严陵河泥石流特大型地质灾害综合治理

何 山，李 婷，张 航，张致远，石记鹏

（1.河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院，河南 郑州 450001；2.南阳市矿山环境生态修复工程技术研究中心，河南 南阳 473000）

为深入贯彻落实党中央、国务院有关决策部署要求，提高特大型地质灾害防治资金预算安排的科学性、规范性和精准度，充分发挥项目储备库作用，形成对生态文明建设和经济社会发展的有力支撑，根据相关要求，对严陵河泥石流特大型地质灾害综合治理进行了研究[1-5]。严陵河泥石流沟近期曾于先后2次突发泥石流，毁坏耕地13.33 hm2，县级以上公路累计25 km、乡村道路累计74.3 km，桥涵8座、线杆145根、房屋363间，猪60头，树木7万株等，直接经济损失1 600多万元。近年来，该泥石流每逢汛期都有小规模、危害程度不同的泥石流灾害发生。严陵河泥石流属沟谷型泥石流，源于县境内高丘镇东庄，沿河一带属中山、低山丘陵地貌，沿岸山体坡度35°～55°，流域内村庄密布，一旦突发大规模泥石流灾害，危害后果将不堪设想。该泥石流现仍威胁下游前杜营、堂子湾、谷营、杜家沟、曹坪、孙家庄等自然村1 700间房屋，1 500余人及4 500余万元财产的安全。对严陵河泥石流进行工程治理，从而消除地质灾害隐患，减轻地质灾害对当地社会经济及生态环境造成的损失。

1 地形地貌、地层岩性及工程地质条件

1.1 地形地貌

镇平县地处伏牛山南麓，北部为中山、低山丘陵，北中部为岗地，南部为堆积平原，总体地势北高南低。区内山地、丘陵、岗地、平原大致呈阶梯状分布。境内最高点为五朵山，海拔+1 665 m，最低处在县境东南部。在漫长的地质历史时期，受诸内外营力的作用，现出形态各异的地貌形态。按成因、形态差异划分，镇平县地貌类型如下。

（1）侵蚀中山。主要分布于县境北部边缘，为伏牛山支脉余脉，海拔+1 000～+1 665 m，相对高差大于300 m。山脊尖峭，山坡陡峻，山体坡度一般35°～55°，沟谷发育，切割强烈，形态多呈V形。岩性主要为花岗岩及古元古界秦岭岩群雁岭沟组大理岩，岩体节理发育，重力侵蚀作用强烈。多形成陡崖，外貌壮观。

（2）侵蚀剥蚀低山丘陵。主要分布于县境北部及西南部局部地区，根据成因、外观、高差又可将其细分为：侵蚀梁状低山（北部低山）及剥蚀浑圆状残山丘陵（遮山）。侵蚀梁状低山，分布于中山区南部，海拔+400～+800 m，山脊呈梁状，沟谷纵横，多呈U形，发育基座阶地和侵蚀阶地。山体坡度一般25°～45°，岩性以花岗岩和变质岩为主。剥蚀浑圆状残山丘陵，与低山区呈南北衔接分布。海拔+250～+500 m，山顶浑圆，山体坡度较缓，一般20°～40°。岩性以白垩系碎屑岩类为主。风化强烈，自然风化壳较厚。

（3）剥蚀岗地。位于县境北中部，为山地、丘陵向平原过渡区，海拔一般+200～+280 m，由北向南倾斜，地面坡降1/100～1/200。区内主要表现为剥蚀鼓状基岩岗地、垄岗、波状岗地等地形，岗间为洼地。包括枣庄、王岗、高丘、柳泉铺全部，曲屯、城郊、遮山、卢医、石佛寺的大部及晁陂、老庄局部分地区。

（4）堆积平原。表现为冲洪积倾斜平原及冲积带状平原，海拔+125～+200 m，主要分布于垄岗以南的广大地区以及严陵河、潦河、淇河等主要河流沿岸一带。该泥石流属沟谷型泥石流，源于县境内高丘镇东庄，沿河一带属中山、低山丘陵地貌，沿岸山体坡度20°～50°，流域内村庄密布。勘查区地处中山、低山丘陵区，地形起伏大，中山区纵坡降约103‰，低山丘陵区纵坡降约7.5‰。

1.2 地层岩性

（1）华北地层区北秦岭分区。主要为古元古界秦岭岩群雁岭沟组（Pt1y），主要分布于老山、二龙、四山、高丘、石佛寺等地。岩性主要为石墨大理岩、大理岩、含石英条带或团块炭质大理岩，其中夹石英岩、石榴黑云斜长片麻岩。

（2）扬子地层区南秦岭分区。①新元古界清白口系耀岭河组（Qny）。岩性主要为绿泥片岩、绿帘绿泥钠长片岩、绢云钠长石英片岩、炭质千枚岩等，分布于高丘、石佛寺等地。②上古生界泥盆系南湾组（Dn）。岩性主要为含碎屑白云斜长片岩、二云斜长角闪片岩、变粒岩、石英片岩。主要分布于高丘、卢医、石佛寺、王岗等地。③中生界下统白湾组（K1b）。岩性主要为上部泥灰岩夹少量黏土岩，下部为黏土岩夹砂砾岩，零星出露于二龙南部。④中生界上统高沟组、马家村组、寺沟组并层（K2g-s）。岩性主要为砾岩、砂砾岩、粉砂岩、细砂岩夹砂砾岩及泥灰岩等，分布于高丘、王岗、石佛寺、柳泉铺和遮山一带。勘查区流域内主要出露石墨大理岩、大理岩、含石英条带或团块炭质大理岩，其中夹石英岩、石榴黑云斜长片麻岩及白垩系砂砾岩。岩体节理、裂隙发育，风化厚度2～6 m，两岸崩塌灾害较为发育。

1.3 工程地质条件

县境内工程地质条件主要受岩性、地貌、地质构造、水文地质条件等因素控制。根据区内岩土体的力学强度，可将区内岩土体划分为5类工程地质岩类：坚硬岩类、较坚硬岩类、半坚硬岩类、松软岩类、特殊成分和特殊性质岩类。按各类岩、土体的成因及工程地质性质，可进一步细分为8个工程地质岩组。

（1）侵入岩组。集中分布于北部山区的老庄镇、二龙乡、高丘镇、高丘镇等地，以中（粗）粒花岗岩、斑状花岗岩、辉长岩等为主，属坚硬岩类。岩体呈块状，抗压强度高，节理发育。

（2）变质岩组。主要分布于县境北部，四棵树背斜两翼。岩性主要以片麻岩、片岩等为主。工程地质特征：呈层状结构，抗压强度高，较易风化。

（3）沉积碎屑岩组：主要分布于县境北中部，朱阳关—夏馆南部，四山、二龙、石佛寺、城郊、柳泉铺等一带。岩性主要为砂砾岩、砾岩、泥岩、砂质泥岩等。工程地质特征：层状构造，岩体裂隙，节理发育，抗压强度较低。

（4）黏性土组。主要分布于县境中、南部广大平原和垄岗地区。主要由黏土、亚黏土、亚砂土组成。工程地质特征：呈软塑—硬塑状态，力学强度随土体新老而不同，更新统黏土强度较高，全新统黏土强度相对较低。

（5）砂性土组。主要出露于现代河床，埋藏于广大平原之中。主要由砂、砂砾石、砂卵砾石组成。工程地质特征：呈松散状，其磨圆度，分选性和松散程度随地而异。

（6）碎石土组。主要分布于山前垄岗地部位。主要由泥砾、泥质砂卵砾石、基岩风化层组成。工程地质特征：黏性土与砂砾卵石混杂呈半松散状，砾径大小悬殊。

（7）胀缩土组。主要分布于山前岗地和广大的冲洪积平原。主要由黏土、亚黏土组成。工程地质特征：黏粒含量高，天然含水量低，呈硬塑状态，含钙核和铁锰核，矿物成分以蒙脱石和伊利石为主，具干时坚硬易碎裂，浸水膨胀易崩解的特征。

（8）淤泥质软土组。零星分布于现代河流两侧，有淤泥质黏土、淤泥质亚黏土、淤泥质亚砂土组成。工程地质特征：呈灰黑色、黑色，含有机质，具臭味，呈软塑—流塑状态，具大孔隙比、高含水量和高灵敏度等特征。严陵河泥石流沟流域岩性属侵入岩组和变质岩组，总体工程地质条件不良。

1.4 人类工程活动

勘查区内主要人类活动为削坡修路，修建房屋，砌石造田，城乡建设，农业活动和零星采矿等。在沟道两侧附近人工砌石造田，堆积大量石块，成为泥石流新的固体物质补给源，会加重泥石流险情（图1）。

图1 人类工程活动Fig.1 Human engineering activities

2 隐患点特征及成因分析

2.1 隐患点特征

（1）泥石流位置。该泥石流位于河南省南阳市镇平县高丘镇北部，工作区位于高丘镇北4 km严陵河流域，北东高南西低，泥石流卫星图片如图2所示。

图2 泥石流卫星图片Fig.2 Debris flow satellite pictures

（2）泥石流基本特征。严陵河泥石流沟位于伏牛山南麓，近南北向展布，流域上宽下窄，呈倒喇叭形，上游最大宽度约2.2 km，沟口宽度约110 m，下游沟道最窄约20 m。主沟长约12 km，流通堆积区沟道长约4.2 km，上游整体坡降103‰，下游沟道较平缓，坡降约7.5‰。泥石流整体方向约202°，流域总面积约15.76 km2。流域内冲沟较发育，其中较大冲沟有庄子沟、虎爬沟、陈家、吴沟等。沟内岩石较破碎、沟底堆积少量块度或砾径不等的块石、砾石等堆积物。

（3）泥石流类型。①按流体性质划分，该泥石流总体表现为稀性泥石流。通过经历泥石流爆发的老百姓讲述，该泥石流性状呈稠浆状。据调查，堆积区原有堆积物具有一定的分选性，在弯道处可见泥石流凹岸淤、凸岸冲的现象，均表现为稀性泥石流堆积特点。总体来说，该泥石流属于稀性泥石流，泥石流密度约1.435 t/m3。在设计频率下，该泥石流流体性质以稀性为主，防治工程以稀性泥石流参数作为设计参数。②按爆发频率划分，该泥石流为低频泥石流。根据调查，在当地居民的记忆中，该沟已发生过3次泥石流，其他年份有小规模山洪发生。该沟流域内地层岩性主要为大理岩，岩性较坚硬，所需水动力条件亦大，需集中性强降雨作用才可形成泥石流。因此，从发生历史和该沟本身的特点分析，该沟暴发频率为低频率（20～50年1次）。③按泥石流汇水区地貌特征划分，该泥石流为沟谷型泥石流。根据实地调查，泥石流主沟发育于山体深切沟谷地带，整个流域范围内支沟较多，物质来源主要为沟道物源和崩滑物源。④按泥石流暴发规模划分，该泥石流为中型泥石流，根据现场调查，2005年泥石流发生过程中冲出固体量约为1.45×104m3，为中型规模泥石流。⑤按照水源条件划分，该泥石流为暴雨型泥石流。该沟泥石流的形成主要由大雨或暴雨激发，为暴雨型泥石流。综上所述，高丘镇严陵河泥石流属于暴雨类、沟谷型、低频率、中型、稀性泥石流。

（4）泥石流分区。严陵河泥石流分为汇水区、物源流通区和流通堆积区。汇水区面积约15.11 km2，山体坡度30°～55°，植被发育。物源流通区面积0.51 km2，长度约8 km，主要为泥石流上游主沟及各支沟两侧，整体纵坡降103‰，沟谷两侧岸坡岩体风化，崩塌较发育，物源较丰富，侵蚀、搬运作用强烈。在沟谷转弯处或基岩起伏处，沟底都有明显的堆积，主要为少量块石、碎石。流通堆积区面积0.14 km2，长度约4 km，纵坡降约7.5‰，地形相对平坦，由于坡降变小，河道开阔、弯曲，泥石流流速降低，携带能力变差，以流通堆积为主。

（5）泥石流活动特征。调查发现，在沟道下游泥石流堆积体均属古泥石流堆积体。从堆积体沉积结构分析，为数次泥石流堆积所致。近代泥石流发生较频繁，自1956年至今，曾2次爆发泥石流灾害，损失较大。每逢汛期，小型泥石流灾害也时有发生。该泥石流突发性强，汇水面积较大，来势凶猛，加大了灾害损失和灾害预防的难度。

（6）泥石流危害、威胁特征及程度。依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》中泥石流灾害危害性等级划分，该泥石流沟的危害性等级为特大型（表1）。

表1 泥石流灾害危害性等级划分Tab.1 Classification of hazard level of debris flow disasters

该泥石流现仍威胁下游前杜营、堂子湾、谷营、杜家沟、曹坪、孙家庄等自然村1 700间房屋，1 500余人及4 500余万元财产的安全。依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》中泥石流潜在危险性分级，该泥石流沟的潜在危险性等级为特大型（表2）。

综上所述，高丘镇严陵河泥石流危害性等级为特大型，潜在危险性等级为特大型。

表2 泥石流潜在危险性分级Tab.2 Debris flow potential hazard classification

（7）泥石流发展趋势。严陵河泥石流主要物质来源为上游局部第四系残坡层，流域农田开垦及沿河造田、基岩崩滑坡积物。在基岩裸露区，农田开垦、修路弃碴堆放及零星采矿活动等人类工程活动的加剧，植被日益被破坏，一定程度上会加速泥石流的产生。泥石流灾害对流域村镇及工程设施等的危害程度也会不断加深。近年来，该泥石流每逢汛期都有小规模、危害程度不同的泥石流灾害发生，进行工程治理必要而紧迫。

2.2 隐患点成因分析

（1）水源条件。在快速、强烈的水源补给条件下，泥石流才有可能形成。只有在足够的水体条件下，松散碎屑物质才有可能沿河床产生运移和移动，因此，水动力条件在泥石流的产生起着相当重要的作用。泥石流沟流域位于镇平县暴雨中心笼罩区，降水充沛，镇平县多年平均降水量696.8 mm，治理区一带近3年来平均降水量约865 mm。年内降水集中在6—9月，占全年降水量的70%。

（3）地形条件。①相对高差。本流域分水岭最高标高约+1 100 m，沟口标高+240 m，相对高差约860 m，而流域长约12 km，整体纵坡降71.6‰。严陵河相对高差较大，流域内拥有充足的势能，为泥石流的形成和发展提供了足够的动力条件。②地形坡度。严陵河沟谷两岸山体坡度以35°～55°为主，局部陡倾，该范围坡度的岸坡约占整个流域面积的70%。由此可见，严陵河两岸岸坡有利于松散碎屑物的堆积，在强降水的条件，这些松散固体物质易被冲蚀进入沟道内，成为泥石流活动的物源。

（4）物源条件。该泥石流沟固体物质来源主要为沟道内堆积的块石。上游有零星坡体开挖，为早期村民非法开挖矿石造成岩石裸露，水土流失；上游局部第四系残坡层；下游沟道两侧，村民砌石造田，堆积大量的石块。根据流域所处的地貌位置、风化程度及沟道内松散堆积物的面积、厚度等，估算流域内固体物质总量约为15×104m3；根据实地调查各沟口2005年堆积物厚度和面积情况，估算泥石流固体物质动储量约为2.88×104m3。

泥石流物源并非均能参与泥石流的全程活动，部分可能在沟口宽缓地带或沟中相对平缓沟段内停积下来，因此，可能参与泥石流活动的物源量并非物源量的简单相加，部分可能发生水沙分离，沿沟道发生堆积，而不会冲出泥石流沟。泥石流物源的转化是一个复杂的过程，进行防治工程设计主要根据泥石流灾害史和泥石流特征值检算结果进行。

3 泥石流危险性评价

3.1 泥石流易发程度分析与评价

根据泥石流流域基本特征和参数，按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T 0220—2006）附录G“泥石流沟的数量化综合评判及易发程度等级标准”，泥石流易发程度分为极易发、易发、轻度易发和不易发4个等级。其中，易发程度综合评分≥116分为极易发，87～115分为易发，44～86分为轻度易发，≤43分为不易发。按照泥石流易发程度评价，对高丘镇严陵河泥石流天然状况下诸因素打分进行综合评价，其评分值83（表3），属轻度易发泥石流，但应引起重视。

表3 高丘镇严陵河泥石流沟易发程度数量化评分Tab.3 Quantitative scoring of debris flow gully in Yanling River，Gaoqiu Town

3.2 泥石流危险区划分

单沟泥石流危险区包括泥石流形成区、流通区和堆积区范围，其中堆积区是危害成灾的主要部位。就严陵河泥石流而言，没有明显的泥石流堆积区，下游沟道相对平坦，两侧居民区、道路、农田等是主要危险区。按《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T 0220—2006）附录D提供的经验公式预测泥石流堆积区的最大危险范围，公式如下。

S=0.666 7L×B-0.083 3B2sinR/（1-cosR）

式中，L为泥石流的最大堆积长度，L=0.8061+0.001 5A+0.000 033W；B为泥石流最大堆积宽度，B=0.545 2+0.003 4D+0.000 031W；R为泥石流堆积幅角，R=47.829 6-1.308 5D+8.887 6H；A为流域面积，为15.62 km2；W为松散固体物质储量，约2.88×104m3；D为主沟长度，约12 km；H为流域最大高差，流域最大高差为860 m。

经计算，泥石最大堆积长度为1.226 km，最大堆积宽度为0.158 km，泥石流堆积幅角46.31°，泥石流堆积区的最大危险范围达2.87 km2。计算参数与计算结果见表4。

表4 泥石流危险区计算成果Tab.4 Calculation results of debris flow danger zone

3.3 泥石流危险性评价

高丘镇严陵河泥石流危险区范围主要为沟道下游沿沟两岸预测最高泥位线以下区域和弯道超高可能淹没的区域，确定的泥石流危险区面积为2.87 km2，危险区+影响区面积3.55 km2。根据确定的泥石流危险区范围，该泥石流目前直接威胁下游前杜营、堂子湾、谷营、杜家沟、曹坪、孙家庄等自然村1 700间房屋，1 500余人及4 500余万元财产的安全。因此，高丘镇严陵河泥石流险情为特大型，进行勘查和治理必要而紧迫。

4 地质灾害治理方案建议

根据高丘镇严陵河泥石流沟内固体物源、地形地貌、水流条件等特征，初步拟定2种治理方案，具体如下。

4.1 河道清淤+拦渣坝+防护堤

（1）河道清淤。设计对该河段河道进行清理，使河道顺直，平坦，不再阻塞河道，洪水期（50年一遇）保证水流正常通过，不会对岸坡造成较大危害，以保证居民生命财产安全和防治工程的安全。

（2）拦渣坝工程。主要布置于曹坪村东侧沟道内，共设1座。用于拦挡、调节、固床、稳坡和控制固体物质补给量，最大限度减小泥石流对下游受灾对象的危害。根据拦渣坝设计原则及坝址工程地质条件、水文地质条件，拦渣坝可设计为浆砌石重力式坝，局部地带应根据地形特征、地基岩体完整性及风化特征等综合确定坝基础埋置深度。坝体截面呈上窄下宽的梯形，坝体近坝底处设置一排排水孔。坝肩岸坡结构较松散或岩体完整性差的地段，应根据实际情况设置浆砌块石护坡或砂浆喷射护坡，以保证坝肩岸坡的稳定和拦渣坝的正常使用。

（3）防护堤。在下游流通堆积区沟道两侧凹岸处共设计4段防护堤。防护堤设计为重力式浆砌片石结构，浆砌片石采用M10水泥砂浆砌筑，避免对沟道两岸居民区造成危害。

4.2 河道清淤+防护堤+生物工程+标志碑

（1）河道清淤。如章节4.1中的河道清淤。

（2）防护堤。在下游流通堆积区沟道两侧全部设计为防护堤。防护堤设计为重力式浆砌片石结构，浆砌片石采用M10水泥砂浆砌筑，避免对沟道两岸居民区造成危害。

（3）生物工程。生物工程主要布置于防护堤工程外侧，主要项目有整理护堤背河床、选择合理树种、栽种、后期培育等。生物工程的主要作用是稳固堤背砂土、减缓水石流流速，保障堤内居民生命财产安全和耕地的正常使用，增大植被覆盖率，绿化环境等。

（4）标志碑。本项目为国家财政出资建设的民心工程，具有较大的社会意义和现实意义，因此，工程建成后，对该治理工程点设立标志碑来介绍工程概况是必要的。

根据可研报告比选结果，建议采用河道清淤+拦渣坝+防护堤方案。

5 防治效益评估

（1）社会效益。通过对该对泥石流的治理，保证了当地人民生命财产的安全，避免了严陵河流域1 700间房屋及1 500人受灾，有利于促进各行各业的发展，大大改善当地居民的生存、生活空间和生活环境，提高生活质量，有助于缓解社会压力，为构建新时期社会主义新农村奠定了良好的基础，对构筑当地和谐社会具有重要意义。

（2）经济效益。通过该项治理工程的实施，区内泥石流灾害隐患的危险性在一定程度上可得到缓解，消除泥石流对当地人民群众生命财产安全的威胁，避免了4 500万元的经济损失，保证了人民群众的人身和财产安全，促进当地经济的协调持续发展，使治理区地质环境和居民居住环境状况得到改善，经济效益显著。

（3）生态环境效益。通过治理，基本消除该泥石流灾害的威胁，促使治理区内的地质环境和居住环境趋于好转，有效保护了当地的生态环境，当地居民人居环境得到极大改善，环境效益显著。

6 结论

（1）高丘镇严陵河泥石流属于暴雨类—沟谷型—低频率—中型—稀性泥石流。高丘镇严陵河泥石流沟近期曾于1956年及2005年，先后2次突发泥石流，直接经济损失1 600多万元。该泥石流近年来每逢汛期都有小规模、危害程度不同的泥石流灾害发生。现状直接威胁下游自然村1 700间房屋，1 500余人及4 500余万元财产的安全，为险情特大型泥石流。

（2）高丘镇严陵河泥石流流体性质总体表现为稀性泥石流，在设计频率下，泥石流流体性质以稀性为主，密度1.435 t/m3。

（3）沟域内不良地质现象堆积及沟内堆积固体物源总量为15×104m3，可能参与泥石流活动的动储量为2.88×104m3。

（4）泥石流灾害防治工程安全等级为一级。泥石流流速4.25 m/s，泥石流峰值流量441 m3/s，泥石流过程总量5 688 m3/次。

（5）易发程度综合评分值83，属轻度易发泥石流。危险区面积为2.87 km2，危险区+影响区面积3.55 km2。

（6）采用河道清淤+拦渣坝+防护堤方案。泥石流地质灾害防治工程是一项利国利民、造福后代的民心工程。通过治理，将取得显著的社会效益、经济效益和生态环境效益。