房山周口店车厂北沟泥石流特征及防治

黄来源，韩建超，季 为，张 亮，齐 干



房山周口店车厂北沟泥石流特征及防治

黄来源，韩建超，季 为，张 亮，齐 干

（北京市地质研究所，北京 100120）

泥石流是北京地区危害性严重的地质灾害之一，作为北京“7·21”特大暴雨灾害受灾最为严重的区县，房山区近现代泥石流一直比较活跃，灾情严重。为了查清房山区“7·21”特大暴雨后典型泥石流灾害发育和运动特征，本文选取了车厂村北沟作为样本，通过采用现场调查、槽探、岩土测试等方法，对主沟整体流域进行了系统研究。从而查清了形成区的物源类型和可移动物源储量，掌握了全流域的沟道形态特征；通过对堆积区堆积形态和堆积物调查分析，论述了主沟水动力特征和冲淤特征；根据相关规范，计算得出了泥石流的动力学参数。分析了泥石流形成机理，进行了危险性评价，提出了防治对策。

“7·21”特大暴雨；地质灾害；泥石流；特征；稳定性评价

0　引言

泥石流是北京地区危害性严重的地质灾害之一，作为北京“7·21”特大暴雨灾害受灾最为严重的区县，房山区近现代泥石流一直比较活跃，灾情严重。俗称“房山北沟”大石河流域中上游和俗称“房山南沟”拒马河流域是泥石流灾害的主要发育地区，历史上曾发生过多次山洪泥石流灾害。据有记载的统计，房山地区共发生过55次泥石流（北京市地质研究所，1993），新中国成立后（1950年至今）发生过37次，其中以1914年和2012年的两次泥石流灾害最严重。1914年大安山寺尚沟发生泥石流，造成60余人死亡。2012年“7·21”特大暴雨中房山区发生28处泥石流（含洪水），毁房97间，毁路14650m，人员伤亡若干。当时周口店降雨量达400mm，车厂北沟上游皋沟发生山洪泥石流，前期建设的旅游基础设施遭受重创，造成直接经济损失达2000多万元（黄来源等，2013）。

1　地质环境条件

本区属温带季风气候，年平均气温为11.9℃，年平均降水量为582.8mm，年平均相对湿度61%，年平均无霜期202天。全年日照2553.8小时，占可照时数的58%（北京市国土资源局，2006；北京市科学技术协会，1992）。

车厂北沟处于太行山余脉大房山东南麓，地势西北高，东南低，西部为石灰岩丘陵、岗地，最高点猫耳山海拔1243m，车厂村最低处海拔188m（北京市地质矿产局，1991）。出露地层岩性主要为侏罗系九龙山组紫红色、灰绿色凝灰质粉砂岩、细砂岩；龙门组灰黑色砂岩、粉砂岩；窑坡组细砂岩、砂岩、粉砂岩。三叠系中下统双泉组凝灰质砂岩、粉砂岩。二叠系石盒子组粗砂岩、砂岩、粉砂岩。奥陶系中统马家沟组粉晶灰岩、白云岩。著名的房山侵入岩体位于本地区东侧，发育侵入岩为花岗闪长岩（鲍亦冈等，2001）。沟内少量第四系的冲洪积及残坡积的碎石粘土等（图1）。本区主要发育北北东向展布的向斜褶皱构造。核部地层为侏罗系九龙山组砂岩。两侧岩体依次变老。明万历年间，发生地震，震中在黄院（李善明等，1983）。本地区发育碎屑岩基岩裂隙水，含水岩组为砂岩、页岩与煤层互层含水岩组，泉流量小于300m3/d（北京市水文地质工程地质大队等，2000）。

图1　工作区域地质图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

车厂北沟整体流域形态为细长带形，呈西北—东南走向，支沟发育一般，支沟沟域形态受地质构造控制呈非对称分布，支沟长度一般较小。主沟流域纵向长度约3km，平均宽度约1.5km，流域面积约4.1km2。沟域最高点位于皋沟沟头西南部的分水岭，高程1141.5m，最低点位于沟口38路车站处，高程为198.5m，最高点与最低点相对高差约940m，主沟平均纵坡降31.3%。

主沟上游皋沟段山体陡峻，平均坡度在30°以上，主沟沟谷纵坡大，有多处跌水，急弯出现，沟谷较发育，有利于地表降水的汇集，并且由于本地区为发育沉积岩和火山岩，基岩裂隙水发育，沟内常年发育地表径流。为泥石流发育条件中的水源汇集提供了基础。

车厂北沟整体流域上泥石流形成区、流通区、堆积区并没有明显的界限，没有典型的物源区和流通区。主沟沟道堆积加之支沟的老泥石流堆积又成为流通区范围内的物源区。根据北沟的整体流域特征、形成条件、松散物源分布情况等，将整条沟分成3个区域。皋沟上游瀑布以上3条支沟流域范围约1km2，植被发育，残坡积物较薄，基岩出露范围较大物源少，因此划分为泥石流形成区（清水区）；皋沟瀑布以下至皋沟与柳沟交汇处，沟底物源堆积丰富，两侧边坡存在崩滑现象，为泥石流松散物源主要的分布区域，划分为泥石流形成区（物源区）；皋沟与柳沟交汇处以下为流通堆积区。

形成区（清水区）位于主沟上游支沟皋沟上游两沟汇流跌水处以上区域，面积1km2，海拔1000～1100m，周边地势较平坦，坡度15°～25°，坡积物与基岩分界不明显，界线一般位于地形坡度大于45°～50°坡脚位置，残坡积物厚度约1～2m，坡体表面分布零星崩落块石，粒径0.5～1.5m，周边植被以灌草为主，覆盖率80%，山坡稳定性较好，沟谷发育一般，形成泥石流物源主要以冲沟两侧沟岸面蚀和山坡面蚀为主，出露岩性为粉砂岩，产状116°∠35°（照片1） 。

照片1　主沟上游坡面危岩Pic.1 Rock in main gully

照片2　主沟上游7.21暴雨堆积物Pic.2 Storm deposits in main gully

图2　车厂北沟泥石流形成区（物源区）A-A剖面图Fig.2 A-A sectional view of Beigou debris flow formation region

图3　车厂北沟泥石流形成区（物源区）B-B剖面图Fig.3 B-B sectional view of Beigou debris flow formation region

泥石流形成区（物源区）分布于皋沟瀑布以下至皋沟与柳沟交汇处，该段沟道长度约2km，物源区面积约4km2。

该段沟谷边坡陡峻，构造复杂，褶皱断层发育，松散堆积物厚度相对较大，不良地质现象发育，特别是“7·21”特大暴雨后产生多处沟岸崩滑，为泥石流的发育提供了松散物源（照片2、图2、图3）。

泥石流流通堆积区分布于皋沟与柳沟交汇处至车厂村房山38路汽车站，该段沟道长度约2km，宽约0.2km，主沟纵坡较缓，泥石流堆积方量约50×104m3， 主沟堆积扇区发育不典型，支沟发育小型堆积扇（照片3、图4）。

根据对沟道堆积物（含泥石流堆积物和部分冲洪积物）进行了颗粒级配分析试验，泥石流的颗粒级配关系反应了不同沟段位置的水动力条件和冲淤特征，与野外调查的情况基本相符，主要体现在以下几个方面：①试验成果均反应出堆积物种砾石含量最大值达到82.9%，最小值为36.4%，平均值为70%～80%，土石比自上游至下游呈现变小的趋势，土石比总体水平较高，说明车厂北沟常年水动力条件一般，水库下游水动力条件稍好，正是由于逐步增强水动力条件下，沟道浅部的细小颗粒部分被洪水带走，将粗颗粒物质留于沟道内所致（表1）。②同沟段样品试验成果的差异也反映了不同沟段水动力条件的差异和冲淤特征（黄来源等，2014）。如TC2、TC3 、TC4位于沟道内物源形成区下部较平缓的地带，有利于泥沙沉积，又由于其位于沟道上游，水动力条件一般，故其土石比较高。流通堆积区中段TC5、TC6所处位置沟谷纵坡总体上均较缓，沟谷冲淤特征均表现出以淤为主的特点，但由于随着支沟汇水的增加，水动力条件改善，其土石比有降低趋势。龙门口水库下游段处TC7沟谷纵比降相对更小，且冲淤特征表现为以淤为主，但因水库的存在，可以调蓄水源；水动力条件较上游规律，虽然表现出以淤为主的特点，但土石比较上游降低。③由于沟域内沟道堆积物总体上土石比较高，其颗粒级配特征表现为大部分集中于＞2mm的砾石，而粒径＜2mm的砂粒和粉粘粒含量一般占比38%～17.1%，较高水平的土石比反映了该沟水动力条件相对较弱，冲淤特征常表现出以淤为主的特点。④堆积物颗粒级配反映的沟床冲淤特征是沟床经过长期积累的平均效应，其冲淤变化是相对的，该沟总体上体现出以淤为主的特点（黄来源等，2012），但如果发生“7·21”规模的山洪泥石流，沟道下游的冲淤变化也可能转变成以冲刷为主的特点。

照片3　主沟中游沟道堆积Pic.3 Deposit in main gully

图4　车厂北沟泥石流流通堆积区E-E剖面图Fig.4 E-E sectional view of Beigou debris flow

表1　车厂北沟泥石流堆积物颗粒分析结果统计表Tab.1 Debris flow particle analysis results tables

2.2泥石流动力特征

（1）泥石流流体重度

由于车厂北沟泥石流以往没有监测资料，只能通过配方法和查表法来确定，而这两种方法又各有其特点。配方法只能对已发生过、且有人目击的泥石流进行测定，且测定结果只能代表当时的一次泥石流发生的结果。相对而言，查表法是在现状调查基础上带预测性的重度值结果，更宜作为泥石流设计的依据，此外，主沟与支沟堆积物重度值关系的匹配关系也基本符合逻辑，支沟泥石流重度总体上较大，主沟因沟水稀释，其重度降低。

按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/ T0220-2006）附录H填写泥石流调查表并按附录G进行易发程度评分，按表G.2查表确定车厂北沟及其主要支沟泥石流重度和泥沙修正系数，其结果经查表综合分析得到本沟泥石流流体重度约为1.516t/m3。

泥石流流速参照北京市政设计院推荐的北京地区经验公式：

式中：Vc为泥石流断面平均流速（m/s）；mw为河床外阻力系数；I为泥石流水力坡度（‰）；R为水力半径（m）；α为摩擦系数。

计算求得的泥石流流速Vc为1.88m/s。

（3）泥石流峰值流量

泥石流流量采用雨洪法计算，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。计算参数及结果见表2。

（4）一次泥石流过程总量

一次泥石流总量可通过计算法和实测法确定。实测法精度高，但往往因不具备测量条件，只是一个粗略的概算。计算法根据泥石流历时T和最大流量Qc，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，一次泥石流过程总量结果见表3。

采用HPLC法测定。色谱条件：色谱柱为InertSustain C18（150 mm×4.6 mm，5 μm）；流动相为甲醇（A）-0.1%冰醋酸溶液（B），梯度洗脱（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）；流速为0.8 mL/min；柱温为30 ℃；检测波长为254 nm；进样量为10 μL。

表2　泥石流流量计算参数及结果一览表Tab.2 List of parameters and calculation results of debris flow

表3　一次泥石流总量结果一览表Tab.3 A list of the total amount of debris flow

Q = k·T·Qc

式中：k为经验系数，T为泥石流历时（s），Qc为泥石流峰值流量（m3/s）。

（5）一次泥石流固体冲出物

一次泥石流固体冲出物按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T0220-2006）计算，其结果列于表4。

表4　一次泥石流固体冲出物Tab.4 A list of the debris flow out of solid matter

（6）泥石流整体冲击力和单块最大冲击力

泥石流冲击力是泥石流防治工程设计的重要参数。分为流体整体冲击力和单块最大冲击力两种。泥石流整体冲击力 为7.05kPa，泥石流单块最大冲击力为3.38kN。

（7）泥石流爬高和最大冲起高度

泥石流遇阻，其动能瞬间转化为势能，撞击处使泥浆及包裹的石块飞溅起来，称为泥石流的冲起。泥石流遇反坡，由于惯性作用，将沿直线前进的现象称为爬高。本次对泥石流爬高和最大冲起高度预测是按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/ T0220-2006）计算，港沟泥石流最大冲起高度约为0.18m；泥石流爬高约为0.29m。

（8）泥石流弯道超高

由于泥石流流速快，惯性大，故在弯道凹岸处有比水流更加显著的弯道超高现象。泥石流弯道超高约为0.21m。

3　泥石流形成机理分析

车厂北沟属暴雨沟谷型泥石流。车厂北沟各支沟泥石流在暴雨作用下，汇集于主沟道，汇流过程中将坡面的各类松散堆积物源携带进入沟道，并顺沟而下，主要通过沟道揭底冲刷卷动沟道内的松散堆积物源，同时将两侧沟岸崩滑堆积松散固体物质带走，从而形成主沟泥石流灾害。

沟道中下段两岸及各支沟中下游地段发育崩滑和水土流失，以及沟道内大量的沟道堆积物为泥石流的发生提供了丰富的松散固体物源，而暴雨则是泥石流形成的主要诱发因素。由于沟谷流域面积大，地形陡峻，易于汇水，水源丰富，且沟道物源含泥量较低，故泥石流类型为稀性泥石流。

根据对车厂北沟地貌、岩性、构造、风化、降水及人类工程活动等因素的调查与分析，综合认为以下几方面是控制和影响车厂北沟泥石流形成的关键因素。

3.1地形地貌

泥石流形成的地形要素主要包括泥石流沟的流域形态、流域面积、山坡坡度及沟床比降等。在泥石流形成过程中，沟域内地形陡峻，沟谷纵坡大为水源和泥沙的汇聚提供了有利的地形地貌条件，工作区内的泥石流沟是沟谷型的，两侧山坡坡度较陡，局部地段近乎直立，整体流域形态南北向呈带状，流域面积达4.1km2，主沟支沟皋沟段上游山体陡峻，平均坡度在30°以上，主沟整体沟谷纵坡大，支沟较发育，有利于地表降水的汇集，同时冲沟的汇水面积也较大，有利于泥石流的发生（图5）。

图5　车厂北沟遥感影像图Fig.5 Remote sensing imageof Beigou debris flow

3.2固体堆积物

泥石流沟所在区域发育大量粉砂岩和花岗岩，在区域地质构造属于沉积岩与侵入岩结合部位，在岩性、构造、降水、及风化作用等因素的影响下，中上游侧蚀和下切发育，沟谷两侧坡体变陡，同时由于节理裂隙发育，容易产生崩塌灾害，崩落的岩、土体堆积在冲沟中，为泥石流的形成提供了一定数量的松散固体物质，同时加上沟道内再搬运的松散固体物质，构成了泥石流发生的物源条件。

车厂北沟松散固体物源较丰富，物源主要分布在皋沟瀑布以下至皋沟与柳沟交汇处，本次调查物源点15个，物源类型包括崩滑堆积物源、沟道堆积物源和坡面侵蚀物源三类。根据调查崩滑堆积物源总量1.5×104m3，可能参与泥石流活动的动储量为0.6×104m3；沟道堆积物源总量20.85×104m3，可能参与泥石流活动的动储量为3.25×104m3；坡面侵蚀物源总量8.75×104m3，可能参与泥石流活动的动储量为2.5×104m3。目前车厂北沟沟域内松散固体物源动储量为6.35×104m3，这些物源是分布在主沟及各条支沟中的，这些物源同时参与一次泥石流活动的可能性较小，而且参与泥石流活动的松散固体物质也并非都会全部冲出泥石流沟。该沟道物源主要以沟道堆积为主，沟道堆积其实主要也是沟道内两岸崩滑堆积再搬运的产物，相比之下其他种类物源参与程度较低。

泥石流规模主要与沟域内松散固体物源的累计和动态变化情况及与引发泥石流的暴雨情况相关，当沟域内松散固体物源累积较多，且遇到集中暴雨时，往往就会发生较大规模的泥石流灾害。据调查，目前累积的松散固体物源量仍较大，一旦遭到强降雨的作用，势必引发泥石流灾害。“7·21”暴雨期间皋沟爆发山洪泥石流，造成了2000多万元的经济财产损失，而主沟的大部分物源尚未完全启动，至今主沟尚未形成大规模泥石流灾害，但其在大的暴雨作用下发生泥石流灾害的危险性是较大的。

3.3水源条件

车厂北沟泥石流的水源主要来源于大气降水。由于泥石流均发生于雨季，冰雪融水一般不会成为引发泥石流的水源。沟域上游地下水不丰富，存在基岩裂隙水形成的下降泉，而且常年存在地表径流，但水量有限，不构成引发泥石流的主要水源。沟域中下游存在人工多级调蓄水池和水库，但由于所处位置，地表集中水体也不是泥石流主要水源。因此暴雨形成的地表径流是引发泥石流的主要水源，暴雨是泥石流的主要诱发因素。

在暴雨作用下支沟的径流大部分进入主沟，主沟的水流量远大于支沟，而支沟泥石流的固体物质则部分停积于沟口平缓开阔地段，部分汇入主沟，因而支沟泥石流往往在汇入主沟后被稀释，重度降低，而流量则从上游向下游逐步增大，冲刷能力增强，并将主沟两岸及沟底的松散固体物质带向下游，因此，主沟泥石流类型一般演变为为稀性泥石流或含沙量较高的山洪。

3.4人类工程活动

工作区内可能诱发或加剧泥石流暴发的人类工程活动较少。由于该条沟域正在进行整体旅游开发，牛皋沟景区建设工程整体上对于沟道的环境保护、地质灾害的防治起着积极的作用，但在建设中也存在一些不合理人类工程活动，如景区开发中切坡修路建房等不规范人类工程活动，形成了不稳定边坡，破坏了原有的林草植被，加速了水土流失及崩塌、滑坡等地质灾害的暴发，当遇上大雨或暴雨，这些不合理工程设施极易受到泥石流灾害的威胁。

4　泥石流发展趋势

4.1泥石流易发程度分析

根据前述对泥石流成因机制和引发因素的分析，车厂北沟属暴雨沟谷型泥石流，泥石流规模主要与沟域内松散固体物源的累计和动态变化情况及与引发泥石流的暴雨情况相关，当沟域内松散固体物源累计较多，且遇到集中暴雨时，往往就会发生较大规模的泥石流灾害。“7·21”暴雨后，车厂北沟沟内崩滑等不良地质现象增多，局部水土流失加剧，可参与泥石流活动的松散固体物源量增加，在极端降雨作用下，易引发大规模的泥石流灾害。

根据泥石流沟易发程度数量化综合证判等级标准（《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）附录G），结合现场调查成果对车厂北沟的易发性进行评判，车厂北沟泥石流沟综合得分为88分，泥石流沟易发程度为“中等易发”。

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发给人民生命财产、基础设施、生态环境带来的危害大小。泥石流危害程度的评判可采用国土资源部颁发的《地质灾害防治条例》中的相关规定进行。根据确定的泥石流危险区范围，车厂北沟威胁对象主要为皋沟内旅游开发建设基础设施（房屋、道路、蓄水池）、金陵遗址、九龙山庄、龙门口水库、车厂村文化广场、房山38路车站等。泥石流的危害方式主要为淤埋和冲刷。根据相应标准，车厂北沟泥石流危害程度为较大级。

4.3泥石流危险性分级评价

泥石流危险性分级依据《地质灾害危险性评估规范》的相关规定，地质灾害危险性等级主要由地质灾害发生可能性和地质灾害可能造成危害程度来判定，依据《地质灾害危险性评估规范》中相应标准进行危险性分级。车厂北沟泥石流易发程度为中易发，危害程度为较大级，因此判定其危险性等级属中等。

5　泥石流防治对策

车厂北沟泥石流的治理还是需要与该沟域整体的旅游开发相结合。规范流域内的人类工程活动，工程措施与景区内的景观设施结合，景区建设与灾害防治相辅相成，形成良性互动。建议采取工程措施、生物工程措施相结合进行综合治理。

（1）在皋沟上游不同海拔位置进行水保林植物工程，在泥石流沟道中适当位置修建拦挡坝及排导槽，减缓泥石流的水动力条件及冲刷。

（2）在泥石流沟道中禁止从事建设开挖活动，避免建筑垃圾的堆积及植被的破坏以保护好水土，避免为泥石流的发生提供物源条件。

（3）开展泥石流监测预警工作。

［1］北京市地质研究所. 北京市北山地区泥石流灾害详查及其防治对策［M］.1993.

［2］北京市地质研究所. 北京市房山区突发地质灾害详细调查报告［R］. 2013：1～104，.

［3］北京市国土资源局. 北京市地质环境公报［R］，2002—2006.

［4］北京市科学技术协会. 首都圈自然灾害与减灾对策［M］. 北京：气象出版社，1992.

［5］北京市地质矿产局. 《北京市区域地质志》［M］.北京：地质出版社，1991年.

［6］鲍亦冈，刘振峰，王世发，等，北京地质百年研究［M］.北京：地质出版社，2001.

［7］北京市地震地质会战办公室.北京地区地震地质的估价及新构造运动［R］.1983.

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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

北京市突发地质灾害详细调查项目（项目编号：1241STC60669）。

黄来源（1978- ），男，高工，主要研究方向：地质灾害防治。E-mail：huangly78@126.com