河北省阜平县小后沟泥石流发育特征及防治措施

籍进柱，任良良，李怀彬

1. 内蒙古工业大学 矿业学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2. 中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北 保定071051；3. 中国冶金地质总局矿产资源研究院，北京 101300

0 引言

泥石流是山区沟谷中常见的地质灾害，大量泥、砂石、砾石等固态物质与水在重力作用下沿沟向下运动，破坏力强[1，2]。小后沟流域位于河北省保定市阜平县史家寨乡槐场村，在1996年暴雨期间，小后沟流域发生过较大规模洪水，冲垮了当地部分民房的院墙，但历史上未曾发生过泥石流灾害[3]。2008年，小后沟上游有两处个体矿山的采矿活动，2009年采矿活动被叫停，期间所采超贫磁铁矿的废渣，形成泥石流的主要物源，堆积在沟谷中，并有部分延伸到沟口。小后沟纵向坡降大，物源丰富，在强降雨条件下具备泥石流发生条件，如遇强降雨极易造成局部失稳引发泥石流[4-7]，是一处潜在的泥石流地质灾害发生区域[3]。值得关注的是，槐场村小学和部分民房位于小后沟流域的沟口部位（图1），通过泥石流数值模拟计算结果显示[3]，这一潜在泥石流地质灾害，严重威胁到沟谷下游槐场村小学师生、村民等数十人生命安全，还威胁到教学楼、沟口民房和交通道路等财产安全，潜在经济损失约200万元。

图1 小后沟流域简图Fig. 1 A schematic map of Xiaohougou watershed

根据《河北省重点地质灾害勘查技术要求试行（试行）》（河北省国土资源厅地环处，2011.09）的灾情与危害性分级，确定槐场村小后沟泥石流危害程度分级为较大级（中），由于该泥石流的危害对象主要为学校、师生和村民，属于重点保护对象，因此，对该泥石流沟进行勘查和治理是十分必要。通过对小后沟实地勘查，根据沟内现有矿渣的堆积特点，提出了针对性的防治措施，例如排导槽防治工程[8]和停淤场[9]。

表1 泥石流危害性分级表Table 1 Hazard classification of debris flow

1 小后沟泥石流形成条件

1.1 区域地质环境条件

槐场村小后沟位于太行山北段腹地，为山西高原和华北平原的交界地带，构造活动以抬升作用为主，使得河谷下切侵蚀强烈，多形成“V”字型沟谷，主要出露太古宙中—深变质岩结晶基底，主要构造线方向为北西向，处于北西向背斜的东北翼，区域片麻理发育，片麻理产状一般为85°～94°∠15°～25°，片麻岩中发育肠状小揉皱。第四系松散堆积物主要分布于小后沟沟道内及两侧山坡，沟道内堆积厚度1～3 m，坡面堆积厚度0.3～1 m，这种地层有利于泥石流的形成[10]。

小后沟流域主要以中低山为主，区内海拔340～545 m，最大相对高差达198 m，地形起伏较大，地势北高南低，沟道两侧坡度多在30º～55º之间，沟道较为狭窄，一般3～20 m（图2），这样的地形地貌是泥石流发育的有利位置[11]。

图2 小后沟流域总体形态Fig. 2 General morphology of Xiaohougou watershed

1.2 气象与水文条件

阜平县属大陆性气候，冬季受西伯利亚气流影响，气候寒冷干燥；夏季受太平洋副热带高压和暖温气流的影响，多偏南气流，气候炎热；月平均气温为26℃，最冷月为1月，月平均气温为—3.5℃，年气温差29.5℃。据阜平县气象站资料，全县最近50年的平均降水量为635 mm，降雨主要集中在6、7、8三个月份，占全年降雨量的73%～75%。日最大降雨量201 mm（2011.08.09）。受地形影响，各地降水量差异较大，太行山山脊迎风面的段庄—史家寨是其中一个降水中心，年降水量可达693 mm。

小后沟为大清河水系鹞子河上游支沟，位于阜平县城北约11.5 km，流域面积0.14 km2，主沟为北东—南西走向，长780 m，平均纵坡降182.7‰，上陡下缓，沟口近南北向（图1）。流域内植被茂密，覆盖率较高，以刺槐及灌木为主。本区内地下水含水类型主要为松散岩类第四系孔隙水和基岩裂隙水，地下水的补给来源主要为大气降水，雨水沿山坡及沟谷形成地表径流，汇入下游河流。

1.3 物源条件

小后沟内曾有多处民采铁矿点，现均已停采，但采矿活动共在沟道内形成4处渣堆，渣堆均近似呈倒锥状，主要由砂砾和块石组成，总体积11 300 m3，可能参与泥石流活动的动储量约6 700 m3，其中1号渣堆位于3#支沟与主沟的交汇处下游方向，堆积物储量约7 000 m3，在暴雨冲刷下，可参与的物源动储量约4 500 m3，其余3处渣堆可能参与泥石流活动的动储量合计约2 200 m3。在1号渣堆下游方向约70 m处（学校区域），人工切割山体，填埋沟谷，在沟道内平整出一块长约70 m，宽约30 m的平台，平台上建有一所小学，小学校舍位于沟道中间，阻截了沟道内雨水、泥砂的运移。其次，沟口学校和道路的修建、居民点及生活垃圾随意丢弃致使沟道行洪排泄渠道被挤占阻塞，流水不畅，增加了泥石流地质灾害发生的危险性。另外，周边村民在小后沟流域的养殖和放牧等人类活动，也使自然环境受到一定的破坏。一旦遇强降雨，容易形成坡面径流，加剧水土流失，为泥石流进一步提供丰富的物源，会加速泥石流地质灾害的发展。

2 泥石流危险性评价

2.1 泥石流的流速

泥石流的流速是决定泥石流运动性质的重要参数，本文对该区泥石流的流速估算采用经验公式和半经验公式[12]，由于小后沟泥石流为潜在泥石流沟，未曾发现过活动，现场也未调查到泥痕断面，无法采用泥痕调查法计算流速，故流速Vc按照2018年《泥石流灾害防治工程勘查规范（试行）》[13]中稀性泥石流的经验公式进行估算，泥石流的流速为3.58 m/s，具体计算结果见表2。

表2 泥石流流速计算表Table 2 Calculation table for debris flow velocity

其中，Vc为泥石流平均流速（m/s）；Rc为水力半径（m），一般可用平均水深H（m）代替，本次计算按照调查访问的1996年暴雨期间小后沟内发生过洪水水位计算；I为泥石流水力坡降（‰），用沟床坡降代替；mw为河床外阻力系数，查表得数值为6.0。

式中，a=（γHφ+1）1/2，γH为泥石流中固体物质容重2.65（t/m3）；φ为泥石流泥沙修正系数，φ=（γc-γw）/（γH-γC）=0.57；γc为泥石流流体状态容重，采用现场配浆法测到其容重为1.60（t/m3）；γw为清水的容重1.00（t/m3）。

2.2 泥石流峰值流量

根据2018年《泥石流灾害防治工程勘查规范（试行）》[13]，本文采用雨洪法估算了该地区泥石流的峰值流量，假设在泥石流与暴雨同频率且同步发生的情况下，计算暴雨洪水设计流量全部转变成泥石流流量。其计算过程：先按水文方法计算出特定频率下的小流域暴雨洪峰流量（计算方法查阅《河北省保定地区水文计算手册》[14]），然后选用堵塞系数，计算泥石流流量，计算结果见表3。

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

2.2.1 暴雨洪峰流量计算

根据《河北省保定地区水文计算手册》的计算方法计算出20年一遇峰洪（P=5%）暴雨洪水流量Qp：

其中，Qp1为百年一遇洪峰流量（m3/s）；N为概率为P的暴雨洪峰流量折算系数（20年一遇峰洪，P=5%，N=0.54）；Cp为百年一遇洪峰模系数，本次计算取90 m3/s；F为流域面积（km2）。

2.2.2 泥石流峰值流量计算

泥石流流量是治理工程结构设计的重要依据，又是计算泥石流总量和固体物质冲出量的基础。

泥石流峰值流量采用如下计算公式：

其中，QC为概率为P的泥石流峰值流量（m3/s）；QP为概率为P的暴雨峰值流量（m3/s）；φ为泥石流泥沙修正系数；DC为泥石流堵塞系数。

泥石流堵塞系数取值是根据2018年《泥石流灾害防治工程勘查规范（试行）》[13]中的经验表而来，取值为1.6。

20年一遇泥石流峰值流量计算结果见表4。

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

2.3 一次泥石流过流总量

一次泥石流过流总量Q可通过计算法和实测法确定。实测法精度高，但小后沟未曾发生过泥石流活动，不具备测量条件。计算法根据泥石流历时T（s）和最大流量Qc（m3/s），按泥石流暴涨暴落的特点，按照如下式计算[7]：

当流域面积F<5 km2时，K取值为0.202。

根据走访调查，1996年爆发的洪水，历时约30分钟，按20年一遇暴雨，计算泥石流一次过程总量，计算结果见表5。

表5 泥石流一次过程总量计算表Table 5 Calculation table for one mud-flow process

2.4 一次泥石流固体冲出物

一次泥石流固体冲出物按照如下计算公式[6]：

其中，QH为一次泥石流冲出固体物质总量（m3）；Q为一次泥石流过程总量（m3）；γc为泥石流容重（t/m3）；γw为清水的容重（t/m3）；γH为泥石流固体物质的容重（t/m3）。计算得20年一遇泥石流一次固体物质冲出总量见表6。

表6 泥石流一次过程固体物质冲出量计算表Table 6 Calculation table for solid material outflow during a mudslide

2.5 泥石流冲击力计算

泥石流冲击力是泥石流防治工程设计的重要参数。根据2018年《泥石流灾害防治工程勘查规范（试行）》[13]，按照泥石流整体冲压力计算公式：

其中，δ为泥石流体整体冲击压力（kPa）；g为重力加速度（m/s2），取g=9.8m/s2；α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角（°），取90°；λ为建筑物形状系数，方形为1.47，矩形为1.33，圆形、尖端圆端形为1，按照矩形计算；Vc为泥石流流速（m/s）。泥石流整体冲击力计算结果见表7。

表7 泥石流冲击力计算表Table 7 Calculation table for debris flow impact

2.6 泥石流发展趋势分析

根据小后沟附近区域泥石流的灾害史，结合小后沟泥石流基本特征和参数，按照2018年《泥石流灾害防治工程勘查规范（试行）》[13]附录G《泥石流沟的数量化综合评判及易发程度等级标准》，确定小后沟泥石流为低频泥石流，在强降雨条件下仍易发生泥石流灾害，沟道中随着植被的恢复和部分物源趋于稳定，其发生频率可能逐渐降低。小后沟泥石流流域内采矿的废弃矿渣随意堆放在其沟谷内或山坡上，破坏了原有的地形地貌及植被覆盖状况，随着沟道内松散堆积物厚度逐渐增加，泥石流发生可能性增大。

小后沟泥石流的发展阶段为形成期（青年期），具备发生泥石流的基础条件，极有可能发生较大规模的泥石流，威胁当地人民的生命财产安全。

3 现存问题及防治措施

3.1 既有防治工程评价

1号渣堆的坡脚处已有一座干砌石挡墙，挡墙修建于2009年，墙基建设在中风化片麻岩之上，该档墙为当地村民自发垒砌，墙体底部宽度有限（底宽约1.5 m），而高度过大（地表出露约3.5 m），墙体并未进行稳定性验算。持续降雨条件下，上部渣堆被雨水长期浸泡，土体孔隙水压力增大，在洪水冲击力作用下，存在溃坝的可能。

既有排水渠过水断面较小（0.8×0.5 m2），且淤堵严重，在20年一遇暴雨条件下，洪峰流量为4.07 m3/s，无法满足泄洪要求。

1号渣堆上种植有刺槐，保存率约80%，株距较合理。对稳定渣堆起到了一定效果，降低了泥石流的易发性。

据当地村民介绍，在2011年8月9日（当日降雨量201 mm，为近20年之最）特大暴雨发生时，洪水曾漫过1号渣堆顶部，直接冲刷下部的干砌石挡墙；槐场小学西侧的排水渠也完全被洪水淹没，学校操场全部漫水，深度约0.2 m，水流湍急，直接冲刷校舍楼（当时为躲避风险，在校师生全部撤离了学校）。所幸当日洪水急涨急落，排水渠堵塞尚不严重，加之植被覆盖率较高等，干砌石挡墙未发生崩塌，教学楼也保持了稳定。

综上，小后沟底部较狭窄，具有短时间内汇聚地表水的条件，且水流湍急，对沟床具破坏性，加之小后沟内既有的防治工程总体防灾能力较差，随着排水设施的进一步淤堵和沟内物源的积累，如遇强降雨等情况，极易造成局部失稳，引发泥石流。

3.2 防治措施

针对小后沟泥石流特点，治理工程以固源加排导的方案进行，固源主要为在矿渣堆坡脚新建挡土墙来加固已有挡墙和栽植苗木，防止物源启动；排导主要为修建排导槽，清理整治沟道等，使泥石流能顺利排导入下游沟道。具体治理工程包括：挡土墙、排导槽、沟道清淤和生物绿化等。小后沟流域内最大威胁为位于主支沟交汇处的1号渣堆，治理的具体措施为：

（1）挡土墙：在1号渣堆紧邻有干砌石挡墙下方新建一堵浆砌石挡墙，提高挡墙强度，确保1号渣堆的稳定。新建挡墙设计底宽2 m，高3.2 m，通过模拟计算，加固后的挡墙在泥石流2.78 kPa的冲击力下，抗滑和抗倾覆均满足稳定性要求。在保证1号渣堆稳定的前提下，利用地形特点，将1号渣堆上方现有的低洼区域设置为停淤池，来容纳上游2、3、4号渣堆和沟道松散沉积物在强降雨条件下启动的物源。停淤池长39 m，宽24 m，深约4 m，有效库容约3 744 m3，泥石流一次固体物质冲出量2 122.26 m3，可以满足拦蓄上游启动物源的要求（图3）。为防止洪水过大时，漫过渣堆顶部，在停淤池下方向渣堆坡面的顶部修建挡水土埂，引导洪水进入西侧的排导槽。

图3 a-a＇治理工程剖面图Fig. 3 a-a' Governance engineering profile

（2）排导槽：共设计两条，第一条位于1号渣堆西侧，作用是将1号渣堆上游的洪水通过挡水土埂引导至排导槽排泄，利于碴堆边坡稳定，减少对坡面的冲蚀；第二条设计在槐场小学操场、教学楼西侧，将小后沟形成区流域的水通过排导槽排泄，防止沟内流水对操场和教学楼的冲刷。排导槽针对的是小面积沟道排洪，对设计起决定性作用的是形成洪峰的短历时暴雨。排导槽主要设计在既有排水渠的位置，进一步加深拓宽原有排水渠的过水断面，将排水渠改为排导槽。设计排导槽过水断面为2×1.5 m2，通过对设计流量和排导槽断面尺寸结合验算，可以满足20年一遇暴雨条件下，泥石流在峰值流量10.24 m3/s时的排导要求。

（3）生物措施：目前1、3号渣堆上刺槐长势较好，对渣堆具一定防护作用。建议对其余2处渣堆进行换土种植刺槐，即有固源拦蓄作用，也有利于当地生态环境的恢复。种植株行距1.5 m×2.0 m，“品”字型种植。

（4）沟道清淤：清淤工作主要针对整个沟道内可能影响到泄洪的淤堵地段。重点部位为两条排导槽间连接的区段，以及学校南部沟道至村口水泥路段。沟道淤积物中的碎石可作为浆砌石的原料，砂土体可用于垒筑挡水土埂，其余的清运至场外。同时加强监管，特别是在暴雨来临前，对小后沟内淤积地段随时进行清淤，以提高沟道行洪能力[15，16]。

4 结论

通过对小后沟流域的地形地貌、气象水文和物源情况的调研，虽然历史上未曾发生过泥石流灾害，但根据小后沟流域的地形地貌特征、气象水文和物源情况可发现，小后沟具备发生泥石流的基础条件，是一处潜在的泥石流地质灾害发生区域，特别是在6-8月雨季时期，极有可能发生较大规模的泥石流，严重威胁到沟谷下游槐场村小学师生、村民等数十人生命安全和财产安全。本文对该地区的泥石流流速、流量和冲击力等的计算，研究了小后沟泥石流的发育特征，提出有针对性的防治措施，研究主要得出以下结论：

（1）根据小后沟泥石流的流速、峰值流量、一次泥石流过流总量、一次泥石流固体冲出物、冲击力的估算结果，判断小后沟泥石流的发展阶段为形成期，为该地区泥石流防治工程设计提供了数据参考和设计依据；

（2）既有防护措施总体防灾能力较差，存在较大的安全隐患。本文结合泥石流物源分布、成灾特征、动力学特征等因素，提出了“拦排结合”的泥石流综合治理方案，包括加固已有坝体，加深拓宽行洪渠道，利用1号渣堆固有地形，设置停淤池等。通过综合治理，将能够很好地达到固源护坡和减弱泥石发展的目的。