金陵景区牛皋沟泥石流灾害特征

郭 英，刘晓晓，申 健

（北京市地质研究所，北京 100120）

金陵景区牛皋沟泥石流灾害特征

郭 英，刘晓晓，申 健

（北京市地质研究所，北京 100120）

牛皋沟位于北京市周口店镇金陵景区，2012年“7·21”特大暴雨期间暴发泥石流。本文在现场调查、综合地质测绘、勘探等的基础上，对景区泥石流的形成条件、物源分布及特征进行了探讨分析。研究表明，牛皋沟岸坡陡峻、物源丰富、水动力足，具备泥石流形成的基本条件，且景区内频繁的人类工程活动也为泥石流发育创造了条件；对牛皋沟泥石流的基本特征值进行计算，泥石流流体重度约为1.550 t/m3，定性为稀性泥石流；50年一遇洪峰流量值为28.33m3/s，一次泥石流固体冲出物1.85×104m3，其爆发的规模属于中型泥石流。

泥石流；灾害；基本特征；牛皋沟

0 引言

风景区大多位于山区，山高陡峻，随着山区生态经济的建设，日渐成为重要的旅游资源，促进地方经济发展。但是多数风景区处于地质构造复杂、新构造运动强烈的地区，常有泥石流活动。2012年“7·21”特大暴雨期间房山区金陵景区牛皋沟发生了泥石流灾害，冲毁沟内旅游道路及护堤，大量土石堆积于沟内，沟口景区集散地牌坊及广场被掩埋破坏，使整个景区基础设施陷于瘫痪，旅游景观和生态环境遭受严重破坏，同时，继续威胁景区设施及人员的安全，严重影响景区正常开发与建设。

对于北京地区泥石流的调查研究，前人已经做过不少工作（陈家华，1994；韦京莲等，1994；吴正华，2001；钟敦伦等，2004；李金海，2007；赵忠海，2009；何媛等，2013；王珊珊等，2015）。本文在现场调查、地质勘查和室内研究的基础上，重点对金陵景区牛皋沟泥石流的形成条件及分布特征进行分析探讨，为今后该地区泥石流的进一步研究及后期泥石流治理提供参考。

1 牛皋沟地质背景

1.1 牛皋沟泥石流分布

牛皋沟泥石流沟流域面积约为2.0km2。沟道平面形态近似长扇叶形（图1），主沟道全长约2750m；沟顶高程1126.9m，沟底高程295m，相对高差约831.9m。山坡坡度为35～45，沟床平均纵坡降为303‰。牛皋沟支沟相对不发育，较大支沟位于流域上游西侧，支沟长约800m，相对高差约420m，坡度为40～50，沟床平均纵坡降为525 ‰。牛皋沟总体上为深切割“V”型谷，具有岸坡陡峻、切割深度较大的特点。这种地形非常利于水源和泥沙的汇集，是泥石流形成的有利地势。

1.2 牛皋沟地质构造

图1 牛皋沟沟域图Fig.1 Niugao ditch basin map

景区内主要出露侏罗系与三叠系，岩性主要是变质砂岩及千枚岩。该区域地质构造发育，其中北岭向斜发育于工作区北部，由于受后期构造强烈改造，走向由北东东转至北东，平面上呈一弯曲的“镰状”，东北端形态较简单，东南端构造形态较复杂，发育次一级或后期叠加形成的褶皱。北京地区新构造运动较为强烈，根据历史记载，北京及邻近地区历史上（38.5°～41°N；114.8°～118.3°E）曾发生过若干次不同级别的地震，自公元294年至2006年，8级地震1次（1679年三河—平谷地震）；7～7.9级地震1次；6～6.9级地震13次。强烈的构造运动和地震破坏了岩体的稳定性（谢觉民等，2009），为泥石流沟的发育和松散物质的形成创造了条件。

2 泥石流形成条件分析

2.1 地形和沟谷条件

根据泥石流沟床纵比降及物源分布特征，将全流域分为清水区、形成流通区与堆积区三个区域。主沟上游高差大主要是清水汇集区段，形成流通区段分布在中下游沟道相对较平缓段，主沟沟床纵比降变化情况详见图2。清水区平均坡降约583 ‰，为泥石流的形成汇水并提供水动力条件；形成流通区沟床平均纵比降223 ‰；堆积区位于牛皋沟沟口，沟口分布景区建筑及停车场。平均纵坡降122 ‰，有利于泥石流物质的淤积。

图2 牛皋沟泥石流主沟纵剖面图Fig.2 Niugao ditch main channel longitudinal prof i le map

2.2 降雨条件

水源是泥石流发生的主要促发因素。2012年“7·21”特大暴雨为北京61年来最大暴雨，7月21日10时至22日6时，牛皋沟流域所在区域累计降雨量约460mm。依据《北京市水文手册》进行计算，牛皋沟所在区域50年一遇暴雨小时雨强达92mm/h。沟域内洪水量大、峰高、历时较短，沟床水动力条件将大大提高，这为激发泥石流爆发提供了丰富的水力条件。

2.3 物源条件

牛皋沟流域内泥石流的物源十分丰富，分布范围较大，流域内物源量总计74446.1 m3，主要包括两类。

一类是沟床堆积物，主要分布于主沟中下游沟段（图3），物源量25199.1m3，占总物源量80%，堆积厚度0.75～5.5m。“7·21”特大暴雨作用下，上游清水汇集区段出现大量汇水形成洪水，沟床水动力条件大大提高，将沟床刨蚀、揭底冲刷，裹挟大量沟床堆积物形成泥石流，造成较大危害。如果再发生强降雨，牛皋沟出现泥石流活动的可能性仍较大。

图3 牛皋沟沟道堆积物照片Fig.3 Niugao ditch debris picture

另一类是坡面物源，统计物源量49247 m3。据现场调查，沟道部分地段岸坡出现规模不等的6处堆积物（表1），特别是“7·21”特大暴雨时沟内发生泥石流对沟坡坡脚有一定的冲刷侵蚀破坏，植被也遭到一定的破坏，岸坡结构变得较为松散。这类松散斜坡体在强降雨或洪水作用下，局部极易发生垮塌形成动态物源参与泥石流活动。另外，流域内斜面特别是一些人工坝阶地等，表层也存在一定厚度的松散物质，为泥石流的形成提供物源。

表1 牛皋沟泥石流物源统计表Tab.1 Statistical table of the reserve in Niugao ditch

3 泥石流基本特征值

3.1 泥石流流体重度

金陵景区牛皋沟泥石流以往没有监测资料，只能通过配方法和查表法两种方法来综合确定。配方法确定泥石流流体重度为1.485 t/m3（表2）。按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220--2006）附录H及附录G进行易发程度评分，牛皋沟易发程度数量化评分89，易发程度为“易发”，按表G.2查表确定金陵景区牛皋沟泥石流重度为1.614 t/m3。配方法测定结果只能代表当时的一次泥石流发生的结果，如本次勘查测定的牛皋沟泥石流重度是参照“7·21”泥石流的情况测定的，由于此次泥石流发生时降雨量极大，水量更为丰富，因而测定结果可能相对偏小。因而，本次泥石流重度的综合取值采用平均值取1.550 t/m3。

表2 牛皋沟泥石流流体重度配方法计算值Tab.2 The calculated value of Niugao ditch fl uid density through formulation method

3.2 泥石流流量

本次牛皋沟泥石流流量估算采用雨洪法参照下列公式进行计算：

式中：Qc为频率为P的泥石流洪峰流量（m3/s）；Dc为堵塞系数，按勘查规范表I.1查表确定，本次勘查取1.50；φ为泥石流泥沙修正系数，φ=(γc-γw)/(γH-γc)，经计算φ=0.478；γc为泥石流重度（t/m3），取1.550；γH为泥石流中固体物质比重（t/m3），取2.70t/m3；γw为清水的重度（t/m3）；QP为频率为P的暴雨洪峰流量（m3/s），按中国公路科学研究所提出的经验公式，当汇水面积＜3km2时计算公式为：QP=ψ·F·s，式中：ψ为暴雨径流系数，根据《北京市水文手册—洪水篇》查算得0.15；F为汇水面积（km2），取2.0km2； 为小时雨强（mm/h）。

根据《北京市水文手册》进行计算和查表，牛皋沟沟道不同频率下的小时雨强值、暴雨洪峰流量及泥石流流量见表3。

表3 不同频率下的小时雨强值、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，查《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）表I.2获取，本次勘查取3.8；R=w/P，w为过流断面面积（m2），P为湿周（m）；I为石流水力坡度（‰），用沟床纵坡代替，取值303 ‰；γH为泥石流中固体物质比重（t/m3）；取2.70t/m3；φ=0.478。经计算泥石流主要断面流速Vc见表4。

表4 牛皋沟主要断面泥石流流速Tab.4 Debris velocity of the main section in Niugao ditch

3.4 一次泥石流过程总量

一次泥石流过流总量（Q）通过下式计算：Q=k·T·Qc，k为 经验 系 数：当F＜ 5 km2时，k=0.202，本文取0.202；T为泥石流历时（s）；据当地村民介绍，发生泥石流时间约为半小时；Qc为泥石流峰值流量（m3/s）。

根据泥石流沟道不同频率的泥石流洪峰流量，计算一次泥石流过程总量，其结果见表5。

表5 一次泥石流过程总量Tab.5 The amount of debris fl ow process

3.5 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）附录I提供的公式进行计算：

式中：QH为一次泥石流冲出固体物质总量（m3）；Q为一次泥石流过程总量（m3）；γc为泥石流重度（t/m3），取 1.550t/m3；γw为水的重度（t/m3）；γH为泥石流固体物质的重度（t/m3），牛皋沟泥石流沟取2.70 t/m3。

计算得到牛皋沟泥石流不同频率下一次泥石流固体冲出物QH，其结果列于表6。

表6 一次泥石流固体冲出物Tab.6 The debris fl ow solid scale

4 结论

（1）牛皋沟总体上为深切割“V”型谷，岸坡陡峻、切割深度，沟床平均纵坡降为303‰，具备泥石流形成的基本条件；牛皋沟泥石流松散固体量7.4×104m3，为泥石流形成提供丰富的物源；区域降雨多集中在6—8月份，且多呈大暴雨形式出现，50年一遇暴雨小时雨强达92mm/h，水源条件有利于泥石流的形成；且景区内强烈的人类工程活动使得松散固相物质大量增加，为泥石流的发育创造了条件。

（2）牛皋沟松散固体物源丰富，分别有沟床堆积物源和坡面堆积物源两种，沟床堆积物占总物源量的80%，为主要的物源，主要分布于沟域的形成区及流通区，厚度0.75～5.5m。牛皋沟泥石流起动类型为沟道型泥石流起动。

（3）经计算，金陵景区牛皋沟泥石流流体重度约为1.550t/m3，属于稀性泥石流；50年一遇洪峰流量值为28.33m3/s，一次泥石流固体冲出物1.85×104m3，其爆发的规模属于中型泥石流。

根据对泥石流灾害史的调查，金陵景区牛皋沟泥石流以往属低频泥石流；从近期泥石流灾害史看，仅在2012年“7·21”特大暴雨期间发生过，发生频率较低。但目前沟内仍然存在大量堆积物，裸露坡面较多，侵蚀加剧，可能参与泥石流活动的松散固体物源量较大，激发泥石流的临界雨强可能降低。因此，泥石流的爆发频率可能提高，甚至成为中频泥石流。

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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，硕士，工程师，主要从事地质灾害调查及治理工作。E-mail：254717739@qq.com