趙 越 冉淑紅

(北京市地質(zhì)研究所，北京 100120)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，造成大量人員傷亡，尤其是北京“7·21”特大暴雨引發(fā)多處地質(zhì)災(zāi)害，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。北京市政府及相關(guān)部門(mén)越來(lái)越重視地質(zhì)災(zāi)害的防治工作。平原村澗溝位于北京市門(mén)頭溝區(qū)潭柘寺鎮(zhèn)西北，該溝歷史上未發(fā)生過(guò)泥石流，但由于溝域內(nèi)開(kāi)山修路產(chǎn)生的廢石及多年煤礦開(kāi)采產(chǎn)生的煤矸石大量堆積于溝道中，松散堆積物總量達(dá)萬(wàn)余方，提供了豐富的物源，一旦暴發(fā)泥石流，將威脅溝口20戶61名村民的生命財(cái)產(chǎn)安全，并威脅溝口4條高壓線、2條軍用光纜、X004潭王路及潭柘寺景區(qū)的安全(圖1)。因此，深入研究潛在泥石流溝的基本特征、形成條件，預(yù)測(cè)泥石流的流量，分析泥石流的危險(xiǎn)性，并提出具體的防治對(duì)策，旨在保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)和公共設(shè)施安全，維護(hù)社會(huì)秩序穩(wěn)定和保護(hù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展。

圖1 澗溝地形地質(zhì)圖Fig.1 Local topographical＆geological map

1 潛在泥石流溝發(fā)育特征

1.1 地形特征

平原村澗溝位于北京西山地區(qū)，屬太行山余脈，地貌類(lèi)型屬低山丘陵區(qū)，整個(gè)溝域地勢(shì)呈西北高東南低，北側(cè)最高點(diǎn)高程為550m，南側(cè)最低點(diǎn)高程為280m，流域面積約0.41km2，形態(tài)為瓢狀，溝口走向?yàn)槟蠔|120°，主溝長(zhǎng)約1.2km，支溝不發(fā)育，區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)除受構(gòu)造控制外，還受著各種外力作用的破壞，特別是強(qiáng)烈的人類(lèi)采礦和修路活動(dòng)，在區(qū)內(nèi)形成大量廢棄石渣、切坡等地貌形態(tài)。溝內(nèi)植被覆蓋率達(dá)70%，屬典型的溝谷型潛在泥石流溝。該溝谷上游地勢(shì)較陡峻，呈U型，兩岸坡高約100m，山坡坡度為30°～45°，溝床縱坡約268‰，這種地形有利于水源和泥沙的匯集;溝谷中游溝道展寬，寬度15～20m，山坡坡度為25°～30°，溝床縱坡為210‰，溝道狹長(zhǎng)，較順直，利于水流向下游的宣泄;溝谷下游地勢(shì)平緩，溝床縱坡為87‰，溝口處地形開(kāi)闊，寬度可達(dá)80m以上。該溝域地形有利于降雨的匯集，溝谷縱比降較大，也為松散固體物質(zhì)的搬運(yùn)和參與泥石流活動(dòng)提供了有利的地形條件。

1.2 物源特征

平原村澗溝流域內(nèi)松散固體物源較豐富，主要集中在澗溝中下游一帶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，松散固體物質(zhì)總量約2.06×104m3。松散物源主要包括坡面物源和溝道物源。坡面物源主要是坡體構(gòu)造風(fēng)化產(chǎn)物，澗溝坡面松散固體物質(zhì)總量約為0.9×104m3;溝道物源主要是溝床洪積物及煤礦開(kāi)采堆積的煤矸石。堆積厚度最深達(dá)20m以上(表1)，溝床洪積物主要由碎石、粉質(zhì)粘土、粘土組成，其厚度變化較大，中上游厚度較小，一般0.5～1m，向下游逐漸增厚，經(jīng)工程鉆探及雷達(dá)探測(cè)顯示，溝口洪積物厚度達(dá)15m以上(表2)。煤矸石渣是平原村澗溝泥石流的主要物源。尤其是在溝口，堆積在洪積物之上，由于長(zhǎng)期的煤矸石渣堆積，堵塞溝道，堆積厚度達(dá)6m以上，其結(jié)構(gòu)松散，未經(jīng)任何處理，穩(wěn)定性較差，現(xiàn)溝道內(nèi)松散固體物質(zhì)總量約為1.16×104m3［1］。該溝域物源形成因素主要有以下三個(gè)方面:(1)地層因素:平原村澗溝流域出露地層主要有奧陶系、石炭系、二疊系及第四系地層。地層整體傾向北，傾角20°～40°。其中石炭-二疊系山西組地層(CPs)及石炭系太原組地層(Ct)廣泛出露于溝域的中上游，出露面積約0.32km2，占整個(gè)流域的76.2%。巖性以粉砂巖為主，含少量中細(xì)砂巖和礫巖。粉砂巖質(zhì)軟疏松，易風(fēng)化成粉狀。細(xì)砂巖總體上質(zhì)地堅(jiān)硬，強(qiáng)度較高，軟化性弱、表層遭受長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕，強(qiáng)度較低，局部地段風(fēng)化形成粘土巖;奧陶系馬家溝組(Om)地層主要分布在溝域的中下游，面積約為0.08km2，占工作區(qū)的19%。巖性為中厚層灰?guī)r，質(zhì)地堅(jiān)硬，強(qiáng)度較高;第四系(Q)殘坡積土、洪積土主要分布于溝域山坡坡面、坡腳以及沖溝、低洼地帶。巖性主要為粉土、粘性土，夾砂、碎石，厚度一般為0.3～0.5m，最厚處達(dá)9～12m。土體結(jié)構(gòu)松散、抗剪強(qiáng)度較低、透水性強(qiáng)、易滑動(dòng)、流動(dòng)，為泥石流提供坡面物源(圖2)。(2)構(gòu)造因素:平原村澗溝區(qū)域上屬九龍山向斜構(gòu)造西部，區(qū)域內(nèi)次一級(jí)構(gòu)造發(fā)育，褶皺多并伴有倒轉(zhuǎn)，經(jīng)詳細(xì)調(diào)查，溝域內(nèi)巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育:砂巖中發(fā)育兩組節(jié)理裂隙:J1:181°∠85°，J2:98°∠87°;灰?guī)r中發(fā)育兩組節(jié)理裂隙:J3:68°∠85°，J4:63°∠88°。受構(gòu)造作用影響，山坡巖體切割強(qiáng)烈，松散破碎，崩滑塌災(zāi)害發(fā)育，崩落堆積物可能為泥石流提供物源。(3)人為因素:溝域內(nèi)的主要人類(lèi)活動(dòng)為開(kāi)山修路及煤礦開(kāi)采。X004公路在溝域內(nèi)盤(pán)旋修建，開(kāi)山修路會(huì)改變巖體原有應(yīng)力狀態(tài)，破壞整個(gè)山體結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生崩滑塌災(zāi)害，開(kāi)山產(chǎn)生的大量松散碎塊石堆積在溝谷內(nèi)，都會(huì)為泥石流提供物源;當(dāng)?shù)夭擅簶I(yè)有20多年的歷史，溝內(nèi)原有4個(gè)小煤窯，現(xiàn)已關(guān)閉。多年煤礦開(kāi)采破壞了山體結(jié)構(gòu)，毀壞了周?chē)脖唬a(chǎn)生了大量廢石棄渣，煤礦開(kāi)采廢石棄渣是平原村澗溝泥石流的主要物源。

表1 ZK1鉆孔地質(zhì)資料Table 1 Data of drill hole ZK1

圖2 澗溝溝床縱坡降示意圖Fig.2 Cross-section of Jian Gou Valley

表2 ZK2鉆孔地質(zhì)資料Table 2 Data of drill hole ZK2

1.3 水源特征

水源是泥石流發(fā)生的主要促發(fā)因素，平原村潛在泥石流溝的水源條件主要有:(1)降水充沛。平原村所在區(qū)域的氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，一年四季分明。通過(guò)對(duì)澗溝從1957年至今的降雨資料統(tǒng)計(jì)分析，多年平均降水量為592mm，年最大降水量為970mm，年最小降雨量493.8mm，降水量大都集中在6～8月份，占全年降水量的60%～80%。以往10min最大降水量為17.5mm，30min最大降水量為31.2mm，1h最大降水量40.1mm，6h最大降水量72.5mm，日最大降水量為112.5mm，在北京市屬降雨量較大地區(qū)之一，但近幾年北京市降水一直屬枯水期，而門(mén)頭溝區(qū)煤礦大多在近幾年剛剛關(guān)閉，松散物源的形成主要集中在這段時(shí)間，一旦滿足了激發(fā)泥石流的臨界降雨量，即可由潛在泥石流溝轉(zhuǎn)化為泥石流溝，從而暴發(fā)泥石流。(2)溝口積水。澗溝溝口擋土墻北側(cè)30m有一個(gè)約5m2的集水池，據(jù)當(dāng)?shù)卮迕窳私?，是早年修的集水池，池?m，長(zhǎng)6m，深5m，由漿砌石砌筑。溝東側(cè)廢棄礦洞中滲流源源不斷地流入池中，經(jīng)測(cè)量，流速約為0.3m/s，流量約為0.003m3/s。水質(zhì)較差。池底留有小塑料導(dǎo)管以及水泥管當(dāng)水大時(shí)可將水排出，現(xiàn)池邊雜草眾生，淤泥現(xiàn)象嚴(yán)重，水面與地面持平，已看不出水池原貌。底部存在滲水的可能性，滲水會(huì)引起周?chē)逊e物軟化，強(qiáng)度降低，影響護(hù)村墻穩(wěn)定性。(3)排水溝堵塞。當(dāng)?shù)貫榱嗽谟昙卷槙车嘏懦郎现械暮樗?，在溝口處修建了一道排水溝。排水溝寬度?.5m，深度為1～2m。由于近年來(lái)干旱少雨，雨季澗溝水量不大，排水溝已被人為堵塞。一旦遇到極端氣候，溝中水排泄不暢，有可能釀成災(zāi)害。

圖3 溝口雷達(dá)圖像與地質(zhì)解釋圖Fig.3 Radar image＆geological explain

2 泥石流流量預(yù)測(cè)

2.1 泥石流峰值流量

泥石流峰值流量的計(jì)算目前主要有雨洪法和形態(tài)調(diào)查法兩種方法，由于澗溝歷史上未發(fā)生過(guò)泥石流，因此本文采用雨洪法進(jìn)行預(yù)測(cè)，假設(shè)泥石流與暴雨同頻率、且同步發(fā)生、先按水文方法計(jì)算出斷面不同頻率下的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量，然后選用堵塞系數(shù)，計(jì)算泥石流峰值流量［2］。

式中:

QC——頻率為P的泥石流洪峰流量(m3/s);

Qp——頻率為P的暴雨洪峰流量(m3/s);

Dc——堵塞系數(shù)，按勘查規(guī)范本文取2;

φ——泥石流泥沙修正系數(shù)，經(jīng)計(jì)算為0.46。暴雨洪峰流量的Qp的計(jì)算方法參考中國(guó)公路科學(xué)研究所提出的經(jīng)驗(yàn)公式，

當(dāng)匯水面積F≥3km2時(shí):

當(dāng)匯水面積F＜3km2時(shí):

式中:

φ——暴雨徑流系數(shù)，根據(jù)《北京市水文手冊(cè)—洪水篇》［3］查算得 0.15;

F——流域面積(km2)，澗溝取0.41 km2;

SP——h 雨強(qiáng)(mm/h)。

不同設(shè)計(jì)頻率下的小時(shí)雨強(qiáng)SP的計(jì)算方法參考《北京市水文手冊(cè)—暴雨圖集》［4］，當(dāng)流域面積小于300km2時(shí)，用點(diǎn)設(shè)計(jì)暴雨量代表流域面雨量來(lái)計(jì)算。公式如下:

式中:

kp——模比系數(shù)，查皮爾遜Ⅲ型曲線表可得出，其中Cs/Cv統(tǒng)一采用3.5;

泥石流峰值流量計(jì)算參數(shù)及結(jié)果如表3所示。

表3 泥石流流量計(jì)算參數(shù)及結(jié)果一覽表Table 3 Debris flow guantity caculation parameters＆results

2.2 一次泥石流過(guò)程總量

一次泥石流總量Q可通過(guò)計(jì)算法和實(shí)測(cè)法確定。實(shí)測(cè)法精度高，但因往往不具備測(cè)量條件，只是一個(gè)粗略的概算。計(jì)算法根據(jù)泥石流歷時(shí)T(s)和最大流量Qc(m3/s)，按泥石流暴漲暴落的特點(diǎn)，將其過(guò)程概化為五角形，按下式計(jì)算［2］:

式中:

K——經(jīng)驗(yàn)系數(shù):K值的變化隨流域面積(F)的大小而變化，當(dāng)F＜5km2時(shí)，K=0.202;當(dāng) 5km2＜F＜10km2時(shí)，K=0.113;當(dāng)10km2＜F ＜100km2時(shí)，K=0.0378;當(dāng) F＞ 100km2時(shí)，K = 0.0252。 本 文取0.202;

T——泥石流歷時(shí)(s)，平原村澗溝未發(fā)生過(guò)泥石流，按經(jīng)驗(yàn)取值5400s;

Qc——泥石流峰值流量(m3/s)。

表4 一次泥石流總量結(jié)果一覽表Table 4 Single Debris Flow Quantity

3 潛在泥石流溝危險(xiǎn)性分析及防治建議

3.1 潛在泥石流溝危險(xiǎn)性分析

根據(jù)平原村澗溝流域基本特征和參數(shù)，按照“泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化評(píng)分表”［2］對(duì)流域內(nèi)崩塌滑坡水土流失嚴(yán)重程度、泥沙沿程補(bǔ)給長(zhǎng)度比、溝口泥石流堆積扇活動(dòng)程度、河溝縱坡、區(qū)域構(gòu)造影響程度、植被覆蓋率、河溝近期一次沖淤變幅、巖性因素、松散物堆積量、山坡坡度、溝槽橫斷面、松散物平均厚度、流域面積、流域相對(duì)高差、河溝堵塞程度等15個(gè)要素綜合打分，平原村澗溝泥石流隱患評(píng)分為76分，泥石流易發(fā)程度屬低易發(fā)。

據(jù)調(diào)查，平原村部分村民居住在澗溝溝口，距護(hù)村墻僅3～5m。護(hù)村墻墻頂寬0.5m，高度約10m，長(zhǎng)度約80m，漿砌石結(jié)構(gòu)，由于墻身未設(shè)排水孔，雨季墻后容易積水，導(dǎo)致地基土體飽水軟化，強(qiáng)度降低，對(duì)墻基穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生不良影響。該溝一旦暴發(fā)泥石流，將直接威脅到20戶村民(61人、155間民房)生命財(cái)產(chǎn)的安全。另外在澗溝口處，有4條高壓線輸電線及2條軍用光纜，周邊有X004潭王路及潭柘寺景區(qū)，都將受到威脅。根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)范》［5］中的相關(guān)規(guī)定，平原村澗溝泥石流隱患可能造成的損失大小屬中等。

泥石流危險(xiǎn)性通常由泥石流的易發(fā)性和可能造成的損失大小綜合評(píng)定，因此評(píng)定平原村澗溝泥石流隱患危險(xiǎn)性等級(jí)屬中等［5-7］。

3.2 潛在泥石流溝防治建議

依據(jù)平原村澗溝泥石流隱患的形成條件及危險(xiǎn)性分析，提出以下防治建議:(1)鑒于澗溝流域面積較小，中上游山坡巖石相對(duì)較穩(wěn)定，殘坡積土層厚度不大，且植被覆蓋度較好，加之地形較陡，施工不便，故建議不在溝谷中上游溝段布置攔擋工程。本流域適宜在溝谷下游修建排水溝加大雨季泄洪能力，通過(guò)排水溝將洪水疏導(dǎo)到下游村莊外側(cè)的溝中，已達(dá)到減輕或清除泥石流對(duì)下游村莊的危害;(2)建議對(duì)溝口西南側(cè)斜坡下方的廢石堆進(jìn)行削坡整理成梯田并在坡下方修建擋土墻，以提高矸石堆及斜坡的穩(wěn)定性;(3)建議拆除村里原有排水溝中填堵的磚墻，疏通并清理排水溝，發(fā)揮原有排水溝的雨季疏導(dǎo)洪水的作用;(4)建議將溝口北側(cè)積水池中水排空，并將礦洞中滲流引到他處。若水池要繼續(xù)使用，建議進(jìn)行清淤及防滲處理，并對(duì)池中原有的排水管進(jìn)行整修，以消除安全隱患;(5)建議對(duì)溝口護(hù)村墻進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，防患于未然;(6)加強(qiáng)全流域植樹(shù)造林，在植被遭破壞區(qū)，禁止砍伐林木，減少水土流失，以減少泥石流的固體物源總量。

4 結(jié)論

(1)平原村澗溝泥石流隱患的形成主要受人類(lèi)工程活動(dòng)影響，多年采礦活動(dòng)在下游溝口處堆積大量松散煤矸石，堆積厚度最深達(dá)20m以上，另外，在溝域內(nèi)開(kāi)山修路，破壞了山體原有穩(wěn)定性，并形成大量碎石堆積在溝道內(nèi)，澗溝內(nèi)松散固體物源總量約為2.06×104m3，為泥石流的形成提供了物源條件。

(2)澗溝泥石流隱患易發(fā)程度雖屬低易發(fā)，但溝口處分布有20戶村民，另有4條高壓線輸電線、2條軍用光纜、潭王路及潭柘寺景區(qū)等，一旦發(fā)生泥石流，造成的危害較大，而且近幾年北京地區(qū)年降水量及小時(shí)雨強(qiáng)顯著上升，因此為了防患于未然，本文提出了具體的防治建議，希望對(duì)保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)和公共設(shè)施安全起到一定的指導(dǎo)意義。

［1］北京市地質(zhì)研究所.北京市門(mén)頭溝區(qū)潭柘寺鎮(zhèn)平原村澗溝泥石流防治工程地質(zhì)勘查報(bào)告［R］.2011.Beijing Institute of Geology.Debris flow prevention engineering geological investigation of Jian Gou valley in Ping Yuan village Tanzhesi town Mentougou district Beijing［R］.2011.

［2］DZ/T0220-2006泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范［S］.DZ/T0220-2006 Standard of Debris Flow Hazard Prevention Engineering Investigation［S］.BeiJing:Ministry of Land and Resources of the people’s Republic of China.

［3］北京市水務(wù)局.北京市水文手冊(cè)-洪水篇［M］.2005.Beijing Hydrology Bureau.Beijing hydrology handbookflood［M］.2005.

［4］北京市水利局.北京市水文手冊(cè) -暴雨圖集［M］.1999.Beijing Hydrology Bureau.Beijing Hydrology Handbook-Storm Photos［M］.1999.

［5］國(guó)土資源部.DZXXX-2008地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估技術(shù)規(guī)范(試行)［S］.北京:國(guó)土資源部.2008.Ministry of Land and Resources of the people’s Republic of China.DZXXX-2008 Geological Hazard Evaluation Technical Standard.(Trailversion)［S］.Beijing:Ministry of Land and Resources of the people’s Republic of China，2008.

［6］王東輝，梁波，白永健.四川康定縣野牛溝災(zāi)害性泥石流匯流特征［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2011，22(2):50-54.WANG Donghui，LIANG Bo，BAI Yongjian.Conflux feature analysis of Yeniu ravine disastrous debris flow in Kangding county，Sichuan province［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Countrol，2011，22(2):50-54.

［7］張自光，張志明，張順斌.都江堰市八一溝泥石流形成條件與動(dòng)力學(xué)特征分析［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2010，21(1):34-38.ZHANG Ziguang，ZHANG Zhiming，ZHANG Shunbin.Formation conditions and dynamics features of the debris flow in Bayi gully in Dujiangyan county［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Countrol，2010，21(1):34-38.