礦山棄渣型泥石流溝臨界雨量淺探

王海芝

（北京市地質(zhì)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(zhì)研究所，北京 100020）

礦山棄渣型泥石流溝是北京市西部山區(qū)重要的泥石流類型，在近幾年發(fā)生的泥石流中占比重較大，是近期高發(fā)的泥石流類型。本文通過遙感調(diào)查數(shù)據(jù)總結(jié)了礦山棄渣型泥石流溝數(shù)量較多且松散物質(zhì)易于啟動(dòng)的基本特點(diǎn)，對(duì)2016年7月20日江心臺(tái)溝泥石流案例進(jìn)行分析，依據(jù)本次泥石流前期雨量較少，當(dāng)日激發(fā)雨量集中于某一時(shí)段即引發(fā)了本次泥石流的特點(diǎn)，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(diǎn)。

礦山棄渣型泥石流；臨界雨量；預(yù)警預(yù)報(bào)

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(fā)了泥石流。近幾年發(fā)生的幾起溝谷型泥石流，主要發(fā)生在堆積體為礦山棄渣的溝谷內(nèi)。2012年的“7·21”大暴雨之后，房山區(qū)河北鎮(zhèn)西區(qū)溝（含曬臺(tái)溝、口兒溝、老窯溝、杏園溝、朱家溝5條支溝）發(fā)生了泥石流，2016年7月20日暴雨導(dǎo)致房山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)江心臺(tái)溝發(fā)生了泥石流。上述兩次泥石流均發(fā)生在礦山棄渣型溝谷，溝內(nèi)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(zhì)的特點(diǎn)及啟動(dòng)的激發(fā)雨量，對(duì)于礦山棄渣型泥石流預(yù)警預(yù)報(bào)具有一定的指導(dǎo)意義。

根據(jù)2016年對(duì)房山、密云、門頭溝三區(qū)泥石流溝遙感調(diào)查成果（北京市地質(zhì)研究所，2016），在上述三區(qū)調(diào)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(diào)查溝谷數(shù)量的15.8%；各類松散堆積物共計(jì)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(shù)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(shí)度低，相對(duì)易于啟動(dòng)，是暴雨激發(fā)條件下易于形成災(zāi)害的泥石流類型。

1 松散棄體啟動(dòng)的研究簡況

近年來，隨著泥石流研究的深入，越來越多的學(xué)者對(duì)于松散物質(zhì)的啟動(dòng)進(jìn)行了針對(duì)性的研究，并提出了相應(yīng)的理論。張永雙等（2005）結(jié)合降雨過程，分析了溝槽拖曳型泥石流的動(dòng)力學(xué)特征，并將降雨信息提取為泥石流的預(yù)警信息。吳強(qiáng)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(nèi)潛水流浸潤線高度，構(gòu)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(xué)模型理論分析了水深與流量的關(guān)系，通過運(yùn)用數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方法，得出匯水動(dòng)力區(qū)接觸松散堆積物前的均勻流水深度與水石流層移運(yùn)動(dòng)厚度的關(guān)系式。

上述研究分別從徑流、水深及松散土體內(nèi)的孔隙水壓力和滲透水壓力關(guān)系上分析了松散物質(zhì)啟動(dòng)的機(jī)理，均將松散棄體的啟動(dòng)歸結(jié)到降雨情況，大量降雨形成溝谷徑流促進(jìn)松散棄體啟動(dòng)，形成泥石流。

2 江心臺(tái)溝及“7·20”災(zāi)害的基本情況

江心臺(tái)泥石流溝位于房山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)堂上村108國道北側(cè)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)北緯平均溝向，整體地勢(shì)北高南低，溝道平面形態(tài)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(duì)高差約453m，主溝縱坡約140‰。溝道兩側(cè)山坡坡度平均為，坡體巖性為砂巖，溝道兩側(cè)植被較發(fā)育，以喬木、灌木為主，植被覆蓋率約為55%。江心臺(tái)溝溝道上游寬廣，曾為堂上村煤礦，溝內(nèi)堆積大量的煤矸石，儲(chǔ)量約15×104m3，在溝道內(nèi)形成多級(jí)壩階地，堵塞溝道；溝道中、下游相對(duì)狹窄，兩側(cè)山坡多梯田，溝口為堂上村及108國道。溝口威脅對(duì)象為堂上村村民，共計(jì)120戶267人。

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

2016年7月20日受強(qiáng)降雨影響，江心臺(tái)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(nèi)，未造成房屋損毀及人員傷亡。溝內(nèi)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(tái)溝泥石流誘發(fā)因素影響分析

據(jù)來自現(xiàn)場(chǎng)安裝的自動(dòng)雨量站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（北京市地質(zhì)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(dá)140mm，占本月降雨量總量的57%。本次降雨峰值出現(xiàn)在午后13時(shí)，最大雨強(qiáng)達(dá)到18mm/h（圖3），與近幾年北京市夏季降水量高值出現(xiàn)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(dòng)力。一般降水下滲過程分為3個(gè)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(wěn)定的流動(dòng)；第三階段為表土層飽和，水分子在重力作用下向下做穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，向下游穩(wěn)定流動(dòng)的水流即為超滲產(chǎn)流（陳寧生，2001）。江心臺(tái)溝中下游堆積大量的礦渣，主溝縱坡約140‰，當(dāng)超滲產(chǎn)流量達(dá)到推動(dòng)礦渣啟動(dòng)時(shí)，礦渣即啟動(dòng)，匯入水中，爆發(fā)泥石流。依據(jù)田連權(quán)等（2013）的觀測(cè)研究，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于0.15mm/min時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生坡地徑流。根據(jù)江心臺(tái)溝的匯水條件和地表情況，采用穩(wěn)定下滲率為0.2mm/min，則在某降雨強(qiáng)度（H）下產(chǎn)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(shí)雨強(qiáng)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(qiáng)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(shí)雨強(qiáng)為18mm/h，折合0.3mm/min，假設(shè)溝內(nèi)土質(zhì)均勻，穩(wěn)定下滲速率一致，則超滲產(chǎn)流的強(qiáng)度為0.1mm/min。已知江心臺(tái)溝面積為2.76km2，依據(jù)溝內(nèi)的地形和地質(zhì)條件，折算實(shí)際有效匯水面積為2.1 km2，根據(jù)式（1）求得本次降雨過程產(chǎn)生的最大徑流量為210 m3/min，沖擊力巨大的徑流匯入溝谷內(nèi)，導(dǎo)致溝內(nèi)的礦渣啟動(dòng)，產(chǎn)生泥石流。

本次泥石流沖出的固體物質(zhì)量占溝內(nèi)松散物質(zhì)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(dòng)狀態(tài)，因此，可以通過本次降雨特征提取區(qū)內(nèi)同種類型的泥石流溝的臨界雨量信息：即日降雨量達(dá)到140mm/d，最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到18mm/h，即可發(fā)布預(yù)警信息，提前做好防災(zāi)準(zhǔn)備。

4 結(jié)論

（1）礦山棄渣型泥石流是近期北京高發(fā)的泥石流類型，在今后的強(qiáng)降雨過程中要密切關(guān)注，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息。

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

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

北京市地質(zhì)研究所，2016. 遙感解譯成果報(bào)告[R].

北京市地質(zhì)研究所，2016. 北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)（一期）工程運(yùn)行項(xiàng)目年度運(yùn)行報(bào)告[R].

陳寧生，張軍，2001. 泥石流源區(qū)弱固結(jié)礫石土的滲透規(guī)律[J].山地學(xué)報(bào)，19(1)：169-171.

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

李建，宇如聰，王建捷，2008. 科學(xué)通報(bào)，53(7)：829-832.

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吳強(qiáng)，徐林榮，周凱，等，2015. 溝道啟動(dòng)類泥石流松散堆積物起動(dòng)分析[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，24(2)：89-96.

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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(qū)滑坡泥石流災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警示范研究（1212010740909,1212010814033）；

北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)（一期）工程運(yùn)行項(xiàng)目（PXM2016_158204_000001）

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