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

（北京市地質工程設計研究院，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

（北京市地質工程設計研究院，北京密云 101500）

北京地區現有泥石流溝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、地質條件、降雨條件以及人類活動影響較明顯，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，文章在地質調查和勘查的基礎上，從地質條件、地形地貌、降雨條件、人類活動等方面，綜合分析前火石嶺泥石流溝的形成條件及特征，同時對泥石流溝的發育情況進行深入剖析，按10年一遇暴雨強度的設計標準，在泥石流溝上游、中游、溝口3個斷面計算泥石流運動特征參數，得出該泥石流溝為低易發-中等易發稀性水石流，目前處于發展階段的停歇期，區域高強度集中降水為泥石流災害的激發因素，泥石流的峰值流量等運動參數沿溝逐漸增大。分析結果對該泥石流溝的治理方案制定具有重要意義，對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；地質災害

0 前言

泥石流是由水、土、巖石等多相物質在山區坡地上或溝道內相互作用發展而形成的一種自然災害，可以視為介于崩塌、滑坡等塊體運動與山洪水流之間的一種物理過程。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。當水土達到一定比例，既可以在一定動力作用下受剪流動，又可以由內部的屈服強度抵抗一定的剪切力而停積，形成所謂的泥石流。

泥石流形成發育有3個必要條件：第一，要有松散固體物質，這些物質來源取決于地層巖性、地質構造、新構造運動與地震、不良地質現象等因素；第二，水源條件，水不僅是泥石流的組成成分．也是松散固體物質的搬運介質。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 區域地質條件及泥石流發育情況

1.1 區域地質條件

前火石嶺泥石流溝位于北京市密云縣北部山區，地處燕山南麓，屬暖溫帶大陸性季風氣候，區域年均降雨量約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侵蝕地貌，海拔標高614～960m。總體地形東南高西北低，相對高差100～300m，谷寬20～80m。

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

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

根據現場踏勘、探槽情況及民用水井調查，溝域內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，補給方式主要來自大氣降水入滲和基巖裂隙水側向徑流，以自然蒸發、植物蒸騰作用為主要排泄方式。

圖1 區域地質圖

溝域內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片麻巖、變粒巖，具有發育一定深度的裂隙，經過構造運動和風化作用，裂隙發育強烈，基巖裂隙水多賦存于此。補給方式主要為大氣降水入滲，排泄方式豐水期表現為沿河流呈帶狀排泄補給河水；枯水期表現為自然蒸發、植物蒸騰作用。

泥石流溝位于中山斷塊山地工程地質亞區，屬塊狀結構巖體工程地質段，部分區域屬片狀結構巖體工程地質段，工程地質特征為片麻巖、凝灰巖等堅硬塊狀變質巖體互層或夾于其中的中-淺變質巖體，巖體強度和穩定性較差，地基土以沖洪?積土、卵石土和碎石土為主，其下為基巖，巖性為太古代變質巖（片麻巖），中風化至強風化，為較好的天然地基。

1.2 泥石流災害發育情況

該泥石流溝主溝道全長約2700m，平均縱比降12.6%，支溝平均縱比降22%～28%，流域面積約2.08km2，溝谷內地質條件較復雜。褶皺構造發育，局部崩塌危巖較發育，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。

據泥石流活動情況調查（表1），番字牌地區近百年間群發性泥石流爆發頻率約在10～12年；近20年該泥石流溝未發生大規模泥石流，最近一次是1991年該地區暴雨期間，有洪水攜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泥石流活動情況調查表

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，根據溝谷下游溝口泥石流堆積物數量及形態推測，該區域歷史上可能發生過規模小于1×104m3的泥石流，間隔超過20年；溝谷內松散堆積物較多，在強降雨激發下，可能導致泥石流再次爆發。

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

圖2 泥石流分區圖

根據泥石流的發育現狀和特點，將泥石流溝劃分為形成區、流通區及堆積區三部分，詳見（表2、圖2）。

表2 溝谷分區特征表

2 泥石流形成條件

2.1 豐富的物源

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

（1）溝床補給：是泥石流的物質來源之一，有粗粒含量大、粘性物質少的特點。占泥石流總補給量的90%以上。碎屑物顆粒級配相差不明顯，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的砂土占固體物質總重量的20%。溝道堆積物質厚度自0.5～2.0m不等。主溝溝道寬約8～30m，溝道總長度約2700m，估算溝道內可供泥石流再啟動的物源方量約為 8.1×104m3。

（2）坡面補給：該泥石流溝內存在兩處可見的崩塌現象，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18條支溝，長度為400～600m，溝道坡積、洪積平均覆蓋寬度約15～25m，據地形圖估測溝谷內第四系松散坡積、洪積物方量約為18.0×104m3。

（4）其他物源：踏勘發現，溝內有村民自建干砌石擋墻20余座，簡單壘砌，個別已被水沖出缺口，如遇強降水，這些干砌片石都可以成為泥石流溝再次啟動的物源。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、溝谷形態和發育程度、溝床縱坡大小和曲直狀況都直接影響泥石流的形成和運動。溝域內東南高西北低，溝道兩側山勢較陡，自然坡度角約為40°～70°，地形高差較大，相對高差100～300m，溝谷下游與溝源分水嶺高差達344m。泥石流溝由18條支溝及1條主溝組成，形成區支溝溝谷多為東北—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，溝道平均縱比降12.6%，溝道內坡洪積物堆積。

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入溝道，順流而下，通過溝道揭底沖刷卷動溝道內的松散堆積物源，匯入主溝，支溝泥石流固體物質部分停積于溝口平緩開闊地帶，部分沿主溝向下游運動，沖刷主溝溝道，主溝多為稀性水石流或高含沙山洪。溝口堆積區溝道漸寬，一般50～70m，具備河床形態。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，受氣候與地形影響，降水量具有年際變化大、地區差異顯著、季節分配不均、汛期降水集中等特點。全區年平均降水量為600mm，為北京市降雨較集中地區，降雨總量高，汛期降水可占年降水的70%以上，且暴雨強度大。根據雨量及泥石流資料分析，本區泥石流屬于大暴雨—特大暴雨型。降水量集中和降水強度大是引發泥石流災害的激發因素。

當前期雨量達80mm，日降雨在150mm以上，1小時雨強一般在50mm左右，就可能引起泥石流暴發。根據密云縣降雨和泥石流之間的統計數據表明，近30年來，當日雨量在100～200mm時可能出現泥石流；當日雨量超過200mm時易形成群發性泥石流，規模也較大。總體來說強降雨控制著該泥石流形成的范圍、規模與強度。

2.4 強烈的人類工程活動

該泥石流溝內的人類活動較為強烈，主要為水利工程、攔擋工程及養殖建筑等。由于人類生活、旅游、工程建筑等一系列活動，對溝谷中下游溝床形態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 泥石流運動特征值

按十年一遇暴雨強度的設計標準，分析該泥石流溝上游、中游、溝口3個斷面泥石流運動特征，這些運動特征參數反映了泥石流的規模、強度和流體性質（表3）。

（1）泥石流峰值流量

假設泥石流與暴雨同頻率、且同步發生，計算斷面的暴雨洪水設計流量全部轉變成泥石流流量，根據現有溝谷面積，植被發育和徑流系數，按水文方法計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，計算泥石流峰值流量。計算公式如下：

式中：

QC——頻率為P的泥石流洪峰值流量（m3/s）；

QP——頻率為P的暴雨洪水設計流量（m3/s）；

φ——泥石流泥沙修正系數；

DC——泥石流堵塞系數。

（2）泥石流流速

泥石流流速是決定泥石流動力力學性質的重要參數之一。根據泥石流發育類型、流體組成等因素，采用北京市政設計院推薦的北京地區稀性泥石流經驗公式（2）計算

式中：

Vc——泥石流斷面平均流速（m/s）；

mw——河床外阻力系數，按規范確定取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取α=1.5。

（3）一次過流總量

依據泥石流歷時T（s）和最大流量QC（m3/s），按《泥石流災害防治工程勘查規范》公式：

計算一次性泥石流過流總量，一般泥石流峰值歷時T（s）為20～60min，本次計算選取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計的重要參數，泥石流整體沖壓力按《泥石流災害防治工程設計規范》中的公式（4）計算

式中：

δ ——泥石流整體沖擊壓力（kN）；

λ ——建筑物形狀系數，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，將沿直線前進的現象稱為爬高；泥石流遇阻，其動能瞬間轉化為勢能，撞擊處使泥漿及包裹的石塊飛濺起來，稱為泥石流的沖起。泥石流爬高和最大沖起高度按照《泥石流災害防治工程勘查規范》中公式（5）和（6）計算：

表3 泥石流溝主要斷面運動特征值

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。

（6）泥石流的彎道超高

彎道超高是因為泥石流在溝槽轉彎處因凹岸處流速較快，流體增厚，凸岸一側流速較慢，流體變薄產生的超高現象。其計算按照《泥石流災害防治工程勘查規范》中公式（7）計算，泥石流特征值計算結果如表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 結論

前火石嶺泥石流溝為低易發—中等易發，類型為水石流，屬稀性，具有低頻特點，威脅對象為溝谷下游村莊居民區。目前泥石流處于其發展階段的停歇期。主溝溝道長約2700m，寬約8～30m，溝道兩側坡面崩塌碎石堆，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，尤其在支溝與主溝匯交處最厚，溝谷內村民簡單壘砌的擋墻，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，兩側較陡山勢，較大的高差，又為泥石流的形成提供了較好的勢能條件；區域較集中降水量以及高強度降水成為引發泥石流災害的激發因素；這些使得該泥石流溝具備了再次啟動的條件。

按十年一遇暴雨強度的設計標準，計算該泥石流溝泥石流運動特征值可知，泥石流的峰值流量、流速、一次過流總量、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，變化區間依次為：0.9～4.29 m3/s、1.49～2.70 m/s、0.065～0.312萬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該泥石流溝的物源物質進行攔擋，以消除泥石流溝再次啟動帶來的不利影響。

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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

項目來源：北京市密云水庫周邊地區特大型地質災害防治工程項目

丁 霞（1983- ），女，碩士，工程師，主要從事礦山地質環境、地質災害的防治以及礦山生態修復。Email: 58324837@qq.com