北京市房山區(qū)霞云嶺“7·20”坡面泥石流特點(diǎn)及形成因素淺析

王海芝，胡福根，于 淼, 任凱珍

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

坡面泥石流是在很短的時(shí)間內(nèi)，由滑坡體的位能快速轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的一次性滑動(dòng)—流動(dòng)堆積，是坡面土體和水流相互作用的結(jié)果。雖然坡面泥石流的規(guī)模較小，但是由于其分布廣，速度快，突發(fā)性強(qiáng)，沖擊力大，所以是危害十分嚴(yán)重的突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。李樹(shù)德等（1988）根據(jù)其受力運(yùn)動(dòng)方式將其劃分為滑坡型泥石流和崩塌型泥石流，統(tǒng)稱為坡面泥石流。我國(guó)多位學(xué)者研究了坡面泥石流發(fā)育的地貌、地質(zhì)條件、激發(fā)因素，取得了相應(yīng)的研究成果，推動(dòng)了坡面泥石流的理論認(rèn)識(shí)。曾凡偉等（2005）從地貌的角度分析了地貌因素與坡面泥石流形成的關(guān)系；劉成等（2006）從坡度的角度對(duì)坡面泥石流的坡面因素進(jìn)行了研究與分析，認(rèn)為坡面泥石流的發(fā)生與坡度存在密不可分的聯(lián)系；有學(xué)者從主要激發(fā)因素方面，分析了強(qiáng)降雨對(duì)坡面泥石流形成的影響（王士革，1999；周偉等，2013；余斌等，2016）；還有學(xué)者利用調(diào)查與試驗(yàn)手段，從多個(gè)角度對(duì)坡面泥石流的發(fā)生與演化進(jìn)行了研究與探索（胡明鑒等，2003；馮自立等，2005）。研究普遍認(rèn)為坡面泥石流的產(chǎn)生是由于前期降雨及當(dāng)日強(qiáng)降雨共同作用下，降低了坡面土體的抗剪強(qiáng)度，土體局部出現(xiàn)剪切破壞，雨水入滲使裂隙飽水，土體孔隙水壓力升高形成超孔隙水壓力，斜坡巖土體啟動(dòng)下滑。在滑動(dòng)過(guò)程中，滑動(dòng)土體碰撞、剝離解體，下泄造漿形成泥石流。上述研究多集中于坡面泥石流區(qū)域共性特點(diǎn)及發(fā)生機(jī)理方面，而對(duì)于特定區(qū)域坡面泥石流發(fā)育的環(huán)境及其激發(fā)條件綜合分析的研究較少，而這恰恰是區(qū)域坡面泥石流防災(zāi)減災(zāi)的重要依據(jù)，是今后坡面泥石流研究工作的重點(diǎn)。

坡面泥石流是近年北京市發(fā)生數(shù)量較多的突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2004年到2020年的17年間，共發(fā)生坡面泥石流11起（北京市地質(zhì)研究所，2004—2020），占已發(fā)生泥石流災(zāi)害總數(shù)的31.43%。已發(fā)生的坡面泥石流造成2人死亡，數(shù)百萬(wàn)的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了人民的生產(chǎn)生活。對(duì)于北京的溝谷型泥石流，諸多學(xué)者進(jìn)行了多方面研究，并且都取得了令人滿意的成果（賈三滿等，2016；申健等，2018；王海芝，2019，2020），而對(duì)于坡面泥石流的研究較少。由于坡面泥石流在發(fā)生之前，具有較強(qiáng)的隱蔽性，所以，雖然其規(guī)模較小，但是造成的危害卻不容忽視，為防災(zāi)減災(zāi)帶來(lái)一定的困難。因此對(duì)坡面泥石流的特點(diǎn)及形成機(jī)理進(jìn)行研究，對(duì)提高防災(zāi)減災(zāi)效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文采用統(tǒng)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及典型案例分析的方法，對(duì)房山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)坡面泥石流的特點(diǎn)、發(fā)生條件進(jìn)行了分析研究，以期對(duì)今后坡面泥石流的防災(zāi)減災(zāi)工作提供技術(shù)支撐。

1 霞云嶺坡面泥石流及其特點(diǎn)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近17年來(lái)，北京市共發(fā)生坡面泥石流11起，造成2人死亡，經(jīng)濟(jì)損失數(shù)百萬(wàn)元。其中7起坡面泥石流發(fā)生在北京市房山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)（表1、圖1），占發(fā)生泥石流數(shù)量的63.64%。

圖1 房山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)白草畔景區(qū)公路泥石流災(zāi)害位置示意圖Fig. 1 Location of highway debris flow disaster in baicaopan scenic area, Xiayunling Township, Fangshan District

表1 北京市房山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)坡面泥石流基本信息統(tǒng)計(jì)表Tab. 1 Statistical table of basic information of slope debris flow in Beijing in Xiayunling Township, Fangshan

坡面泥石流發(fā)生地的地形陡峻，松散物厚度大。從發(fā)生坡面泥石流的地形看，坡度均大于25°，松散堆積物厚度多大于1 m，這與國(guó)內(nèi)其他地區(qū)發(fā)生坡面泥石流的坡度及松散堆積物特點(diǎn)具有一致性。

坡面泥石流發(fā)生位置具有較高的隱蔽性。由于發(fā)生坡面泥石流區(qū)域松散物厚度較大，利于植被生長(zhǎng)，因此植被發(fā)育極其茂盛，且多為灌木和喬木，植被覆蓋率均在80%以上。高植被覆蓋率導(dǎo)致很難在前期調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)形變的跡象，只有在泥石流爆發(fā)之后才能確認(rèn)災(zāi)害的位置。

坡面泥石流具有明顯的群發(fā)性。霞云嶺鄉(xiāng)坡面泥石流，有6起坡面泥石流是發(fā)生于兩場(chǎng)降雨激發(fā)的群發(fā)性坡面泥石流，占發(fā)生坡面泥石流數(shù)量的54.54%。群發(fā)性高的主要原因是同一個(gè)地區(qū)地形地貌及松散堆積物的特點(diǎn)基本相同，在強(qiáng)降雨的作用下，一旦達(dá)到了激發(fā)條件，極易同時(shí)暴發(fā)。坡面泥石流群發(fā)性的特點(diǎn)，在一定程度上增加了該類突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)工作的難度。

坡面泥石流的日激發(fā)雨量均為大暴雨或以上級(jí)別。其中人工堆積坡面泥石流及1次自然堆積坡面泥石流日降雨量為大暴雨量級(jí)，其他坡面泥石流激發(fā)日雨量均達(dá)到了特大暴雨級(jí)別。從小時(shí)降雨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得出，激發(fā)坡面泥石流的小時(shí)雨強(qiáng)均大于30 mm·h-1。

2 “7·20”坡面泥石流

“7·20”降雨是北京市1963年以來(lái)降雨量最大的場(chǎng)次降雨過(guò)程，全市平均降雨超過(guò)200 mm，降雨總量超過(guò)2012年的“7·21”暴雨的降雨總量。本次降雨并未激發(fā)典型的溝谷泥石流，但是卻激發(fā)了典型的坡面泥石流，說(shuō)明“7·20”降雨滿足坡面泥石流的激發(fā)條件，但是尚未達(dá)到溝谷型泥石流的激發(fā)條件。

2.1 地質(zhì)環(huán)境條件

2016年7月20日房山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)白草畔景區(qū)公路西側(cè)山體發(fā)生3起小型坡面泥石流災(zāi)害，距離較近（圖1）。3起坡面泥石流均位于四馬臺(tái)村大石根溝西側(cè)坡面上，整體坡面較陡，坡度35°～ 45°，相對(duì)高差500 m，植被覆蓋率90%，坡體表層以碎石土為主，局部基巖出露，巖性以?shī)W陶系馬家溝組灰?guī)r為主。由上述可以看出，白草畔景區(qū)公路具備了發(fā)生坡面泥石流的地質(zhì)條件及地貌條件。在充分降雨的激發(fā)條件下，發(fā)生了坡面泥石流。

2.2 坡面泥石流特征

No1坡面泥石流位于景區(qū)公路西側(cè)邊坡，坡度40°。該處坡面泥石流順坡長(zhǎng)約150 m，寬約28 m，沖刷深度約1.2 m，沖出方量約5000 m3，沖出土石方堆積在坡面及溝道內(nèi)。堆積物成分主要為碎石土，碎石含量30%，一般塊徑0.1～0.3 m。坡腳修建漿砌石擋墻，擋墻高1.5 m，厚0.5 m，該坡面泥石流造成坡腳擋墻垮塌長(zhǎng)度約25 m。

No2坡面泥石流位于景區(qū)公路西側(cè)邊坡，坡度38°，該處坡面泥石流順坡長(zhǎng)約100 m，寬約20 m，沖刷深度約1.5 m，沖出方量約3000 m3，沖出土石方堆積在坡面及溝道內(nèi)。堆積物成分主要為碎石土，碎石含量30%，一般塊徑0.1～0.3 m。坡腳修建漿砌石擋墻，擋墻高1.5 m，厚0.5 m，該坡面泥石流造成坡腳擋墻垮塌長(zhǎng)度約18 m。

No3坡面泥石流位于景區(qū)公路西側(cè)邊坡，坡度25°，該處坡面泥石流順坡長(zhǎng)約150 m，寬約10 m，沖刷深度約1 m，沖出方量約1500 m3，沖出土石方堆積在坡面及溝道內(nèi)。堆積物成分主要為碎石土，碎石含量80%，最大塊徑2 m，一般塊徑0.2～0.4 m。坡腳修建漿砌石擋墻，擋墻高1.5 m，厚0.5 m，該坡面泥石流造成坡腳擋墻垮塌長(zhǎng)度約8 m。

2.3 坡面泥石流的激發(fā)因素

根據(jù)楊為民（2007）的研究，坡面泥石流的形成演化是按照降水入滲飽和階段→局部剪切破壞階段→滑動(dòng)面擴(kuò)展貫通階段→坡體啟動(dòng)下滑階段→滑體解體造漿階段→坡面流體堆積階段的過(guò)程推進(jìn)的，這與白草畔坡面泥石流的形成過(guò)程基本是吻合的。百草畔坡面泥石流正是在具備了地質(zhì)及地貌條件的前提下，在特大暴雨激發(fā)下形成了坡面泥石流。

2016年7月19日凌晨至21日，黃淮氣旋北上驅(qū)動(dòng)其北側(cè)的穩(wěn)定偏東水汽向西山移動(dòng)，在地形的作用下，水汽抬升產(chǎn)生連續(xù)降雨。這次降雨總體具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣、總量大、雨強(qiáng)高等特點(diǎn)（圖2）。

圖2 2016年7月20日北京市降雨量分布圖Fig. 2 Rainfall distribution map of Beijing on July 20, 2016

“7·20” 整個(gè)降雨過(guò)程達(dá)55 h，主要降雨出現(xiàn)在19日白天和20日凌晨至夜間2個(gè)時(shí)段。其中 20日8時(shí)—24時(shí)是本場(chǎng)降雨的主要時(shí)段，最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到了40 mm（圖3），全市平均降雨量212.6 mm，暴雨中心的總降雨量超過(guò)400 mm。本場(chǎng)降雨雖然持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，但是雨勢(shì)比較平穩(wěn)，這是本場(chǎng)降雨總雨量大卻沒(méi)有激發(fā)群發(fā)性的溝谷型泥石流的主要原因。

圖3 2016年7月20日霞云嶺逐時(shí)降水量分布圖Fig. 3 Hourly precipitation distribution map of Xiayunling on July 20, 2016

連續(xù)降雨，雨水下滲，使得坡面殘坡積土的飽和度迅速上升，達(dá)到或接近飽和，土體發(fā)生軟化，同時(shí)孔隙水壓力迅速增大，在雨強(qiáng)較大的時(shí)段，強(qiáng)大的沖擊力致使坡體局部殘坡積土失穩(wěn)，產(chǎn)生滑動(dòng)，并迅速與降水混合形成了坡面泥石流。

3 結(jié)論與建議

（1）坡面泥石流是北京市重要的突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，其發(fā)生數(shù)量占北京市泥石流災(zāi)害總數(shù)的31.43%。坡面泥石流具有隱蔽性高、群發(fā)性強(qiáng)（較高的區(qū)域聚集性）、規(guī)模小、破壞力強(qiáng)的特點(diǎn)，在防災(zāi)減災(zāi)工作中需要加強(qiáng)防范。

（2）坡面泥石流的日激發(fā)雨量為大暴雨或以上級(jí)別。人工堆積坡面及小部分自然堆積坡面泥石流激發(fā)日降雨量為大暴雨量級(jí)，多數(shù)自然堆積坡面激發(fā)日雨量為特大暴雨級(jí)別，激發(fā)小時(shí)雨強(qiáng)＞30mm·h-1。