北京门头沟区涧沟泥石流危险性调查评价

赵 越 冉淑红

(北京市地质研究所，北京 100120)

0 引言

近年来，我国突发性地质灾害频发，造成大量人员伤亡，尤其是北京“7·21”特大暴雨引发多处地质灾害，给人民生命财产造成重大损失。北京市政府及相关部门越来越重视地质灾害的防治工作。平原村涧沟位于北京市门头沟区潭柘寺镇西北，该沟历史上未发生过泥石流，但由于沟域内开山修路产生的废石及多年煤矿开采产生的煤矸石大量堆积于沟道中，松散堆积物总量达万余方，提供了丰富的物源，一旦暴发泥石流，将威胁沟口20户61名村民的生命财产安全，并威胁沟口4条高压线、2条军用光缆、X004潭王路及潭柘寺景区的安全(图1)。因此，深入研究潜在泥石流沟的基本特征、形成条件，预测泥石流的流量，分析泥石流的危险性，并提出具体的防治对策，旨在保障人民群众的生命财产和公共设施安全，维护社会秩序稳定和保护当地经济持续发展。

图1 涧沟地形地质图Fig.1 Local topographical＆geological map

1 潜在泥石流沟发育特征

1.1 地形特征

平原村涧沟位于北京西山地区，属太行山余脉，地貌类型属低山丘陵区，整个沟域地势呈西北高东南低，北侧最高点高程为550m，南侧最低点高程为280m，流域面积约0.41km2，形态为瓢状，沟口走向为南东120°，主沟长约1.2km，支沟不发育，区内地貌形态除受构造控制外，还受着各种外力作用的破坏，特别是强烈的人类采矿和修路活动，在区内形成大量废弃石渣、切坡等地貌形态。沟内植被覆盖率达70%，属典型的沟谷型潜在泥石流沟。该沟谷上游地势较陡峻，呈U型，两岸坡高约100m，山坡坡度为30°～45°，沟床纵坡约268‰，这种地形有利于水源和泥沙的汇集;沟谷中游沟道展宽，宽度15～20m，山坡坡度为25°～30°，沟床纵坡为210‰，沟道狭长，较顺直，利于水流向下游的宣泄;沟谷下游地势平缓，沟床纵坡为87‰，沟口处地形开阔，宽度可达80m以上。该沟域地形有利于降雨的汇集，沟谷纵比降较大，也为松散固体物质的搬运和参与泥石流活动提供了有利的地形条件。

1.2 物源特征

平原村涧沟流域内松散固体物源较丰富，主要集中在涧沟中下游一带。据统计，松散固体物质总量约2.06×104m3。松散物源主要包括坡面物源和沟道物源。坡面物源主要是坡体构造风化产物，涧沟坡面松散固体物质总量约为0.9×104m3;沟道物源主要是沟床洪积物及煤矿开采堆积的煤矸石。堆积厚度最深达20m以上(表1)，沟床洪积物主要由碎石、粉质粘土、粘土组成，其厚度变化较大，中上游厚度较小，一般0.5～1m，向下游逐渐增厚，经工程钻探及雷达探测显示，沟口洪积物厚度达15m以上(表2)。煤矸石渣是平原村涧沟泥石流的主要物源。尤其是在沟口，堆积在洪积物之上，由于长期的煤矸石渣堆积，堵塞沟道，堆积厚度达6m以上，其结构松散，未经任何处理，稳定性较差，现沟道内松散固体物质总量约为1.16×104m3［1］。该沟域物源形成因素主要有以下三个方面:(1)地层因素:平原村涧沟流域出露地层主要有奥陶系、石炭系、二叠系及第四系地层。地层整体倾向北，倾角20°～40°。其中石炭-二叠系山西组地层(CPs)及石炭系太原组地层(Ct)广泛出露于沟域的中上游，出露面积约0.32km2，占整个流域的76.2%。岩性以粉砂岩为主，含少量中细砂岩和砾岩。粉砂岩质软疏松，易风化成粉状。细砂岩总体上质地坚硬，强度较高，软化性弱、表层遭受长期风化剥蚀，强度较低，局部地段风化形成粘土岩;奥陶系马家沟组(Om)地层主要分布在沟域的中下游，面积约为0.08km2，占工作区的19%。岩性为中厚层灰岩，质地坚硬，强度较高;第四系(Q)残坡积土、洪积土主要分布于沟域山坡坡面、坡脚以及冲沟、低洼地带。岩性主要为粉土、粘性土，夹砂、碎石，厚度一般为0.3～0.5m，最厚处达9～12m。土体结构松散、抗剪强度较低、透水性强、易滑动、流动，为泥石流提供坡面物源(图2)。(2)构造因素:平原村涧沟区域上属九龙山向斜构造西部，区域内次一级构造发育，褶皱多并伴有倒转，经详细调查，沟域内岩石节理裂隙较发育:砂岩中发育两组节理裂隙:J1:181°∠85°，J2:98°∠87°;灰岩中发育两组节理裂隙:J3:68°∠85°，J4:63°∠88°。受构造作用影响，山坡岩体切割强烈，松散破碎，崩滑塌灾害发育，崩落堆积物可能为泥石流提供物源。(3)人为因素:沟域内的主要人类活动为开山修路及煤矿开采。X004公路在沟域内盘旋修建，开山修路会改变岩体原有应力状态，破坏整个山体结构，容易发生崩滑塌灾害，开山产生的大量松散碎块石堆积在沟谷内，都会为泥石流提供物源;当地采煤业有20多年的历史，沟内原有4个小煤窑，现已关闭。多年煤矿开采破坏了山体结构，毁坏了周围植被，并产生了大量废石弃渣，煤矿开采废石弃渣是平原村涧沟泥石流的主要物源。

表1 ZK1钻孔地质资料Table 1 Data of drill hole ZK1

图2 涧沟沟床纵坡降示意图Fig.2 Cross-section of Jian Gou Valley

表2 ZK2钻孔地质资料Table 2 Data of drill hole ZK2

1.3 水源特征

水源是泥石流发生的主要促发因素，平原村潜在泥石流沟的水源条件主要有:(1)降水充沛。平原村所在区域的气候属暖温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区，一年四季分明。通过对涧沟从1957年至今的降雨资料统计分析，多年平均降水量为592mm，年最大降水量为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最大降水量为17.5mm，30min最大降水量为31.2mm，1h最大降水量40.1mm，6h最大降水量72.5mm，日最大降水量为112.5mm，在北京市属降雨量较大地区之一，但近几年北京市降水一直属枯水期，而门头沟区煤矿大多在近几年刚刚关闭，松散物源的形成主要集中在这段时间，一旦满足了激发泥石流的临界降雨量，即可由潜在泥石流沟转化为泥石流沟，从而暴发泥石流。(2)沟口积水。涧沟沟口挡土墙北侧30m有一个约5m2的集水池，据当地村民了解，是早年修的集水池，池宽4m，长6m，深5m，由浆砌石砌筑。沟东侧废弃矿洞中渗流源源不断地流入池中，经测量，流速约为0.3m/s，流量约为0.003m3/s。水质较差。池底留有小塑料导管以及水泥管当水大时可将水排出，现池边杂草众生，淤泥现象严重，水面与地面持平，已看不出水池原貌。底部存在渗水的可能性，渗水会引起周围堆积物软化，强度降低，影响护村墙稳定性。(3)排水沟堵塞。当地为了在雨季顺畅地排除沟中的洪水，在沟口处修建了一道排水沟。排水沟宽度为1.5m，深度为1～2m。由于近年来干旱少雨，雨季涧沟水量不大，排水沟已被人为堵塞。一旦遇到极端气候，沟中水排泄不畅，有可能酿成灾害。

图3 沟口雷达图像与地质解释图Fig.3 Radar image＆geological explain

2 泥石流流量预测

2.1 泥石流峰值流量

泥石流峰值流量的计算目前主要有雨洪法和形态调查法两种方法，由于涧沟历史上未发生过泥石流，因此本文采用雨洪法进行预测，假设泥石流与暴雨同频率、且同步发生、先按水文方法计算出断面不同频率下的暴雨洪水设计流量，然后选用堵塞系数，计算泥石流峰值流量［2］。

式中:

QC——频率为P的泥石流洪峰流量(m3/s);

Qp——频率为P的暴雨洪峰流量(m3/s);

Dc——堵塞系数，按勘查规范本文取2;

φ——泥石流泥沙修正系数，经计算为0.46。暴雨洪峰流量的Qp的计算方法参考中国公路科学研究所提出的经验公式，

当汇水面积F≥3km2时:

当汇水面积F＜3km2时:

式中:

φ——暴雨径流系数，根据《北京市水文手册—洪水篇》［3］查算得 0.15;

F——流域面积(km2)，涧沟取0.41 km2;

SP——h 雨强(mm/h)。

不同设计频率下的小时雨强SP的计算方法参考《北京市水文手册—暴雨图集》［4］，当流域面积小于300km2时，用点设计暴雨量代表流域面雨量来计算。公式如下:

式中:

kp——模比系数，查皮尔逊Ⅲ型曲线表可得出，其中Cs/Cv统一采用3.5;

泥石流峰值流量计算参数及结果如表3所示。

表3 泥石流流量计算参数及结果一览表Table 3 Debris flow guantity caculation parameters＆results

2.2 一次泥石流过程总量

一次泥石流总量Q可通过计算法和实测法确定。实测法精度高，但因往往不具备测量条件，只是一个粗略的概算。计算法根据泥石流历时T(s)和最大流量Qc(m3/s)，按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程概化为五角形，按下式计算［2］:

式中:

K——经验系数:K值的变化随流域面积(F)的大小而变化，当F＜5km2时，K=0.202;当 5km2＜F＜10km2时，K=0.113;当10km2＜F ＜100km2时，K=0.0378;当 F＞ 100km2时，K = 0.0252。 本 文取0.202;

T——泥石流历时(s)，平原村涧沟未发生过泥石流，按经验取值5400s;

Qc——泥石流峰值流量(m3/s)。

表4 一次泥石流总量结果一览表Table 4 Single Debris Flow Quantity

3 潜在泥石流沟危险性分析及防治建议

3.1 潜在泥石流沟危险性分析

根据平原村涧沟流域基本特征和参数，按照“泥石流沟易发程度数量化评分表”［2］对流域内崩塌滑坡水土流失严重程度、泥沙沿程补给长度比、沟口泥石流堆积扇活动程度、河沟纵坡、区域构造影响程度、植被覆盖率、河沟近期一次冲淤变幅、岩性因素、松散物堆积量、山坡坡度、沟槽横断面、松散物平均厚度、流域面积、流域相对高差、河沟堵塞程度等15个要素综合打分，平原村涧沟泥石流隐患评分为76分，泥石流易发程度属低易发。

据调查，平原村部分村民居住在涧沟沟口，距护村墙仅3～5m。护村墙墙顶宽0.5m，高度约10m，长度约80m，浆砌石结构，由于墙身未设排水孔，雨季墙后容易积水，导致地基土体饱水软化，强度降低，对墙基稳定会产生不良影响。该沟一旦暴发泥石流，将直接威胁到20户村民(61人、155间民房)生命财产的安全。另外在涧沟口处，有4条高压线输电线及2条军用光缆，周边有X004潭王路及潭柘寺景区，都将受到威胁。根据《地质灾害危险性评估规范》［5］中的相关规定，平原村涧沟泥石流隐患可能造成的损失大小属中等。

泥石流危险性通常由泥石流的易发性和可能造成的损失大小综合评定，因此评定平原村涧沟泥石流隐患危险性等级属中等［5-7］。

3.2 潜在泥石流沟防治建议

依据平原村涧沟泥石流隐患的形成条件及危险性分析，提出以下防治建议:(1)鉴于涧沟流域面积较小，中上游山坡岩石相对较稳定，残坡积土层厚度不大，且植被覆盖度较好，加之地形较陡，施工不便，故建议不在沟谷中上游沟段布置拦挡工程。本流域适宜在沟谷下游修建排水沟加大雨季泄洪能力，通过排水沟将洪水疏导到下游村庄外侧的沟中，已达到减轻或清除泥石流对下游村庄的危害;(2)建议对沟口西南侧斜坡下方的废石堆进行削坡整理成梯田并在坡下方修建挡土墙，以提高矸石堆及斜坡的稳定性;(3)建议拆除村里原有排水沟中填堵的砖墙，疏通并清理排水沟，发挥原有排水沟的雨季疏导洪水的作用;(4)建议将沟口北侧积水池中水排空，并将矿洞中渗流引到他处。若水池要继续使用，建议进行清淤及防渗处理，并对池中原有的排水管进行整修，以消除安全隐患;(5)建议对沟口护村墙进行长期监测，防患于未然;(6)加强全流域植树造林，在植被遭破坏区，禁止砍伐林木，减少水土流失，以减少泥石流的固体物源总量。

4 结论

(1)平原村涧沟泥石流隐患的形成主要受人类工程活动影响，多年采矿活动在下游沟口处堆积大量松散煤矸石，堆积厚度最深达20m以上，另外，在沟域内开山修路，破坏了山体原有稳定性，并形成大量碎石堆积在沟道内，涧沟内松散固体物源总量约为2.06×104m3，为泥石流的形成提供了物源条件。

(2)涧沟泥石流隐患易发程度虽属低易发，但沟口处分布有20户村民，另有4条高压线输电线、2条军用光缆、潭王路及潭柘寺景区等，一旦发生泥石流，造成的危害较大，而且近几年北京地区年降水量及小时雨强显著上升，因此为了防患于未然，本文提出了具体的防治建议，希望对保障人民群众的生命财产和公共设施安全起到一定的指导意义。

［1］北京市地质研究所.北京市门头沟区潭柘寺镇平原村涧沟泥石流防治工程地质勘查报告［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泥石流灾害防治工程勘查规范［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］北京市水务局.北京市水文手册-洪水篇［M］.2005.Beijing Hydrology Bureau.Beijing hydrology handbookflood［M］.2005.

［4］北京市水利局.北京市水文手册 -暴雨图集［M］.1999.Beijing Hydrology Bureau.Beijing Hydrology Handbook-Storm Photos［M］.1999.

［5］国土资源部.DZXXX-2008地质灾害危险性评估技术规范(试行)［S］.北京:国土资源部.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］王东辉，梁波，白永健.四川康定县野牛沟灾害性泥石流汇流特征［J］.中国地质灾害与防治学报，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］张自光，张志明，张顺斌.都江堰市八一沟泥石流形成条件与动力学特征分析［J］.中国地质灾害与防治学报，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.