北京市密云区典型泥石流侵蚀过程分析

马 超,王玉杰,王 彬

(北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

0 引言

泥石流是一种介于滑坡和高含沙水流之间的特殊流体，其暴发突然、运动速度快、冲击力强[1-2]。泥石流具有极强的输沙能力，往往短时间内搬运大量松散物质，造成河床淤高，主河堵塞[3-5]。自然界中，泥石流多由上游沟岸或者坡面的固体物质失稳进入沟道，并在沟道水流的水动力作用下形成[6]。一般来说，初始形成的泥石流规模并不大，但其对沟床的侵蚀能力远远大于一般高含沙水流，在运动的过程中，通过侵蚀、裹挟、掀揭沟床物质[7-8]，造成沟床下切[9]，岸坡失稳，使更多的物质参与形成泥石流过程中，以“滚雪球”的方式造成流量增加、规模增大、破坏性增强。

对于物源非常丰富的泥石流沟，随着泥石流不断输移物源，泥石流的侵蚀能力(单位沟长被搬运的物源量)会逐渐降低，以致泥石流频率和规模均随之减低[10]。一些研究表明，在影响泥石流侵蚀率的因子中，物源是主要因子，降雨次之[11]。国内外许多学者在泥石流侵蚀机理方面开展了诸多研究，这些研究表明：泥石流的侵蚀能力与沟道水流的流速和流体动能密切相关[12-14]；尤其是沟床中饱和的松散固体物质内部产生超高孔隙水压力时，会使颗粒间的摩擦力逐渐降低，侵蚀能力也加强[15-17]。BRIEN和RICKENMAN通过溃决洪水形成的泥石流侵蚀能力和研究表明：泥石流的流速和流量越大，其侵蚀能力越强[18-19]。当泥石流侵蚀干燥的沉积物时，会使浆体的浓度增加，进而使黏度和摩擦作用增强，使运动阻力增加，降低泥石流的流动性[19]。然而，大部分关于泥石流侵蚀的研究多是从模型试验出发，定量研究天然泥石流的侵蚀过程涉及较少，尤其是从能量和侵蚀率角度来研究该动力学过程较少。

本文以北京市密云区龙潭沟村曹庄子沟为例，通过激发雨量过程、实地调查和地形扫描，通过不同断面的侵蚀深度、流速变化、侵蚀率和能量比，分析该场泥石流的基本物理特征和动力学侵蚀过程，为深入认识泥石流的侵蚀作用以及野外泥石流勘察设计提供借鉴。

1 泥石流形成过程

1.1 流域背景和激发降雨

曹庄子流域位于北京市密云区龙潭沟景区，沟口地理坐标为：N 40°28′40.07″，E 117°4′24.51″。流域面积0.21 km2，主沟长0.9 km，流域最高处海拔760 m，沟口海拔450 m，相对高差310 m，平均沟床比降为190 ‰(图1)。岩性主要为花岗岩，土层较薄。由于该区降雨多集中在7月底和8月初，其他时间段降雨较少。雨季短历时、高强度的暴雨很快转化为地表径流汇集到沟道中，对沟床沉积物产生强烈冲刷，并形成泥石流。

据实地调查表明，流域内植被覆盖度高，坡面上只有零星的花岗岩风化产生的崩积物，泥石流物源主要来自于沟床堆积物。因此，该沟泥石流属于典型的水力型泥石流。即高强度、短历时暴雨产生的强劲沟床径流剧烈侵蚀、掀揭沟床沉积物形成。

图1 曹庄子流域位置Fig.1 Location of Caozhuangzi watershed

整个龙潭沟景区自2000～2010年之间没有发生过山洪泥石流灾害。2011年7月24日的降雨最大1小时降雨达到39.4 mm，最大3小时降雨量达到86.1 mm，达到当地10年一遇的暴雨标准。该场降雨引发的山洪泥石流导致整个龙潭沟景区大面积公路、桥梁、民房被冲毁。在重建的过程中，又将该沟中的块石作为公路路基建设用，使沟床大面积裸露。此外，还对两侧山体进行开挖，产生了丰富的物源体，增加了再次发生泥石流的可能性。2016年8月12日，整个龙潭沟风景区以及毗邻查子沟村遭受暴雨袭(图2)。据曹庄子最近的查子沟雨量站数据表明：最大1小时降雨达到79.5 mm，最大3小时降雨量达到136.5 mm，达到当地20年一遇的暴雨标准，使该沟再次发生了泥石流。

图2 2016年曹庄子泥石流的10分钟雨量激发过程Fig.2 The 10 minutes’ rainfall triggering process of Caozhuangzi debris flow in 2016

1.2 泥石流流体性质

笔者分别于2016年7月8日和2017年3月5日对该沟进行了实地调查，通过室内筛分(剔除大于60 mm的颗粒)和激光粒度仪分别获取了2011年和2016年两场泥石流堆积物和坡面土体的级配特征(图3)。可以看出：坡面土体的粒径要小于泥石流体。两次泥石流体的颗粒级配曲线平滑趋势较为接近，但2011年泥石流体颗粒较细，其特征粒径值d10、d30、d50分别为0.26 mm、0.8 mm和1.5 mm，小于2016年泥石流体的特征粒径值。由于2016年8月12日降雨的雨强和雨量均大于2011年的降雨过程，引发的沟道径流的水动力学条件要大于2011年暴雨泥石流。因此，泥石流侵蚀过程中能够搬运的颗粒粒径也增大。

虽然野外调查表明坡面土体并不是这两次泥石流活动的主要物质来源，但是它们的级配都有一个共同特征：黏粒含量不到5%，砂粒成分占绝大部分。由于黏粒含量是影响泥石流浆体性质的重要特征之一，黏粒含量越低，浆体黏度越低，屈服应力越接近于零，即无时间效应。此外，根据样品体积和重量计算容重表明，容重高达1.9 kN/m3。根据容重对泥石流流体性质的分类，属于高容重低黏度泥石流。

图3 两次泥石流体以及坡面土体级配Fig. 3 The particle curve of two debris flow deposits and the slope soils

图4 泥石流侵蚀前后沟床对比Fig.4 Comparison the channel morphology after debris flows

2 泥石流侵蚀过程及其特征

2.1 侵蚀深度

由于笔者在2016年曾对该沟进行过一次考察(图4a)，沟道内整体地形非常平坦，植被茂盛，未见两侧岸坡有崩塌和滑坡等物源体。2016年8月12日的强降雨引起的沟道径流侵蚀沟床沉积物形成泥石流，导致沟道严重下切。经过前后两次考察的图片对比分析后表明泥石流只将沟道中间部分下切，并未造成两侧山地坡脚冲刷。因此，在2017年4月5日用三维激光扫描仪对沟道侵蚀区进行了地形扫描。扫描精度为1.0 m，将扫描后的栅格数据点在GIS里面集成以获取侵蚀前、侵蚀后和侵蚀深度云图。侵蚀前的地形高程通过沟岸两侧的未受到泥石流侵蚀的沟岸平台创建。将侵蚀前的数字高程图(DEM)减去侵蚀后的DEM得到侵蚀深度云图(图5)。

图5 侵蚀区沟道侵蚀深度分布Fig. 5 The distribution of eroded depth in erosion area

从图4为泥石流侵蚀前后的沟床高程起伏对照可以看出，在2016年8月12日暴雨后，沟床中的大量沉积物被泥石流侵蚀搬运。由于该沟形成区没有大面积崩塌和滑坡存在，形成区并没有像侵蚀区那样较大的沟床起伏变化。

图5清楚地展示了泥石流沟侵蚀段沟床的起伏变化。整体而言，沟床凹岸侵蚀剧烈程度要高于凸岸。由于侵蚀前的沟床高程起伏不平，2016年的泥石流使沟道起伏度降低(图6)，沟床线较为平缓。由于整个侵蚀区为一弯曲沟段，通过对凸岸、中间线和凹岸的侵蚀深度变化分析表明：

H凸岸

式中：H——侵蚀深度，m。

在整个侵蚀区中，沟床下切最为严重的地区主要集中在三个地段：B段沟道中部，B段至C段的沟道凹岸处，以及C段的沟道中部。在B段和C段，最大侵蚀深度达到5.5 m，而B点至C点的沟道弯道处最大侵蚀深度达到6.5 m，是整个侵蚀区侵蚀最为强烈的沟段。由于从上游形成的泥石流经过B点所在沟床段加速运动后，刚好正对BC所在的沟床段切向侵蚀沟床，加上泥石流体流经沟道的离心力的叠加作用，导致该沟床段侵蚀最为剧烈；而BC弯道凸岸受到泥石流侵蚀作用较小，侵蚀深度也较小。在野外调查过程发现，弯道处在泥石流侵蚀作用下形成了较深的侵蚀坑；而凸岸虽然经过一定的冲刷，由于泥石流流经弯道处最外侧速度较快，内侧速度要小于外侧。因此，凸岸一侧堆积有大量石块，但整体地势要比侵蚀前要低。

图6 侵蚀前、后沟床高程变化Fig.6 The topographical change of channel

2.2 侵蚀过程中的能量和侵蚀率

前文分析了泥石流侵蚀过程的侵蚀深度变化，为定量分析该过程，对不同断面的平均流速、能量变化和泥石流对沟床沉积物的侵蚀力进行了分析。

每个断面的平均流速计算方法为：

V=mH1/2J1/4(2)

式中：V——断面平均流速/(m·s-1)；

m——外阻力系数；

H——流深/m(此处为侵蚀深度)；

J——沟床比降/‰。

整个侵蚀区长约330 m，将其划分为11个沟段，共计10个横断面，对每个横断面的平均流速和侵蚀段的侵蚀量进行计算得到图7。

由于泥石流沿程的速度变化与地势变化密切相关，为了定量表征能量变化与侵蚀量之间的关系，将泥石流流经某一沟段的能量比定义为：

式中：v1和v2——沟段上游和下游某断面的速度；

E——表征了泥石流经过一沟床段的能量变化。

若E<1，即v1

泥石流体对沟床沉积物的剪切力表示为：

τ=γHJ(4)

式中：τ——剪切力/Pa；

γ——容重/(g·cm-3)(为1.9)；

H和J同前。

图7 流速和侵蚀量变化Fig. 7 Variation in flowing velocity and eroded volume

由图7可见，侵蚀量与流速的变化趋势一致，呈现出先增加后降低的趋势。在前150 m的沟段(AB段)，由于侵蚀深度渐进式地增加(沟坡=7.4°)，泥石流流速也逐渐增加。当泥石流流经C点所处的跌坎时，由于原始地形本来为一比降较大的陡坎，导致泥石流流经该处时流深减小，速度降低。实际调查和计算结果表明：该段的侵蚀深度从5 m降低到1 m，流速从5.8 m/s降低到4.32 m/s，能量比达到55.5%。表明由于泥石流因跌落后与沟床的近垂直撞击，导致用于与沟床沉积物相互作用的那部分能量被消耗，进而导致在这一段泥石流的侵蚀能量下降。虽然流速有所降低，但泥石流仍然侵蚀沟床，平均单位沟长的侵蚀率达到6.9 m3/m，远远小于AB段末泥石流的侵蚀率(24 m3/m)。

当泥石流流经C点所处的跌坎后，由于泥石流体的重力势能转化为动能，但没有跌落、撞击等消耗泥石流与沟床沉积物相互作用的能量，导致流速进一步增加，泥石流也剧烈侵蚀沟床沉积物，侵蚀率也增加。计算结果表明：流速从4.32 m/s增加至5.95 m/s，单位沟长的侵蚀率也从6.9 m3/m增加至26.7 m3/m，超过了AB段的侵蚀率。

在公式(4)中，假定泥石流体的容重不变，那么泥石流体对沟床沉积物的侵蚀能力主要与深度和比降相关，通过对图6中已标出沟床坡度以及侵蚀前后的沟床深度，计算得到剪切力见表1。

从表1可以看出，剪切力大小与沟床比降和深度并不呈正相关关系。但是，剪切力却与平均侵蚀率正相关关系明显。这表明：此类泥石流对沟床物质的侵蚀作用是与侵蚀力密切相关的。而且对于侵蚀率的沿程变化可以看出，侵蚀力和侵蚀率都在逐渐增加(图8)。这表明：这类泥石流形成初期的规模并不大，通过对沟床沉积物的剧烈侵蚀作用，造成沟床下切越来越严重，侵蚀能力得到进一步增强，进而导致越来越多的沟床沉积物参与到泥石流形成过程中。

表1 图6中所示沟段的坡度，侵蚀深度，剪切力和侵蚀率

图8 泥石流体剪切力侵蚀率的关系Fig. 8 The relationship between shear stress and yield rate

2.3 林木的消能作用

国内外已有研究表明林木在泥石流防治中能发挥提高激发雨量阈值、消能的作用[20-22]。但一些作者研究发现林木倒伏进入沟道后会起到临时“堰塞体”的作用。当上游泥石流来临，林木结构紧缩，当不能够承受泥石流体的推力时，结构破损，堰塞体溃决，进一步增大泥石流的规模和流量。多数研究表明：这些倒伏后的林木在堰塞体中的排列方式多以横挡为主[23-24]。

在野外调查表明：泥石流流经林木区时(图9)，沟道中间并没有产生强烈的侵蚀作用，甚至在林木迎水面形成大量的叠瓦式堆积，而沟道两侧产生了冲刷。在林木区下游，虽然沟床侵蚀深度较深，但剪切力和平均侵蚀率都不大。而在此段前后泥石流的运动速度分别为：4.0 m/s 和1.8 m/s。速度有明显的减小。可见，泥石流流经林木区时，能量被大幅度削减，能耗率达到80%(即1-E)。因而，泥石流对沟床沉积物侵蚀作用也被大大削减。

图9 泥石流冲击沟口附近的林区Fig. 9 The plants damaged by debris flows in downstream

根据对沟道中林木的倒伏方式来看，有以下三种类型：全跨沟岸、半跨沟岸和顺沟倒伏(图10)。全跨沟岸是由于位于沟岸坡上的林木在泥石流侧向侵蚀作用下导致根系底部的土体被冲刷带走导致；半跨沟岸的林木以倾斜方式倒伏在沟道中，冠幅部分位于沟岸上，根系部分在沟道中；而顺沟倒伏方式是林木的倒伏方向沿着泥石流运动方向。位于倒伏区以外(下游方向)，泥石流的洪痕高度大致为0.5 m。在该段，没有发现倒伏林木，有大量林木的树皮被剥蚀掉了。这说明，在倒伏区以外，泥石流的能量主要被撞击消耗掉。根据公式(2)计算撞击区的流速(坡度8.1°)为1.2 m/s。较流经林木前和倒伏区的泥石流的动能相比，能耗率达到：90%和60%。可见，由于大部分的林木都是顺沟方式倒伏，加上倒伏区以外的林木与泥石流之间的撞击作用，导致泥石流的能量被大幅度消耗，起到了有效的消能作用。

图10 泥石流流经林木区深度变化和林木倒伏方式Fig .10 The simplified map showing the erosion depth and the lodging pattern of plants

3 讨论

泥石流的侵蚀作用是导致其流量、规模增大和破坏性增强的主要原因。国内外很多学者通过大量模型试验对其进行了研究。由于泥石流多发生在偏远山区，且暴发突然、速度快、危害大，对天然条件下的泥石流侵蚀过程研究较少。笔者以北京市密云区县曹庄子流域泥石流为例，通过发生前和发生后的场景，降雨、级配分析以及地形扫描分析了该场泥石流的侵蚀过程。

通过地形扫描分析结果发现：泥石流侵蚀初期对沟床的侵蚀作用要小，侵蚀深度也比较浅，而随着泥石流继续运动，侵蚀深度逐渐加深，导致对沟床的侵蚀作用加剧；当泥石流流经沟道中的地形突变段，往往会加大泥石流对沟床的侵蚀作用，在地形突变段下游形成一严重侵蚀区。这种因地形突变(如跌坎、坝体破损)导致的侵蚀效应在甘肃舟曲泥石流、汶川灾区文家沟也有发现[25-26]。

从泥石流体性质来看，该场泥石流属于高容重、低黏度泥石流。从泥石流形成的动力学条件而言，属于典型的水力型泥石流。研究中发现剪切力和侵蚀率的正相关关系说明沟床沉积物在水流作用下起动过程与剪切力密切相关。在建立该类泥石流起动的预测预报模型时，需考虑水流对沟床沉积物的剪切作用。

泥石流运动过程中，其泥石流体内部的流体剪切力，颗粒碰撞力等都与泥石流的侵蚀作用密切相关[27]。本文虽然对该泥石流的沿程侵蚀作用进行了分析，但是由于激发该场泥石流的雨量过程短暂，沟道比较顺直，沟岸两侧较少留下泥石流堆积物，无法为基于无量纲参数分析侵蚀过程中主控作用力提供数据支撑。

此外，本文还对林木在泥石流的效能作用了提供了案例分析。虽然通过林木的倒伏方式和速度两个方面分析了消能作用，但尚未能够起到最大能耗的林木空间配置进行分析，在今后的研究中将深入分析该科学问题。

4 结论

本文以北京市密云区龙潭沟景区曹庄子2016年8月12日泥石流为例，通过野外调查、地形扫描分析了该场泥石流的特征和侵蚀过程，结果表明：

(1)该场泥石流为典型水力型泥石流，泥石流体中黏粒含量不到5%，砂粒成分占绝大部分。

(2)沟床物质被泥石流侵蚀携带的侵蚀率与流速变化趋势一致，侵蚀率与泥石流体提供的剪切力呈现正相关关系。

(3)初步总结了三种林木受泥石流冲击时的三种倒伏方式，速度计算结果表明：林木能够降低泥石流流速，消耗泥石流动能，进而起到减小泥石流破坏性的作用。