矿山弃渣型泥石流沟临界雨量浅探

王海芝

（北京市地质研究所，北京 100020）

矿山弃渣型泥石流沟临界雨量浅探

王海芝

（北京市地质研究所，北京 100020）

矿山弃渣型泥石流沟是北京市西部山区重要的泥石流类型，在近几年发生的泥石流中占比重较大，是近期高发的泥石流类型。本文通过遥感调查数据总结了矿山弃渣型泥石流沟数量较多且松散物质易于启动的基本特点，对2016年7月20日江心台沟泥石流案例进行分析，依据本次泥石流前期雨量较少，当日激发雨量集中于某一时段即引发了本次泥石流的特点，提出了以本次泥石流提取的降雨信息，作为北京市矿山弃渣型泥石流沟临界雨量值的观点。

矿山弃渣型泥石流；临界雨量；预警预报

0 前言

近几十年来，北京市属于枯水期，年平均降雨量较低。自2012年以来，虽然年平均降雨量依然偏低，但局地性暴雨增多，且引发了泥石流。近几年发生的几起沟谷型泥石流，主要发生在堆积体为矿山弃渣的沟谷内。2012年的“7·21”大暴雨之后，房山区河北镇西区沟（含晒台沟、口儿沟、老窑沟、杏园沟、朱家沟5条支沟）发生了泥石流，2016年7月20日暴雨导致房山区霞云岭乡江心台沟发生了泥石流。上述两次泥石流均发生在矿山弃渣型沟谷，沟内堆积了大量的采矿弃渣，因此， 研究探索矿山弃渣型沟谷松散物质的特点及启动的激发雨量，对于矿山弃渣型泥石流预警预报具有一定的指导意义。

根据2016年对房山、密云、门头沟三区泥石流沟遥感调查成果（北京市地质研究所，2016），在上述三区调查的448条泥石流沟中，松散堆积物源以矿山弃渣为主要物源的泥石流沟有71条，占调查沟谷数量的15.8%；各类松散堆积物共计1601处，占地面积32.31km2，其中矿山堆积物311处，占地7.15km2，矿山弃渣分布的面积及数量均占松散堆积物的20%，是重要的泥石流物源。

矿山弃渣堆积物压实度低，相对易于启动，是暴雨激发条件下易于形成灾害的泥石流类型。

1 松散弃体启动的研究简况

近年来，随着泥石流研究的深入，越来越多的学者对于松散物质的启动进行了针对性的研究，并提出了相应的理论。张永双等（2005）结合降雨过程，分析了沟槽拖曳型泥石流的动力学特征，并将降雨信息提取为泥石流的预警信息。吴强等（2015）从孔隙水压力和渗透水压力作用的研究，确定了堆积体内潜水流浸润线高度，构建了沟道松散堆积体渗透破坏模型。陈晓辉等（2016）利用均匀流的水力学模型理论分析了水深与流量的关系，通过运用数学推导的方法，得出汇水动力区接触松散堆积物前的均匀流水深度与水石流层移运动厚度的关系式。

上述研究分别从径流、水深及松散土体内的孔隙水压力和渗透水压力关系上分析了松散物质启动的机理，均将松散弃体的启动归结到降雨情况，大量降雨形成沟谷径流促进松散弃体启动，形成泥石流。

2 江心台沟及“7·20”灾害的基本情况

江心台泥石流沟位于房山区霞云岭乡堂上村108国道北侧，地理坐标为东经北纬平均沟向，整体地势北高南低，沟道平面形态似扇形，呈“V”型沟（图1）。该泥石流沟流域面积约2.67km2，主沟道长度约3200m，相对高差约453m，主沟纵坡约140‰。沟道两侧山坡坡度平均为，坡体岩性为砂岩，沟道两侧植被较发育，以乔木、灌木为主，植被覆盖率约为55%。江心台沟沟道上游宽广，曾为堂上村煤矿，沟内堆积大量的煤矸石，储量约15×104m3，在沟道内形成多级坝阶地，堵塞沟道；沟道中、下游相对狭窄，两侧山坡多梯田，沟口为堂上村及108国道。沟口威胁对象为堂上村村民，共计120户267人。

图1 江心台沟遥感影像图Fig.1 Remote image of Jiangtai valley

2016年7月20日受强降雨影响，江心台沟沟道上游的煤矸石被冲出，总方量约5.0×104m3，冲出的煤矸石均淤积于沟道内，未造成房屋损毁及人员伤亡。沟内排水沟和挡墙受到损毁，其中排水沟损毁总长度约240m，挡墙损毁总长度约50m。

3 江心台沟泥石流诱发因素影响分析

据来自现场安装的自动雨量站的监测数据（北京市地质研究所，2016），堂上村7月总体降雨量不多（图2），但主要集中于7月20日，该日降雨量达140mm，占本月降雨量总量的57%。本次降雨峰值出现在午后13时，最大雨强达到18mm/h（图3），与近几年北京市夏季降水量高值出现在午后的特征相符（李建，2008）。

降雨形成的沟谷径流是矿渣型泥石流的直接动力。一般降水下渗过程分为3个阶段：第一阶段下渗速率较快，水分子被土粒吸附成薄膜水；第二阶段下渗速率较慢，下渗的水流在土壤孔隙向下做不稳定的流动；第三阶段为表土层饱和，水分子在重力作用下向下做稳定运动，向下游稳定流动的水流即为超渗产流（陈宁生，2001）。江心台沟中下游堆积大量的矿渣，主沟纵坡约140‰，当超渗产流量达到推动矿渣启动时，矿渣即启动，汇入水中，爆发泥石流。依据田连权等（2013）的观测研究，当降雨强度大于0.15mm/min时，才会产生坡地径流。根据江心台沟的汇水条件和地表情况，采用稳定下渗率为0.2mm/min，则在某降雨强度（H）下产生的径流量（Q）为：

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

图3 堂上村7月20日小时雨强分布图Fig.3 Distributions of the precipitations with an hour on the 20th of July, 2016

式中：Q为流域径流量（m3/min）；H为降雨强度（mm/min）；S为有效汇水面积（km2）。

2016年7月20日，堂上村日降雨量140mm，最大小时雨强为18mm/h，折合0.3mm/min，假设沟内土质均匀，稳定下渗速率一致，则超渗产流的强度为0.1mm/min。已知江心台沟面积为2.76km2，依据沟内的地形和地质条件，折算实际有效汇水面积为2.1 km2，根据式（1）求得本次降雨过程产生的最大径流量为210 m3/min，冲击力巨大的径流汇入沟谷内，导致沟内的矿渣启动，产生泥石流。

本次泥石流冲出的固体物质量占沟内松散物质总量的1/3，主要是位于堆积体表层的弃渣，说明此次降雨形成的沟谷径流接近或刚刚超过临界启动状态，因此，可以通过本次降雨特征提取区内同种类型的泥石流沟的临界雨量信息：即日降雨量达到140mm/d，最大小时雨强达到18mm/h，即可发布预警信息，提前做好防灾准备。

4 结论

（1）矿山弃渣型泥石流是近期北京高发的泥石流类型，在今后的强降雨过程中要密切关注，加强监测，及时发布预警信息。

（2）根据“7·20”江心台沟泥石流，提取了矿山弃渣型泥石流启动的临界雨量数值，同类型泥石流的启动雨量数值可参考该数值。

（3）依据泥石流类型研究泥石流的临界雨量值及预警的方法，提高泥石流预警的精度，是今后提高泥石流预警精度的发展方向。

北京市地质研究所，2016. 遥感解译成果报告[R].

北京市地质研究所，2016. 北京市突发地质灾害监测预警系统（一期）工程运行项目年度运行报告[R].

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李建，宇如聪，王建捷，2008. 科学通报，53(7)：829-832.

田连权，吴积善，康志成，等，1993. 泥石流侵蚀搬运堆积[M].成都：成都地图出版社，185-187.

吴强，徐林荣，周凯，等，2015. 沟道启动类泥石流松散堆积物起动分析[J]. 自然灾害学报，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

北京地区滑坡泥石流灾害监测预警示范研究（1212010740909,1212010814033）；

北京市突发地质灾害监测预警系统（一期）工程运行项目（PXM2016_158204_000001）

王海芝（1975- ），女，硕士，高级工程师，主要从事地质环境方面研究。Email：bingx_1@163.com