青海省洪水鎮(zhèn)大寨子村西山溝泥石流動(dòng)力學(xué)特征及治理方案

關(guān)全成，王羽佳

（青海省核工業(yè)地質(zhì)局，青海 西寧 810016）

0 引言

我國(guó)泥石流災(zāi)害遍及26個(gè)?。ㄖ陛犑校┑膹V大山區(qū)，是世界上受泥石流危害最嚴(yán)重的國(guó)家之一（崔鵬等，2009）。我國(guó)山地占國(guó)土面積的2/3以上，特殊的地質(zhì)背景、地貌組合和季風(fēng)氣候，為我國(guó)泥石流的形成提供了有利的大尺度環(huán)境因子（杜榕桓和李鴻璉，1995）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)數(shù)萬(wàn)條泥石流溝的形成幾乎都與上述大尺度的孕災(zāi)條件有關(guān)（符文熹，1997）。青海地處內(nèi)陸腹地，由于地形復(fù)雜，氣候多變，加之人類(lèi)活動(dòng)因素使暴雨、山洪、泥石流災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。從近十年山洪、泥石流發(fā)生的地區(qū)、頻率、范圍、造成的損失來(lái)看，有日益加劇之勢(shì)（韓永榮，1996）。目前，對(duì)于暴雨型泥石流的治理手段，從宏觀上來(lái)看不外乎治水、治土、排導(dǎo)及生物等措施（唐邦興等，1994），一般采用不同措施相結(jié)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(zhèn)（圖1）。洪水鎮(zhèn)位于海東市樂(lè)都區(qū)東部，湟水河南岸，109國(guó)道橫穿境內(nèi)，鎮(zhèn)轄域總面積169 km2。2018年8月24日，洪水鎮(zhèn)西大寨子村地區(qū)普降大雨，導(dǎo)致2號(hào)溝與3號(hào)溝暴發(fā)大規(guī)模泥石流，泥石流穿越鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路，造成道路中斷，并進(jìn)入下游溝口村民家中，損壞房屋一間，大量泥流進(jìn)入村莊，阻塞道路，嚴(yán)重危害影響當(dāng)?shù)卮迕袢粘Ｉ睢Ｒ虼?，洪水?zhèn)大寨子村西山溝泥石流防治工程迫在眉睫。

圖1 洪水鎮(zhèn)大寨子村西山溝分布位置概況

1 西山溝地質(zhì)條件

1.1 泥石流流域特征

洪水鎮(zhèn)大寨子村西山溝泥石流共有2條，分別為2號(hào)溝、3號(hào)溝，均位于大寨子村北側(cè)。泥石流流域地貌形態(tài)上屬于侵蝕剝蝕低山丘陵地貌區(qū)，微地貌呈中高山溝谷景觀，地勢(shì)西高東低，海拔高程1936～2426 m，2號(hào)溝溝道走向?yàn)楸睎|-南西向，3號(hào)溝走向?yàn)闁|西向，溝谷橫斷面多呈“U”字型，兩側(cè)斜坡坡度45°～75°，2號(hào)溝主溝溝谷縱坡降180‰，3號(hào)溝主溝溝谷縱坡降237.2‰。

根據(jù)流域、溝段的縱坡特征及泥石流在形成、運(yùn)動(dòng)、堆積過(guò)程中的侵蝕與堆積作用，可以將2號(hào)溝一個(gè)流域劃分為清水區(qū)、形成流通區(qū)及堆積區(qū)。清水區(qū)位于丘陵區(qū)西側(cè)，為物源區(qū)以上至海拔標(biāo)高2626 m的地區(qū)，面積約1.06 km2，溝谷呈“U”字型，底寬多在2～10 m，支溝較發(fā)育，溝谷坡度一般35°～50°，植被覆蓋率約10%～30%左右。形成流通區(qū)位于泥石流溝流域的中部，主要為2號(hào)溝主溝和支溝溝道，面積約1.99 km2，流通長(zhǎng)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(cè)山坡坡度大多在45°～75°，植被覆蓋率小于15%。堆積區(qū)位于溝口地帶，溝口處人類(lèi)工程活動(dòng)強(qiáng)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(jí)道路，堆積扇下部植被生長(zhǎng)發(fā)育，覆蓋率達(dá)30%。

3號(hào)溝主要?jiǎng)澐譃樾纬蓞^(qū)、流通區(qū)及堆積區(qū)。形成區(qū)位于泥石流溝流域的西部，西高東低，總體而言平面形態(tài)呈“不規(guī)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(qū)位于為3號(hào)溝主溝和支溝溝道，海拔高度2000～2300 m，面積 0.028 km2，流通長(zhǎng)度約0.9 km，呈典型的“U”型，溝道寬度多在15～20 m，兩側(cè)山坡坡度大多在35°～50°。堆積區(qū)位于泥石流溝溝口至虎狼溝河谷段，溝道縱坡降相對(duì)形成區(qū)較小，泥石流出山口后沿固定溝道排導(dǎo)，且溝口處明顯有一彎道，從堆積體的左側(cè)通過(guò)，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(shì)較陡（多在40°以上），泥石流的形成區(qū)均發(fā)育于構(gòu)造侵蝕低山丘陵區(qū)，地形為三面環(huán)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(nèi)，下部地勢(shì)開(kāi)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(wěn)定斜坡物源、溝道物源、人工堆積松散物源組成。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，2號(hào)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(wěn)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(dá)79.48×104m3。3 號(hào) 溝溝底及溝道兩岸物源約0.51×104m3，滑坡物源約4.79×104m3，不穩(wěn)定斜坡物源約5.7×104m3，崩積物源量約0.21×104m3，總量可達(dá)11.21×104m3。

（3）水源。該區(qū)泥石流的水源主要來(lái)源于大氣降水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1980—2019年期間，海東市樂(lè)都區(qū)地區(qū)多年平均降水量為329.6 mm，24小時(shí)最大降水量達(dá)到53.5 mm（1979年8月6日），1小時(shí)最大降雨量為26.3 mm（2006年8月17日），在此過(guò)程中，洪水鎮(zhèn)地區(qū)發(fā)生了泥石流災(zāi)害，強(qiáng)降雨出現(xiàn)與泥石流災(zāi)害發(fā)生大體吻合。區(qū)內(nèi)各溝匯水區(qū)均呈漏斗狀或瓢狀，溝內(nèi)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(xué)參數(shù)

2.1 流體重度

由于泥石流的突發(fā)性、沖擊力大小等條件所限，難以直接測(cè)得天然泥石流重度，因此，一般采取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)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(méi)有監(jiān)測(cè)資料，只能通過(guò)配漿法和查表法兩種方法來(lái)確定泥石流流體重度。這兩種方法各具特點(diǎn)，但本次勘查發(fā)現(xiàn)該泥石流屬黏性泥石流，配漿法所得結(jié)果與該區(qū)泥石流的性質(zhì)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(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220-2006）①中泥石流試驗(yàn)方法，通過(guò)在錫鐵山溝溝口堆積扇中部采取泥石流堆積物配合溝水?dāng)嚢枘嗍鳚{體，并進(jìn)行稱(chēng)重，量測(cè)漿體體積，計(jì)算其重度作為泥石流流體的重度。

（3）指事字的教學(xué)。漢字的演變是由形象逐漸向抽象發(fā)展的過(guò)程，教師在教授學(xué)生指事字時(shí)也應(yīng)注意給學(xué)生提供有關(guān)漢字的來(lái)源，如在教“朱”字時(shí)，可告訴學(xué)生，“朱”字在的一橫在木字之中，指的是木的中間，也就是樹(shù)的中間，而這棵樹(shù)剛好是松柏樹(shù)，樹(shù)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(hào)溝泥石流重度為1.641 t/m3；3號(hào)溝泥石流重度為1.731 t/m3。

2.2 泥石流流量

泥石流流量計(jì)算常用方法為雨洪法和形態(tài)調(diào)查法。由于形態(tài)調(diào)查法計(jì)算結(jié)果僅能代表當(dāng)次泥石流的特征值，沒(méi)有暴雨頻率的概念，而雨洪法則根據(jù)現(xiàn)有溝域面積、溝域植被發(fā)育分布情況和徑流系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，具有預(yù)測(cè)性質(zhì)。因此，本次泥石流流量采用雨洪法計(jì)算求得。

假設(shè)泥石流與暴雨同頻率、且同步發(fā)生，先計(jì)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(jìn)行計(jì)算，小流域暴雨洪峰流量的計(jì)算方法查閱青海省水文手冊(cè)），然后選用堵塞系數(shù)，按下式計(jì)算泥石流流量：

式（2）中：Qc、Qp、φ、Dc分別為設(shè)計(jì)泥石流流量（m3/s）、設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為50年的清水洪峰流量（m3/s）、泥石流泥沙修正系數(shù)和泥石流堵塞系數(shù)。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(zhì)比重（t/m3）；K為單位換算系數(shù)；α為洪峰徑流系數(shù)；I為造峰時(shí)段內(nèi)平均雨強(qiáng)（mm）；Φ為最大共時(shí)徑流面積系數(shù)，為F0/F，F(xiàn)0為造峰面積（km2），F(xiàn)為流域面積（km2），且當(dāng)全流域均勻產(chǎn)流時(shí)，F(xiàn)=F0。

按照雨洪法，參考李其江（2018）《青海省水文手冊(cè)》的研究成果，利用泥石流流量公式計(jì)算所得設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為50年的2號(hào)溝泥石流最大流量為52.87 m3/s，3號(hào)溝泥石流最大流量為4.55 m3/s，詳見(jiàn)表1～2。

表1 2號(hào)溝泥石流最大流量計(jì)算結(jié)果

2.3 流速

泥石流流速是決定泥石流動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的最重要參數(shù)之一。目前泥石流流速計(jì)算公式為半經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式（《工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì)》，2007），本次采用西藏古鄉(xiāng)溝、東川蔣家溝、武都火燒溝的通用公式（周必凡，1991）：

表2 3號(hào)溝泥石流最大流量計(jì)算結(jié)果

表3 2號(hào)溝泥石流流速計(jì)算結(jié)果

表4 3號(hào)溝泥石流流速計(jì)算結(jié)果

2.4 一次泥石流過(guò)程總量計(jì)算

一次泥石流總量可通過(guò)計(jì)算法和實(shí)測(cè)法確定。結(jié)合實(shí)際情況，本次采用計(jì)算法進(jìn)行一次泥石流過(guò)流總量的計(jì)算。根據(jù)泥石流暴漲暴落的特點(diǎn)，將其過(guò)程線概化成五角形，按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DT/T 0220-2006）①提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

式（4）中，Q、T、Qc分別為一次泥石流過(guò)程總量（m3）、泥石流歷時(shí)（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(dāng)F<5 km2時(shí)，K=0.202；當(dāng)5 km2

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量QH：

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

3 泥石流易發(fā)程度分析

大寨子村西山溝有坡面物源、不穩(wěn)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(wěn)定狀態(tài)，存在再次解體及進(jìn)一步向后緣發(fā)展的可能。因此，泥石流溝在暴雨條件下易再次暴發(fā)。

依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T 0220-2006）①附錄G.3“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)”，參照《縣（市）地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求實(shí)施細(xì)則》②泥石流調(diào)查要點(diǎn)一節(jié)中泥石流溝嚴(yán)重程度（易發(fā)程度）數(shù)量化評(píng)價(jià)表所列的15項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)行量化賦值，詳見(jiàn)表5。

表5 西山溝泥石流易發(fā)程度數(shù)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(nèi)構(gòu)造發(fā)育，溝谷內(nèi)兩側(cè)山坡坡度較陡，2號(hào)溝綜合評(píng)判總分為93分，3號(hào)溝綜合評(píng)判總分為106分，均屬于易發(fā)泥石流等級(jí)，與野外工作區(qū)的實(shí)際情況比較吻合，建議進(jìn)行治理。

4 泥石流防治工程技術(shù)方案

4.1 總體治理方案

大寨子村西山溝為活動(dòng)強(qiáng)度較高的黏性泥石流溝，目前正處在發(fā)展期，隨著人類(lèi)采礦活動(dòng)的加劇以及自然災(zāi)害的影響，該溝發(fā)生泥石流的頻率將增加，規(guī)模將增大，隨時(shí)可能給洪水鎮(zhèn)大寨子村帶來(lái)災(zāi)難性后果。綜合考慮，西山2號(hào)溝和3號(hào)溝泥石流治理工程應(yīng)以攔擋與排導(dǎo)相結(jié)合為最佳治理方案，詳見(jiàn)圖2～3。

圖2 洪水鎮(zhèn)大寨子村西山2號(hào)溝泥石流防治方案平面圖

圖3 洪水鎮(zhèn)大寨子村西山3號(hào)溝泥石流防治方案平面圖

4.2 防治技術(shù)方案設(shè)計(jì)

4.2.1 攔擋壩

2號(hào)溝共設(shè)置了6座攔擋壩，3號(hào)溝共設(shè)置了3座攔擋壩，攔擋壩的主要功能是攔截洪水?dāng)y帶的固體砂石，減小泥石流流速、容重與規(guī)模，減少泥沙輸出量。在形成流通區(qū)設(shè)置1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)5座攔擋壩，可以攔擋上游的松散物，同時(shí)對(duì)松散的堆積物起到固坡壓腳的作用。同時(shí)在排導(dǎo)槽入口附近設(shè)置一座停淤壩（6號(hào)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(hào)溝在形成流通區(qū)設(shè)置1號(hào)、2號(hào)2座攔擋壩，可以攔擋上游的松散物，同時(shí)對(duì)松散的堆積物起到固坡壓腳的作用。同時(shí)在排導(dǎo)槽入口附近設(shè)置一座3號(hào)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(dǎo)槽

大寨子村西山2號(hào)溝原有排導(dǎo)槽有效排導(dǎo)長(zhǎng)度較短且較窄，建議對(duì)堆積區(qū)的2號(hào)排導(dǎo)槽進(jìn)行重建，將排導(dǎo)渠延伸至溝口處6號(hào)攔擋壩前緣處，修建長(zhǎng)度約686 m。3號(hào)溝泥石流3號(hào)攔擋壩至虎狼溝匯入口段修建排導(dǎo)槽，修建長(zhǎng)度約133 m，以有效的控制泥石流的活動(dòng)強(qiáng)度。

5 結(jié)論及建議

（1）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查和綜合分析，大寨子村西山2號(hào)溝泥石流屬于暴雨誘發(fā)型-溝谷型-大型-黏性泥石流溝，3號(hào)溝泥石流屬于暴雨誘發(fā)型-溝谷型-小型-黏性泥石流溝。通過(guò)對(duì)該溝泥石流發(fā)育特征、成因分析、動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)計(jì)算，該溝還有暴發(fā)泥石流的可能性，并且一次泥石流沖出量較大，還會(huì)直接威脅下游洪水鎮(zhèn)大寨子村和下王家村，為確保下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全及其他基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)盡快對(duì)該溝進(jìn)行治理，以防再次發(fā)生泥石流時(shí)造成更大的災(zāi)害。

（2）根據(jù)洪水鎮(zhèn)西山溝泥石流的發(fā)育特征及物源分布特征，對(duì)兩條泥石流溝的工程治理采用以攔擋與排導(dǎo)相結(jié)合的最佳治理方案。治理方案以攔擋為主，2號(hào)泥石流溝共設(shè)置6道攔擋壩，3號(hào)泥石流溝共設(shè)置3道攔擋壩，盡可能將可動(dòng)物源堵在2號(hào)溝和3號(hào)溝溝內(nèi)，避免泥石流再次發(fā)生。由于2號(hào)溝原有排導(dǎo)槽有效排導(dǎo)長(zhǎng)度較短且較窄，建議對(duì)堆積區(qū)的2號(hào)排導(dǎo)槽進(jìn)行重建，將排導(dǎo)渠延伸至溝口處6號(hào)攔擋壩前緣處，使泥石流沿固定溝道排出，避免漫開(kāi)或沖進(jìn)溝口洪水鎮(zhèn)居民區(qū)。3號(hào)溝泥石流將排導(dǎo)渠延伸至3號(hào)攔擋壩前緣處，以有效地控制泥石流的活動(dòng)強(qiáng)度。

注 釋

①中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部.2006.泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范:DZ/T 0220-2006[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

② 中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部.2006.《縣（市）地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求實(shí)施細(xì)則》GF 010005[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.