0 引言

北京市怀柔区汤河口镇小黄塘村小桐木沟泥石流隐患点沟域，受其所在地理区位、地形条件及工程地质因素共同影响，易形成泥石流灾害，尤其在暴雨条件下其发生可能性大增，给下游居民生命财产安全造成极大威胁，因此亟需开展对小桐木沟泥石流隐患的排查与治理。

近年来众多专家学者进行了大量的关于工程地质勘查及泥石流地灾治理的研究。施裕兵等 （2009）以四川大水沟泥石流为实际工程背景，通过现场实地调查、模拟分析等方法对大水沟泥石流发育特征及动力学特性进行研究，最终对唐家山堰塞湖泄水口部位堵江规模、持续时间、溃决方式及其可能带来的危害性进行综合评价；孟兴民等（2013） 对白龙江流域进行研究分析，总结了白龙江流域滑坡、泥石流的分布特征、形成条件、成因机理、监测预警、防治措施等内容；刘大才和彭涛（2012）对四川省青川县潘家沟泥石流形成条件、发育机制及特征进行了研究。李跳（2018）通过现场调研的方法对绥宁县泥石流地质灾害分布现状、发育特征及发展趋势进行调查研究，综合提出了有针对性防治措施；张勇等（2018）以四川黑沙河沟泥石流工程为实际案例，通过现场调查、遥感解译与模型计算相结合的方法，提出了城镇泥石流治理工程评估模式，并对黑沙河沟泥石流治理工程评估了其综合治理效果。周佺（2017）针对中国泥石流的特点，对其分布及发生规律做了较为详细的介绍，重点介绍了国内外泥石流防治技术的发展及相应的防治措施；史明远和王邦鉴（2022）对长白山二道白河地区泥石流灾害进行研究，基于主成分分析法对研究区高分辨率遥感影像进行处理，通过两次主成分分析使遥感图像本底值的计算能更清晰地反映地物边界，达到了抑制干扰信息、突出有用信息、提高图像解译效果的目的；袁峰（2022）结合南京雨花台区某采石坑回填工程，利用高密度电法结合岩土勘察方法，进行了多种技术手段的调查工作，结果表明：土层视电阻率值一般小于80 Ω·m，基岩视电阻率值一般大于100 Ω·m，最大可达数百欧米，基岩和回填土的视电阻率阻值差异明显；陈俊彬等（2019）对东明露天矿进行实际考察，发现该地区地下水补给强烈，边帮涌水下切侵蚀边帮，影响边帮稳定。通过开展激发极化偶极勘查，初步查明地下水的异常分布，采用靶区布井方式替代等距井排布置，优化了降水井布置方式及成井工艺参数，开展针对性降水。通过对近 2 年来防治水数据、截流疏干效果和成本控制等进行分析，进一步验证了激发极化偶极手段优化降水井布置的可行性和有效性；卢世英等（2021） 通过文献资料收集与分析发现，对多金属矿高边坡工程治理而言，岩土工程勘察具有十分重要的作用，为高边坡工程的平稳安全运行及后续工作的展开奠定了基础，对多金属矿高边坡工程治理中岩土工程勘察应用措施展开详细分析；赵盾（2021）通过研究发现废弃矿山开采对周边地质环境造成不良影响，容易发生地面塌陷、滑坡、崩塌等地质灾害，对周围居民生活造成很大的影响，结合音频大地电磁测深法（AMT）对贵州山区条件下煤矿采空区勘探实例进行分析，总结了煤矿采空区电性特征，查明了勘查区的采空区分布；许泰等（2021）通过全面调查天水市秦州区城区北山（吴家崖—成纪新城段）地质灾害类型、分布范围、结构特征及影响因素等，结合前人对该区域滑坡、不稳定斜坡、崩塌和泥石流的研究成果，对其稳定性、危害方式及潜在经济损失进行评价。针对各地质灾害点自身形成条件和发育特点，紧密衔接城市发展规划，提出工程治理、部分搬迁和监测预警等多项行之有效的治理方案。该方案的实施不仅可以保障城区北山地段地质灾害危险区域内人员与物资的安全，而且能够创造和谐稳定的投资生产环境，对秦州区城市发展和经济建设提供基础支撑和服务功能；翟克礼 （2021）通过分析矿山开采区发生地质灾害的诱因，包括地下水的径流变化、地表压力失衡、矿山开采的废物污染大气环境等因素对地质环境造成的影响，列举了矿山开采诱发地质灾害类型，并对矿山坍塌、泥石流、采空区塌陷及崩塌滑坡等灾害的治理方案进行分析；周星（2019）通过对火烧沟生态治理及修复工程项目进行分析，对黄土地区典型的地质灾害的特征及机理进行研究，提出合理的地质灾害治理措施和生态环境修复方案，达到治理灾害并保护生态环境的目的，为黄土地质灾害提供一种可借鉴的模式；赫念学等（2022）以白沙冲泥石流治理为试验案例，对生物谷坊的布设区立地条件、树种选择和典型设计做了分析研究，并对其防治效果进行了评价，可为生物谷坊在泥石流治理中的应用提供借鉴；黄洪等（2021）通过现场勘察、室内实验、模型计算，对曾达沟泥石流的成灾机制、运动特征及过程进行分析，阐明了前期累计降雨对泥石流形成产生的影响。提出工程治理与非工程治理相结合的泥石流灾害综合治理措施；王瑞军等（2022）通过地表调查及资料统计，详细阐述了该泥石流的发育和形成特征，并重点分析了流域内物源补给条件； 章新益等（2021）通过泥石流精细调查及资料统计，研究该泥石流发育特征和形成条件，在分析流域内松散堆积物补给特征的基础上，综合研究了该泥石流的动力学特征，进而开展泥石流危险区预测评价，提出相应的防治措施建议；李婧玥等（2021）通过野外调查与GIS统计分析，研究该流域降雨条件、地形地貌和沟道条件、物源条件等形成条件特征，针对流域内松散堆积物转换，开展了流域分区特征分析；关全成和王羽佳（2021）在野外地质勘查的基础上，从地形、物源、水源等方面较全面地分析了大寨子村西山沟泥石流形成的条件，查明了泥石流形成的关键因素。

1 小桐木沟泥石流灾害成因

1.1 工程概况

（1）地理位置、行政区划。研究区地处北京市怀柔区汤河口镇南部，小黄塘村南，G111国道西侧，地理坐标为东经116°38'49″，北纬40°41'31″。

（2）地形地貌。汤河口镇地势西北高、东南低。地形分为平原、丘陵和山地、河谷及沟谷 3 种类型，但主要为山地，汤河口镇南地形以平原地貌为主。区内最高峰位于汤河口镇西北部的四渡河村附近，与喇叭沟门乡、碾子乡交界，海拔1507 m，最低点位于东南端后安岭附近，海拔 247 m。小桐木沟泥石流隐患点所处地貌主要为中低山区，海拔高度为 260～613 m。

（3）气象水文。研究区内降雨集中且强度高。短历时、高强度的降雨，极易引发泥石流地质灾害的发生。大暴雨与连阴雨是区内泥石流灾害的主要诱发因素。

1.2 泥石流基本特征

（1）泥石流形成条件分析。小桐木沟泥石流沟域面积 1.8 km²，沟道上游沟谷呈“V”型，沟道中下游呈“U”型。沟头植被覆盖率约 80%，南北两侧岸坡大部分被植被覆盖，只有少量基岩出露。通过现场调查，小桐木沟泥石流物源类型包括沟道堆积物源、坡面物源、崩滑物源 3 类。除坡面物源外，物源点共 7 个，其中沟道堆积物源 2 个，崩滑物源 5 个。小桐木沟泥石流发生的水源主要来源于大气降水，暴雨导致地表径流流量突发性增强是引发小桐木沟泥石流的主要原因，怀柔地区特大暴雨均发生于 7—8月份。综上，笔者认为小桐木沟泥石流沟谷属暴雨型泥石流沟谷。

（2）泥石流基本特征值的计算。泥石流运动特征指标的计算主要是根据拟设泥石流防治工程需要，对泥石流流体重度、流速、流量、一次冲出量、一次固体冲出物质总量等常规指标进行计算；对拟设工程部位泥石流整体冲压力、爬高和最大冲起高度、弯道超高等进行计算和校核。经过计算，小桐木沟泥石流运动特征参数见表1。

（3）泥石流发展趋势分析。小桐木沟泥石流属暴雨-沟谷型稀性泥石流，泥石流规模主要与沟域内松散固体物源的累计、动态变化情况及引发泥石流的暴雨情况相关。目前小桐木沟沟域内松散固体物质总储量约为 124.9×10⁴ m³，可能参与泥石流活动的松散物质约为11.6×10⁴ m³，主要为沟道堆积物（尾砂堆积和冲洪积碎石土）、坡面侵蚀物源和崩塌物源。小桐木沟沟道沟床呈“V”和“U”，两侧岸坡陡峻，沟道纵坡降为353‰，在前期降雨充沛条件下，若再遇到集中持续暴雨，不仅坡面松散物质可能被起动，沟道内堆积的松散尾砂和冲洪积碎石土被起动的可能性也较大。

2 小桐木沟泥石流灾害防治对策

2.1 治理工程总体思路

通过分析小桐木沟泥石流隐患点形成、发生的地质环境条件、运动特点等因素，其防治工程须采取“物源整治+排桩固源固坝+坡面物源整治+沟道排导”等综合治理措施。

2.2 工程设计

2.2.1 流通区物源整治

将人工杂乱堆积、表层高低不平的尾砂采取挖高填低措施进行沟域流通区物源整治，尽可能降低现有尾砂堆积物厚度，自上游至下游逐级降低标高，形成缓坡平台。流通区物源整治见图1。

（1）尾砂堆积平台。通过治理，原坝 4和坝 2之间形成平台 PT01，坝 2 和坝 1 之间形成平台 PT02， PT03保持原样不动，平台 PT04为边坡之间的马道，平台 PT05 为原上山道路。区内共形成 5 个尾砂堆积平台，平台总面积42112 m²。

（2）尾砂堆积边坡。通过治理，对不稳定的尾砂堆积边坡进行削坡放缓治理。尾砂堆积区北侧边坡经整理后形成两级边坡 BP01 和 BP02，南侧边坡整治形成边坡BP03，堆积区上坡路上的缓坡整治形成边坡BP04，入口处的路边碎石土边坡形成边坡 BP05。5个边坡面积共 11777 m²。尾砂堆积边坡设计坡度不大于 25°，碎石土边坡设计坡度不大于 30°，以保证边坡的稳定性。

2.2.2 排桩固源固坝工程

为了对沟道尾砂堆积物源进行有效拦挡，在不破坏现有土坝本体的基础上，对流通区人工堆积的 4 个土坝分别进行排桩加固治理，从而对尾砂堆积物源分隔阻拦，进一步增强原有土坝的拦挡能力。根据场地水文地质、工程地质和施工条件，排桩选择钻孔灌注桩施工工艺方案，具体工程部署见图2。

1）排桩布置及总体设计，排桩从上游到下游依次编号PZ01~PZ04。

（1）PZ01 位于坝 4 下游一侧，长 67. 0 m，宽 4.2 m，设 2 排桩。排桩单桩为直径 1. 0 m 的圆桩，桩间距2. 0 m，排间距3. 0 m。桩顶标高311.5 m，共计68 根桩。

（2）PZ02 位于坝 3 下游一侧，长 92. 0 m，宽 4. 0 m，设 2 排桩。排桩单桩为直径 1. 0 m 的圆桩，桩间距2. 0 m，排间距3. 0 m。桩顶标高310.5 m，共计94 根桩。

（3）PZ03 位于坝 2 下游一侧，长 94. 0 m，宽 4. 0 m，设 2 排桩。排桩单桩为直径 1. 0 m 的圆桩，桩间距2. 0 m，排间距3. 0 m。桩顶标高307.5 m，共计96 根桩。

（4）PZ04 位于坝 1 的上游一侧，长 74. 0 m，宽 7. 0 m，设3排桩。排桩单桩为直径1. 0 m的圆桩，桩间距2. 0 m，排间距3. 0 m。桩顶标高300.5 m，共计 114根桩。

2）排桩桩身长度控制

（1）排桩桩身长度控制原则。由于山区地形复杂，为了保证排桩单桩和群桩的整体稳定性，应满足嵌入深度 3/4~1/1。设计桩长范围内尾砂堆积物下伏的天然冲洪积碎石层与全风化及强风化岩层厚度之和小于 1/3 尾砂堆积厚度，且桩身进入中风化岩层不小于3. 0 m时即可终孔。

（2）超前钻。为了更精确的控制排桩的桩身长度，在排桩成孔前，布置适量的超前钻。超前钻一般与设计桩长长度一致，以进入中风化岩层不少于 3. 0 m。超前钻设计位置及参数见表2。

3）排桩结构设计

（1）排桩单桩桩身结构设计。排桩桩型为圆桩，桩径1. 0 m，钢筋混凝土结构。桩身各类钢筋均采用HRB400。桩体混凝土等级为C30，设计充盈系数 1.2。由于研究区排桩上部为细砂组成的尾砂，其密实度低，孔隙率较大，施工时孔壁易坍塌，施工实际充盈系数建议由施工前现场试验进行确定。

（2）排桩桩顶连梁结构设计。排桩为梅花型布置，桩顶用厚 1.5 m 的连梁将桩连接为一体。连梁两侧与钢筋砼排导槽连接，并伸出排导槽不小于 2. 0 m，连梁四周比排桩最外侧宽至少 0.1 m。连梁的混凝土等级为 C30，各类钢筋均采用 HRB400，排桩桩身主筋应伸入连梁内1.5 m，与连梁形成一体。连梁顶标高与地形地貌整治标高一致。连梁结构示意见图3。

2.2.3 坡面物源整治

沟谷内有开路及采矿形成的裸露岩质边坡 5 处，编号YBP01~YBP05。采取对裸露的中风化岩质边坡（YBP04、YBP05）危岩带进行清理危岩+坡脚挡墙+主动防护网治理，强风化岩质边坡（YBP01、 YBP02、YBP03）进行清理危岩+坡脚挡墙+植生格室治理。坡面物源治理工程部署见图4。

1）危岩清理。YBP01~YBP05 这 5 处边坡面积共 10806 m²，清理厚度按平均 0.5 m，共需清理危岩 5430 m³。5个岩质边坡设计参数见表3。

2）浆砌石挡墙工程。危岩清除后，在岩质边坡坡脚为平台或道路的地段设置1.5 m高浆砌石挡墙进行防护。YBP01 和 YBP03 西段坡脚为钢筋砼排导槽，不设挡墙。挡墙高 2. 0 m，墙顶宽 0.8m，底宽 1.1 m，露出地面1. 0 m，基础埋深1. 0 m，墙胸直立，墙背坡率1∶0.2。挡墙断面见图5，浆砌石挡墙工作量见表4。

3）主动防护网。为了有效降低岩质边坡危岩崩塌成物源，清除危岩后拟对裸露的中风化岩质边坡进行主动防护网防护，坡面防护面积1678 m²。主动防护网设计选用GTC-65A型主动加固系统，抑制崩塌和风化剥落、溜坍的发生。TC-65A 型主动加固系统由钢筋锚杆+ SO/2.2/50 高强度钢丝格栅网 +S250/3 型绞索网组成，采用的 S250/3 型绞索网为 3×1 绞索链式编织而成，其余各构件及材料技术要求详见规范及图6主动防护网大样图。

（1）系统锚杆及锚垫板。采用全黏结型锚杆，锚杆间距：2.5 m×2.5 m，单根锚杆长度 4. 0 m，锚杆与水平面夹角为 15°，锚杆钢筋选用 1根 HRB400级 φ28螺纹钢筋（锚杆钢筋的截面面积A_s=615.75 mm²），锚杆钻孔为90 mm，采用M30水泥砂浆灌注，锚杆杆体的保护层厚度20 mm。锚杆隔离架应沿锚杆轴线方向每隔 1. 0～2. 0 m 设置一个。锚杆的自由段应进行防腐蚀处理，采用除锈、刷沥青船底漆和沥青玻纤布缠裹二层进行防腐蚀处理。

锚垫板：菱形钢板，四角带扣爪，尺寸 320 mm× 180 mm，厚度不小于 10 mm；纵向抗弯曲能力不低于2.3 kN/m。

①锚杆承载力及锚固长度计算。坡面清除块碎石后，局部加固不稳定岩体，锚杆需要提供的承载力：

式（1）中：A—滑动面面积（m²），本例中滑动面按照岩体的与边坡接触面积，取1.25 m²；

c—滑动面的粘聚力/kPa，考虑到本例中边坡危岩体的不稳定岩块多数的破坏方式为地震力或者降雨作用下的破坏，结构面c值取0；f—滑动面上的摩擦系数；考虑到本例中边坡危岩体的不稳定岩块多数的破坏方式为地震力或者降雨作用下的破坏， f=tg27 °；G_t、G_n—分别为不稳定块体自重平行和垂直于滑面方向的分力/kN；在本研究中，综合考虑现有结构面的发育情况及已崩塌岩体块体的体积，不稳定自重块体体积 V=3.38 m³，设计时重度取岩体的饱和容重：γ_sat=26.2 kN/m³；N_akti、N_akni—单根锚杆轴向拉力在抗滑方向和垂直于滑动面方向上的分力/ kN；锚杆和水平方向夹角为15°，因此α=15°；K_b—锚杆钢筋抗拉安全系数，取 2. 0；由上式计算得出，锚杆的轴向拉力计算得出N_ak=95. 0 kN。

式（2）中：As—锚杆钢筋的截面面积/m²；f_y—普通钢筋抗拉强度设计值/kPa；本例中采用 HRB400 级钢筋，f_y = 360 MPa；K_b—锚杆杆体抗拉安全系数，本例中取2. 0；计算得出A_s = 527.78 mm²，取1根φ28 的螺纹钢筋 A_s = 615.75 mm²。锚杆的实际 N_ak = 110.84 kN。

②锚固长度的确定。根据表5 的①②计算出 la，并取大值，la=1. 08 m，按照《建筑边坡工程技术规范》（重庆市设计院，2014）中岩石锚杆的长度不应小于 3. 0 m 的构造要求，以及综合考虑岩石的节理裂隙发育情况，确定锚杆总长度4. 0 m，锚固段长度la=3. 0 m，锚杆自由段长度1. 0 m。

③锚杆抗拔承载力计算。按照《建筑基坑支护技术规程》（中华人民共和国住房和城乡建设部， 2012）中 4.7.2 节规定锚杆极限抗拔承载力应符合下式要求：

式（3）中：K_t —锚杆抗拔安全系数；安全等级为二级，取 1.6；N_k—锚杆的轴向拉力标准值（kN）；R_k —锚杆极限抗拔承载力标准值（kN）。本项目中锚杆设计极限抗拔承载力取152. 0 kN。

（2）边沿支撑绳及其钢丝绳锚杆。用于封闭防护网四周边沿的钢丝绳，根据其位置分为上边界绳、下边界绳和侧边界绳，单根长度不宜大于40. 0 m，每根两端各配一根长度为 2. 0 m 的钢丝绳锚杆；格栅铁丝直径和方形网孔边长分别为 2.2 mm 和 50. 0 mm（正误差不大于10%）。

（3）S250/3 型绞索网。由高强度钢丝成索后编制，菱形网孔内切圆直径 250 mm（±5%），螺旋网片单位延米纵向抗破断拉力不低于 190 kN/m，环链破断拉力不低于 30 kN，平整厚度 16 mm（±2 mm）。钢丝直径：3. 0 mm，单丝强度：不少于 1770 N/mm²；钢绞线直径：6.5 mm，网片标准规格为3. 0 m×3.5 m。

（4）辅助锚钉：用于在局部低凹处及防护坡面顶部使用 HRB335 级 φ14 螺纹钢筋进行固定，长度一般选用1.5 m，其锚垫板亦可适当减小。

2.2.4 沟道排导

为防止突发暴雨对流通区沟道内堆积的沟道物源的浸泡和冲刷，在中游尾砂堆积区域沟谷两侧设置钢筋砼排导槽，并在下游处汇入原沟道，扩宽下游的原沟道，并对沟底进行清理，下游的原沟道两侧砌筑浆砌石挡墙，顺利排走大暴雨或连阴雨情况下的泥石流和山洪，在排导槽适当位置设混凝土盖板，以方便行人通行。

3 结论

（1）通过对小桐木沟地区进行地质勘查，查明了泥石流物源分布和特征、参与泥石流活动的物源数量、方式和条件、泥石流形成的地形地貌条件和水源条件、泥石流运动特征和规模、灾情和险情，分析了泥石流易发程度、成因机制、发展趋势和危害性，对泥石流基本特征参数进行了计算，提出了相关设计参数建议值，为后续治理工程设计提供了基本的地质资料。

（2）根据小桐木沟泥石流发育特征、形成条件及保护对象等因素，对沟道物源进行清理，加固物源区原有土坝，增强其拦挡能力；整治沟谷边坡，设置排导槽，顺利排走沟内汇水。

（3）对于小桐木沟泥石流灾害治理通过对前期地质勘查资料的分析，坚持以防为主，防、治结合的原则进行治理工程设计，根据小桐木沟泥石流隐患的特征、危害程度、发展趋势等进行分析，通过设置物源整治、排桩加固、坡面物源整治和排导工程，对其进行综合治理，最终达到消灾减灾的目标。

参考文献