三漫子沟泥石流灾害及治理措施

2016-05-23姜常宇

地下水 2016年2期

关键词：治理措施泥石流特征

邢　颖，姜常宇，邢　研

(1.河北省地矿局第二地质大队，河北唐山 063000；2.河北地矿建设工程集团公司，河北石家庄 050021；3.河北省地矿局水文工程地质勘查院，河北石家庄 050021)

三漫子沟泥石流灾害及治理措施

邢颖1，姜常宇2，邢研3

[摘要]通过对唐山市迁西县干柴峪村三漫子沟泥石流的形成条件，发育机制及特征的研究，阐述了该沟泥石流的严重性和治理的必要性，提出了以拦挡为主，并结合排导沟的治理措施。

[关键词]泥石流；形成条件；特征；治理措施

三漫子沟位于唐山市迁西县干柴峪村，属于低频+暴雨+沟谷型+稀性泥石流，该沟于1955年及1976年8月分别暴发中～大型泥石流，其中1976年发生的泥石流持续时间约30 min，速度较快，高度约1～1.5 m。造成冲毁房屋20多间，毁田100余亩的损失，直接经济损失超过100万元。

为了消除隐患，彻底根治该沟泥石流。受河北省国土资源局委托，我们与2011年10-11月对三漫子沟进行了全面勘查，查明了该沟泥石流的发育特征、危害现状及发展趋势，提出了切实可行的治理方案和防治措施。

1区域地质环境

1.1地层岩性

流域内区内出露地层主要为第四系残坡积层(Q4el+dl)、崩坡积层(Q4col+dl)、泥石流堆积层(Q4sef)、冲洪积层(Q4al+pl)、长城系常州沟组地层(Chc)。出露地层由新到老分述如下：

1)残坡积层(Q4el+dl)

黄灰色粉土夹碎块石及碎屑物质，粉土与碎屑含量约占60%～70%，碎块石含量约20%～30%，主要分布于沟谷两岸缓坡地带，其中坡麓平缓段厚度较大，厚度一般3～6 m；斜坡中上部陡坡段厚度较薄，一般小于2 m。

2)崩坡积层(Q4col+dl)

灰白色、肉红色碎块石夹碎屑、砂，碎块石含量约70%～80%，局部含量达到90%，碎块石磨圆度差，呈棱角状，母岩为灰白色石英砂岩，肉红色石英砂岩。碎石，碎屑、砂土含量较少，约占10%～20%，土体结构松散，碎块石粒径一般5～15 cm，最大达到30 cm。主要分布于沟谷两岸陡崖中下部缓坡地带，为泥石流的形成提供了大量物源。

3)泥石流堆积层(Q4sef)

灰白色碎块石、肉红色碎石块夹砂土，块石粒径一般10～30 cm，可见最大粒径达80 cm，含量约占20%～35%，碎石粒径一般2～6 cm，含量约占60%～80%，砂土约占20%，稍密～中密，母岩为灰白色砂岩，肉红色砂岩，碎块石级配差，磨圆度差，呈次棱角状。主要分布于沟底、沟床两侧及沟口堆积扇部位。

4)冲洪积层(Q4al+pl)

黄灰色漂卵石夹砂，母岩主要为砂岩、砾岩，漂石粒径一般15～25 cm，最大0.8～1.5 m，约占20%～30%，卵石约占50%～60%，砂约占20%，磨圆度较好，多呈磨圆—次磨圆，结构稍密～中密，分选性较好。主要分布于沟口及沟床。

5)长城系常州沟组地层(Chc)

地层岩性为肉色含砾长石石英砂岩，灰白色石英砂岩、粉红色长石石英砂岩。地层走向北东80°，倾向北西，倾角18°～20°，与东部的太古界老变质岩呈角度不整合接触。主要分布于主沟东侧及支沟内。

6)长城系串岭沟组地层(Chch)

地层岩性主要为黑色页岩及灰色黑色砂质页岩夹砂岩。

1.2地质构造

项目区位于燕山褶皱带南缘，马兰峪复式背斜轴部偏南。由太古界变质岩构成，无大断裂通过，只有一些北东向或近东西向及与片麻理方向一致的中小型断层和挤压破碎带。新构造运动以来，本区上升，以构造剥蚀、侵蚀为主。区内没有深大断裂。长期以来本市多次受到外围区域地震波及，但区内未发生较大地震，本区属区域地壳较稳定区。抗震设防烈度为VII度。

1.3水文地质

流域内地下水类型主要分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两种。松散岩类孔隙水主要分布于盆地区，以及部分丘陵区。含水层岩性多为细中砂、中粗砂及砂卵砾石，富水性较强，单井涌水量30～80 m3/t，水质类型属HCO3-Ca或HCO3-Ca·Mg型，矿化度<0.6 g/L，pH值为7.5～8.3，属弱咸性水，总硬度110～247 g/L，地下水温度一般为12℃～18℃。

基岩裂隙水主要分布于低山山麓、沟谷及部分丘陵区。区内基岩风化、剥蚀较强烈，风化层较厚，裂隙发育，富水性中等，季节性小泉水较多。其流量一般<1.5 L/s，最大泉流量约为7 L/s。水质类型为HCO3-Ca型，矿化度一般<0.15 g/L，pH值7.2左右，水温15℃～20℃。

本区地下水补给主要是大气降水补给。在低山区，降水沿岩石孔隙，裂隙及风化层人渗，或降水产生的地表径流，补给沟谷河流，进而河流侧渗(下渗)补给地下水，在盆地及部分丘陵区，降水经垂直入渗或河谷侧渗(下渗)方式补给地下水。地下水动态类型属降水入渗—径流—蒸发—开采型。地下水排泄方式以开采、蒸发为主，经地下径流向下游境外天然排泄量较小。

区内无工矿企业，无污染源。流域内绝大部分位于当地侵蚀基准面以上，地形有利于自然排水，含水层富水性较强，水文地质条件比较简单。

2泥石流形成条件

2.1地形地貌条件

三漫子沟位于干柴峪村东侧，最高海拔278 m，最低海拔86 m，相对高差约190 m，面积0.16 km2，平均纵坡降202‰左右，沟谷形态呈v字型，谷底宽一般6～10 m，谷坡坡度一般35°～45°。岸坡基岩裸露较少，植被覆盖率较高，接近70%，植被以灌木、草丛为主，山脊，缓坡地带生长较茂密。

2.1.1形成区地形地貌

形成区(物源区主)位于沟谷上、中游段最高海拔278 m，最低海拔90 m，相对高差约188 m，面积约0.15 km2，平均纵坡降316‰左右，沟谷形态呈v字型，谷底宽一般6～10 m，谷坡坡度一般35°～45°。岸坡两侧基岩裸露较少，植被覆盖率较高，接近80%，植被以灌木、草丛为主，山脊，缓坡地带生长较茂密，沟岸两侧偶见少量松散残坡积物堆积，结构较为松散，多为5～10 cm的碎石组成。总体上看，该沟泥石流形成区为泥石流松散固体物源分布较为集中的区段。

2.1.2流通区地形地貌

三漫子沟流通区较短长约61 m,最高海拔90 m，最低海拔88 m，相对高差约2 m，面积约0.004 km2,沟谷平均纵坡降33‰左右, 流通区沟谷两侧植被发育接近70%，山坡坡度30°～45°，沟内堆积少量碎石，粒径5～15 cm，两侧掏蚀高度约50 cm。

2.1.3堆积区地形地貌

堆积区位于该区域沟口至该村排导槽段，与后头沟相对应，平面形态呈扇型，扇形态比较完整，扇前缘至乡村水泥路一带，扇长20 m，扇缘宽约50 m，扇面角约40°，沿轴向堆积扇纵坡降28‰，前后缘相对高度约0.5 m。根据调查显示，该泥石流堆积厚度4～5 m，物质组成以碎、块石和砂粒堆积为主，碎块石占50%～70%，结构稍密～中密。母岩成分为砂岩，粒径一般在8～10 cm，最大可达20 cm，砂及粉土充填，分选性差。

2.2物源条件

该沟泥石流固体物源主要为沟道堆积物源及崩塌堆积物源，其中沟道堆积物源约0.24×104m3，坡蚀侵蚀物源约3.15×104m3。总计固体物源方量约3.39×104m3，可能参与泥石流活动的物源动储量共计0.11×104m3。

(1)沟流通区长度约260 m，平均宽度约10 m，沟底松散堆积厚度一般为1.0～1.3 m，按平均厚度1.2 m计堆积物源总量约0.3×104m3；据此估算沟道堆积物源分布区泥石流活动的总量为0.24×104m3。沟道堆积型物源可能参与泥石流活动的动储量主要与沟道冲刷深度有关。据野外调查三漫子沟平均冲刷深度约0.2 m，据此估算沟道堆积物源分布区可参与泥石流活动的动储量为0.05×104m3。

(2)坡蚀侵蚀物源

泥石流沟两侧的松散堆积物，受径流的长期侵蚀作用，局部垮塌，尤其在泥石流作用下，由于短时径流量的增加，侵蚀能力增强，使得这些松散固体物质被裹挟或冲刷沟床中的松散堆积物补充泥石流物质来源。

据调查，流域内坡面侵蚀物源主要为该沟两侧果林，分布面积约为0.2×104m2，坡岸地区松散层厚度一般0.5～1 m，按平均厚度0.75 m计，其可提供泥石流的松散固体物源总量约0.15×104m3；据此估算坡面侵蚀物源分布区泥石流活动的总量为3.15×104m3。

这部分物源结构松散，且表层经人为种植，主要为细粒的土壤分布，在暴雨作用下，以面蚀或沟蚀的方式进入沟道，参与泥石流活动，主要为泥石流提供细粒的固体物源。一般侵蚀深度0.2～0.5 m，平均侵蚀深度约0.3 m左右，其可能与泥石流活动的动储量为0.06×104m3。

2.3降水条件

1)区内降雨有以下几个特点：

(1)降水充沛。多年平均降水量731.8 mm(1965-2008年)，年最大降水量1 066 mm(1977年)，年最小降水量366.3 mm(2002年)。从1965年～1998年以来，年降水量小于500 mm的仅三年。

(2)降水量在时间上分配严重不均。6～9月降水量占全年降水量的81.4%。月降水平均最多的7月降水量为226.6 mm。因此，5～9月也是地质灾害的高发期。

(3)降雨雨强大是地质灾害的主要诱发因素。由于受大气环境影响，降雨量区域分配不均，年内分配也不均匀，而且各次降雨的雨强差异极大，洪期降雨小时和日雨强常常是很大的，往往成为地质灾害的诱发因素。

根据迁西县气象局资料：

50年一遇(1965年～2008年)年最大降水量为1 066.3 mm、月最大降水量为486.7 mm、日最大降水量286.6 mm、6 h最大降雨量164.5 mm，1 h最大降雨量88.7 mm、10 min最大降雨量为27.7 mm、一次连续最大降雨量443.1 mm、一次连续最长降雨时间为12 d，降雨量为89.5 mm；

20年(1989-2008年)一遇年最大降水量为1 022 mm、月最大降水量为486.7 mm、日最大降水量208.7 mm、6 h最大降雨量164.5 mm、 1 h最大降雨量72.0 mm、10 min最大降雨量为25.1 mm、一次连续最大降雨量443.1 mm、一次连续最长降雨时间为11 d，降雨量为443.1 mm。

10年(1999-2008年)一遇月最大降水量为338.3 mm、日最大降水量 116.0 mm、6 h最大降雨量72.4 mm、 1 h最大降雨量49.7 mm、10 min最大降雨量为19.0 mm、一次连续最大降雨量139.1 mm、一次连续最长降雨时间为8 d，降雨量为 55.7 mm。

2)区内年平均蒸发量930.9 mm，占年降雨量的76%，最大月(7月)140.2 mm，最小月(12月)27.1 mm。多年平均湿度81%，最大85%，最小76%。

3泥石流形成机制

流域内地形陡峻，沟谷纵坡大，迭水和弯道发育，为泥石流的发育提供了有利的地形地貌条件，区内沟岸崩滑及沟底松散物质再搬运为泥石流的发生提供了丰富的固体物源条件，而沟谷汇水条件好，水动力充足，为泥石流的发育提供了较好的水源条件，这些因素为泥石流的形成提供了基础条件。

通过调查分析，泥石流主要为短时集中降雨所激发。首先，泥石流形成区内在集中降雨作用下夹带泥砂等松散物质汇集至沟谷中，由于流体富含泥沙，比重较大，且流域相对高差大，地形陡峻，汇集过程中势能转化为动能，其流速较快，冲击侵蚀能力较强，由于其快速掏蚀流通区沟岸坡脚，导致沟岸大面积发生崩滑，松散物源迅速补充至流体中，加之其下蚀作用强烈，原沟底的松散堆积物也进入泥石流中，导致流体中固体物质含量迅速增多，并成为粘性泥石流，沿沟冲出，造成严重的经济财产损失。

4泥石流特征

4.1泥石流流体重度

4.1.1现场配浆法

采用现场泥浆痕迹相似法及物源方量及水的体积比法确定泥石流流体容重，根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》附录A表A.4确定泥石流性质。本次勘查取泥石流堆积体样品3件，现场试验进行配制流体的状态，采用公式5.1计算处泥石流容重值。

(1)

式中：γc为泥石流流体状态容重(t/m3)；GC为模拟试验配制流态样品重量(t)；V为模拟试验配制流态样品体积(m3)。

通过现场浆体容重试验结果得出泥石流容重为1.6 t/m3，泥石流性质为稀性。

4.1.2查表法

根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)表G.2查表确定，三漫子沟泥石流易发程度评分为83分，查表得其泥石流重度值为1.572 t/m3，对应的泥砂修正系数1+φ为1.540；

4.1.3综合取值

由于三漫子沟泥石流以往没有泥石流重度监测资料，只能通过配方法和查表法两种方法来确定，而这两种方法又各有其特点。配方法只能对已发生过，且有人目击的泥石流进行测定，且测定结果只能代表当时的一次泥石流发生的结果，如本次勘查测定的干柴峪沟泥石流重度是参照2003年泥石流的情况测定的，由于此次泥石流发生时降雨量较小，其泥石流的发生与沟岸崩滑堵塞有一定关系，因而测定的重度相对偏大。相对而言，查表法是在现状调查基础上带预测性的重度值结果，更宜作为泥石流设计的依据。因而，本次勘查泥石流重度的综合取值采用查表法得到的结果作为泥石流防治工程设计依据，即三漫子沟取1.572 t/m3。

4.2泥石流流量

4.2.1雨洪法

(1)暴雨洪水流量计算公式：根据《唐山市水文手册》

Q=0.278(Hτ/τ-μ)τ

(2)

(3)

式中：Hτ：τ为历时内的最大降雨量(mm)；τ为流域汇流时间，h；tc为净雨历时，h；m为汇流参数；J为沟床平均纵比降，‰；L为沟道长度，km；F为流域面积，km2；μ为产流参数，μ=aip0.3查表a=4.5单位为mm/h。

汇流参数m=0.083θ0.723

计算频率为2%、5%的暴雨洪水设计流量Qp

(2)泥石流流量计算

Qc=(1+φ)QpDc

(3)