金陵景區(qū)牛皋溝泥石流災(zāi)害特征

郭 英，劉曉曉，申 健

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

金陵景區(qū)牛皋溝泥石流災(zāi)害特征

郭 英，劉曉曉，申 健

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

牛皋溝位于北京市周口店鎮(zhèn)金陵景區(qū)，2012年“7·21”特大暴雨期間暴發(fā)泥石流。本文在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、綜合地質(zhì)測(cè)繪、勘探等的基礎(chǔ)上，對(duì)景區(qū)泥石流的形成條件、物源分布及特征進(jìn)行了探討分析。研究表明，牛皋溝岸坡陡峻、物源豐富、水動(dòng)力足，具備泥石流形成的基本條件，且景區(qū)內(nèi)頻繁的人類工程活動(dòng)也為泥石流發(fā)育創(chuàng)造了條件；對(duì)牛皋溝泥石流的基本特征值進(jìn)行計(jì)算，泥石流流體重度約為1.550 t/m3，定性為稀性泥石流；50年一遇洪峰流量值為28.33m3/s，一次泥石流固體沖出物1.85×104m3，其爆發(fā)的規(guī)模屬于中型泥石流。

泥石流；災(zāi)害；基本特征；牛皋溝

0 引言

風(fēng)景區(qū)大多位于山區(qū)，山高陡峻，隨著山區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)的建設(shè)，日漸成為重要的旅游資源，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但是多數(shù)風(fēng)景區(qū)處于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)，常有泥石流活動(dòng)。2012年“7·21”特大暴雨期間房山區(qū)金陵景區(qū)牛皋溝發(fā)生了泥石流災(zāi)害，沖毀溝內(nèi)旅游道路及護(hù)堤，大量土石堆積于溝內(nèi)，溝口景區(qū)集散地牌坊及廣場(chǎng)被掩埋破壞，使整個(gè)景區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施陷于癱瘓，旅游景觀和生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞，同時(shí)，繼續(xù)威脅景區(qū)設(shè)施及人員的安全，嚴(yán)重影響景區(qū)正常開(kāi)發(fā)與建設(shè)。

對(duì)于北京地區(qū)泥石流的調(diào)查研究，前人已經(jīng)做過(guò)不少工作（陳家華，1994；韋京蓮等，1994；吳正華，2001；鐘敦倫等，2004；李金海，2007；趙忠海，2009；何媛等，2013；王珊珊等，2015）。本文在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、地質(zhì)勘查和室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)金陵景區(qū)牛皋溝泥石流的形成條件及分布特征進(jìn)行分析探討，為今后該地區(qū)泥石流的進(jìn)一步研究及后期泥石流治理提供參考。

1 牛皋溝地質(zhì)背景

1.1 牛皋溝泥石流分布

牛皋溝泥石流溝流域面積約為2.0km2。溝道平面形態(tài)近似長(zhǎng)扇葉形（圖1），主溝道全長(zhǎng)約2750m；溝頂高程1126.9m，溝底高程295m，相對(duì)高差約831.9m。山坡坡度為35～45，溝床平均縱坡降為303‰。牛皋溝支溝相對(duì)不發(fā)育，較大支溝位于流域上游西側(cè)，支溝長(zhǎng)約800m，相對(duì)高差約420m，坡度為40～50，溝床平均縱坡降為525 ‰。牛皋溝總體上為深切割“V”型谷，具有岸坡陡峻、切割深度較大的特點(diǎn)。這種地形非常利于水源和泥沙的匯集，是泥石流形成的有利地勢(shì)。

1.2 牛皋溝地質(zhì)構(gòu)造

圖1 牛皋溝溝域圖Fig.1 Niugao ditch basin map

景區(qū)內(nèi)主要出露侏羅系與三疊系，巖性主要是變質(zhì)砂巖及千枚巖。該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，其中北嶺向斜發(fā)育于工作區(qū)北部，由于受后期構(gòu)造強(qiáng)烈改造，走向由北東東轉(zhuǎn)至北東，平面上呈一彎曲的“鐮狀”，東北端形態(tài)較簡(jiǎn)單，東南端構(gòu)造形態(tài)較復(fù)雜，發(fā)育次一級(jí)或后期疊加形成的褶皺。北京地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈，根據(jù)歷史記載，北京及鄰近地區(qū)歷史上（38.5°～41°N；114.8°～118.3°E）曾發(fā)生過(guò)若干次不同級(jí)別的地震，自公元294年至2006年，8級(jí)地震1次（1679年三河—平谷地震）；7～7.9級(jí)地震1次；6～6.9級(jí)地震13次。強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地震破壞了巖體的穩(wěn)定性（謝覺(jué)民等，2009），為泥石流溝的發(fā)育和松散物質(zhì)的形成創(chuàng)造了條件。

2 泥石流形成條件分析

2.1 地形和溝谷條件

根據(jù)泥石流溝床縱比降及物源分布特征，將全流域分為清水區(qū)、形成流通區(qū)與堆積區(qū)三個(gè)區(qū)域。主溝上游高差大主要是清水匯集區(qū)段，形成流通區(qū)段分布在中下游溝道相對(duì)較平緩段，主溝溝床縱比降變化情況詳見(jiàn)圖2。清水區(qū)平均坡降約583 ‰，為泥石流的形成匯水并提供水動(dòng)力條件；形成流通區(qū)溝床平均縱比降223 ‰；堆積區(qū)位于牛皋溝溝口，溝口分布景區(qū)建筑及停車場(chǎng)。平均縱坡降122 ‰，有利于泥石流物質(zhì)的淤積。

圖2 牛皋溝泥石流主溝縱剖面圖Fig.2 Niugao ditch main channel longitudinal prof i le map

2.2 降雨條件

水源是泥石流發(fā)生的主要促發(fā)因素。2012年“7·21”特大暴雨為北京61年來(lái)最大暴雨，7月21日10時(shí)至22日6時(shí)，牛皋溝流域所在區(qū)域累計(jì)降雨量約460mm。依據(jù)《北京市水文手冊(cè)》進(jìn)行計(jì)算，牛皋溝所在區(qū)域50年一遇暴雨小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)92mm/h。溝域內(nèi)洪水量大、峰高、歷時(shí)較短，溝床水動(dòng)力條件將大大提高，這為激發(fā)泥石流爆發(fā)提供了豐富的水力條件。

2.3 物源條件

牛皋溝流域內(nèi)泥石流的物源十分豐富，分布范圍較大，流域內(nèi)物源量總計(jì)74446.1 m3，主要包括兩類。

一類是溝床堆積物，主要分布于主溝中下游溝段（圖3），物源量25199.1m3，占總物源量80%，堆積厚度0.75～5.5m。“7·21”特大暴雨作用下，上游清水匯集區(qū)段出現(xiàn)大量匯水形成洪水，溝床水動(dòng)力條件大大提高，將溝床刨蝕、揭底沖刷，裹挾大量溝床堆積物形成泥石流，造成較大危害。如果再發(fā)生強(qiáng)降雨，牛皋溝出現(xiàn)泥石流活動(dòng)的可能性仍較大。

圖3 牛皋溝溝道堆積物照片F(xiàn)ig.3 Niugao ditch debris picture

另一類是坡面物源，統(tǒng)計(jì)物源量49247 m3。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，溝道部分地段岸坡出現(xiàn)規(guī)模不等的6處堆積物（表1），特別是“7·21”特大暴雨時(shí)溝內(nèi)發(fā)生泥石流對(duì)溝坡坡腳有一定的沖刷侵蝕破壞，植被也遭到一定的破壞，岸坡結(jié)構(gòu)變得較為松散。這類松散斜坡體在強(qiáng)降雨或洪水作用下，局部極易發(fā)生垮塌形成動(dòng)態(tài)物源參與泥石流活動(dòng)。另外，流域內(nèi)斜面特別是一些人工壩階地等，表層也存在一定厚度的松散物質(zhì)，為泥石流的形成提供物源。

表1 牛皋溝泥石流物源統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of the reserve in Niugao ditch

3 泥石流基本特征值

3.1 泥石流流體重度

金陵景區(qū)牛皋溝泥石流以往沒(méi)有監(jiān)測(cè)資料，只能通過(guò)配方法和查表法兩種方法來(lái)綜合確定。配方法確定泥石流流體重度為1.485 t/m3（表2）。按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220--2006）附錄H及附錄G進(jìn)行易發(fā)程度評(píng)分，牛皋溝易發(fā)程度數(shù)量化評(píng)分89，易發(fā)程度為“易發(fā)”，按表G.2查表確定金陵景區(qū)牛皋溝泥石流重度為1.614 t/m3。配方法測(cè)定結(jié)果只能代表當(dāng)時(shí)的一次泥石流發(fā)生的結(jié)果，如本次勘查測(cè)定的牛皋溝泥石流重度是參照“7·21”泥石流的情況測(cè)定的，由于此次泥石流發(fā)生時(shí)降雨量極大，水量更為豐富，因而測(cè)定結(jié)果可能相對(duì)偏小。因而，本次泥石流重度的綜合取值采用平均值取1.550 t/m3。

表2 牛皋溝泥石流流體重度配方法計(jì)算值Tab.2 The calculated value of Niugao ditch fl uid density through formulation method

3.2 泥石流流量

本次牛皋溝泥石流流量估算采用雨洪法參照下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Qc為頻率為P的泥石流洪峰流量（m3/s）；Dc為堵塞系數(shù)，按勘查規(guī)范表I.1查表確定，本次勘查取1.50；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)，φ=(γc-γw)/(γH-γc)，經(jīng)計(jì)算φ=0.478；γc為泥石流重度（t/m3），取1.550；γH為泥石流中固體物質(zhì)比重（t/m3），取2.70t/m3；γw為清水的重度（t/m3）；QP為頻率為P的暴雨洪峰流量（m3/s），按中國(guó)公路科學(xué)研究所提出的經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)匯水面積＜3km2時(shí)計(jì)算公式為：QP=ψ·F·s，式中：ψ為暴雨徑流系數(shù)，根據(jù)《北京市水文手冊(cè)—洪水篇》查算得0.15；F為匯水面積（km2），取2.0km2； 為小時(shí)雨強(qiáng)（mm/h）。

根據(jù)《北京市水文手冊(cè)》進(jìn)行計(jì)算和查表，牛皋溝溝道不同頻率下的小時(shí)雨強(qiáng)值、暴雨洪峰流量及泥石流流量見(jiàn)表3。

表3 不同頻率下的小時(shí)雨強(qiáng)值、暴雨峰值流量及泥石流流量Tab.3 The storm intensity per hour and storm peak fl ow and debris fl ow at different frequent

3.3 流速

泥石流流速參照北京市政設(shè)計(jì)院推薦的北京地區(qū)經(jīng)驗(yàn)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(shù)，查《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220-2006）表I.2獲取，本次勘查取3.8；R=w/P，w為過(guò)流斷面面積（m2），P為濕周（m）；I為石流水力坡度（‰），用溝床縱坡代替，取值303 ‰；γH為泥石流中固體物質(zhì)比重（t/m3）；取2.70t/m3；φ=0.478。經(jīng)計(jì)算泥石流主要斷面流速Vc見(jiàn)表4。

表4 牛皋溝主要斷面泥石流流速Tab.4 Debris velocity of the main section in Niugao ditch

3.4 一次泥石流過(guò)程總量

一次泥石流過(guò)流總量（Q）通過(guò)下式計(jì)算：Q=k·T·Qc，k為 經(jīng)驗(yàn) 系 數(shù)：當(dāng)F＜ 5 km2時(shí)，k=0.202，本文取0.202；T為泥石流歷時(shí)（s）；據(jù)當(dāng)?shù)卮迕窠榻B，發(fā)生泥石流時(shí)間約為半小時(shí)；Qc為泥石流峰值流量（m3/s）。

根據(jù)泥石流溝道不同頻率的泥石流洪峰流量，計(jì)算一次泥石流過(guò)程總量，其結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 一次泥石流過(guò)程總量Tab.5 The amount of debris fl ow process

3.5 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(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DT/T0220-2006）附錄I提供的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：QH為一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量（m3）；Q為一次泥石流過(guò)程總量（m3）；γc為泥石流重度（t/m3），取 1.550t/m3；γw為水的重度（t/m3）；γH為泥石流固體物質(zhì)的重度（t/m3），牛皋溝泥石流溝取2.70 t/m3。

計(jì)算得到牛皋溝泥石流不同頻率下一次泥石流固體沖出物QH，其結(jié)果列于表6。

表6 一次泥石流固體沖出物Tab.6 The debris fl ow solid scale

4 結(jié)論

（1）牛皋溝總體上為深切割“V”型谷，岸坡陡峻、切割深度，溝床平均縱坡降為303‰，具備泥石流形成的基本條件；牛皋溝泥石流松散固體量7.4×104m3，為泥石流形成提供豐富的物源；區(qū)域降雨多集中在6—8月份，且多呈大暴雨形式出現(xiàn)，50年一遇暴雨小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)92mm/h，水源條件有利于泥石流的形成；且景區(qū)內(nèi)強(qiáng)烈的人類工程活動(dòng)使得松散固相物質(zhì)大量增加，為泥石流的發(fā)育創(chuàng)造了條件。

（2）牛皋溝松散固體物源豐富，分別有溝床堆積物源和坡面堆積物源兩種，溝床堆積物占總物源量的80%，為主要的物源，主要分布于溝域的形成區(qū)及流通區(qū)，厚度0.75～5.5m。牛皋溝泥石流起動(dòng)類型為溝道型泥石流起動(dòng)。

（3）經(jīng)計(jì)算，金陵景區(qū)牛皋溝泥石流流體重度約為1.550t/m3，屬于稀性泥石流；50年一遇洪峰流量值為28.33m3/s，一次泥石流固體沖出物1.85×104m3，其爆發(fā)的規(guī)模屬于中型泥石流。

根據(jù)對(duì)泥石流災(zāi)害史的調(diào)查，金陵景區(qū)牛皋溝泥石流以往屬低頻泥石流；從近期泥石流災(zāi)害史看，僅在2012年“7·21”特大暴雨期間發(fā)生過(guò)，發(fā)生頻率較低。但目前溝內(nèi)仍然存在大量堆積物，裸露坡面較多，侵蝕加劇，可能參與泥石流活動(dòng)的松散固體物源量較大，激發(fā)泥石流的臨界雨強(qiáng)可能降低。因此，泥石流的爆發(fā)頻率可能提高，甚至成為中頻泥石流。

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陳家華等，1994. 北京北山地區(qū)泥石流災(zāi)害特點(diǎn)及其防治現(xiàn)狀研究[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，5(1)，36-44.

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Formation Conditions and Source Characteristics of Niugao Ditch Debris Flow in Jinling Scenic Spot

GUO Ying, LIU Xiaoxiao, SHEN Jian

(Beijing Institute of Geology, Beijing 100120)

Niugao ditch is located in Jinling Scenic Spot in Zhoukoudian, where the debris flow took place suddenly on July 21, 2012 for rainstorm. On the basis of site investigation and exploration, the authors analyze the formation conditions and source distribution characteristics of the debris fl ow in Jinling Scenic Spot. The result show that Niugao Ditch with steep hill, has basic conditions of the mudslide such as more rich loose deposits, and plenty of water power, meanwhile, frequent human engineering activities in the scenic spot is favorable for the formation of debris fl ow. In this paper, we calculate the basic characteristics of the debris fl ow: its density is 1.550t/m3, belonging to diluent debris fl ow; the peak fl ow is 28.33m3/s under the condition of once-50-year rainstorm, and the debris fl ow solid volume is 1.85×104m3, belonging to medium-scale debris fl ow as for bursting scale.

Debris fl ow; Disaster; Basic characteristic; Niugao Ditch

A

1007-1903（2017）03-0050-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.010

郭英（1984- ），女，碩士，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及治理工作。E-mail：254717739@qq.com