房山周口店車廠北溝泥石流特征及防治

黃來源，韓建超，季 為，張 亮，齊 干

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房山周口店車廠北溝泥石流特征及防治

黃來源，韓建超，季 為，張 亮，齊 干

（北京市地質研究所，北京 100120）

泥石流是北京地區危害性嚴重的地質災害之一，作為北京“7·21”特大暴雨災害受災最為嚴重的區縣，房山區近現代泥石流一直比較活躍，災情嚴重。為了查清房山區“7·21”特大暴雨后典型泥石流災害發育和運動特征，本文選取了車廠村北溝作為樣本，通過采用現場調查、槽探、巖土測試等方法，對主溝整體流域進行了系統研究。從而查清了形成區的物源類型和可移動物源儲量，掌握了全流域的溝道形態特征；通過對堆積區堆積形態和堆積物調查分析，論述了主溝水動力特征和沖淤特征；根據相關規范，計算得出了泥石流的動力學參數。分析了泥石流形成機理，進行了危險性評價，提出了防治對策。

“7·21”特大暴雨；地質災害；泥石流；特征；穩定性評價

0　引言

泥石流是北京地區危害性嚴重的地質災害之一，作為北京“7·21”特大暴雨災害受災最為嚴重的區縣，房山區近現代泥石流一直比較活躍，災情嚴重。俗稱“房山北溝”大石河流域中上游和俗稱“房山南溝”拒馬河流域是泥石流災害的主要發育地區，歷史上曾發生過多次山洪泥石流災害。據有記載的統計，房山地區共發生過55次泥石流（北京市地質研究所，1993），新中國成立后（1950年至今）發生過37次，其中以1914年和2012年的兩次泥石流災害最嚴重。1914年大安山寺尚溝發生泥石流，造成60余人死亡。2012年“7·21”特大暴雨中房山區發生28處泥石流（含洪水），毀房97間，毀路14650m，人員傷亡若干。當時周口店降雨量達400mm，車廠北溝上游皋溝發生山洪泥石流，前期建設的旅游基礎設施遭受重創，造成直接經濟損失達2000多萬元（黃來源等，2013）。

1　地質環境條件

本區屬溫帶季風氣候，年平均氣溫為11.9℃，年平均降水量為582.8mm，年平均相對濕度61%，年平均無霜期202天。全年日照2553.8小時，占可照時數的58%（北京市國土資源局，2006；北京市科學技術協會，1992）。

車廠北溝處于太行山余脈大房山東南麓，地勢西北高，東南低，西部為石灰巖丘陵、崗地，最高點貓耳山海拔1243m，車廠村最低處海拔188m（北京市地質礦產局，1991）。出露地層巖性主要為侏羅系九龍山組紫紅色、灰綠色凝灰質粉砂巖、細砂巖；龍門組灰黑色砂巖、粉砂巖；窯坡組細砂巖、砂巖、粉砂巖。三疊系中下統雙泉組凝灰質砂巖、粉砂巖。二疊系石盒子組粗砂巖、砂巖、粉砂巖。奧陶系中統馬家溝組粉晶灰巖、白云巖。著名的房山侵入巖體位于本地區東側，發育侵入巖為花崗閃長巖（鮑亦岡等，2001）。溝內少量第四系的沖洪積及殘坡積的碎石粘土等（圖1）。本區主要發育北北東向展布的向斜褶皺構造。核部地層為侏羅系九龍山組砂巖。兩側巖體依次變老。明萬歷年間，發生地震，震中在黃院（李善明等，1983）。本地區發育碎屑巖基巖裂隙水，含水巖組為砂巖、頁巖與煤層互層含水巖組，泉流量小于300m3/d（北京市水文地質工程地質大隊等，2000）。

圖1　工作區域地質圖Fig.1 Geological map of the work area

2　泥石流基本特征

2.1泥石流流域特征

車廠北溝整體流域形態為細長帶形，呈西北—東南走向，支溝發育一般，支溝溝域形態受地質構造控制呈非對稱分布，支溝長度一般較小。主溝流域縱向長度約3km，平均寬度約1.5km，流域面積約4.1km2。溝域最高點位于皋溝溝頭西南部的分水嶺，高程1141.5m，最低點位于溝口38路車站處，高程為198.5m，最高點與最低點相對高差約940m，主溝平均縱坡降31.3%。

主溝上游皋溝段山體陡峻，平均坡度在30°以上，主溝溝谷縱坡大，有多處跌水，急彎出現，溝谷較發育，有利于地表降水的匯集，并且由于本地區為發育沉積巖和火山巖，基巖裂隙水發育，溝內常年發育地表徑流。為泥石流發育條件中的水源匯集提供了基礎。

車廠北溝整體流域上泥石流形成區、流通區、堆積區并沒有明顯的界限，沒有典型的物源區和流通區。主溝溝道堆積加之支溝的老泥石流堆積又成為流通區范圍內的物源區。根據北溝的整體流域特征、形成條件、松散物源分布情況等，將整條溝分成3個區域。皋溝上游瀑布以上3條支溝流域范圍約1km2，植被發育，殘坡積物較薄，基巖出露范圍較大物源少，因此劃分為泥石流形成區（清水區）；皋溝瀑布以下至皋溝與柳溝交匯處，溝底物源堆積豐富，兩側邊坡存在崩滑現象，為泥石流松散物源主要的分布區域，劃分為泥石流形成區（物源區）；皋溝與柳溝交匯處以下為流通堆積區。

形成區（清水區）位于主溝上游支溝皋溝上游兩溝匯流跌水處以上區域，面積1km2，海拔1000～1100m，周邊地勢較平坦，坡度15°～25°，坡積物與基巖分界不明顯，界線一般位于地形坡度大于45°～50°坡腳位置，殘坡積物厚度約1～2m，坡體表面分布零星崩落塊石，粒徑0.5～1.5m，周邊植被以灌草為主，覆蓋率80%，山坡穩定性較好，溝谷發育一般，形成泥石流物源主要以沖溝兩側溝岸面蝕和山坡面蝕為主，出露巖性為粉砂巖，產狀116°∠35°（照片1） 。

照片1　主溝上游坡面危巖Pic.1 Rock in main gully

照片2　主溝上游7.21暴雨堆積物Pic.2 Storm deposits in main gully

圖2　車廠北溝泥石流形成區（物源區）A-A剖面圖Fig.2 A-A sectional view of Beigou debris flow formation region

圖3　車廠北溝泥石流形成區（物源區）B-B剖面圖Fig.3 B-B sectional view of Beigou debris flow formation region

泥石流形成區（物源區）分布于皋溝瀑布以下至皋溝與柳溝交匯處，該段溝道長度約2km，物源區面積約4km2。

該段溝谷邊坡陡峻，構造復雜，褶皺斷層發育，松散堆積物厚度相對較大，不良地質現象發育，特別是“7·21”特大暴雨后產生多處溝岸崩滑，為泥石流的發育提供了松散物源（照片2、圖2、圖3）。

泥石流流通堆積區分布于皋溝與柳溝交匯處至車廠村房山38路汽車站，該段溝道長度約2km，寬約0.2km，主溝縱坡較緩，泥石流堆積方量約50×104m3， 主溝堆積扇區發育不典型，支溝發育小型堆積扇（照片3、圖4）。

根據對溝道堆積物（含泥石流堆積物和部分沖洪積物）進行了顆粒級配分析試驗，泥石流的顆粒級配關系反應了不同溝段位置的水動力條件和沖淤特征，與野外調查的情況基本相符，主要體現在以下幾個方面：①試驗成果均反應出堆積物種礫石含量最大值達到82.9%，最小值為36.4%，平均值為70%～80%，土石比自上游至下游呈現變小的趨勢，土石比總體水平較高，說明車廠北溝常年水動力條件一般，水庫下游水動力條件稍好，正是由于逐步增強水動力條件下，溝道淺部的細小顆粒部分被洪水帶走，將粗顆粒物質留于溝道內所致（表1）。②同溝段樣品試驗成果的差異也反映了不同溝段水動力條件的差異和沖淤特征（黃來源等，2014）。如TC2、TC3 、TC4位于溝道內物源形成區下部較平緩的地帶，有利于泥沙沉積，又由于其位于溝道上游，水動力條件一般，故其土石比較高。流通堆積區中段TC5、TC6所處位置溝谷縱坡總體上均較緩，溝谷沖淤特征均表現出以淤為主的特點，但由于隨著支溝匯水的增加，水動力條件改善，其土石比有降低趨勢。龍門口水庫下游段處TC7溝谷縱比降相對更小，且沖淤特征表現為以淤為主，但因水庫的存在，可以調蓄水源；水動力條件較上游規律，雖然表現出以淤為主的特點，但土石比較上游降低。③由于溝域內溝道堆積物總體上土石比較高，其顆粒級配特征表現為大部分集中于＞2mm的礫石，而粒徑＜2mm的砂粒和粉粘粒含量一般占比38%～17.1%，較高水平的土石比反映了該溝水動力條件相對較弱，沖淤特征常表現出以淤為主的特點。④堆積物顆粒級配反映的溝床沖淤特征是溝床經過長期積累的平均效應，其沖淤變化是相對的，該溝總體上體現出以淤為主的特點（黃來源等，2012），但如果發生“7·21”規模的山洪泥石流，溝道下游的沖淤變化也可能轉變成以沖刷為主的特點。

照片3　主溝中游溝道堆積Pic.3 Deposit in main gully

圖4　車廠北溝泥石流流通堆積區E-E剖面圖Fig.4 E-E sectional view of Beigou debris flow

表1　車廠北溝泥石流堆積物顆粒分析結果統計表Tab.1 Debris flow particle analysis results tables

2.2泥石流動力特征

（1）泥石流流體重度

由于車廠北溝泥石流以往沒有監測資料，只能通過配方法和查表法來確定，而這兩種方法又各有其特點。配方法只能對已發生過、且有人目擊的泥石流進行測定，且測定結果只能代表當時的一次泥石流發生的結果。相對而言，查表法是在現狀調查基礎上帶預測性的重度值結果，更宜作為泥石流設計的依據，此外，主溝與支溝堆積物重度值關系的匹配關系也基本符合邏輯，支溝泥石流重度總體上較大，主溝因溝水稀釋，其重度降低。

按照《泥石流災害防治工程勘查規范》（DZ/ T0220-2006）附錄H填寫泥石流調查表并按附錄G進行易發程度評分，按表G.2查表確定車廠北溝及其主要支溝泥石流重度和泥沙修正系數，其結果經查表綜合分析得到本溝泥石流流體重度約為1.516t/m3。

泥石流流速參照北京市政設計院推薦的北京地區經驗公式：

式中：Vc為泥石流斷面平均流速（m/s）；mw為河床外阻力系數；I為泥石流水力坡度（‰）；R為水力半徑（m）；α為摩擦系數。

計算求得的泥石流流速Vc為1.88m/s。

（3）泥石流峰值流量

泥石流流量采用雨洪法計算，假設泥石流與暴雨同頻率、且同步發生、先按水文方法計算出斷面不同頻率下的暴雨洪水設計流量，然后選用堵塞系數，計算泥石流峰值流量。計算參數及結果見表2。

（4）一次泥石流過程總量

一次泥石流總量可通過計算法和實測法確定。實測法精度高，但往往因不具備測量條件，只是一個粗略的概算。計算法根據泥石流歷時T和最大流量Qc，按泥石流暴漲暴落的特點，將其過程概化為五角形，按下式計算，一次泥石流過程總量結果見表3。

采用HPLC法測定。色譜條件：色譜柱為InertSustain C18（150 mm×4.6 mm，5 μm）；流動相為甲醇（A）-0.1%冰醋酸溶液（B），梯度洗脫（0→13 min，30%A→43%A；13→15 min，43%A→50%A；15→22 min，50%A；22→35 min，50%A→68%A）；流速為0.8 mL/min；柱溫為30 ℃；檢測波長為254 nm；進樣量為10 μL。

表2　泥石流流量計算參數及結果一覽表Tab.2 List of parameters and calculation results of debris flow

表3　一次泥石流總量結果一覽表Tab.3 A list of the total amount of debris flow

Q = k·T·Qc

式中：k為經驗系數，T為泥石流歷時（s），Qc為泥石流峰值流量（m3/s）。

（5）一次泥石流固體沖出物

一次泥石流固體沖出物按照《泥石流災害防治工程勘查規范》（DT/T0220-2006）計算，其結果列于表4。

表4　一次泥石流固體沖出物Tab.4 A list of the debris flow out of solid matter

（6）泥石流整體沖擊力和單塊最大沖擊力

泥石流沖擊力是泥石流防治工程設計的重要參數。分為流體整體沖擊力和單塊最大沖擊力兩種。泥石流整體沖擊力 為7.05kPa，泥石流單塊最大沖擊力為3.38kN。

（7）泥石流爬高和最大沖起高度

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。泥石流遇反坡，由于慣性作用，將沿直線前進的現象稱為爬高。本次對泥石流爬高和最大沖起高度預測是按照《泥石流災害防治工程勘查規范》（DT/ T0220-2006）計算，港溝泥石流最大沖起高度約為0.18m；泥石流爬高約為0.29m。

（8）泥石流彎道超高

由于泥石流流速快，慣性大，故在彎道凹岸處有比水流更加顯著的彎道超高現象。泥石流彎道超高約為0.21m。

3　泥石流形成機理分析

車廠北溝屬暴雨溝谷型泥石流。車廠北溝各支溝泥石流在暴雨作用下，匯集于主溝道，匯流過程中將坡面的各類松散堆積物源攜帶進入溝道，并順溝而下，主要通過溝道揭底沖刷卷動溝道內的松散堆積物源，同時將兩側溝岸崩滑堆積松散固體物質帶走，從而形成主溝泥石流災害。

溝道中下段兩岸及各支溝中下游地段發育崩滑和水土流失，以及溝道內大量的溝道堆積物為泥石流的發生提供了豐富的松散固體物源，而暴雨則是泥石流形成的主要誘發因素。由于溝谷流域面積大，地形陡峻，易于匯水，水源豐富，且溝道物源含泥量較低，故泥石流類型為稀性泥石流。

根據對車廠北溝地貌、巖性、構造、風化、降水及人類工程活動等因素的調查與分析，綜合認為以下幾方面是控制和影響車廠北溝泥石流形成的關鍵因素。

3.1地形地貌

泥石流形成的地形要素主要包括泥石流溝的流域形態、流域面積、山坡坡度及溝床比降等。在泥石流形成過程中，溝域內地形陡峻，溝谷縱坡大為水源和泥沙的匯聚提供了有利的地形地貌條件，工作區內的泥石流溝是溝谷型的，兩側山坡坡度較陡，局部地段近乎直立，整體流域形態南北向呈帶狀，流域面積達4.1km2，主溝支溝皋溝段上游山體陡峻，平均坡度在30°以上，主溝整體溝谷縱坡大，支溝較發育，有利于地表降水的匯集，同時沖溝的匯水面積也較大，有利于泥石流的發生（圖5）。

圖5　車廠北溝遙感影像圖Fig.5 Remote sensing imageof Beigou debris flow

3.2固體堆積物

泥石流溝所在區域發育大量粉砂巖和花崗巖，在區域地質構造屬于沉積巖與侵入巖結合部位，在巖性、構造、降水、及風化作用等因素的影響下，中上游側蝕和下切發育，溝谷兩側坡體變陡，同時由于節理裂隙發育，容易產生崩塌災害，崩落的巖、土體堆積在沖溝中，為泥石流的形成提供了一定數量的松散固體物質，同時加上溝道內再搬運的松散固體物質，構成了泥石流發生的物源條件。

車廠北溝松散固體物源較豐富，物源主要分布在皋溝瀑布以下至皋溝與柳溝交匯處，本次調查物源點15個，物源類型包括崩滑堆積物源、溝道堆積物源和坡面侵蝕物源三類。根據調查崩滑堆積物源總量1.5×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為0.6×104m3；溝道堆積物源總量20.85×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為3.25×104m3；坡面侵蝕物源總量8.75×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為2.5×104m3。目前車廠北溝溝域內松散固體物源動儲量為6.35×104m3，這些物源是分布在主溝及各條支溝中的，這些物源同時參與一次泥石流活動的可能性較小，而且參與泥石流活動的松散固體物質也并非都會全部沖出泥石流溝。該溝道物源主要以溝道堆積為主，溝道堆積其實主要也是溝道內兩岸崩滑堆積再搬運的產物，相比之下其他種類物源參與程度較低。

泥石流規模主要與溝域內松散固體物源的累計和動態變化情況及與引發泥石流的暴雨情況相關，當溝域內松散固體物源累積較多，且遇到集中暴雨時，往往就會發生較大規模的泥石流災害。據調查，目前累積的松散固體物源量仍較大，一旦遭到強降雨的作用，勢必引發泥石流災害。“7·21”暴雨期間皋溝爆發山洪泥石流，造成了2000多萬元的經濟財產損失，而主溝的大部分物源尚未完全啟動，至今主溝尚未形成大規模泥石流災害，但其在大的暴雨作用下發生泥石流災害的危險性是較大的。

3.3水源條件

車廠北溝泥石流的水源主要來源于大氣降水。由于泥石流均發生于雨季，冰雪融水一般不會成為引發泥石流的水源。溝域上游地下水不豐富，存在基巖裂隙水形成的下降泉，而且常年存在地表徑流，但水量有限，不構成引發泥石流的主要水源。溝域中下游存在人工多級調蓄水池和水庫，但由于所處位置，地表集中水體也不是泥石流主要水源。因此暴雨形成的地表徑流是引發泥石流的主要水源，暴雨是泥石流的主要誘發因素。

在暴雨作用下支溝的徑流大部分進入主溝，主溝的水流量遠大于支溝，而支溝泥石流的固體物質則部分停積于溝口平緩開闊地段，部分匯入主溝，因而支溝泥石流往往在匯入主溝后被稀釋，重度降低，而流量則從上游向下游逐步增大，沖刷能力增強，并將主溝兩岸及溝底的松散固體物質帶向下游，因此，主溝泥石流類型一般演變為為稀性泥石流或含沙量較高的山洪。

3.4人類工程活動

工作區內可能誘發或加劇泥石流暴發的人類工程活動較少。由于該條溝域正在進行整體旅游開發，牛皋溝景區建設工程整體上對于溝道的環境保護、地質災害的防治起著積極的作用，但在建設中也存在一些不合理人類工程活動，如景區開發中切坡修路建房等不規范人類工程活動，形成了不穩定邊坡，破壞了原有的林草植被，加速了水土流失及崩塌、滑坡等地質災害的暴發，當遇上大雨或暴雨，這些不合理工程設施極易受到泥石流災害的威脅。

4　泥石流發展趨勢

4.1泥石流易發程度分析

根據前述對泥石流成因機制和引發因素的分析，車廠北溝屬暴雨溝谷型泥石流，泥石流規模主要與溝域內松散固體物源的累計和動態變化情況及與引發泥石流的暴雨情況相關，當溝域內松散固體物源累計較多，且遇到集中暴雨時，往往就會發生較大規模的泥石流災害。“7·21”暴雨后，車廠北溝溝內崩滑等不良地質現象增多，局部水土流失加劇，可參與泥石流活動的松散固體物源量增加，在極端降雨作用下，易引發大規模的泥石流災害。

根據泥石流溝易發程度數量化綜合證判等級標準（《泥石流災害防治工程勘查規范》（DZ/T0220-2006）附錄G），結合現場調查成果對車廠北溝的易發性進行評判，車廠北溝泥石流溝綜合得分為88分，泥石流溝易發程度為“中等易發”。

4.2泥石流危害程度分析

泥石流危害程度是指一次泥石流爆發給人民生命財產、基礎設施、生態環境帶來的危害大小。泥石流危害程度的評判可采用國土資源部頒發的《地質災害防治條例》中的相關規定進行。根據確定的泥石流危險區范圍，車廠北溝威脅對象主要為皋溝內旅游開發建設基礎設施（房屋、道路、蓄水池）、金陵遺址、九龍山莊、龍門口水庫、車廠村文化廣場、房山38路車站等。泥石流的危害方式主要為淤埋和沖刷。根據相應標準，車廠北溝泥石流危害程度為較大級。

4.3泥石流危險性分級評價

泥石流危險性分級依據《地質災害危險性評估規范》的相關規定，地質災害危險性等級主要由地質災害發生可能性和地質災害可能造成危害程度來判定，依據《地質災害危險性評估規范》中相應標準進行危險性分級。車廠北溝泥石流易發程度為中易發，危害程度為較大級，因此判定其危險性等級屬中等。

5　泥石流防治對策

車廠北溝泥石流的治理還是需要與該溝域整體的旅游開發相結合。規范流域內的人類工程活動，工程措施與景區內的景觀設施結合，景區建設與災害防治相輔相成，形成良性互動。建議采取工程措施、生物工程措施相結合進行綜合治理。

（1）在皋溝上游不同海拔位置進行水保林植物工程，在泥石流溝道中適當位置修建攔擋壩及排導槽，減緩泥石流的水動力條件及沖刷。

（2）在泥石流溝道中禁止從事建設開挖活動，避免建筑垃圾的堆積及植被的破壞以保護好水土，避免為泥石流的發生提供物源條件。

（3）開展泥石流監測預警工作。

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［2］北京市地質研究所. 北京市房山區突發地質災害詳細調查報告［R］. 2013：1～104，.

［3］北京市國土資源局. 北京市地質環境公報［R］，2002—2006.

［4］北京市科學技術協會. 首都圈自然災害與減災對策［M］. 北京：氣象出版社，1992.

［5］北京市地質礦產局. 《北京市區域地質志》［M］.北京：地質出版社，1991年.

［6］鮑亦岡，劉振峰，王世發，等，北京地質百年研究［M］.北京：地質出版社，2001.

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The Characteristics of Chechangbeigou Debris Flow of Zhoukoudian Fangshan District and Its Stability Evaluation

HUANG Laiyuan， HAN Jianchao， JI Wei， ZHANG Liang， QI Gan
（Beijing Institute of Geology， Beijing 100120）

Debris flow is one of serious geological disasters in Beijing area. As the most serious disaster， “7?21”flash flood made Fangshan District to be as the serious disaster area. In order to find out the development and movement characteristics of typical debris flow in Fangshan District after“7?21”flash flood， this paper selects Chechangbeigou debris flow as an example， and does researches such as on-site investigation， trenching， rock and soil testing method. We find out the provenance type formation area and mobile source reserves； grasp the characteristics of the channel shape of the whole basin； investigate the morphology and accumulation area， discuss main water dynamic characteristics and erosion characteristics. According to the relevant specifications， the dynamic parameters of debris flow are calculated. The formation mechanism of debris flow are analyzed， then the risk assessment and the countermeasures are put forward.

Beijing “7?21” flash flood； Geological disaster； Debris flow； Characteristic； Stability evaluation

P642.23

A

1007-1903（2016）02-0048-08

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.02.010

北京市突發地質災害詳細調查項目（項目編號：1241STC60669）。

黃來源（1978- ），男，高工，主要研究方向：地質災害防治。E-mail：huangly78@126.com