門頭溝區齋堂鎮東河溝泥石流發育特征及防治工程

甘柯

摘? 要：泥石流是北京地區危害性嚴重的地質災害之一，其形成原因復雜、暴發突然、危害性大。針對門頭溝區齋堂鎮向陽口村東河溝泥石流發育特征，通過鉆探、槽探、試驗、物探等勘查手段，查明泥石流發育的自然環境、形成條件、基本特征及危害，對重要泥石流特征值包括泥石流流體重度、流速、流量、一次沖出量、一次固體沖出物質總量、泥石流整體沖壓力、爬高和最大沖起高度等，進行定量計算。并根據勘查成果和泥石流溝發育特征，設計以穩攔、排導、清淤為綜合工程治理思路，采用鋼筋混凝土攔擋壩、漿砌石谷坊、排導槽、擋墻、溝道清理工程等多種措施，進行綜合防治。

關鍵詞：泥石流災害;發育特征;特征值;防治工程

中圖分類號：P642.23? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：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

泥石流是北京地區危害性嚴重的地質災害之一，其形成原因復雜、暴發突然、危害性大（韋京蓮等，1994;趙忠海，2009;謝洪等，2001）。其活動特征和性質，也隨發育環境不同而相異（謝洪等，2004）。門頭溝區齋堂鎮向陽口村東河溝泥石流溝域內地形陡峻，地形條件發育，溝域兩側的滑塌、松散邊坡等不良地質作用為泥石流松散固體物源的匯集及泥石流的形成創造了條件。東河溝泥石流直接威脅住戶47戶，人數145人，潛在直接經濟損失2000余萬元（北京市規劃和自然資源管理委員會，2018;北京市地質工程設計研究院，2017）。

1地質環境背景

該地區屬暖溫帶大陸性季風氣候區，平均年降水量500～675mm，年內降水不均，7—8月的降水量可占到全年降水量的60%左右。該區位于永定河上游，場地內溝道為季節性水流。

本區地處太行山余脈東部，地勢南、北、東三面高，中部及西部低，地形起伏較大，海拔高程347～1403m，相對高差1056m，溝谷發育，泥石流溝總體呈“V”型。

向陽口村東河溝泥石流區域出露的地層巖性主要為第四紀沖洪積（Qhal）砂礫石和薊縣系霧迷山組三段（Jxw3）白云巖，薊縣系楊莊組（Jxy）含粉砂泥晶白云巖，長城系高于莊組（Chg）灰色、黑色白云巖，花崗巖（γ）巖脈。沿河城斷裂呈北東向展布于該區，溝谷南岸斷續出露構造角礫巖（呂金波，2012）。

2泥石流基本特征

2.1流域溝道及物源特征

東河溝泥石流溝域范圍自向陽口村向東一直到溝域分水嶺埡口，包括東西向的主溝及近南北向的3條支溝區域，總流域面積5.88km2（圖1）。

主溝呈東西向分布，主體為“V”字型溝谷地貌，總體走向近東西，較為順直，局部彎曲，主溝起點位于東側分水嶺埡口，最大高程1180m，最低高程347m，縱向長度3460m，寬度約80～1345m，高差833m，平均縱坡降241‰。

北側平行分布有3條支溝，均為近南北向展布，支溝最大高程1403m，最低高程435m，縱向長度1450～2370m，平均縱坡降394‰～530‰。

主溝溝道以及各支溝中上部兩側山坡上部區域為清水區，物源分布較少，流域面積約5.01km2。植物覆蓋率30%～40%，主要為泥石流的形成匯集水源并提供水動力條件。

泥石流物源區分布于主溝中上游及北側支溝中游，包括崩積物、坡面侵蝕物源以及溝道內的松散堆積物;流通區位于主溝中下游，縱坡降多集中在100‰～300‰;主溝溝口至永定河河道距離內，縱坡較緩，平均縱坡降100‰～200‰，有利于泥石流物質的淤積，劃分為流通堆積區，堆積區堆積厚度10m以上。東河溝泥石流溝形成區、流通區、堆積區范圍見圖2、圖3、圖4。

東河溝泥石流松散固體物源較豐富，物源類型主要包括崩滑堆積物源、溝道堆積物源和坡面侵蝕物源三類。根據物源點調查、槽探，鉆探及物探工作統計計算，可參與泥石流活動的動儲量為5.50×104m3。

本次勘查采用體積法在泥石流主溝選取10個代表性試驗點測定泥石流堆積物顆粒級配。綜合野外篩分與室內試驗的成果，計算求得不同粒級顆粒所占百分比，其結果見表1。

由表1可見，試驗反映出其細粒物質（粘粒含量）極少，說明東河溝泥石流溝域總體上水源豐富，水動力條件強，細小顆粒（特別是溝道淺部的）大部分被洪水帶走，而粗顆粒物質留存于溝道。

2.2 泥石流基本特征值

根據勘查成果（北京市地質工程設計研究院，2017），對泥石流的重要特征值進行，為防治工程提供基本參數及依據。主要包括以下7類參數。本次在東河溝泥石流溝谷不同溝段選擇了6處較典型剖面進行泥石流特征值的計算（《泥石流災害防治工程勘查規范》（試行）（TCAGHP 006-2018））。

（1）泥石流流體重度

為泥石流基本計算參數，依據模擬實驗結合現場調查綜合分析，確定東河溝泥石流重度為1.579t/m3。

（2）泥石流峰值流量

本計算采用雨洪法。即在泥石流與降雨同步、同時發生、選取剖面的暴雨洪水轉換為泥石流流量的狀態下進行計算，流量計算結果見表2。相關氣象資料參考北京市水文手冊（1999）。

（3）一次泥石流過流總量、固體沖出物

根據泥石流持續時間和流量進行計算。泥石流峰值歷時T（s）一般為20～60min。本計算取60min。

經計算，東河溝泥石流溝谷在50年一遇和百年一遇降雨條件下，一次過流總量、一次泥石流沖出固體物質總量見表3。

（4）泥石流流速

泥石流流速是泥石流災害重要的參數，直接影響到泥石流運動的其他相關參數。本計算主要根據北京市政設計院推薦的地區經驗公式計算。

通過計算，泥石流的暴雨情況下各剖面平均流速范圍為Vc =1.68～3.04m/s。

（5）泥石流整體沖壓力

每次泥石流過后，防治結構墻面均會留下沖擊痕跡（陳洪凱，2006），泥石流整體沖壓力為后期泥石流防治工程設計的重要依據，經計算50年一遇和百年一遇降雨條件下泥石流整體沖壓力最大分別為14.42kpa、19.41kpa。

（6）泥石流爬高和最大沖起高度

爬高即泥石流運動過程中由于慣性作用沿直線前進爬升的現象;沖起即泥石流行進過程，遇到阻礙，撞擊使石塊飛濺的現象。經計算五十年一遇和百年一遇降雨條件下，泥石流最大沖起高度分別為0.34m、0.46m;最大爬高約0.55m、0.74m。

（7）泥石流彎道超高

彎道超高是因為泥石流在溝道轉彎處因凹岸處流速較快，流體增厚，凸岸一側流速較慢，流體變薄產生的超高現象。經計算50年一遇和百年一遇降雨條件下，泥石流彎道超高最大為0.24m、0.32m。

3 泥石流防治工程措施

根據相關規范，確定東河溝泥石流的防治工程安全等級為一級。根據泥石流發育特征，防治工程以穩攔、排導、清淤為綜合治理思路。主溝中上游治理穩攔為主，主溝中下游以排導為主，支溝治理以穩攔物源為主，工程部署具體組成為：鋼筋混凝土攔擋壩、漿砌石谷坊、排導槽、擋墻、溝道清理工程。

（1）鋼筋混凝土攔擋壩

在泥石流溝谷主溝流形成區、流通區、北側3條支溝溝口處累計修建5處鋼筋混凝土攔擋壩，使其滿足100年一遇降雨條件下對泥石流固體物質的攔擋要求，同時滿足上游來水的通過性，能夠有效減少進入主溝下游的固體物質量，降低其危害作用（圖5）。

攔擋壩均采用C30鋼筋混凝土結構。鋼筋保護層厚度取50mm，壩體主筋為HRB400級鋼筋;壩體縱向受力筋直徑20mm，間距200mm;鋼筋底端采用彎鉤錨固，末端彎折90°，長度250mm;橫向分布筋直徑16mm，間距200mm，與縱向受力筋接點處采用綁扎相連;橫向分布筋長度每超過10m應采用綁扎或焊接的方式相連;壩體基礎箍筋及分布筋直徑均為16mm，間距200mm。

筋網間采用拉筋牢固，拉筋直徑12mm，采用矩形排布，間距800mm。

壩基礎用C30鋼筋混凝土整體擴展基礎。在壩體基礎底板的基礎上向上下游各延伸0.5m。基礎下部采用30cm厚C20混凝土墊層;壩身底部設泄水孔，寬0.5m，高0.8m。

（2）漿砌石谷坊

在主溝攔擋壩上游、流通區物源較厚處設計8座漿砌石谷坊，以提高沉積物的侵蝕基準面，起到固源的作用。

漿砌石谷坊呈梯形，頂寬0.8m，底寬1.5m，壩高2.0m，塊石選用新鮮完整、未經風化、大小均勻的堅硬石塊，石料抗壓強度等級不得低于MU30。因治理區雨季降水充沛，谷坊壩體下游段緊貼壩體地表部位應回填塊石、碎石層，防止過壩水流掏蝕壩底。

（3）排導槽

在流通區中下游至主溝溝口地段，修建排導槽。具體位置為主溝內攔擋壩下游及連接各支溝溝口位置設置排導槽，有效的保證上游匯集的水流，砂石疏導至下游永定河中，以保障村民房屋設施安全，同時非汛期可作為道路通行。

設置過水斷面為矩形（圖6），槽壁上頂寬80cm，下底寬150cm，土體一側方槽壁放坡比為1∶ 0.35，溝槽一側直立，槽壁為M10漿砌石結構，槽底為50cm厚的毛石混凝土結構，毛石含量不小于20%。為減緩水速消能，并滿足非汛期通行要求，在槽底等距離設計與排導槽底同寬，高度為0.5m，兩側按1∶5坡比砌筑的防沖肋臺。

（4）漿砌石擋墻

為有效攔擋坡面沉積物的沖刷造成的水土流失，減少坡面侵蝕物源的貢獻，并起到防止落石的作用。在靠近主溝溝口南側及西側坡面松散物較厚處，設置漿砌石擋墻。重力式擋土墻均為M10漿砌塊石結構。

（5）溝道清理

主要是對溝道內散亂堆積的碎石土進行清運，清理溝段簡單進行場地平整后，村內可將其作為綠化用地，進行樹木栽植。溝道清理沉積物以及各治理工程溝槽回填后所剩的余土均需外運到項目區3km以外的渣土消納場所，以防人為為泥石流提供松散物源。

4 結論與建議

通過對泥石流采用“以排為主，攔排結合”的治理思路，采用“重力壩（鋼筋混凝土結構）結合下游排導槽以及攔擋壩間谷坊的設置將泥石流排入主河永定河”進行治理的思路，有效的保護了危險區范圍內居民區、耕種區以及公共設施的安全，對當地恢復生態和社會的穩定與發展，保障人民群眾的生活生產安全，起到了積極作用和良好的社會、經濟、環境效益。

建議加強溝域植被保護和水土保持，減少泥石流可參與物源。治理工程實施前和實施過程中進一步加強地質災害群測群防工作，避免因突發地質災害造成人員傷亡和經濟財產損失，治理過程中要防止人為擾動次生災害的發生，避免資源浪費。

參考文獻

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