青海省洪水镇大寨子村西山沟泥石流动力学特征及治理方案

关全成，王羽佳

（青海省核工业地质局，青海 西宁 810016）

0 引言

我国泥石流灾害遍及26个省（直辖市）的广大山区，是世界上受泥石流危害最严重的国家之一（崔鹏等，2009）。我国山地占国土面积的2/3以上，特殊的地质背景、地貌组合和季风气候，为我国泥石流的形成提供了有利的大尺度环境因子（杜榕桓和李鸿琏，1995）。据不完全统计，我国数万条泥石流沟的形成几乎都与上述大尺度的孕灾条件有关（符文熹，1997）。青海地处内陆腹地，由于地形复杂，气候多变，加之人类活动因素使暴雨、山洪、泥石流灾害时有发生。从近十年山洪、泥石流发生的地区、频率、范围、造成的损失来看，有日益加剧之势（韩永荣，1996）。目前，对于暴雨型泥石流的治理手段，从宏观上来看不外乎治水、治土、排导及生物等措施（唐邦兴等，1994），一般采用不同措施相结合的方法，从而形成比较完善的防治体系（胡向德等，2012）。

大寨子村西山沟位于青海省洪水镇（图1）。洪水镇位于海东市乐都区东部，湟水河南岸，109国道横穿境内，镇辖域总面积169 km2。2018年8月24日，洪水镇西大寨子村地区普降大雨，导致2号沟与3号沟暴发大规模泥石流，泥石流穿越乡镇道路，造成道路中断，并进入下游沟口村民家中，损坏房屋一间，大量泥流进入村庄，阻塞道路，严重危害影响当地村民日常生活。因此，洪水镇大寨子村西山沟泥石流防治工程迫在眉睫。

图1 洪水镇大寨子村西山沟分布位置概况

1 西山沟地质条件

1.1 泥石流流域特征

洪水镇大寨子村西山沟泥石流共有2条，分别为2号沟、3号沟，均位于大寨子村北侧。泥石流流域地貌形态上属于侵蚀剥蚀低山丘陵地貌区，微地貌呈中高山沟谷景观，地势西高东低，海拔高程1936～2426 m，2号沟沟道走向为北东-南西向，3号沟走向为东西向，沟谷横断面多呈“U”字型，两侧斜坡坡度45°～75°，2号沟主沟沟谷纵坡降180‰，3号沟主沟沟谷纵坡降237.2‰。

根据流域、沟段的纵坡特征及泥石流在形成、运动、堆积过程中的侵蚀与堆积作用，可以将2号沟一个流域划分为清水区、形成流通区及堆积区。清水区位于丘陵区西侧，为物源区以上至海拔标高2626 m的地区，面积约1.06 km2，沟谷呈“U”字型，底宽多在2～10 m，支沟较发育，沟谷坡度一般35°～50°，植被覆盖率约10%～30%左右。形成流通区位于泥石流沟流域的中部，主要为2号沟主沟和支沟沟道，面积约1.99 km2，流通长度约3.6 km，沟道呈典型的“U”型，局部呈“V”型，沟道宽度多在20～30 m，两侧山坡坡度大多在45°～75°，植被覆盖率小于15%。堆积区位于沟口地带，沟口处人类工程活动强烈，沟口的局部地带被人工改造成绿化带，堆积扇中部为县级道路，堆积扇下部植被生长发育，覆盖率达30%。

3号沟主要划分为形成区、流通区及堆积区。形成区位于泥石流沟流域的西部，西高东低，总体而言平面形态呈“不规程”形，面积为0.189 km2，沟谷呈“V”字型，沟谷坡度一般50°～60°，植被覆盖率15%左右。流通区位于为3号沟主沟和支沟沟道，海拔高度2000～2300 m，面积 0.028 km2，流通长度约0.9 km，呈典型的“U”型，沟道宽度多在15～20 m，两侧山坡坡度大多在35°～50°。堆积区位于泥石流沟沟口至虎狼沟河谷段，沟道纵坡降相对形成区较小，泥石流出山口后沿固定沟道排导，且沟口处明显有一弯道，从堆积体的左侧通过，沟道分布有少量的松散堆积物，堆积扇面积0.025 km2。

1.2 泥石流形成条件分析

（1）地形。后援山势较陡（多在40°以上），泥石流的形成区均发育于构造侵蚀低山丘陵区，地形为三面环山，一面出口的瓢状，且沟谷中的堆积物易随水流冲至主沟内，下部地势开阔平坦，易于形成泥石流。

（2）物源。两条沟的物源主要由坡面物源、不稳定斜坡物源、沟道物源、人工堆积松散物源组成。据现场调查，2号沟坡面物源量约9.3×104m3，沟底及沟道两岸物源约10.24×104m3，滑坡物源约38.32×104m3，不稳定斜坡物源约5.37×104m3，崩积物源量约14.33×104m3，人工堆积物物源量约1.92×104m3，总量可达79.48×104m3。3 号 沟沟底及沟道两岸物源约0.51×104m3，滑坡物源约4.79×104m3，不稳定斜坡物源约5.7×104m3，崩积物源量约0.21×104m3，总量可达11.21×104m3。

（3）水源。该区泥石流的水源主要来源于大气降水。据统计，1980—2019年期间，海东市乐都区地区多年平均降水量为329.6 mm，24小时最大降水量达到53.5 mm（1979年8月6日），1小时最大降雨量为26.3 mm（2006年8月17日），在此过程中，洪水镇地区发生了泥石流灾害，强降雨出现与泥石流灾害发生大体吻合。区内各沟汇水区均呈漏斗状或瓢状，沟内地形陡峻，有利于地表降水的径流和汇集，为泥石流的形成提供了有利的水源条件。

2 大寨子村西山沟泥石流力学参数

2.1 流体重度

由于泥石流的突发性、冲击力大小等条件所限，难以直接测得天然泥石流重度，因此，一般采取现场调查和理论上一系列重度的估算，最后确定泥石流重度（韩慕吾，1985；陈宁生等，2003）。由于该泥石流沟以往没有监测资料，只能通过配浆法和查表法两种方法来确定泥石流流体重度。这两种方法各具特点，但本次勘查发现该泥石流属黏性泥石流，配浆法所得结果与该区泥石流的性质更加相符，故本次泥石流重度的综合取值采用配浆法取值。

按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）①中泥石流试验方法，通过在锡铁山沟沟口堆积扇中部采取泥石流堆积物配合沟水搅拌泥石流浆体，并进行称重，量测浆体体积，计算其重度作为泥石流流体的重度。

（3）指事字的教学。汉字的演变是由形象逐渐向抽象发展的过程，教师在教授学生指事字时也应注意给学生提供有关汉字的来源，如在教“朱”字时，可告诉学生，“朱”字在的一横在木字之中，指的是木的中间，也就是树的中间，而这棵树刚好是松柏树，树中是赤红色的，所以朱字也就有红色的含义了。

式（1）中，γc、Gc、V分别为泥石流重度（t/m3）、配制泥浆重量（t）、配制泥浆体积（m3）。

最后，确定2号沟泥石流重度为1.641 t/m3；3号沟泥石流重度为1.731 t/m3。

2.2 泥石流流量

泥石流流量计算常用方法为雨洪法和形态调查法。由于形态调查法计算结果仅能代表当次泥石流的特征值，没有暴雨频率的概念，而雨洪法则根据现有沟域面积、沟域植被发育分布情况和径流系数进行计算，具有预测性质。因此，本次泥石流流量采用雨洪法计算求得。

假设泥石流与暴雨同频率、且同步发生，先计算出断面不同频率下的小流域暴雨洪峰流量（以锡铁山沟沟口处为断面进行计算，小流域暴雨洪峰流量的计算方法查阅青海省水文手册），然后选用堵塞系数，按下式计算泥石流流量：

式（2）中：Qc、Qp、φ、Dc分别为设计泥石流流量（m3/s）、设计重现期为50年的清水洪峰流量（m3/s）、泥石流泥沙修正系数和泥石流堵塞系数。γc、γw、γH分别为泥石流重度（t/m3）、水的重度（t/m3）和泥石流固体物质比重（t/m3）；K为单位换算系数；α为洪峰径流系数；I为造峰时段内平均雨强（mm）；Φ为最大共时径流面积系数，为F0/F，F0为造峰面积（km2），F为流域面积（km2），且当全流域均匀产流时，F=F0。

按照雨洪法，参考李其江（2018）《青海省水文手册》的研究成果，利用泥石流流量公式计算所得设计重现期为50年的2号沟泥石流最大流量为52.87 m3/s，3号沟泥石流最大流量为4.55 m3/s，详见表1～2。

表1 2号沟泥石流最大流量计算结果

2.3 流速

泥石流流速是决定泥石流动力学性质的最重要参数之一。目前泥石流流速计算公式为半经验或经验公式（《工程地质手册编委会》，2007），本次采用西藏古乡沟、东川蒋家沟、武都火烧沟的通用公式（周必凡，1991）：

表2 3号沟泥石流最大流量计算结果

表3 2号沟泥石流流速计算结果

表4 3号沟泥石流流速计算结果

2.4 一次泥石流过程总量计算

一次泥石流总量可通过计算法和实测法确定。结合实际情况，本次采用计算法进行一次泥石流过流总量的计算。根据泥石流暴涨暴落的特点，将其过程线概化成五角形，按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T 0220-2006）①提供的计算公式进行计算：

式（4）中，Q、T、Qc分别为一次泥石流过程总量（m3）、泥石流历时（s）和泥石流最大流量（m3/s）；K值的变化随流域面积（F）的大小而变化。当F<5 km2时，K=0.202；当5 km2

一次泥石流冲出的固体物质总量QH：

根据公式（5），在50年一遇的情况下洪水镇大寨子村西山2号沟一次泥石流冲出的最大固体物质总量为7455.12 m3，3号沟一次泥石流冲出的最大固体物质总量为732.94 m3。

3 泥石流易发程度分析

大寨子村西山沟有坡面物源、不稳定斜坡物源、沟道物源、人工堆积松散物源等物源，且大部分处于不稳定状态，存在再次解体及进一步向后缘发展的可能。因此，泥石流沟在暴雨条件下易再次暴发。

依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T 0220-2006）①附录G.3“泥石流沟的数量化综合评判及易发程度等级标准”，参照《县（市）地质灾害调查与区划基本要求实施细则》②泥石流调查要点一节中泥石流沟严重程度（易发程度）数量化评价表所列的15项指标，进行量化赋值，详见表5。

表5 西山沟泥石流易发程度数量化表

综上所述，大寨子村西山两条泥石流沟流域植被覆盖率低，沟内构造发育，沟谷内两侧山坡坡度较陡，2号沟综合评判总分为93分，3号沟综合评判总分为106分，均属于易发泥石流等级，与野外工作区的实际情况比较吻合，建议进行治理。

4 泥石流防治工程技术方案

4.1 总体治理方案

大寨子村西山沟为活动强度较高的黏性泥石流沟，目前正处在发展期，随着人类采矿活动的加剧以及自然灾害的影响，该沟发生泥石流的频率将增加，规模将增大，随时可能给洪水镇大寨子村带来灾难性后果。综合考虑，西山2号沟和3号沟泥石流治理工程应以拦挡与排导相结合为最佳治理方案，详见图2～3。

图2 洪水镇大寨子村西山2号沟泥石流防治方案平面图

图3 洪水镇大寨子村西山3号沟泥石流防治方案平面图

4.2 防治技术方案设计

4.2.1 拦挡坝

2号沟共设置了6座拦挡坝，3号沟共设置了3座拦挡坝，拦挡坝的主要功能是拦截洪水携带的固体砂石，减小泥石流流速、容重与规模，减少泥沙输出量。在形成流通区设置1号、2号、3号、4号、5号5座拦挡坝，可以拦挡上游的松散物，同时对松散的堆积物起到固坡压脚的作用。同时在排导槽入口附近设置一座停淤坝（6号拦挡坝），该坝既有利于泥石流的排泄，也有利于减小泥石流的流速与冲击力。其中拦挡坝均为土坝，坝高为3～5 m。3号沟在形成流通区设置1号、2号2座拦挡坝，可以拦挡上游的松散物，同时对松散的堆积物起到固坡压脚的作用。同时在排导槽入口附近设置一座3号拦挡坝，该坝既有利于泥石流的排泄，也有利于减小泥石流的流速与冲击力。其中拦挡坝均为混凝土坝，坝高为5.5～8.5 m。

4.2.2 排导槽

大寨子村西山2号沟原有排导槽有效排导长度较短且较窄，建议对堆积区的2号排导槽进行重建，将排导渠延伸至沟口处6号拦挡坝前缘处，修建长度约686 m。3号沟泥石流3号拦挡坝至虎狼沟汇入口段修建排导槽，修建长度约133 m，以有效的控制泥石流的活动强度。

5 结论及建议

（1）结合现场勘查和综合分析，大寨子村西山2号沟泥石流属于暴雨诱发型-沟谷型-大型-黏性泥石流沟，3号沟泥石流属于暴雨诱发型-沟谷型-小型-黏性泥石流沟。通过对该沟泥石流发育特征、成因分析、动力学特征参数计算，该沟还有暴发泥石流的可能性，并且一次泥石流冲出量较大，还会直接威胁下游洪水镇大寨子村和下王家村，为确保下游人民生命财产安全及其他基础设施，应尽快对该沟进行治理，以防再次发生泥石流时造成更大的灾害。

（2）根据洪水镇西山沟泥石流的发育特征及物源分布特征，对两条泥石流沟的工程治理采用以拦挡与排导相结合的最佳治理方案。治理方案以拦挡为主，2号泥石流沟共设置6道拦挡坝，3号泥石流沟共设置3道拦挡坝，尽可能将可动物源堵在2号沟和3号沟沟内，避免泥石流再次发生。由于2号沟原有排导槽有效排导长度较短且较窄，建议对堆积区的2号排导槽进行重建，将排导渠延伸至沟口处6号拦挡坝前缘处，使泥石流沿固定沟道排出，避免漫开或冲进沟口洪水镇居民区。3号沟泥石流将排导渠延伸至3号拦挡坝前缘处，以有效地控制泥石流的活动强度。

注 释

①中华人民共和国国土资源部.2006.泥石流灾害防治工程勘查规范:DZ/T 0220-2006[S].北京:中国标准出版社.

② 中华人民共和国国土资源部.2006.《县（市）地质灾害调查与区划基本要求实施细则》GF 010005[S].北京:中国标准出版社.