忻州伯强沟泥石流发育特征与防治措施建议

胡艳青

（北京得一成利环境工程技术有限责任公司，北京 100081）

忻州伯强沟泥石流发育特征与防治措施建议

胡艳青

（北京得一成利环境工程技术有限责任公司，北京 100081）

繁峙县是山西省泥石流较发育的县市之一，五台山北麓泥石流发育特征比较典型，该泥石流沟位于五台山景区内，严重威胁当地人民生命及财产安全。本文对伯强沟进行了详细的野外调查，获取了研究区泥石流沟的基础数据资料，分析了伯强沟泥石流基本特性，通过对流域物源来源、补给长度、堵塞程度的计算，得出了该泥石流沟的发展阶段及易发程度，结合野外资料采用多因子评价公式，对伯强沟泥石流沟做出了险情等级及危险性评估，得出该泥石流沟处于形成期（青年期）—发展期（壮年期），危险性发生几率大，成灾可能性大的结论，并且针对该泥石流沟的发育特征的认识及数据分析，提出泥石流综合治理的防治对策。

山西省；泥石流；发育特征；防治措施

0 前言

山西五台山被联合国誉为世界文化遗产，伯强沟就位于山西省忻州市繁峙县东山乡南部华北屋脊五台山北台北麓，属局地小气候，降水量丰沛，基本位居山西省之首，该区域农业基础条件与设施落后薄弱，抵御自然灾害的能力差。建国以来伯强沟泥石流频发，大规模的泥石流就发生了3次，发生时间分别为1956年、1996年、1997年，共死亡4人，毁房159间，简易路4.5km、桥梁2座，淤埋水井3眼，冲垮坝体120m，毁地300余亩，毁林、牲畜无数。1956年泥石流将坐落在沟口的伯强村半个村庄被冲毁，沟口被淤高，后河床被迫改道至南侧，总直接经济损失达6000余万元。如果再次发生泥石流，将不同程度对沿沟7个村庄1578余人的生命和财产安全等构成威胁，潜在经济损失可达1.8亿元。

本文在对伯强沟泥石流调查研究的基础上，对泥石流的发育特征有所认识，提出综合治理的建议。

1 区域概况

1.1 地形地貌

伯强沟位于山西省中东部繁峙县南部五台山风景区保护带范围内，为羊眼河上游的一级支沟，主沟发源于五台山北台峰分水岭，海拔高程3061m，伯强沟流域总面积约为24.9km2。流域内共有大小毛沟12余条。整个沟域形态呈桃叶形状，流域形态对形成泥石流的暴雨径流影响较大，桃叶形态的沟域，宽度较短，支沟均不长，极有利于洪水迅速汇集主沟，松散固体物质被运移起动，形成泥石流。

流域区域地貌类型为断块溶蚀剥蚀高中山。微地貌为剥蚀溶蚀高中山夹山间沟谷，地势总体特征为两侧山高坡陡，中间沟谷低缓。主河道长约7.8 km，沟壑密度为0.8 km/km2，最大相对高差1513m，主沟纵坡降约194 ‰。上游区及支沟沟谷呈V型，中、下游沟谷呈较宽U型。沟坡坡度≥45°的占60%，25°～45°的占35%，＜25°的占5%，边坡坡度较大。

伯强沟流域沟东南侧北台峰附近阴坡区植被覆盖率约40%；沟西北侧阳坡区植被不发育，多为裸岩，植被类型主要为荒草，沟深坡陡、覆盖率低为泥石流的形成提供了有利条件。

1.2 地层岩性

沟域内为一套遭受强烈褶皱变动和区域变质作用的中—浅变质岩系，以太古界五台群整体块状夹片状坚硬夹较软弱变质岩岩类为主，岩性主要为绿片岩、片麻岩、变粒岩等；其次为沟坡上第四系上更新统残坡积浅黄色含碎石黄土和沟中大量堆积的全新统冲洪积砂卵砾石、漂石和少量亚砂土。变质岩岩性变化大，风化较强烈，片麻理、节理裂隙发育，软硬岩相间；陡坡上披覆有松散的残坡积物，沟底分布有大量砂卵砾石层；坡体上各岩性均易形成崩塌、滑坡、坡面型泥石流和水土流失。

区域地处华北断块中北部吕梁—太行断块之次级单元五台山块隆的东部，在五台群和滹沱群中北东向构造形迹普遍发育，主要包括一系列呈北东向展布的褶皱构造及与其平行的逆断层和逆掩断层，另外还伴生有许多与其近于垂直的张性断层，沟域位于狮子坪—庄旺滩倒转向斜西北翼，在沟域中下游发育三条垂直向斜走向的较大规模的正断层。

1.3 水文地质条件

区内降雨高度集中在6—8月，降水受地形影响极大，降水量随山地高度的增加而增加，五台山区成为多雨区，年降水量在580～1000mm间，平均相对湿度60%；多年平均降水量624.5mm；年最大降水量为1959年1610.0mm，年最小降水量为1998年497.9mm；汛期降水量占全年降水量的80%左右，日最大降水量81.5mm（1996年8月5日）；1小时最大降水量39.2mm（1997年7月3日），10分钟最大降水量21.1mm（2009年）。

伯强沟常年有水，清水流量约为1.2 m3/s，地下水接受大气降水入渗补给，受地形控制总体由南北两侧山区向中部径流和运动，地下水富水性受岩石风化程度、裂隙发育程度及植被条件的影响，北部山区植被较差，风化层较薄，南部山区植被发育，风化层厚度较大，地下水调节能力相对较强，地下水位的变化对边坡的稳定性影响较小。

2 泥石流发育特征

2.1 松散固体物质来源

泥石流是固液两相流体，内含大量的泥沙、碎块石、漂砾等固体物质，是泥石流不同于水流或洪流的主要标志。松散固体物质的形成与地质背景条件和地质营力有关，泥石流固体物源累积过程多与不良地质现象和人类工程活动联系在一起（赵小平，2010）。

沟域内物源为自然松散固体物源，一是沟坡上的残坡积物、易崩塌的岩体、坡面泥石流；二是沟底可再次搬运的堆积物，分布于整个流域。根据现场调查山坡上随处可见松散物源坡积物，主要分布于阳坡植被不发育地带，厚度平均约0.5m，分布面积约12×104m3，约有潜在物源总量约为6×104m3。

沟道中松散层厚度5～75m。根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015）中10.2.6-1公式：

式中：hp为一般冲刷后水深（水面以下）（m）；qs为泥石流最大单宽流量（m3/s·m），取10.5m3/s·m；hm为最大泥深（m），调查为2m；d为河床泥沙平均粒径（m），调查为0.2m。

计算得冲刷深度（河床以下）约1.6m，河道淤积长度约7.8km，平均宽度以15m计，沟中物源量约为18.7×104m3。伯强沟泥石流总松散物源量为24.7×104m3。

2.2 泥沙沿程补给长度比

一般泥石流运动规律在空间展布上可分为形成区、流通区、堆积区（图1）。伯强泥石流沟形成区与流通区在流域中上游界线较明显，泥石流物源沿程一直在补给，边形成边流通，一般沟底基本为流通区，两边坡均为物源形成区。泥沙沿程补给长度比＞80%，在流域上游、中游沟谷开阔处或支沟沟口、主沟口均为泥石流堆积区。距调查3次发生泥石流时，在沟谷宽阔处、各支沟沟口和主沟口均不同程度形成了不规则的泥石流扇形地，伯强沟泥石流进入了主河道区，对主河道河形无较大影响，仅主流受迫偏移。

2.3 泥石流堵塞程度

伯强泥石流沟谷形态在上游区“V”与窄“U”型呈交替出现，基岩崩塌、坡面型泥石流较发育，沟中冲洪积物堆积严重，沟床狭窄不一；中、下游区呈宽“U”型，沟槽较顺直，崩塌、坡面型泥石流发育一般，但村庄建设、耕地和道路等占用了部分沟道，有5处过水路面，两处不能满足排洪能力的过水涵洞，主支沟交角多小于60°，洪水搬运能力强，排洪能力较弱，造成泥砂、石块在沟道散乱堆积，石块堵塞河道，於高堆积，造成恶性循环，石块越积越多，造成洪水分流和改道，沟床摆动，堵塞系数介于1.5～2.5间，堵塞程度属中等（表1）。

2.4 泥石流沟发展阶段

对照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）附录C（表C.1），判断伯强沟泥石流沟的发展阶段。主沟侵蚀速度＞支沟侵蚀速度，沟口出现扇形堆积地形或扇形地处于发展中，堆积扇发育逐步挤压大河，河型间或发生变形，无较大变形，仅主流受迫偏移，对对岸尚未构成威胁。新老扇形叠置不明显或成外延式叠置，为叠瓦式，扇面变幅在0.2～0.5m之间。松散物储量在＞10万m3/km2，松散物高边坡堆积高度在10～30m间，具32°以上高边坡。崩塌、滑坡、水土流失等不良地质现象发育，沟道纵向、横向切蚀中等，朔源冲刷、沟槽不稳，沟坡陡峻，沟型顺直束窄。植被覆盖率在10%～30%，触发雨量较小。综合判断：伯强沟泥石流沟发展阶段处于形成期（青年期）—发展期（壮年期）（张妮，2010）。

表1 泥石流堵塞系数Dc值Tab.1 Debris fl ow block coeff i cient

2.5 泥石流沟易发程度

根据该流域内反映泥石流活动条件的诸因素，对照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）附录G（表G.1、G.3），选择15项代表因素进行数量化评分，判别泥石流沟的易发程度。崩塌、滑坡、水土流失为较严重，得分21；泥沙沿程补给长度比大于60%，得分16；沟口泥石流堆积活动程度中等，河形无较大变化，仅大河主流受迫偏移，得分11；河沟纵坡降约194‰，得分9；区域构造属强烈抬升区，影响程度严重，得分9；流域植被覆盖率约10%～30%间，得分7；河沟近期一次变幅0.3～0.5m，得分4；岩性为软硬岩，得分5；沿沟松散物储量大于10万m3/km2，得分6；沟岸山坡坡度一般均大于32，得分6；产沙区沟槽横断面为“V”型谷、“U”型谷，谷中谷，得分5；产沙区松散物平均厚度大于5～10m，得分4；流域面积24.9km2，介于10～100km2之间，得分3；流域内最大相对高差为1510m，得分4；河沟堵塞程度中等—严重，得分4。

综上所述，总评分为114分，为易发泥石流沟。

2.6 泥石流危险性评价

该流域由于自然条件和地质条件的特殊性，松散固体物源储量丰富，主沟内存在大量的岩石体堆积在主沟中，沟内固体堆积物约有13.2万m3，有可能参与泥石流活动；主沟与支沟纵坡降大，汇流深度快，沟道堵塞程度严重，淤积长度约3km，流通区沟道存在较大隐患，部分已有治理工程已失效，有的村庄较大隐患。一旦遭遇特大暴雨和长时间降雨（最小触发泥石流发生的连续降雨量仅为72.5mm），存贮于谷岸边坡和沟谷道内的堆积物顺流而下，暴发泥石流的可能性极大，将直接危害沿沟7个村庄430户1578余人人身财产安全以及对道路等人类工程构成威胁，潜在经济损失达1.8亿元；该泥石流地质灾害险情等级为“特大型”（刘希林，2002）。

沟域多年平均降水量624.5mm，根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）附录B，山西省10分钟、1小时、24小时可能发生泥石流的限界值分别为6mm、15mm、30mm，地表径流多呈暴涨暴落，为泥石流的形成提供了较为有利的水动力条件。

暴雨强度指标R计算公式如下：

R=K（H24/H24(D)+H1/H1(D)+H1/6/H1/6(D)）

式中：K为前期降雨修正系数，取K=1.2；H24为24小时最大降雨量，H24=81.5mm；H1为1小时最大降雨量，H1=39.2 mm；H1/6为10 min最大降雨量，H1/6=21.1 mm；H24(D)、H1(D)、H1/6(D)为可能发生泥石流的24 h、1 h、10 min的限界雨值。

经计算，项目区暴雨强度指标R=10.6＞10，泥石流发生几率为＞0.8。

3 泥石流防治措施

根据泥石流的发生条件、性质、发展趋势全流域统一规划，采取切实可行的工程措施，以达到控制泥石流发生和发展，减轻泥石流对村庄的危害，创造良性的生态平衡，改善人类生存环境的目的。在泥石流形成区以抑制泥石流发生的生物措施、拦挡工程为主，在流通区、堆积区以固源、排导泥石流过境、保护村庄的工程措施为主。工程措施和生物措施，一般工程和主体工程，相互配致，层层设防，形成一个完整的防治体系（王璨，2012）。

（1）形成区治理措施

在形成区宜采取生物措施，该区为五台山臭冷杉保护区，可以种植臭冷杉，其次还可种植桦树和杨树，所选树种均为当地已成林树种。

（2）流通区、堆积区治理措施

在流通区、堆积区采取拦挡、固源、清淤、疏通、排导工程，根据泥石流地质灾害治理与当地环境景观建设相结合的原则，在伯强沟的上游部位，进行过水消能坝的构建。其主要功能为调整河流流态、降低侵蚀源点、稳定沟床，消减水能等。伯强沟泥石流地质灾害治理项目防护对象沿线居民和房屋财产，泥石流的治理采用疏排方式。排导工程是拟在伯强沟上游北台峰村外侧以及对岸山麓设置浆砌石重力式排导护堤。

（3）监测工程

主要采用的是气象监测、地表水监测、地面位移监测，即治理施工期间：对治理区域设专人每天收听气象预报、进行地表水监测，确保施工安全；治理后对坝体消力池工程、排导护堤工程治理效果进行监测。

伯强沟位于五台山风景区保护范围、五台山国家级森林公园，已作为红色旅游开发区，泥石流沟得到综合治理后，该工程与羊眼河主河道治理工程相衔接，将成为五台山旅游的又一处驿站，可吸引外来的旅游投资资金和增加旅游经济收入，为当地村民创造就业机会，其经济效益是可观的。工程治理后生态环境也得到改善，到时该沟谷将集红色旅游、佛教旅游、科普旅游、自驾旅游、步行野营等诸多元素吸引四面八方的游客。

4 结论

（1）该泥石流沟物源丰富，泥沙沿程补给长度比＞80%，堵塞程度中等，为易发泥石流沟。

（2）通过泥石流危险性评价，该泥石流沟地质灾害危险性等级为“特大型”，泥石流发生几率＞0.8。

（3）在形成区采取生物工程和流通区、堆积区采取拦挡工程结合的措施，形成完整的防治体系。

北京得一成利环境工程技术有限责任公司，2013.山西省忻州市繁峙县东山乡伯强沟泥石流综合治理可行性研究报告[R]．

北京得一成利环境工程技术有限责任公司，2014.山西省忻州市繁峙县东山乡伯强沟泥石流治理项目调查报告[R]．

刘希林，2002. 我国泥石流危险度评价研究：回顾与展望[J].自然灾害学报，11(4)：1-8.

王璨，2012. 泥石流的危害及防治[J]. 山西建筑，38(7)：56-57.

赵小平，2010.山西省泥石流地质灾害发育特征与防治对策[J].华北科技学院学报，7(2)：12-19.

张妮，梁收运，钟秀梅，2010. 泥石流类型与地貌分形特征的关系研究[J]. 工程地质学报，18(5)：664-668.

Development Characteristics and Prevention Suggestions of Boqianggou Debris Flow in Xinzhou City

HU Yanqing

(De Yi Cheng Li Environmental Engineering and Technology Ltd Co., Beijing 100081)

Fanshi County is one of counties where the debris flow is relatively developed in Shanxi Province.The development characteristics of debris fl ow in northern Mount Wutai is typical. This debris fl ow ditch located in Mount Wutai, and it is a serious threat to the lives and property of the local people. We got the basic data of the debris flow by the detailed field investigation, then analyzed the characters of the debris flow. Through the calculation of the basin provenance supply source, length, degree of blockage factor, we understood the development stage and the easy degree of the debris fl ow. Combined with fi eld data by multi-factor risk assessment of debris flow danger, it shows that the debris flow is at the youth stage to mature stage, with the high risk probability of disaster. Based on the understanding of the development characteristics of debris fl ow gully and the data analysis, this paper puts forward the countermeasures for the comprehensive control of debris fl ow.

Shanxi Province; Debris fl ow; Development characteristics; Prevention suggestions

A

1007-1903（2017）03-0071-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.0014

山西省国土资源厅治理项目（[2015]17号）

胡艳青（1981－ ），男，硕士，工程师，主要从事地质灾害、地质环境研究。E-mail：27300655@qq.com