礦山棄渣型泥石流溝臨界雨量淺探

王海芝

（北京市地質研究所，北京 100020）

礦山棄渣型泥石流溝臨界雨量淺探

王海芝

（北京市地質研究所，北京 100020）

礦山棄渣型泥石流溝是北京市西部山區重要的泥石流類型，在近幾年發生的泥石流中占比重較大，是近期高發的泥石流類型。本文通過遙感調查數據總結了礦山棄渣型泥石流溝數量較多且松散物質易于啟動的基本特點，對2016年7月20日江心臺溝泥石流案例進行分析，依據本次泥石流前期雨量較少，當日激發雨量集中于某一時段即引發了本次泥石流的特點，提出了以本次泥石流提取的降雨信息，作為北京市礦山棄渣型泥石流溝臨界雨量值的觀點。

礦山棄渣型泥石流；臨界雨量；預警預報

0 前言

近幾十年來，北京市屬于枯水期，年平均降雨量較低。自2012年以來，雖然年平均降雨量依然偏低，但局地性暴雨增多，且引發了泥石流。近幾年發生的幾起溝谷型泥石流，主要發生在堆積體為礦山棄渣的溝谷內。2012年的“7·21”大暴雨之后，房山區河北鎮西區溝（含曬臺溝、口兒溝、老窯溝、杏園溝、朱家溝5條支溝）發生了泥石流，2016年7月20日暴雨導致房山區霞云嶺鄉江心臺溝發生了泥石流。上述兩次泥石流均發生在礦山棄渣型溝谷，溝內堆積了大量的采礦棄渣，因此， 研究探索礦山棄渣型溝谷松散物質的特點及啟動的激發雨量，對于礦山棄渣型泥石流預警預報具有一定的指導意義。

根據2016年對房山、密云、門頭溝三區泥石流溝遙感調查成果（北京市地質研究所，2016），在上述三區調查的448條泥石流溝中，松散堆積物源以礦山棄渣為主要物源的泥石流溝有71條，占調查溝谷數量的15.8%；各類松散堆積物共計1601處，占地面積32.31km2，其中礦山堆積物311處，占地7.15km2，礦山棄渣分布的面積及數量均占松散堆積物的20%，是重要的泥石流物源。

礦山棄渣堆積物壓實度低，相對易于啟動，是暴雨激發條件下易于形成災害的泥石流類型。

1 松散棄體啟動的研究簡況

近年來，隨著泥石流研究的深入，越來越多的學者對于松散物質的啟動進行了針對性的研究，并提出了相應的理論。張永雙等（2005）結合降雨過程，分析了溝槽拖曳型泥石流的動力學特征，并將降雨信息提取為泥石流的預警信息。吳強等（2015）從孔隙水壓力和滲透水壓力作用的研究，確定了堆積體內潛水流浸潤線高度，構建了溝道松散堆積體滲透破壞模型。陳曉輝等（2016）利用均勻流的水力學模型理論分析了水深與流量的關系，通過運用數學推導的方法，得出匯水動力區接觸松散堆積物前的均勻流水深度與水石流層移運動厚度的關系式。

上述研究分別從徑流、水深及松散土體內的孔隙水壓力和滲透水壓力關系上分析了松散物質啟動的機理，均將松散棄體的啟動歸結到降雨情況，大量降雨形成溝谷徑流促進松散棄體啟動，形成泥石流。

2 江心臺溝及“7·20”災害的基本情況

江心臺泥石流溝位于房山區霞云嶺鄉堂上村108國道北側，地理坐標為東經北緯平均溝向，整體地勢北高南低，溝道平面形態似扇形，呈“V”型溝（圖1）。該泥石流溝流域面積約2.67km2，主溝道長度約3200m，相對高差約453m，主溝縱坡約140‰。溝道兩側山坡坡度平均為，坡體巖性為砂巖，溝道兩側植被較發育，以喬木、灌木為主，植被覆蓋率約為55%。江心臺溝溝道上游寬廣，曾為堂上村煤礦，溝內堆積大量的煤矸石，儲量約15×104m3，在溝道內形成多級壩階地，堵塞溝道；溝道中、下游相對狹窄，兩側山坡多梯田，溝口為堂上村及108國道。溝口威脅對象為堂上村村民，共計120戶267人。

圖1 江心臺溝遙感影像圖Fig.1 Remote image of Jiangtai valley

2016年7月20日受強降雨影響，江心臺溝溝道上游的煤矸石被沖出，總方量約5.0×104m3，沖出的煤矸石均淤積于溝道內，未造成房屋損毀及人員傷亡。溝內排水溝和擋墻受到損毀，其中排水溝損毀總長度約240m，擋墻損毀總長度約50m。

3 江心臺溝泥石流誘發因素影響分析

據來自現場安裝的自動雨量站的監測數據（北京市地質研究所，2016），堂上村7月總體降雨量不多（圖2），但主要集中于7月20日，該日降雨量達140mm，占本月降雨量總量的57%。本次降雨峰值出現在午后13時，最大雨強達到18mm/h（圖3），與近幾年北京市夏季降水量高值出現在午后的特征相符（李建，2008）。

降雨形成的溝谷徑流是礦渣型泥石流的直接動力。一般降水下滲過程分為3個階段：第一階段下滲速率較快，水分子被土粒吸附成薄膜水；第二階段下滲速率較慢，下滲的水流在土壤孔隙向下做不穩定的流動；第三階段為表土層飽和，水分子在重力作用下向下做穩定運動，向下游穩定流動的水流即為超滲產流（陳寧生，2001）。江心臺溝中下游堆積大量的礦渣，主溝縱坡約140‰，當超滲產流量達到推動礦渣啟動時，礦渣即啟動，匯入水中，爆發泥石流。依據田連權等（2013）的觀測研究，當降雨強度大于0.15mm/min時，才會產生坡地徑流。根據江心臺溝的匯水條件和地表情況，采用穩定下滲率為0.2mm/min，則在某降雨強度（H）下產生的徑流量（Q）為：

圖2 堂上村7月雨量圖Fig.2 The precipitations of Tangshang in July, 2016

圖3 堂上村7月20日小時雨強分布圖Fig.3 Distributions of the precipitations with an hour on the 20th of July, 2016

式中：Q為流域徑流量（m3/min）；H為降雨強度（mm/min）；S為有效匯水面積（km2）。

2016年7月20日，堂上村日降雨量140mm，最大小時雨強為18mm/h，折合0.3mm/min，假設溝內土質均勻，穩定下滲速率一致，則超滲產流的強度為0.1mm/min。已知江心臺溝面積為2.76km2，依據溝內的地形和地質條件，折算實際有效匯水面積為2.1 km2，根據式（1）求得本次降雨過程產生的最大徑流量為210 m3/min，沖擊力巨大的徑流匯入溝谷內，導致溝內的礦渣啟動，產生泥石流。

本次泥石流沖出的固體物質量占溝內松散物質總量的1/3，主要是位于堆積體表層的棄渣，說明此次降雨形成的溝谷徑流接近或剛剛超過臨界啟動狀態，因此，可以通過本次降雨特征提取區內同種類型的泥石流溝的臨界雨量信息：即日降雨量達到140mm/d，最大小時雨強達到18mm/h，即可發布預警信息，提前做好防災準備。

4 結論

（1）礦山棄渣型泥石流是近期北京高發的泥石流類型，在今后的強降雨過程中要密切關注，加強監測，及時發布預警信息。

（2）根據“7·20”江心臺溝泥石流，提取了礦山棄渣型泥石流啟動的臨界雨量數值，同類型泥石流的啟動雨量數值可參考該數值。

（3）依據泥石流類型研究泥石流的臨界雨量值及預警的方法，提高泥石流預警的精度，是今后提高泥石流預警精度的發展方向。

北京市地質研究所，2016. 遙感解譯成果報告[R].

北京市地質研究所，2016. 北京市突發地質災害監測預警系統（一期）工程運行項目年度運行報告[R].

陳寧生，張軍，2001. 泥石流源區弱固結礫石土的滲透規律[J].山地學報，19(1)：169-171.

陳曉輝，孫紅月，梅成，等，2016. 水石流啟動的流量控制研究[J]. 山地學報，34(2)：194-199.

李建，宇如聰，王建捷，2008. 科學通報，53(7)：829-832.

田連權，吳積善，康志成，等，1993. 泥石流侵蝕搬運堆積[M].成都：成都地圖出版社，185-187.

吳強，徐林榮，周凱，等，2015. 溝道啟動類泥石流松散堆積物起動分析[J]. 自然災害學報，24(2)：89-96.

張永雙，金逸民，吳樹仁，等，2005. 人工棄渣誘發泥石流的動力學研究——以三峽庫區巴東縣黃家大溝為例[J]. 地球學報，26(6)：571-576.

Study of Threshold Value of Precipitation on Mine Spoil Debris Flow—Taking Jiangxintai Debris Flow as an Example

WANG Haizhi
(Beijing Institute of Geology, Beijing 100120)

Mine spoil debris flow is the major type of mud-rock flows in western mountain areas in Beijing, where the high frequent mud-rock flows have occurred in recent decades. This paper characterizes the primary patterns of mine spoil debris flow and summarizes present advance in understanding the dynamics of the mobility of the lose mine spoil debris. At same time, we made a systematic analysis on the triggering mechanism of the mud-rock flow occurring on July 20, 2016. Our analysis shows that precipitation data of this flow is the reliable threshold value of precipitation triggering the mine spoil debris flows in Beijing.

Mine spoil debris flow; Threshold value of precipitations; Forecast and alarm

A

1007-1903（2017）04-0058-03

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.011

北京地區滑坡泥石流災害監測預警示范研究（1212010740909,1212010814033）；

北京市突發地質災害監測預警系統（一期）工程運行項目（PXM2016_158204_000001）

王海芝（1975- ），女，碩士，高級工程師，主要從事地質環境方面研究。Email：bingx_1@163.com