北京懷柔7·16暴雨泥石流發(fā)育特征與形成機(jī)理*

廖立業(yè) 曾慶利 袁廣祥

(①華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450046，中國)(②中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049，中國)

0 引 言

泥石流是山區(qū)溝谷中常見的飽含大量泥砂塊石和巨礫的固液兩相流體在重力作用下沿溝坡運(yùn)動(dòng)的一種自然災(zāi)變過程與現(xiàn)象(Iverson， 1997； 康志成等， 2004)。我國大陸山地面積占國土總面積的2/3以上，特殊的地質(zhì)環(huán)境、地貌組合與復(fù)雜多樣的氣候條件，使我國成為世界上泥石流最發(fā)育、分布最廣、危害最嚴(yán)重的國家之一(杜榕桓等， 1995)。研究表明，泥石流形成的自然因素可分為基本因素和激發(fā)因素兩大類(譚萬沛， 1996)。前者是內(nèi)因，包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)環(huán)境因素，后者是外因，包括降雨、冰雪融水、地震、火山爆發(fā)等外動(dòng)力因素。然而，隨著人口的急劇增長(zhǎng)和不適度的山區(qū)開發(fā)建設(shè)，人類工程活動(dòng)也成為泥石流發(fā)展惡化的重要因素(崔鵬， 2009)。開展泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)管理、監(jiān)測(cè)預(yù)警和綜合治理是泥石流減災(zāi)防災(zāi)的有效方法(劉希林， 2000； 崔鵬， 2009)。其中，泥石流綜合治理技術(shù)主要從泥石流形成的基本條件著手，包括控制水源的治水工程、控制土石源的治土工程及排導(dǎo)工程三類(陳洪凱等， 2008)。

北京山地、丘陵面積占全市總面積的62%，泥石流是北京山區(qū)最常見、最嚴(yán)重的山地災(zāi)害。2000年左右的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，北京山區(qū)7個(gè)區(qū)縣61個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)共發(fā)育泥石流溝705條(謝洪等， 2001)， 2010年泥石流普查后增加到797條，懷柔和密云區(qū)占比均列各區(qū)縣前兩位(圖1)。前人對(duì)北京山區(qū)泥石流開展了大量的調(diào)查和研究工作，取得了豐碩成果。張春山(1995)選用泥石流一次最大沖出量作為主導(dǎo)指標(biāo)，溝谷縱坡等9個(gè)因素作為關(guān)聯(lián)因子，對(duì)北京西部和北部山區(qū)的12條溝谷進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究。謝洪等(2004)對(duì)北京山區(qū)705條泥石流按照地貌形態(tài)、暴發(fā)規(guī)模、流體性質(zhì)、發(fā)育階段、危害程度、活動(dòng)頻率及與人類活動(dòng)關(guān)系等7個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的分類； 并認(rèn)為這些泥石流絕大多數(shù)是暴雨誘發(fā)的稀性泥石流。王海芝(2008a)基于歷史資料研究了北京山區(qū)的泥石流臨界雨量。吳正華(2001)、涂劍等(2017)分析了北京山區(qū)暴雨泥石流災(zāi)害的暴雨時(shí)空分布特征和激發(fā)雨量特征。

圖1 北京山區(qū)各區(qū)縣泥石流溝發(fā)育情況

2018年7月15日20時(shí)至17日夜間，北京地區(qū)普降大到暴雨，局部地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，暴雨中心懷柔、密云交界的云蒙山區(qū)暴發(fā)山洪泥石流，造成嚴(yán)重財(cái)產(chǎn)損失。本文基于泥石流暴發(fā)前后高清衛(wèi)星影像解譯和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，從泥石流溝所在區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境、物源特征、降雨激發(fā)條件等方面對(duì)懷柔7·16暴雨泥石流的發(fā)育特征及形成機(jī)理進(jìn)行研究，以期為該地區(qū)暴雨山洪泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境及泥石流災(zāi)害發(fā)育史

1.1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

云蒙山地區(qū)位于北京市懷柔、密云兩區(qū)交界的北部山區(qū)，屬燕山山脈。山區(qū)地形整體上自西北向東南傾斜，最高點(diǎn)云蒙山海拔1414m，地形切割強(qiáng)烈，屬中等侵蝕山區(qū)。以G111國道分水嶺隧道為界，研究區(qū)南側(cè)發(fā)育牤牛河，北側(cè)發(fā)育白河。白河經(jīng)琉璃廟向東于石城鎮(zhèn)匯入密云水庫(海拔143m)； S310省道自西向東沿白河蜿蜒展布。區(qū)域內(nèi)以發(fā)育花崗巖地貌和變質(zhì)核雜巖構(gòu)造為特征，主要出露有晚侏羅世-早白堊世巖體，巖性主要為閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖和花崗巖(圖2)。云蒙山區(qū)的擠壓-伸展體系由云蒙山推覆體(四合堂韌性剪切帶)、大水峪韌性剪切帶、云蒙山背形構(gòu)造、崎峰茶滑脫帶、河防口低角正斷層等組成(朱大崗等， 2000)，具有變質(zhì)核雜巖和花崗巖穹窿構(gòu)造的雙重特征。該區(qū)域燕山晚期的構(gòu)造和巖漿活動(dòng)非常強(qiáng)烈，第四紀(jì)以來的長(zhǎng)期剝蝕和風(fēng)化則使得巖石比較破碎。

圖2 云蒙山地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)陳印等(2018)修改)

研究區(qū)屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫9～9.5℃，區(qū)域多年平均年降水量511mm，汛期為每年6～9月，其降水量占年降水量的75%～80%，且降雨多以暴雨形式出現(xiàn)(李君， 2015)。

1.2 災(zāi)害發(fā)育史

泥石流是北京山區(qū)主要的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)不完全災(zāi)情資料統(tǒng)計(jì)，北京地區(qū)自1950年以來發(fā)生較大規(guī)模的山洪泥石流災(zāi)害19次(圖2，表1)，造成500多人死亡，近萬間房屋被沖毀，財(cái)產(chǎn)損失達(dá)數(shù)十億元(吳正華， 2001； 涂劍等， 2017； 張熠昕等， 2018)。20世紀(jì)50年代泥石流集中發(fā)生在門頭溝、房山等西山地區(qū)，之后則主要發(fā)生在密云、懷柔等軍都山地區(qū)(表1)。數(shù)據(jù)表明，北京懷柔、密云所在的軍都山地區(qū)平均2～3a就會(huì)發(fā)生1次泥石流災(zāi)害，而平均3～4a就會(huì)發(fā)生1次危害嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害，且近年來日趨頻繁。目前，在軍都山泥石流災(zāi)害重點(diǎn)區(qū)，多年來持續(xù)開展小流域泥石流災(zāi)害治理，修建漿砌石谷坊、攔砂壩、擋土墻等工程。2017年底竣工的琉璃廟鎮(zhèn)孫胡溝泥石流治理工程還設(shè)置了雨量計(jì)、泥位計(jì)、聲波儀、視頻等泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置。

表1 北京地區(qū)1950年以來泥石流災(zāi)害統(tǒng)計(jì)表

2 懷柔 7·16 泥石流發(fā)育特征

2.1 泥石流發(fā)育特征

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沿國道G111長(zhǎng)約20km內(nèi)發(fā)育有泥石流溝數(shù)十條，其中懷柔7·16暴雨泥石流主要集中于國道G111東側(cè)的云蒙山區(qū)(圖3)，主要泥石流溝流域地貌特征見表2。其流域面積、溝道長(zhǎng)度、溝床坡降和邊坡坡度均集中在北京山區(qū)泥石流溝高易發(fā)頻段內(nèi)(王海芝， 2008b)。

圖3 2018年云蒙山區(qū)主要泥石流災(zāi)害分布圖

表2 泥石流溝流域地貌特征

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查訪問、文獻(xiàn)資料收集和相關(guān)新聞報(bào)道表明，每年汛期表2中的大部分溝谷都會(huì)發(fā)生規(guī)模不等的山洪泥石流災(zāi)害，嚴(yán)重威脅到溝口兩側(cè)居民區(qū)及公路橋基、路基等基礎(chǔ)設(shè)施。這里以七道溝和梧桐豪兩條典型溝谷泥石流進(jìn)行詳細(xì)介紹(圖4)。

圖4 七道溝和梧桐豪泥石流溝三維遙感影像

(1)七道溝位于云蒙山景區(qū)內(nèi)， 2018年7月16日暴發(fā)泥石流。該泥石流溝流域面積5.51km2，溝道長(zhǎng)度4.01km，溝床坡降123‰，邊坡坡度31.5°。通過對(duì)比災(zāi)害前后衛(wèi)星影像發(fā)現(xiàn)，溝床上游并沒有明顯的滑坡或崩塌痕跡； 在深入主溝約3km后，溝床堆積物才開始出現(xiàn)沖刷痕跡以及溝床擴(kuò)大現(xiàn)象(圖5a)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)達(dá)3km的主溝床內(nèi)廣布次圓狀及次棱角狀塊石、礫石(粒徑一般為0.5～1.5m)，并夾雜著樹干和灌木等，沿溝床修建的景區(qū)混凝土道路也被泥石流嚴(yán)重?fù)p毀。

圖5 典型泥石流溝縱剖面圖

此外，溝床中游和下游兩處老泥石流堆積體在此次災(zāi)害中側(cè)蝕垮塌。其中，中游P3斷面處垮塌體長(zhǎng)43.5m，寬1～5m，高7～9m，方量約1000～1100m3(圖6a)，下游溝口P1斷面處岸坡因側(cè)蝕而后退約10m，嚴(yán)重威脅到溝口附近居民區(qū)安全(圖6b)。在主溝中下游右側(cè)岸坡還發(fā)育兩處小型淺表層滑坡，合計(jì)約230m3(圖7)。另外，對(duì)主溝中游一處被泥石流沖毀的蓄水池及小型磚房的測(cè)量表明，泥石流過流斷面(P2)高出池底約2.1m，池中堆積著大量沖淤而來的塊石，磚房中淤積有泥砂及灌叢枝條(圖8)。

圖6 7·16 泥石流中側(cè)蝕垮塌的岸坡

圖7 7·16 泥石流溝道岸坡中發(fā)育的淺層滑坡

圖8 斷面P2處泥石流沖毀的水池及傾斜磚房

(2)梧桐豪溝位于七道溝北側(cè)，由南北兩條支溝交匯而成(圖4，圖5b)。該溝流域面積2.96km2，主溝道長(zhǎng)度3.37km，溝床坡降115‰，邊坡坡度24.7°。通過對(duì)比災(zāi)害前后衛(wèi)星影像發(fā)現(xiàn)，北側(cè)支溝上游沒有明顯的滑坡或崩塌痕跡，僅在距離交匯處約600m下游段，溝床堆積物才開始出現(xiàn)沖刷痕跡。南側(cè)支溝在泥石流暴發(fā)前，溝床內(nèi)及兩岸植被茂密，但泥石流暴發(fā)后，植被大部分因泥石流沖刷毀損而裸露。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，南側(cè)支溝泥石流的破壞能力非常強(qiáng)大，溝床內(nèi)許多樹木被連根拔起，直徑0.5～2m的塊石遍布于溝床； 中下游溝床內(nèi)布置的3座攔砂壩被沖毀，簡(jiǎn)易土石路及其岸坡也全部被沖毀。主溝口兩支溝交匯處有一內(nèi)徑1.2m、長(zhǎng)約10m的管涵被淤塞， 兩座攔沙壩被沖毀，約420m排導(dǎo)槽毀損。其中，從南側(cè)支溝中游的一條次級(jí)小沖溝下泄的水流強(qiáng)烈沖蝕簡(jiǎn)易土石路，使之成為一條長(zhǎng)70m、寬3.4～5.1m，深1.2～1.8m的侵蝕溝(圖9)。

圖9 梧桐豪溝中游土石路被泥石流強(qiáng)烈沖蝕成溝

2.2 泥石流物質(zhì)組成及參數(shù)估算

2.2.1 泥石流物質(zhì)組成

災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及采樣分析表明(表3)，泥石流溝堆積物主要有花崗巖塊石、碎石、粗砂及少量砂質(zhì)黏土組成。顆粒粒徑小于10mm的比例都在50%以上(其中梧桐豪和七道溝在60%以上)，小于0.075mm的粉黏粒占0.52%，采自老泥石流堆積體的樣品中粉黏粒也僅占1.4%。這表明梧桐豪溝泥石流主要由塊石和粗砂組成的稀性泥石流。

表3 泥石流固體物質(zhì)粒徑分布

2.2.2 泥石流容重、流速、流量等參數(shù)確定

容重、流速、流量等是確定泥石流性質(zhì)與運(yùn)動(dòng)特征的基本參數(shù)。前述顆分試驗(yàn)表明，七道溝和梧桐豪暴雨泥石流的流體為黏粒含量極少的水石流，可采用形態(tài)調(diào)查法和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查試驗(yàn)來綜合確定兩溝泥石流流體容重分別為1340kg·m-3、1310kg·m-3。

彎道超高法和曼寧公式是目前常用的兩種災(zāi)后估算泥石流流速的方法(Prochaska et al.，2008)。參考北京市政設(shè)計(jì)院推薦的基于曼寧公式修正的北京地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式以及日本水山高久的稀性泥石流彎道超高公式，分別計(jì)算出泥石流流速(表4)。

表4 通過經(jīng)驗(yàn)公式估算的泥石流流速

計(jì)算結(jié)果表明，梧桐豪溝泥石流的流速要小于七道溝，這可能主要與后者流域面積大，匯水量多，而且溝床坡降大有關(guān)。對(duì)于七道溝泥石流而言，基于前述兩種方法的泥石流流速計(jì)算結(jié)果相差不大，可相互驗(yàn)證。同時(shí)，由于斷面P3處于流通區(qū)一狹窄段的出口處，而斷面P2處地勢(shì)比較平緩，雖然過流斷面寬度基本相同，但前者流速明顯大于后者。

估算泥石流流速后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采用泥痕調(diào)查法所獲得的斷面面積，可利用公式Qc=Wc·Vc來計(jì)算泥石流斷面峰值流量，得到梧桐豪和七道溝泥石流Qc分別為132.6m3·s-1和156.5m3·s-1。

3 泥石流形成機(jī)理分析

3.1 溝床中充足的物源條件

通過對(duì)泥石流物質(zhì)來源的調(diào)查和分析，認(rèn)為區(qū)內(nèi)泥石流固體物源主要來自溝床內(nèi)前期泥石流堆積體，其次是岸坡側(cè)蝕垮塌體、坡積物及人工開挖簡(jiǎn)易道路的工程棄渣等4種類型。

(1)溝床堆積物。新生代以來本區(qū)抬升強(qiáng)烈，基巖裸露，坡陡溝深； 巖體破碎且風(fēng)化卸荷嚴(yán)重，大量松散土石堆積在斜坡和溝床中。其中，斜坡松散砂層厚度達(dá)0.3m，而溝道中砂礫石層厚度均在1.5m以上，為泥石流發(fā)育提供了充足的松散固體物質(zhì)。七道溝和梧桐豪溝的北側(cè)支溝上游都沒有崩塌滑坡跡象，只在中下游的溝床內(nèi)才出現(xiàn)明顯的泥石流過流沖刷痕跡，溝床內(nèi)塊石發(fā)生滾動(dòng)和搬運(yùn)，這說明泥石流的固體物質(zhì)主要源自溝床內(nèi)賦存的松散堆積體。這些堆積體一般堆積時(shí)間較短，密實(shí)度和固結(jié)程度相對(duì)較低，加之持續(xù)前期降雨及短時(shí)強(qiáng)降雨匯聚而成快速洪流，在洪流的揭底輸移作用下，它們很容易失穩(wěn)并啟動(dòng)，補(bǔ)給到洪流中而形成泥石流(劉傳正等， 2011)。這種補(bǔ)給來源與2010年舟曲泥石流的物源類似，即后者主要是溝道中賦存的十余次歷史泥石流堆積物(胡凱衡等， 2010)。

(2)岸坡側(cè)蝕垮塌體。在泥石流溝床兩側(cè)常見有早期泥石流堆積扇體，這些扇體堆積時(shí)間較短，質(zhì)地疏松，在快速洪流的沖刷下極易發(fā)生側(cè)蝕垮塌。這些垮塌固體物質(zhì)進(jìn)而被泥石流裹挾搬運(yùn)，大大增加了泥石流的容重，同時(shí)也增強(qiáng)了泥石流的沖擊能力。在2010年舟曲泥石流中，溝道中老崩塌、滑坡堆積體也受到侵蝕垮塌，成為重要補(bǔ)給來源(余斌等， 2010)。

(3)坡積物。坡積物主要為坡面巖體受風(fēng)化作用后的碎屑物在重力或水流沖刷攜帶作用下在斜坡的中下部堆積形成的，特別在坡腳處，其厚度可達(dá)0.5～2.0m，主要為塊石及砂土填充，結(jié)構(gòu)混雜，穩(wěn)定性差，在洪水的沖刷下容易失穩(wěn)，進(jìn)而補(bǔ)充到泥石流運(yùn)動(dòng)中。

(4)工程棄渣?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，七道溝及梧桐豪兩條泥石流溝都有明顯人類活動(dòng)跡象。例如梧桐豪南側(cè)支溝上游，因開挖簡(jiǎn)易土石道路，大量工程棄渣隨機(jī)散落在溝床兩側(cè)，人工切坡后也未經(jīng)支護(hù)。在強(qiáng)降雨沖蝕下這些散落棄石失穩(wěn)，邊坡表層巖土體發(fā)生滑塌，松散體與流水混合后形成小型沖溝泥石流，并匯集于主溝，增大主溝內(nèi)泥沙含量及流量，使主溝溝道內(nèi)松散體更易于啟動(dòng)。這也是僅有梧桐豪南側(cè)支溝泥石流在上游就能形成的根本原因。

3.2 短歷時(shí)強(qiáng)降雨激發(fā)條件

降雨資料顯示，懷柔、密云交界的云蒙山區(qū)是北京地區(qū)暴雨中心之一。6、7月份的多年平均降雨量分別為61.2mm和122.4mm，而2018年這兩個(gè)月的降雨量分別為53.7mm和367.8mm，即7月份的降雨量是歷年均值的3倍。同時(shí)，在7月16日泥石流暴發(fā)之前，區(qū)域內(nèi)每隔3～5d就有一次降雨，持續(xù)達(dá)半月之久(圖10a)，這種持續(xù)的降雨天氣十分不利于坡面松散巖土體的穩(wěn)定。

圖10 2018年7月懷柔氣象站降雨數(shù)據(jù)(a)及16日分時(shí)降雨數(shù)據(jù)(b)

尤其在7月16日當(dāng)天降雨量高達(dá)131.04mm，是我國暴雨臨界值50mm/24h的2.6倍，僅次于北京2011年的“6·23”暴雨事件。其中，10： 00～13：00的3h內(nèi)降雨量達(dá)67.27mm，超過暴雨橙色預(yù)警臨界值(50mm/3h)，單小時(shí)最大雨強(qiáng)高達(dá)38mm·h-1(圖10b)。

這次短歷時(shí)的極端降雨使地面徑流匯流時(shí)間縮短，流域內(nèi)大量雨水不能快速滲入堆積體內(nèi)而在地表迅速匯集于主溝內(nèi)，進(jìn)而致使溝床洪峰流量陡增。這種快速洪流將促使溝床內(nèi)堆積物失穩(wěn)、滾動(dòng)，卷入到洪流中，進(jìn)而形成泥石流。因此，極高的日降雨量和短歷時(shí)強(qiáng)降雨構(gòu)成了此次泥石流大規(guī)模暴發(fā)的主要觸發(fā)條件，整體上屬于溝道啟動(dòng)的水力類泥石流(康志成等， 2004)。

3.3 有利的地形條件

研究區(qū)內(nèi)溝谷源頭靠近分水嶺處，表現(xiàn)出三面環(huán)山，一面為急劇收窄的溝谷，這種地形有利于堆積松散碎屑物，也有利于水流的快速匯聚。以七道溝和梧桐豪溝為例，從溝口至分水嶺處，相對(duì)高差分別達(dá)930m和770m，溝道后緣斜坡陡至30°～33°，溝床源頭大面積強(qiáng)降雨快速匯集在狹窄溝道，能迅速形成洪流，主溝道中上游坡度可達(dá)7°～9°，加上局部地形收窄及陡坎等影響，使洪流具有強(qiáng)大的沖擊能力。這些有利的地形條件成為泥石流形成和發(fā)展的基本動(dòng)力。

3.4 泥石流啟動(dòng)條件

如圖11所示，建立單一塊石在泥石流溝床中的受力模型，主要受重力G、靜摩擦力f、浮力U及水流推力R的共同作用。在某一時(shí)刻，隨著上游水流情況的變化，其極限平衡狀態(tài)會(huì)被打破，塊石啟動(dòng)并參與到泥石流流動(dòng)中。

圖11 溝床中塊石受力示意簡(jiǎn)圖

重力G可用式(1)表示：

G=LBHγ

(1)

式中：L為塊石的長(zhǎng)度；B為塊石的寬度；H為塊石的高度；γ為塊石的重度； 各參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定。

浮力U可根據(jù)石塊長(zhǎng)度L，寬度B及水流深度h確定，即：

U=γwhLB

(2)

式中：γw為水流的重度； 其他同式(1)。

靜摩擦力f，主要考慮塊石的正壓力N，水流浮力U和摩擦系數(shù)μ的影響，即：

f=(N-U)μ

(3)

式(3)中的N為：

N=Gcosθ

(4)

根據(jù)受力平衡條件，可得：

f=R+Gsinθ

(5)

利用式(5)可以建立一定水流流量下塊石的受力公式，從而判斷塊石是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。白志勇(2001)和白利平(2006)中，首先根據(jù)動(dòng)量定理，推導(dǎo)出了水流推力R的計(jì)算公式，并結(jié)合一定條件下洪峰流量與降雨量的計(jì)算公式，最終建立了在一定集流時(shí)間內(nèi)降雨量與塊石啟動(dòng)的判別模型，據(jù)此可以推算出塊石失穩(wěn)啟動(dòng)時(shí)的雨強(qiáng)。本文在其基礎(chǔ)上，以假定水流深度h小于塊石高度H條件下塊石失穩(wěn)啟動(dòng)，推導(dǎo)出其失穩(wěn)判別公式如下：

(6)

式中：S為降雨強(qiáng)度/mm·h-1；τ為集流時(shí)間(2.0h)；n為暴雨衰減指數(shù)(0.71)；c為謝才系數(shù)(53.5)；Ψ為洪峰徑流系數(shù)(0.2)；F為流域面積(km2)；ρ為流體密度(1000kg·m-3)；J為水力坡度； 其余符號(hào)同上。

采用野外實(shí)測(cè)塊石粒徑進(jìn)行計(jì)算，即七道溝2.9m×2.5m×1.9m、3.2m×2.7m×1.8m及梧桐豪2.5m×2.4m×1.8m、3.3m×2.4m×1.3m等4個(gè)塊石，得到塊石失穩(wěn)啟動(dòng)時(shí)的降雨強(qiáng)度分別約為 11.67mm·h-1、13.04mm·h-1和8.31mm·h-1、8.01mm·h-1，對(duì)比觀測(cè)站監(jiān)測(cè)到的降雨強(qiáng)度值(圖10b)， 8～13mm·h-1的反分析計(jì)算結(jié)果是比較保守的。

分析其原因，式(6)的推導(dǎo)主要基于泥石流發(fā)生時(shí)溝床內(nèi)單一塊石的受力分析及洪峰流量的計(jì)算等，但泥石流暴發(fā)時(shí)往往不僅是從單一塊石的啟動(dòng)開始，其中還主要包括溝床內(nèi)的松散堆積物等，此時(shí)就需要考慮松散物質(zhì)飽和黏聚力與飽和內(nèi)摩擦角等因素的影響； 此外，受區(qū)域內(nèi)前期降雨的影響及不同地區(qū)、流域產(chǎn)流計(jì)算模型差異的影響都會(huì)影響到泥石流啟動(dòng)雨強(qiáng)的閾值。因此，在計(jì)算泥石流啟動(dòng)雨強(qiáng)閾值時(shí)，這些影響因素都需要進(jìn)一步研究以提高北京地區(qū)泥石流災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。

4 泥石流發(fā)展趨勢(shì)及防治建議

根據(jù)該流域內(nèi)泥石流的發(fā)育歷史及對(duì)本次災(zāi)害特點(diǎn)的分析可以得出，研究區(qū)的泥石流目前及將來較長(zhǎng)一段時(shí)間會(huì)以低黏性的偏水石流類型暴發(fā)，其物源補(bǔ)給更多的來自于泥石流溝床內(nèi)賦存的松散體以及裸露于河床的松散土石堆積物。

在泥石流啟動(dòng)暴發(fā)上，一方面由于受多次降雨產(chǎn)流的影響，泥石流溝床內(nèi)的堆積物已經(jīng)被不同程度的攪動(dòng)起來，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度大大降低； 另一方面，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，溝道中已建攔砂壩、部分塊石堆積體或者低洼地會(huì)在雨水匯聚后形成天然堆石壩或小型堰塞體，在強(qiáng)降雨快速產(chǎn)流條件下這些小型堰塞體失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)也會(huì)降低溝道堆積體的啟動(dòng)條件。以上兩種顯著的影響因素都會(huì)導(dǎo)致更大規(guī)模的泥石流暴發(fā)。例如，在梧桐豪泥石流溝流通區(qū)內(nèi)分級(jí)布置有至少6處的攔擋構(gòu)筑物，但是在此次的泥石流災(zāi)害中已全部垮塌潰決失效。

泥石流防治方面，結(jié)合該區(qū)域泥石流主要以稀性偏水石流的特點(diǎn)，在修筑攔擋設(shè)施時(shí)應(yīng)遵循以排為主，以堵為輔的原則，盡可能地使流域內(nèi)的洪水及時(shí)排泄到下游主河道，減小溝床峰值過流流量，降低溝床固體物源的啟動(dòng)概率，進(jìn)而縮小泥石流的暴發(fā)規(guī)模。例如，可以選擇格柵壩中樁林的攔擋形式，既可以通過調(diào)整樁與樁之間的間距達(dá)到攔截不同粒徑塊石的目的，又可以實(shí)現(xiàn)洪水的快速泄流。在修筑排導(dǎo)設(shè)施時(shí)，可以利用原有溝道形態(tài)加以護(hù)砌，同時(shí)，為了確保泥石流在排導(dǎo)槽內(nèi)的流通效應(yīng)和養(yǎng)護(hù)維修，槽體底部宜兩端高中間低或彎道處外高內(nèi)低，這樣既有利于增強(qiáng)排導(dǎo)效果，更有利于集中加固養(yǎng)護(hù)。

5 結(jié) 論

(1)云蒙山地區(qū)7·16災(zāi)害既不是以水流為主的、單純的山洪災(zāi)害，也不是傳統(tǒng)的以泥砂石塊涌動(dòng)為主的泥石流災(zāi)害，而是在山洪災(zāi)害基礎(chǔ)上發(fā)育而來的一起中大型泥石流災(zāi)害，與2010年舟曲特大泥石流類似。區(qū)域內(nèi)泥石流堆積物中主要以塊石、砂粒為主，黏粒非常少，表現(xiàn)為以水帶砂的山洪泥石流。

(2)泥石流上游植被覆蓋稠密且不存在坡面巖土體失穩(wěn)現(xiàn)象，山洪泥石流通常在中游才開始形成。因此，山洪泥石流形成的主要物源來自于溝道內(nèi)的堆積物，即溝道的揭底輸移。

(3)短歷時(shí)強(qiáng)降雨是本次災(zāi)害事件的主要誘發(fā)因素。降雨在狹窄溝谷內(nèi)匯聚，形成快速運(yùn)動(dòng)的巨大山洪，沿途裹挾、沖擊、刮鏟和推移溝道內(nèi)松散堆積物，進(jìn)而形成山洪泥石流。

(4)通過對(duì)溝床塊石的簡(jiǎn)化受力分析，運(yùn)用動(dòng)量定理并結(jié)合水力學(xué)公式，推導(dǎo)了塊石失穩(wěn)啟動(dòng)與降雨強(qiáng)度之間的判別公式，得到在連續(xù)2h降雨條件下，研究區(qū)觸發(fā)山洪泥石流的臨界降雨量不低于8～13mm·h-1。