調查法。由于形態調查法計算結果僅能代表當次泥石流的特征值，沒有暴雨頻率的概念，而雨洪法則根據現有溝域面積、溝域植被發育分布情況和徑流系數進行計算，具有預測性質。因此，本次泥石流流量采用雨洪法計算求得。

假設泥石流與暴雨同頻率、且同步發生，先計算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量（以錫鐵山溝溝口處為斷面進行計算，小流域暴雨洪峰流量的計算方法查閱青海省水文手冊），然后選用堵塞系數，按下式計算泥石流流量：

式（2）中：Qc、Qp、φ、Dc分別為設計泥石流流量（m3/s）、設計重現期為50年的清水洪峰流量（m3/s）、泥石流泥沙修正系數和泥石流堵塞系數。γc、γw、γH分別為泥石流重度（t/m3）、水的重度（t/m3）和泥石流固體物質比重（t/m3）；K為單位換算系數；α為洪峰徑流系數；I為造峰時段內平均雨強（mm）；Φ為最大共時徑流面積系數，為F0/F，F0為造峰面積（km2），F為流域面積（km2），且當全流域均勻產流時，F=F0。

按照雨洪法，參考李其江（2018）《青海省水文手冊》的研究成果，利用泥石流流量公式計算所得設計重現期為50年的2號溝泥石流最大流量為52.87 m3/s，3號溝泥石流最大流量為4.55 m3/s，詳見表1～2。

表1 2號溝泥石流最大流量計算結果

2.3 流速

泥石流流速是決定泥石流動力學性質的最重要參數之一。目前泥石流流速計算公式為半經驗或經驗公式（《工程地質手冊編委會》，2007），本次采用西藏古鄉溝、東川蔣家溝、武都火燒溝的通用公式（周必凡，1991）：

表2 3號溝泥石流最大流量計算結果

表3 2號溝泥石流流速計算結果

表4 3號溝泥石流流速計算結果

2.4 一次泥石流過程總量計算

一次泥石流總量可通過計算法和實測法確定。結合實際情況，本次采用計算法進行一次泥石流過流總量的計算。根據泥石流暴漲暴落的特點，將其過程線概化成五角形，按照《泥石流災害防治工程勘查規范》（DT/T 0220-2006）①提供的計算公式進行計算：

式（4）中，Q、T、Qc分別為一次泥石流過程總量（m3）、泥石流歷時（s）和泥石流最大流量（m3/s）；K值的變化隨流域面積（F）的大小而變化。當F<5 km2時，K=0.202；當5 km2

一次泥石流沖出的固體物質總量QH：

根據公式（5），在50年一遇的情況下洪水鎮大寨子村西山2號溝一次泥石流沖出的最大固體物質總量為7455.12 m3，3號溝一次泥石流沖出的最大固體物質總量為732.94 m3。

3 泥石流易發程度分析

大寨子村西山溝有坡面物源、不穩定斜坡物源、溝道物源、人工堆積松散物源等物源，且大部分處于不穩定狀態，存在再次解體及進一步向后緣發展的可能。因此，泥石流溝在暴雨條件下易再次暴發。

依據《泥石流災害防治工程勘查規范》（DZ/T 0220-2006）①附錄G.3“泥石流溝的數量化綜合評判及易發程度等級標準”，參照《縣（市）地質災害調查與區劃基本要求實施細則》②泥石流調查要點一節中泥石流溝嚴重程度（易發程度）數量化評價表所列的15項指標，進行量化賦值，詳見表5。

表5 西山溝泥石流易發程度數量化表

綜上所述，大寨子村西山兩條泥石流溝流域植被覆蓋率低，溝內構造發育，溝谷內兩側山坡坡度較陡，2號溝綜合評判總分為93分，3號溝綜合評判總分為106分，均屬于易發泥石流等級，與野外工作區的實際情況比較吻合，建議進行治理。

4 泥石流防治工程技術方案

4.1 總體治理方案

大寨子村西山溝為活動強度較高的黏性泥石流溝，目前正處在發展期，隨著人類采礦活動的加劇以及自然災害的影響，該溝發生泥石流的頻率將增加，規模將增大，隨時可能給洪水鎮大寨子村帶來災難性后果。綜合考慮，西山2號溝和3號溝泥石流治理工程應以攔擋與排導相結合為最佳治理方案，詳見圖2～3。

圖2 洪水鎮大寨子村西山2號溝泥石流防治方案平面圖

圖3 洪水鎮大寨子村西山3號溝泥石流防治方案平面圖

4.2 防治技術方案設計

4.2.1 攔擋壩

2號溝共設置了6座攔擋壩，3號溝共設置了3座攔擋壩，攔擋壩的主要功能是攔截洪水攜帶的固體砂石，減小泥石流流速、容重與規模，減少泥沙輸出量。在形成流通區設置1號、2號、3號、4號、5號5座攔擋壩，可以攔擋上游的松散物，同時對松散的堆積物起到固坡壓腳的作用。同時在排導槽入口附近設置一座停淤壩（6號攔擋壩），該壩既有利于泥石流的排泄，也有利于減小泥石流的流速與沖擊力。其中攔擋壩均為土壩，壩高為3～5 m。3號溝在形成流通區設置1號、2號2座攔擋壩，可以攔擋上游的松散物，同時對松散的堆積物起到固坡壓腳的作用。同時在排導槽入口附近設置一座3號攔擋壩，該壩既有利于泥石流的排泄，也有利于減小泥石流的流速與沖擊力。其中攔擋壩均為混凝土壩，壩高為5.5～8.5 m。

4.2.2 排導槽

大寨子村西山2號溝原有排導槽有效排導長度較短且較窄，建議對堆積區的2號排導槽進行重建，將排導渠延伸至溝口處6號攔擋壩前緣處，修建長度約686 m。3號溝泥石流3號攔擋壩至虎狼溝匯入口段修建排導槽，修建長度約133 m，以有效的控制泥石流的活動強度。

5 結論及建議

（1）結合現場勘查和綜合分析，大寨子村西山2號溝泥石流屬于暴雨誘發型-溝谷型-大型-黏性泥石流溝，3號溝泥石流屬于暴雨誘發型-溝谷型-小型-黏性泥石流溝。通過對該溝泥石流發育特征、成因分析、動力學特征參數計算，該溝還有暴發泥石流的可能性，并且一次泥石流沖出量較大，還會直接威脅下游洪水鎮大寨子村和下王家村，為確保下游人民生命財產安全及其他基礎設施，應盡快對該溝進行治理，以防再次發生泥石流時造成更大的災害。

（2）根據洪水鎮西山溝泥石流的發育特征及物源分布特征，對兩條泥石流溝的工程治理采用以攔擋與排導相結合的最佳治理方案。治理方案以攔擋為主，2號泥石流溝共設置6道攔擋壩，3號泥石流溝共設置3道攔擋壩，盡可能將可動物源堵在2號溝和3號溝溝內，避免泥石流再次發生。由于2號溝原有排導槽有效排導長度較短且較窄，建議對堆積區的2號排導槽進行重建，將排導渠延伸至溝口處6號攔擋壩前緣處，使泥石流沿固定溝道排出，避免漫開或沖進溝口洪水鎮居民區。3號溝泥石流將排導渠延伸至3號攔擋壩前緣處，以有效地控制泥石流的活動強度。

注 釋

①中華人民共和國國土資源部.2006.泥石流災害防治工程勘查規范:DZ/T 0220-2006[S].北京:中國標準出版社.

② 中華人民共和國國土資源部.2006.《縣（市）地質災害調查與區劃基本要求實施細則》GF 010005[S].北京:中國標準出版社.