地质灾害损毁土地特征

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2020-01-20 · 技术研发知识服务融合发展。
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(一)滑坡损毁土地特征

滑坡是指构成斜坡的土体或岩体,受河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素影响,在重力作用下,沿着一定的软弱面或软弱带,整体地或分散地顺坡向下滑动的现象。俗称“走山”、“垮山”、“地滑”或“土溜”等。

一个滑坡从孕育到形成,需要经历裂、蠕、滑、稳四个阶段(图4-9)。

图4-9 滑坡形成示意图

滑坡现象其实就是动力学规律,可以用一个简单的动力学方程组来表示。

灾害损毁土地复垦

式中:P——控制滑坡现象发生的驱动力;

F——合力;

R——阻力;

E——滑坡体的不稳定性质特征值;

T——滑坡体的稳定性质特征值。

驱动力(P)由重力、大气降水、地表水、地下水和泥石流等提供,通过观测滑坡物质密度、地表水、地下水以及泥石流流量便可以获得,所以,P值是可获得值。合力F等于滑坡质量与它的加速度之积,其中,质量可以用单位质量(即密度)代表,加速度可以测得,由此可算出合力F的值。阻力R等于合力与驱动力之差,也可通过简单计算获得。因此,稳定性特征值与不稳定特征值都是很容易获得的参数值。T和E都不是简单的调整系数,可以根据公式(4-2)确定。

T+E=1 (4-2)

控制滑坡运动的驱动力P和不稳定性质特征值E都是变化的,所以,设驱动力由P0变为Pt,则有驱动力变化率ε与驱动力P0和Pt以及作用时间t之间的关系式:

Pt=P0+ε·t (4-3)

设不稳定性质特征值由E0变为Et,则有不稳定特征值的变化率β与特征值E0和Et以及时间t之间的关系式:

Et=E0+β·t (4-4)

将式(4-3)和式(4-4)代入式F=EP,得:

灾害损毁土地复垦

这就把滑坡运动规律的动力学方程的完整形式进行了描述。

研究滑坡形成机理不能忽视滑坡角的作用,滑坡角是控制滑坡现象孕育、发展与发生的决定性因素之一,它与滑坡现象和其他因素共同产生了滑坡动力学方程。滑坡角是通过控制驱动力的有效作用力和滑坡方向来控制滑坡运动的。在垂直方向上,由于存在地层物质,不存在可以滑动的空间余地,所以,只有在存在可以滑动空间的方向上进行滑动,即向可以滑坡的边界方向滑动。这样一来,驱使滑坡运动的驱动力P就随滑坡角α减小或增大。

P′=P(1+cos2α)sinα (4-6)

图4-10 边坡现状与预计示意图(据于洪德等,2011)

图4-11 力作用关系示意图(据于洪德等,2011)

图4-10和图4-11所示,滑坡角对滑坡产生的控制性被包含在式(4-1)的不稳定性质特征值E和稳定性质特征值T之中。滑面产生的支承力是一种不平衡力,它在滑坡方向上也产生一个驱动滑坡物质运动的分力,其大小等于Pcos2αsinα。这个分力也叠加在驱动滑坡运动的驱动力之上。这个力虽然很小,但对巨大的滑坡体来说,这个力是不可忽视的一种强大动力。如果将滑坡角看作是控制滑坡现象孕育、发展与发生的一种因素进行单独考虑,那么,滑坡动力学方程组的力学形式就应该表达为:

灾害损毁土地复垦

因此,滑坡动力学方程的完整形式可以表达为:

灾害损毁土地复垦

简单来说,滑坡是滑动的山体沿着一个滑动面向下移动,是势能转化为动能,直至动能消失的全过程。滑坡体向下滑动的过程中,由于地势变缓,势能降低,同时摩擦阻力增大,动能会逐渐减小,直至为零而停止滑动。滑坡体表面一般坡度较小,滑坡体土层结构也未发生较大变化,因而滑坡体上损毁的土地具有较大的复垦潜力。

滑坡类型主要有抛掷型滑坡、重力滑坡和剥离式滑坡,其中抛掷型滑坡在大地震发生后比较常见(如汶川地震中,虽然抛掷型滑坡只是少部分,但规模都较大)。但总体来讲,还是以重力滑坡和剥离式滑坡居多。滑坡对土地的一系列破坏,包括山体破坏、滑坡体自身土地破坏、滑坡经过地区土地破坏、滑坡前缘土地破坏。

(二)泥石流损毁土地特征

泥石流对土地的损毁无疑是灾难性的。泥石流的危害主要受其规模和浓度的影响,因为泥石流的浓度不但影响其运动机理及动力作用产生,还反映其颗粒组成特征。

陡峭的地形和一定储量的松散固体物质是泥石流形成的外部因素,一定强度的降雨是激发泥石流的外在动力因素。泥石流产生的概率和规模取决于流域因素、固体物质补给和降雨因素。泥石流形成的流域因素包括流域形状、面积、山坡或沟床比降,泥石流沟则分为山坡型和沟谷型两类。固体物质来源是坡面侵蚀、滑坡和崩塌等,而且以后者较多,这也就容易解释地震地区泥石流多发的原因了。暴雨是激发泥石流发生的重要因素,陡峭的地形和大量松散物质的积累如果没有强的降雨是不可能形成泥石流的。在骤降暴雨形成较强烈地表径流的条件下,具有丰富松散碎屑物质的沟谷或山坡凹陷处容易发生泥石流。

泥石流分类方法很多,按诱发原因分为洪水泥石流、地震泥石流、冰川泥石流和火山泥石流等;按侵蚀原因分为水力类泥石流、土力类泥石流或滑坡泥石流;按地形地貌可分为标准型泥石流、山坡型泥石流和河谷型泥石流;按物质状态可分为稀性泥石流和黏性泥石流。稀性泥石流和黏性泥石流的特征分别是:稀性泥石流以水为主要成分,黏土成分含量少,固体物质一般小于40%,有的甚至在10%以下,有很大的分散性,其含的水则是作为搬运介质,石块以滚动或跳跃方式向下运动,其堆积物在堆积区呈扇形状散流;黏性大、固体物质占40%~60%,有的甚至更高,其中泥石流的所含水分并不是搬运介质,而是组成物质,稠度很大,石块呈悬浮状,爆发突然,持续时间短、破坏力巨大。

泥石流损毁土地的主要特征是:

(1)冲击损毁。泥石流具有强大的冲击力,其携带的巨大石块对下游耕地、林地、园地和建设用地等直接撞击,这些土地因冲击而毁坏。

(2)冲刷损毁。泥石流损毁土地冲刷毁坏表现得尤为突出。一是受暴雨作用,沟域内大量坡面土地被水携带冲蚀,山坡土层因冲刷减薄,造成水土流失;二是冲刷贯穿整个泥石流沟,强烈的侵蚀冲刷沟谷和土地,损坏程度不断增高。

(3)淤埋损毁。泥石流淤埋危害是泥石流堆积区和流通区最常见的危害方式。泥石流在流通过程中受夹杂的树木残体或较大块石堵塞影响,来不及排泄,大量泥砂、石块越过沟岸停留下来,淤埋农田、农田基础设施和村庄院落。

(4)土壤特征。泥石流泥浆将大小颗粒物包裹,颗粒分选性差,沉积层理不明显,形成的堆积物并无明显分层;同时,因成土时间短,受气候和生物影响不深,致使土壤剖面层次不明显。

(三)崩塌损毁土地特征

崩塌种类较多,按崩塌发生地点分为山崩、岸崩(水流冲刷、掏空坡岸所成);按物理特性分为岩层崩塌、土体崩塌、混合体崩塌和雪崩;按成因分为顺断层或风化夹层的崩塌、沿完整节理面(层理面、片理面)的崩塌、多组节理崩塌、沿垂直节理产生的崩塌、X节理切割的V字形崩塌、覆盖层或风化层沿较完整基岩的崩塌和探头崩塌。

崩塌是在受到应力作用,即重力作用下,山体一部分失稳下坠,形成堆积物的过程。崩塌堆积体形成可分为三个机制:一是应力重分阶段,即是区域内曾发生过大规模的自然灾害(如泥石流),对斜坡产生了一定的侧蚀作用,斜坡的一定范围内应力做了重新调整,引起局部应力集中;二是潜在崩塌体形成阶段,岩体受其岩性及风化作用,在地震、降雨等外营力因素影响下,岩体结构面逐渐崩裂,这也为风化、降雨等外营力作用提供了改造岩体的途径,经反复作用,岩体完整性和强度逐渐降低,从而形成潜在崩塌体;三是诱发崩塌阶段,由于地震、山洪等灾害引起地面的强烈运动,坡体受到外力作用,产生反复拉张、剪切,导致岩体松动,在外力和自身重力的双重作用下,块体被抛出或滑落,经翻倒、滚动、跳跃、坠落及崩塌物质间的相互撞击,最后堆积于坡脚,地震后常见的崩塌有拉裂—滑移型崩塌、震动—错落型崩塌和偏心—滚落型崩塌。

崩塌损毁土地的主要特征是:发生地区的坡度较大,大多在60°~70°间的斜坡上。崩塌主要是破坏堆积区的原有土地(如耕地、林地、设施用地等),堆积体一般较大;但崩塌倒石堆则不同,它结构疏松、空隙多且杂乱无序、无层理、规格大小不一。同时崩塌过程中产生强大气浪,细小颗粒在气浪冲击下被弹飞出去,由于大小不一,质量大的必先落地,从而使其崩塌物在水平上呈现一定的分选性。其对土地破坏的主要表现为破坏堆积区的原有土地,如为耕地,崩塌堆积体巨大,则一般很难再复垦为耕地。堆积体——崩积物一般坡度较大,且大块的崩积物堆积在前缘,复垦难度大。因此一般来讲,堆积体也不具有复垦为耕地的条件。只有小型崩塌或以土壤为崩塌的堆积体具有复耕可能。

(四)堰塞湖损毁土地特征

堰塞湖发生区域往往具有特殊的地形地貌和地质条件,河谷两侧的坡体在动力作用下发生滑坡、崩塌、泥石流及冰川、融雪活动或火山喷发等所产生的堆积物可内筑起自然堤坝横向阻塞河床、沟谷或山谷,致使上游段壅水而形成了堰塞湖。堰塞湖主要分布在海拔相对较高的地区,如汶川地震形成的唐家山堰塞湖,坝体高、蓄水量大,其横河宽度最大达611米,集水面积3.55平方千米,蓄水量达1.45×108立方米,最大可蓄水量达3.16×108立方米,潜在威胁性巨大。

堰塞湖可分为降水堰塞湖、地震堰塞湖、火山堰塞湖和冰川堰塞湖,其形成因素可分为内因和外因,内因是区域内具有一定的地质条件、地形地貌和河床动力河谷斜坡可以造成河道堵塞;外因是有促使崩塌、滑坡、泥石流等发生的诱发因素作用于沟谷斜坡上,如地震、暴雨、火山爆发、坡脚岩石侵蚀、人类的不当开采等。也就是说堰塞湖的形成一般具备以下条件:①形成区有河流、河道或沟谷经过;②河道两边有能形成堰塞湖的物质(如山体),且稳定性一般较差;③存在促使稳定性较差的物质在失稳而阻塞河道的诱发因素或作用力。

堰塞湖破坏土地类型主要有两种:一是堰塞湖的水位上涨,淹没土地,特别是耕地,这种土地的破坏,其耕作层未被破坏,在水位降低后,完全可以复垦;二是堰塞湖泄洪冲毁的土地,由于洪水冲刷,原耕作层基本被冲走,但地形较为平坦,在有客土来源的条件下,具有土地复垦潜力。

(五)地面塌陷损毁土地特征

地面塌陷可分为岩溶型塌陷和松散土体型塌陷。

岩溶型塌陷一般发生在喀斯特地貌区域,大部分情况下都是现代暗河形成溶蚀通道,不断发育致洞顶塌陷而成。这种类型的塌陷一般是从覆盖层内部形成土洞开始,经过缓慢的渐进破坏过程发育至临界状态,形成临界土洞。临界土洞形成后受降雨、地震或地下水变化等外界因素影响,则发生地面塌陷。

松散土体型塌陷是指地表以下存在一定厚度的松散层,土层级配良好,含有大量的粉土、细砂等无黏性土。松散型塌陷一般发生在地下水位变化大、第四纪松散覆盖层不厚、含粉质黏土或砂土且土质疏松的环境。

地下土体具备自稳能力,如应力调整、土拱效应和骨架效应等,能使其保持一种临界稳定状态。该状态下若发生外部扰动或地下水升降、含水量变化,都将诱发临界稳定状态发生突变,造成地表迅速下沉,从而形成塌陷。塌陷发生的内部原因主要是:

(1)地面条件。地表的地形地貌和植被覆盖情况对塌陷的发生会产生直接的影响。地形地貌有利于汇水且积水后不能及时排泄的区域是地面塌陷的多发区,当地表径流汇集在地形的低洼处,会产生地表荷载。同时,地表水的不断入渗不但增大了土层的含水量和自重,还降低了土层的强度和形变参数,以上都是诱发地面塌陷的重要因素。

(2)土壤条件。土壤中发生的渗流产生的动力能将土体中的细颗粒带走,致使原土体中只存在起骨架作用的粗颗粒。所以当土层中含有一定的砂土、粉土,则很容易造成塌陷。

(3)含水条件。塌陷与地表水和地下水有关,地下渗流会使土体中的胶结物质、盐分被溶解、稀释而被带走,造成颗粒间凝聚力下降,结合力下降;渗流产生的水动力带走细小颗粒,形成粗颗粒骨架。

(4)地表超载和扰动(如地震)及气候(如干旱)也是造成塌陷的外部因素。

地面塌陷对土地的损毁特征主要是:由于形成塌陷盆地、塌陷坑、塌陷裂缝等对土地和地面设施的损坏。造成地面下沉、产生积水,增加地面坡度,增大排灌难度、地下水位上升容易造成土壤盐渍化、沼泽化,致使耕地面积减少、质量下降,农作物产量下降甚至绝收;地表设施被破坏、房屋倒塌,造成人口搬迁、财产损失。

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