北京市密云縣前火石嶺泥石流溝形成條件及特征分析

丁 霞

（北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京密云 101500）

北京市密云縣前火石嶺泥石流溝形成條件及特征分析

丁 霞

（北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京密云 101500）

北京地區(qū)現(xiàn)有泥石流溝856條，分布在北京北部燕山山脈和西部太行山脈一帶，受地形地貌、地質(zhì)條件、降雨條件以及人類活動(dòng)影響較明顯，總體以暴雨溝谷型泥石流為主。密云縣前火石嶺泥石流溝是燕山山脈一帶典型的一條泥石流溝，文章在地質(zhì)調(diào)查和勘查的基礎(chǔ)上，從地質(zhì)條件、地形地貌、降雨條件、人類活動(dòng)等方面，綜合分析前火石嶺泥石流溝的形成條件及特征，同時(shí)對(duì)泥石流溝的發(fā)育情況進(jìn)行深入剖析，按10年一遇暴雨強(qiáng)度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在泥石流溝上游、中游、溝口3個(gè)斷面計(jì)算泥石流運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)，得出該泥石流溝為低易發(fā)-中等易發(fā)稀性水石流，目前處于發(fā)展階段的停歇期，區(qū)域高強(qiáng)度集中降水為泥石流災(zāi)害的激發(fā)因素，泥石流的峰值流量等運(yùn)動(dòng)參數(shù)沿溝逐漸增大。分析結(jié)果對(duì)該泥石流溝的治理方案制定具有重要意義，對(duì)燕山山脈一帶泥石流溝的防治具有借鑒作用。

泥石流；特征分析；地質(zhì)災(zāi)害

0 前言

泥石流是由水、土、巖石等多相物質(zhì)在山區(qū)坡地上或溝道內(nèi)相互作用發(fā)展而形成的一種自然災(zāi)害，可以視為介于崩塌、滑坡等塊體運(yùn)動(dòng)與山洪水流之間的一種物理過(guò)程。水多土（石）少，容易形成山洪；水少土(石)多，容易形成滑坡碎屑流。當(dāng)水土達(dá)到一定比例，既可以在一定動(dòng)力作用下受剪流動(dòng)，又可以由內(nèi)部的屈服強(qiáng)度抵抗一定的剪切力而停積，形成所謂的泥石流。

泥石流形成發(fā)育有3個(gè)必要條件：第一，要有松散固體物質(zhì)，這些物質(zhì)來(lái)源取決于地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地震、不良地質(zhì)現(xiàn)象等因素；第二，水源條件，水不僅是泥石流的組成成分．也是松散固體物質(zhì)的搬運(yùn)介質(zhì)。第三，地形條件，形成泥石流的地形特征是地形陡峻．溝谷坡降大。

1 區(qū)域地質(zhì)條件及泥石流發(fā)育情況

1.1 區(qū)域地質(zhì)條件

前火石嶺泥石流溝位于北京市密云縣北部山區(qū)，地處燕山南麓，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，區(qū)域年均降雨量約600mm。降雨多集中在汛期（6～8月份），占年降水量的70%～75%以上。前火石嶺泥石流溝屬中低山區(qū)侵蝕地貌，海拔標(biāo)高614～960m?？傮w地形東南高西北低，相對(duì)高差100～300m，谷寬20～80m。

泥石流溝地處燕山臺(tái)褶帶之承德迭隆斷三岔口—豐寧中穹斷與燕山臺(tái)褶帶密（云）懷（來(lái)）中隆斷交界處。附近區(qū)域性斷裂為懷柔—白馬關(guān)深斷裂。斷裂帶東北段有北北東向石城—馮家峪斷裂破碎帶出露。

溝域主要發(fā)育太古代構(gòu)造層、中元古代構(gòu)造層和中、新生代構(gòu)造層。大部分地區(qū)的基巖為晚太古代四合堂群宋營(yíng)子組（Arsy），下部為厚層斜長(zhǎng)角閃巖及各種混合巖，原巖以基性-中基性凝灰質(zhì)火山沉積巖為主，局部少許杏仁狀變玄武巖（圖1）。?

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘、探槽情況及民用水井調(diào)查，溝域內(nèi)地下水類型分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。

第四系松散層孔隙水主要賦存于河道松散沖積層中，沉積物主要為礫石、卵石、碎石，補(bǔ)給方式主要來(lái)自大氣降水入滲和基巖裂隙水側(cè)向徑流，以自然蒸發(fā)、植物蒸騰作用為主要排泄方式。

圖1 區(qū)域地質(zhì)圖

溝域內(nèi)的基巖大多為中生界侏羅系后城組，上部主要巖性為角閃斜長(zhǎng)片麻巖、變粒巖，具有發(fā)育一定深度的裂隙，經(jīng)過(guò)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和風(fēng)化作用，裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，基巖裂隙水多賦存于此。補(bǔ)給方式主要為大氣降水入滲，排泄方式豐水期表現(xiàn)為沿河流呈帶狀排泄補(bǔ)給河水；枯水期表現(xiàn)為自然蒸發(fā)、植物蒸騰作用。

泥石流溝位于中山斷塊山地工程地質(zhì)亞區(qū)，屬塊狀結(jié)構(gòu)巖體工程地質(zhì)段，部分區(qū)域?qū)倨瑺罱Y(jié)構(gòu)巖體工程地質(zhì)段，工程地質(zhì)特征為片麻巖、凝灰?guī)r等堅(jiān)硬塊狀變質(zhì)巖體互層或夾于其中的中-淺變質(zhì)巖體，巖體強(qiáng)度和穩(wěn)定性較差，地基土以沖洪?積土、卵石土和碎石土為主，其下為基巖，巖性為太古代變質(zhì)巖（片麻巖），中風(fēng)化至強(qiáng)風(fēng)化，為較好的天然地基。

1.2 泥石流災(zāi)害發(fā)育情況

該泥石流溝主溝道全長(zhǎng)約2700m，平均縱比降12.6%，支溝平均縱比降22%～28%，流域面積約2.08km2，溝谷內(nèi)地質(zhì)條件較復(fù)雜。褶皺構(gòu)造發(fā)育，局部崩塌危巖較發(fā)育，第四系坡積洪積層附著于山坡、坡腳處，厚度自0.5～2.0m不等，支溝與主溝匯交處堆積物較厚。

據(jù)泥石流活動(dòng)情況調(diào)查（表1），番字牌地區(qū)近百年間群發(fā)性泥石流爆發(fā)頻率約在10～12年；近20年該泥石流溝未發(fā)生大規(guī)模泥石流，最近一次是1991年該地區(qū)暴雨期間，有洪水?dāng)y帶泥沙塊石自溝谷沖出，屬水石流，流量較大。

表1 北京密云番字牌地區(qū)泥石流活動(dòng)情況調(diào)查表

溝道下游存在大量中粒徑在20～200mm的碎石、塊石，磨圓較好。最大漂石粒徑約1.30～1.50m，根據(jù)溝谷下游溝口泥石流堆積物數(shù)量及形態(tài)推測(cè)，該區(qū)域歷史上可能發(fā)生過(guò)規(guī)模小于1×104m3的泥石流，間隔超過(guò)20年；溝谷內(nèi)松散堆積物較多，在強(qiáng)降雨激發(fā)下，可能導(dǎo)致泥石流再次爆發(fā)。

依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T 0220-2006），對(duì)泥?石流溝的13個(gè)影響因素綜合量化打分，判定該泥石流溝為低易發(fā)—中等易發(fā)，類型為水石流，屬稀性，具有低頻特點(diǎn)，威脅對(duì)象為溝谷下游村莊居民區(qū)。目前泥石流處于其發(fā)展階段的停歇期。

圖2 泥石流分區(qū)圖

根據(jù)泥石流的發(fā)育現(xiàn)狀和特點(diǎn)，將泥石流溝劃分為形成區(qū)、流通區(qū)及堆積區(qū)三部分，詳見（表2、圖2）。

表2 溝谷分區(qū)特征表

2 泥石流形成條件

2.1 豐富的物源

泥石流溝形成區(qū)的物源主要來(lái)自溝床，部分來(lái)自坡面，由于溝床與坡面自身物質(zhì)的貯存方式、儲(chǔ)備方量及組成成份等方面有較大差別，因此其參與補(bǔ)給泥石流的方式與規(guī)模各不相同。

（1）溝床補(bǔ)給：是泥石流的物質(zhì)來(lái)源之一，有粗粒含量大、粘性物質(zhì)少的特點(diǎn)。占泥石流總補(bǔ)給量的90%以上。碎屑物顆粒級(jí)配相差不明顯，一般多呈圓狀、似圓狀，磨圓性好，大于200mm塊石約占固體物總量的10%；20～200mm的卵石占固體物總量的50%；2～20mm的碎石、礫石占固體物總重量的20%，0.05～2mm的砂土占固體物質(zhì)總重量的20%。溝道堆積物質(zhì)厚度自0.5～2.0m不等。主溝溝道寬約8～30m，溝道總長(zhǎng)度約2700m，估算溝道內(nèi)可供泥石流再啟動(dòng)的物源方量約為 8.1×104m3。

（2）坡面補(bǔ)給：該泥石流溝內(nèi)存在兩處可見的崩塌現(xiàn)象，一處為自然崩塌，另一處系人工采石造成的崩塌，兩處均為小型崩塌，總量約730m3。

（3）松散堆積物：溝谷松散堆積物質(zhì)較厚，第四系殘積、坡積、洪積層附著于山坡、坡腳處，溝谷松散堆積物質(zhì)厚度自0.5～2.0m不等，支溝與主溝匯交處堆積物較厚，約1m，共計(jì)18條支溝，長(zhǎng)度為400～600m，溝道坡積、洪積平均覆蓋寬度約15～25m，據(jù)地形圖估測(cè)溝谷內(nèi)第四系松散坡積、洪積物方量約為18.0×104m3。

（4）其他物源：踏勘發(fā)現(xiàn)，溝內(nèi)有村民自建干砌石擋墻20余座，簡(jiǎn)單壘砌，個(gè)別已被水沖出缺口，如遇強(qiáng)降水，這些干砌片石都可以成為泥石流溝再次啟動(dòng)的物源。粗略估算可提供的物源量約為 200m3。

2.2 適宜的地形條件

山體的坡型、坡度及坡向、溝谷形態(tài)和發(fā)育程度、溝床縱坡大小和曲直狀況都直接影響泥石流的形成和運(yùn)動(dòng)。溝域內(nèi)東南高西北低，溝道兩側(cè)山勢(shì)較陡，自然坡度角約為40°～70°，地形高差較大，相對(duì)高差100～300m，溝谷下游與溝源分水嶺高差達(dá)344m。泥石流溝由18條支溝及1條主溝組成，形成區(qū)支溝溝谷多為東北—西南向，單溝縱坡比降約為22%～28%；主溝溝道近南北向，為坡洪積物匯集流通區(qū)，溝道平均縱比降12.6%，溝道內(nèi)坡洪積物堆積。

較陡的溝道為泥石流的形成提供了較好的勢(shì)能條件，各支溝在暴雨作用下，將坡面各種松散堆積物攜帶進(jìn)入溝道，順流而下，通過(guò)溝道揭底沖刷卷動(dòng)溝道內(nèi)的松散堆積物源，匯入主溝，支溝泥石流固體物質(zhì)部分停積于溝口平緩開闊地帶，部分沿主溝向下游運(yùn)動(dòng)，沖刷主溝溝道，主溝多為稀性水石流或高含沙山洪。溝口堆積區(qū)溝道漸寬，一般50～70m，具備河床形態(tài)。沖洪積物有一定分選性，支溝洪積扇扇頂部為塊石、碎石、礫石；邊緣多為砂土、亞粘土。

2.3 充足的水源

該泥石流溝地處燕山南麓，中低山區(qū)，受氣候與地形影響，降水量具有年際變化大、地區(qū)差異顯著、季節(jié)分配不均、汛期降水集中等特點(diǎn)。全區(qū)年平均降水量為600mm，為北京市降雨較集中地區(qū)，降雨總量高，汛期降水可占年降水的70%以上，且暴雨強(qiáng)度大。根據(jù)雨量及泥石流資料分析，本區(qū)泥石流屬于大暴雨—特大暴雨型。降水量集中和降水強(qiáng)度大是引發(fā)泥石流災(zāi)害的激發(fā)因素。

當(dāng)前期雨量達(dá)80mm，日降雨在150mm以上，1小時(shí)雨強(qiáng)一般在50mm左右，就可能引起泥石流暴發(fā)。根據(jù)密云縣降雨和泥石流之間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，近30年來(lái)，當(dāng)日雨量在100～200mm時(shí)可能出現(xiàn)泥石流；當(dāng)日雨量超過(guò)200mm時(shí)易形成群發(fā)性泥石流，規(guī)模也較大?？傮w來(lái)說(shuō)強(qiáng)降雨控制著該泥石流形成的范圍、規(guī)模與強(qiáng)度。

2.4 強(qiáng)烈的人類工程活動(dòng)

該泥石流溝內(nèi)的人類活動(dòng)較為強(qiáng)烈，主要為水利工程、攔擋工程及養(yǎng)殖建筑等。由于人類生活、旅游、工程建筑等一系列活動(dòng)，對(duì)溝谷中下游溝床形態(tài)造成了一定程度的堵塞和形狀變化，如干砌石擋墻的砌筑、坍塌等。

3 泥石流運(yùn)動(dòng)特征值

按十年一遇暴雨強(qiáng)度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，分析該泥石流溝上游、中游、溝口3個(gè)斷面泥石流運(yùn)動(dòng)特征，這些運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)反映了泥石流的規(guī)模、強(qiáng)度和流體性質(zhì)（表3）。

（1）泥石流峰值流量

假設(shè)泥石流與暴雨同頻率、且同步發(fā)生，計(jì)算斷面的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量全部轉(zhuǎn)變成泥石流流量，根據(jù)現(xiàn)有溝谷面積，植被發(fā)育和徑流系數(shù)，按水文方法計(jì)算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量，選擇堵塞系數(shù)，計(jì)算泥石流峰值流量。計(jì)算公式如下：

式中：

QC——頻率為P的泥石流洪峰值流量（m3/s）；

QP——頻率為P的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

φ——泥石流泥沙修正系數(shù)；

DC——泥石流堵塞系數(shù)。

（2）泥石流流速

泥石流流速是決定泥石流動(dòng)力力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)之一。根據(jù)泥石流發(fā)育類型、流體組成等因素，采用北京市政設(shè)計(jì)院推薦的北京地區(qū)稀性泥石流經(jīng)驗(yàn)公式（2）計(jì)算

式中：

Vc——泥石流斷面平均流速（m/s）；

mw——河床外阻力系數(shù)，按規(guī)范確定取4.0；

Rc——水力半徑（m），以平均水深代替；

I——泥石流水力坡度，以溝床縱坡代替；

α—— α = (γHφ +1)1/2全面考慮的摩擦系數(shù)取α=1.5。

（3）一次過(guò)流總量

依據(jù)泥石流歷時(shí)T（s）和最大流量QC（m3/s），按《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》公式：

計(jì)算一次性泥石流過(guò)流總量，一般泥石流峰值歷時(shí)T（s）為20～60min，本次計(jì)算選取60min。K取0.202。

（4）泥石流整體沖擊力

泥石流沖擊力是泥石流防治工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，泥石流整體沖壓力按《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式（4）計(jì)算

式中：

δ ——泥石流整體沖擊壓力（kN）；

λ ——建筑物形狀系數(shù)，矩形建筑物取1.33；

γc——泥石流重度（kN / m3）；

Vc ——泥石流斷面平均流速（m/s）；

α ——建筑物受力面與泥石流沖壓方向的夾角。

（5）泥石流沖起高度

泥石流遇反坡，由于慣性作用，將沿直線前進(jìn)的現(xiàn)象稱為爬高；泥石流遇阻，其動(dòng)能瞬間轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，撞擊處使泥漿及包裹的石塊飛濺起來(lái)，稱為泥石流的沖起。泥石流爬高和最大沖起高度按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中公式（5）和（6）計(jì)算：

表3 泥石流溝主要斷面運(yùn)動(dòng)特征值

式中：

ΔH ——泥石流最大沖起高度（m）；

ΔHc ——泥石流爬高（m）；

Vc ——泥石流平均流速（m）；

b ——迎面坡度的函數(shù)。

（6）泥石流的彎道超高

彎道超高是因?yàn)槟嗍髟跍喜坜D(zhuǎn)彎處因凹岸處流速較快，流體增厚，凸岸一側(cè)流速較慢，流體變薄產(chǎn)生的超高現(xiàn)象。其計(jì)算按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中公式（7）計(jì)算，泥石流特征值計(jì)算結(jié)果如表3。

式中：

Δh ——彎道超高；R2——凹岸曲率半徑；R1——凸岸曲率半徑；Vc——泥石流流速。

4 結(jié)論

前火石嶺泥石流溝為低易發(fā)—中等易發(fā)，類型為水石流，屬稀性，具有低頻特點(diǎn)，威脅對(duì)象為溝谷下游村莊居民區(qū)。目前泥石流處于其發(fā)展階段的停歇期。主溝溝道長(zhǎng)約2700m，寬約8～30m，溝道兩側(cè)坡面崩塌碎石堆，第四系殘積、坡積、洪積層附著于山坡、坡腳處，溝域較厚的松散堆積物質(zhì)，尤其在支溝與主溝匯交處最厚，溝谷內(nèi)村民簡(jiǎn)單壘砌的擋墻，都為泥石流的形成提供了大量的物源；而東南高西北低的地形，兩側(cè)較陡山勢(shì)，較大的高差，又為泥石流的形成提供了較好的勢(shì)能條件；區(qū)域較集中降水量以及高強(qiáng)度降水成為引發(fā)泥石流災(zāi)害的激發(fā)因素；這些使得該泥石流溝具備了再次啟動(dòng)的條件。

按十年一遇暴雨強(qiáng)度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算該泥石流溝泥石流運(yùn)動(dòng)特征值可知，泥石流的峰值流量、流速、一次過(guò)流總量、整體沖擊力、最大沖起高度、爬高、彎道超高沿泥石流溝逐漸增大，變化區(qū)間依次為：0.9～4.29 m3/s、1.49～2.70 m/s、0.065～0.312萬(wàn)m3、4.76～15.62 kN、0.11～0.37 m、0.18～0.60 m、0.077～0.216 m。

建議利用攔擋工程對(duì)該泥石流溝的物源物質(zhì)進(jìn)行攔擋，以消除泥石流溝再次啟動(dòng)帶來(lái)的不利影響。

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Forming Condition and Characteristics Analysis on the Qianhuoshiling Debris Flow Gully in Miyun County, Beijing

DING Xia
（Beijing Geological Engineering Design Institute, beijing 101500）

There are about 856 debris flow gullies in Beijing area, located at Yanshan Mountains in the northern area of Beijing and Taihang Mountains in the western area of Beijing. Infl uenced by topography, geological conditions, rainfall conditions and human activities, the debris fl ow type is mainly rain gully debris fl ow. The Qianhuoshiling debris fl ow gully is a typical debris fl ow gully in the Yanshan Mountains. On the basis of geological survey and exploration, this paper comprehensively analyzes the forming conditions and characteristics of the Qianhuoshiling debris flow gully from geological conditions, topography, rainfall conditions and human activities, while the development of debris fl ow gully is analyzed in depth. According to the design criteria of once rainstorm in every10 years, the motion characteristic parameters of debris flow are calculated respectively in three sections of the upstream, midstream, headstream of the debris fl ow gully. We come to the conclusion that the debris fl ow belongs to the water stone fl ow and is in the rest period of the development stage at present. High intensity concentrated rainfall is the motivating factor for the debris fl ow. And peak fl ow landslides and other motion parameters gradually increase along the debris fl ow gully. The analysis of the article is of great signifi cance to the selection of the control scheme of the debris fl ow gully. At the same time, it has a reference for the prevention and control of debris fl ow along the Yanshan Mountains.

Debris fl ow; Characteristic analysis; Geology disaster

P642.23

A

1007-1903（2015）03-0033-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2015.04.007

項(xiàng)目來(lái)源：北京市密云水庫(kù)周邊地區(qū)特大型地質(zhì)災(zāi)害防治工程項(xiàng)目

丁 霞（1983- ），女，碩士，工程師，主要從事礦山地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害的防治以及礦山生態(tài)修復(fù)。Email: 58324837@qq.com