门头沟区斋堂镇东河沟泥石流发育特征及防治工程

甘柯

摘  要：泥石流是北京地区危害性严重的地质灾害之一，其形成原因复雜、暴发突然、危害性大。针对门头沟区斋堂镇向阳口村东河沟泥石流发育特征，通过钻探、槽探、试验、物探等勘查手段，查明泥石流发育的自然环境、形成条件、基本特征及危害，对重要泥石流特征值包括泥石流流体重度、流速、流量、一次冲出量、一次固体冲出物质总量、泥石流整体冲压力、爬高和最大冲起高度等，进行定量计算。并根据勘查成果和泥石流沟发育特征，设计以稳拦、排导、清淤为综合工程治理思路，采用钢筋混凝土拦挡坝、浆砌石谷坊、排导槽、挡墙、沟道清理工程等多种措施，进行综合防治。

关键词：泥石流灾害;发育特征;特征值;防治工程

中图分类号：P642.23       文献标识码：A     文章编号：1007-1903（2019）02-0048-06

Abstract： Debris flow is one of the serious geological hazards in Beijing. The causes of debris flow are complex， sudden outbreak and great harm. In view of the development characteristics of debris flow ditch in Xiangyangkou Village， Zaitang Town， Mentougou District， through drilling， trough exploration， geophysical exploration etc.， the natural environment， formation condition， basic characteristics and harm of debris flow are found out. The important characteristic values of debris flow including debris flow fluid density， velocity of flow， discharge， primary flushing amount， total amount of solid washed-out material， total debris flow pressure， climbing height and maximum height of debris flow are quantitatively calculated. According to the exploration results and the characteristics of debris flow gully development， the stable blocking， drainage and dredging as the comprehensive project control ideas are put forward， and the reinforced concrete retaining dam， grouted stone valley dam， drainage trough， retaining wall， channel cleaning and other measures are used to prevent and control the debris flow.

Keywords：Debris flow disaster; Developmental characteristics; Eigenvalue; Prevention and Control project

0 前言

泥石流是北京地区危害性严重的地质灾害之一，其形成原因复杂、暴发突然、危害性大（韦京莲等，1994;赵忠海，2009;谢洪等，2001）。其活动特征和性质，也随发育环境不同而相异（谢洪等，2004）。门头沟区斋堂镇向阳口村东河沟泥石流沟域内地形陡峻，地形条件发育，沟域两侧的滑塌、松散边坡等不良地质作用为泥石流松散固体物源的汇集及泥石流的形成创造了条件。东河沟泥石流直接威胁住户47户，人数145人，潜在直接经济损失2000余万元（北京市规划和自然资源管理委员会，2018;北京市地质工程设计研究院，2017）。

1地质环境背景

该地区属暖温带大陆性季风气候区，平均年降水量500～675mm，年内降水不均，7—8月的降水量可占到全年降水量的60%左右。该区位于永定河上游，场地内沟道为季节性水流。

本区地处太行山余脉东部，地势南、北、东三面高，中部及西部低，地形起伏较大，海拔高程347～1403m，相对高差1056m，沟谷发育，泥石流沟总体呈“V”型。

向阳口村东河沟泥石流区域出露的地层岩性主要为第四纪冲洪积（Qhal）砂砾石和蓟县系雾迷山组三段（Jxw3）白云岩，蓟县系杨庄组（Jxy）含粉砂泥晶白云岩，长城系高于庄组（Chg）灰色、黑色白云岩，花岗岩（γ）岩脉。沿河城断裂呈北东向展布于该区，沟谷南岸断续出露构造角砾岩（吕金波，2012）。

2泥石流基本特征

2.1流域沟道及物源特征

东河沟泥石流沟域范围自向阳口村向东一直到沟域分水岭垭口，包括东西向的主沟及近南北向的3条支沟区域，总流域面积5.88km2（图1）。

主沟呈东西向分布，主体为“V”字型沟谷地貌，总体走向近东西，较为顺直，局部弯曲，主沟起点位于东侧分水岭垭口，最大高程1180m，最低高程347m，纵向长度3460m，宽度约80～1345m，高差833m，平均纵坡降241‰。

北侧平行分布有3条支沟，均为近南北向展布，支沟最大高程1403m，最低高程435m，纵向长度1450～2370m，平均纵坡降394‰～530‰。

主沟沟道以及各支沟中上部两侧山坡上部区域为清水区，物源分布较少，流域面积约5.01km2。植物覆盖率30%～40%，主要为泥石流的形成汇集水源并提供水动力条件。

泥石流物源区分布于主沟中上游及北侧支沟中游，包括崩积物、坡面侵蚀物源以及沟道内的松散堆积物;流通区位于主沟中下游，纵坡降多集中在100‰～300‰;主沟沟口至永定河河道距离内，纵坡较缓，平均纵坡降100‰～200‰，有利于泥石流物质的淤积，划分为流通堆积区，堆积区堆积厚度10m以上。东河沟泥石流沟形成区、流通区、堆积区范围见图2、图3、图4。

东河沟泥石流松散固体物源较丰富，物源类型主要包括崩滑堆积物源、沟道堆积物源和坡面侵蚀物源三类。根据物源点调查、槽探，钻探及物探工作统计计算，可参与泥石流活动的动储量为5.50×104m3。

本次勘查采用体积法在泥石流主沟选取10个代表性试验点测定泥石流堆积物颗粒级配。综合野外筛分与室内试验的成果，计算求得不同粒级颗粒所占百分比，其结果见表1。

由表1可见，试验反映出其细粒物质（粘粒含量）极少，说明东河沟泥石流沟域总体上水源丰富，水动力条件强，细小颗粒（特别是沟道浅部的）大部分被洪水带走，而粗颗粒物质留存于沟道。

2.2 泥石流基本特征值

根据勘查成果（北京市地质工程设计研究院，2017），对泥石流的重要特征值进行，为防治工程提供基本参数及依据。主要包括以下7类参数。本次在东河沟泥石流沟谷不同沟段选择了6处较典型剖面进行泥石流特征值的计算（《泥石流灾害防治工程勘查规范》（试行）（TCAGHP 006-2018））。

（1）泥石流流体重度

为泥石流基本计算参数，依据模拟实验结合现场调查综合分析，确定东河沟泥石流重度为1.579t/m3。

（2）泥石流峰值流量

本计算采用雨洪法。即在泥石流与降雨同步、同时发生、选取剖面的暴雨洪水转换为泥石流流量的状态下进行计算，流量计算结果见表2。相关气象资料参考北京市水文手册（1999）。

（3）一次泥石流过流总量、固体冲出物

根据泥石流持续时间和流量进行计算。泥石流峰值历时T（s）一般为20～60min。本计算取60min。

经计算，东河沟泥石流沟谷在50年一遇和百年一遇降雨条件下，一次过流总量、一次泥石流冲出固体物质总量见表3。

（4）泥石流流速

泥石流流速是泥石流灾害重要的参数，直接影响到泥石流运动的其他相关参数。本计算主要根据北京市政设计院推荐的地区经验公式计算。

通过计算，泥石流的暴雨情况下各剖面平均流速范围为Vc =1.68～3.04m/s。

（5）泥石流整体冲压力

每次泥石流过后，防治结构墙面均会留下冲击痕迹（陈洪凯，2006），泥石流整体冲压力为后期泥石流防治工程设计的重要依据，经计算50年一遇和百年一遇降雨条件下泥石流整体冲压力最大分别为14.42kpa、19.41kpa。

（6）泥石流爬高和最大冲起高度

爬高即泥石流运动过程中由于惯性作用沿直线前进爬升的现象;冲起即泥石流行进过程，遇到阻碍，撞击使石块飞溅的现象。经计算五十年一遇和百年一遇降雨条件下，泥石流最大冲起高度分别为0.34m、0.46m;最大爬高约0.55m、0.74m。

（7）泥石流弯道超高

弯道超高是因为泥石流在沟道转弯处因凹岸处流速较快，流体增厚，凸岸一侧流速较慢，流体变薄产生的超高现象。经计算50年一遇和百年一遇降雨条件下，泥石流彎道超高最大为0.24m、0.32m。

3 泥石流防治工程措施

根据相关规范，确定东河沟泥石流的防治工程安全等级为一级。根据泥石流发育特征，防治工程以稳拦、排导、清淤为综合治理思路。主沟中上游治理稳拦为主，主沟中下游以排导为主，支沟治理以稳拦物源为主，工程部署具体组成为：钢筋混凝土拦挡坝、浆砌石谷坊、排导槽、挡墙、沟道清理工程。

（1）钢筋混凝土拦挡坝

在泥石流沟谷主沟流形成区、流通区、北侧3条支沟沟口处累计修建5处钢筋混凝土拦挡坝，使其满足100年一遇降雨条件下对泥石流固体物质的拦挡要求，同时满足上游来水的通过性，能够有效减少进入主沟下游的固体物质量，降低其危害作用（图5）。

拦挡坝均采用C30钢筋混凝土结构。钢筋保护层厚度取50mm，坝体主筋为HRB400级钢筋;坝体纵向受力筋直径20mm，间距200mm;钢筋底端采用弯钩锚固，末端弯折90°，长度250mm;横向分布筋直径16mm，间距200mm，与纵向受力筋接点处采用绑扎相连;横向分布筋长度每超过10m应采用绑扎或焊接的方式相连;坝体基础箍筋及分布筋直径均为16mm，间距200mm。

筋网间采用拉筋牢固，拉筋直径12mm，采用矩形排布，间距800mm。

坝基础用C30钢筋混凝土整体扩展基础。在坝体基础底板的基础上向上下游各延伸0.5m。基础下部采用30cm厚C20混凝土垫层;坝身底部设泄水孔，宽0.5m，高0.8m。

（2）浆砌石谷坊

在主沟拦挡坝上游、流通区物源较厚处设计8座浆砌石谷坊，以提高沉积物的侵蚀基准面，起到固源的作用。

浆砌石谷坊呈梯形，顶宽0.8m，底宽1.5m，坝高2.0m，块石选用新鲜完整、未经风化、大小均匀的坚硬石块，石料抗压强度等级不得低于MU30。因治理区雨季降水充沛，谷坊坝体下游段紧贴坝体地表部位应回填块石、碎石层，防止过坝水流掏蚀坝底。

（3）排导槽

在流通区中下游至主沟沟口地段，修建排导槽。具体位置为主沟内拦挡坝下游及连接各支沟沟口位置设置排导槽，有效的保证上游汇集的水流，砂石疏导至下游永定河中，以保障村民房屋设施安全，同时非汛期可作为道路通行。

设置过水断面为矩形（图6），槽壁上顶宽80cm，下底宽150cm，土体一侧方槽壁放坡比为1∶ 0.35，沟槽一侧直立，槽壁为M10浆砌石结构，槽底为50cm厚的毛石混凝土结构，毛石含量不小于20%。为减缓水速消能，并满足非汛期通行要求，在槽底等距离设计与排导槽底同宽，高度为0.5m，两侧按1∶5坡比砌筑的防冲肋台。

（4）浆砌石挡墙

为有效拦挡坡面沉积物的冲刷造成的水土流失，减少坡面侵蚀物源的贡献，并起到防止落石的作用。在靠近主沟沟口南侧及西侧坡面松散物较厚处，设置浆砌石挡墙。重力式挡土墙均为M10浆砌块石结构。

（5）沟道清理

主要是对沟道内散乱堆积的碎石土进行清运，清理沟段简单进行场地平整后，村内可将其作为绿化用地，进行树木栽植。沟道清理沉积物以及各治理工程沟槽回填后所剩的余土均需外运到项目区3km以外的渣土消纳场所，以防人为为泥石流提供松散物源。

4 结论与建议

通过对泥石流采用“以排为主，拦排结合”的治理思路，采用“重力坝（钢筋混凝土结构）结合下游排导槽以及拦挡坝间谷坊的设置将泥石流排入主河永定河”进行治理的思路，有效的保护了危险区范围内居民区、耕种区以及公共设施的安全，对当地恢复生态和社会的稳定与发展，保障人民群众的生活生产安全，起到了积极作用和良好的社会、经济、环境效益。

建议加强沟域植被保护和水土保持，减少泥石流可参与物源。治理工程实施前和实施过程中进一步加强地质灾害群测群防工作，避免因突发地质灾害造成人员伤亡和经济财产损失，治理过程中要防止人为扰动次生灾害的发生，避免资源浪费。

参考文献

北京市水文总站，1999. 北京市水文手册： 第一分册 暴雨图集[R]. 北京市水务局.

北京市地质工程设计研究院，2017. 北京市门头沟區斋堂镇向阳口村东河沟泥石流地质灾害治理项目勘查报告[R].

北京市地质工程设计研究院，2017. 北京市门头沟区斋堂镇向阳口村东河沟泥石流地质灾害治理项目设计方案[R].

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