人类活动及植被对坡体滑塌的影响(徐永年)

热度133票 浏览35次 【共0条评论】【我要评论 时间:1999年7月01日 13:51

人类活动植被对坡体滑塌的影响*水利论文5d"dbo$qy

徐永年

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(中国水利水电科学研究院)

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摘 要通过实例说明了人类的各种活动和不同植被状况对坡体滑塌的影响,并通过室内人工降雨模拟试验说明排水及护坡等工程措施对坡体稳定具有一定的保护作用。试采用无纺布模拟植被,认识到植被度的提高能够减少切沟侵蚀,从而达到延缓坡体滑塌的目的。探讨了引起坡体滑塌的主要原因,多数是坡内孔隙水压力达到峰值时产生滑塌。水利论文`%OD u!d@!t

关键词人类活动 植被 滑塌 工程措施水利论文;X6]}+Z}.^)F8[WO

*本研究深蒙匡尚富教授、黄永健教授的指教,深表谢意!并得到了泥沙研究所山地灾害研究室和北京沃尔德防灾技术有限公司全体同志的支持,在此鸣谢!水利论文O J'veZDA

1 前言水利论文O?I"Di ^

    滑坡或崩塌是陡崖上的土石岩体失去平衡,在自重力作用下,脱离母体坠落或移动的现象。它是山地受重力作用形成的灾害之一,其中崩塌又可分(土崩或岩崩、岩屑崩落、坠石等)。我们可将滑坡与崩塌统称滑塌,滑塌常见的几种破坏形式如图1所示[1,2]水利论文|g/QY+q-YQ&b??

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图1 滑塌的几种破坏形式水利论文^:h,s r E,P:I

Forms of landslides and avalanches水利论文+i ~ js'N'y'? b

    山地灾害是指在山区对人类生存和工程建筑物可能构成危害的各种特有的自然灾害,而人类的不合理活动加剧了山地灾害的发生频率,特别是坡体滑塌一类的突发性灾害。山地灾害的产生是与多种自然因素和社会因素的相互作用、相互制约的结果,有时人类活动引起的山地灾害非常严重,有时山地灾害又给人们带来难于预见的灾难。文献[3]比较了森林地带和筑路地区的岩屑崩落侵蚀,以每年单位面积上崩落侵蚀量计算(单位:m3/km2·a)。如表1。筑路地区与森林地带相比相差很大,约25~340倍,足以说明人类活动对岩屑崩落侵蚀的影响。 由于日益膨胀的人口需要更多的土地来生产粮食,需要开发矿产、扩大居住区,为了改善人民生活又要发展公路、铁路、航空运输和修建水库。山区、丘陵、黄土高原地区为发展经济大搞基本建设。人类社会的经济发展总是伴随着土地利用的变化,这种变化已成为改变流域泥沙平衡状态的主因。目前我国正处于高速发展时期,土地利用的变化导致产沙以及山地灾害的出现。如在黄土高原地区,人们为了生产足够的粮食,1989年以来在陡坡上开荒种地,增加水土流失面积5万多km2。又如,豫陕接壤区人烟较稀少,植被发育,林草茂盛,80年代后期,国营和个体企业纷纷投入开采金矿。1万多km2范围内有开采点近3000个,年产黄金30万两,直接破坏植被168km2,侵蚀模数由1030增加到1458t/a.km2,同时弃石废渣1655万m3,暴雨时形成人造泥石流和滑塌不断增加[3]

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表1 森林地带和筑路地区的岩屑崩落侵蚀

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Erosion of rock debris fall in forest belts and road construction regions水利论文a4W$B` h4Y


调查地点位置记录崩落侵蚀崩落与植
年限(%)(km2(m3/km2.a)林面积比

奥林匹克半岛的斯特奎莱乌湾森林847919.371.8×1.0
道路630.711825×165
俄勒冈州,西咯斯咯特山脉,阿尔德湾森林2570.512.345.3×1.0
道路153.50.615565×344
不列颠哥伦比亚省西南,沿海山脉,排水区森林3288.924611.2×1.0
道路321.54.2282.5×25.5
俄勒冈州,西咯斯咯特森林2577.549.835.9×1.0
山脉,H.J.安德鲁斯道路253.22.01772×49

2 人类活动及植被对坡体滑塌的影响

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2.1 人类活动的影响

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    由于兴修铁路公路时开挖路基、引水渠道的渗漏、矿山开采爆破、水库蓄水地下水上升等使坡体内部应力状态重新分配,从而削弱了抗滑力或者加大了下滑力,这样在外界因素触发下,通过滑塌的形式反映出来。人类活动的各种不利影响主要通过以下几个方面表现出来。统计资料*表明:人类活动引起坡体滑塌的危险性很大,引起大型滑塌堵江的事例很多。

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*匡尚富。天然坝溃决机理及其泥石流·洪水流量预测。中国水利水电科学研究院,1995年

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    ①采矿爆破引起地面塌陷。其中,采矿爆破引起大型滑塌堵江的事例如表2。水利论文*w'CT+G#q-U

表2 采矿爆破引起大型坡体滑塌

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Large-scale landslieds and avalanches in mining vibrations

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滑塌滑塌发生总体积所堵堵江堵江诱发主要危害
地点名称时间104m3江河类型历时原因及经济损失

四川吊板垭198860白沙河完全采煤毁房162间,煤矿1个,经济损失上亿元
四川什邝燕子崖1988.4.1——中河完全采煤埋煤矿井6口,致死4人
四川巫山灯龙山1991.6100横石溪完全采磷矿死7人,损失1000万元以上
四川武隆鸡冠岭1994.4.30530乌江完全采煤爆破30余m的涌浪,110m堆石坝,回水长20km
四川绵江麦棚子1988.4.2526棉远河完全采磷矿威胁下游2.3万人口、毁水电站1座
四川会理益门矿1990.5.3115益门河完全采矿弃渣损失达400万元,泥石流体堵河回水长4km

    ②水库蓄水地下水位抬高。其中,水库蓄水引起大型滑塌堵江的事例如表3。

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表3 水库蓄水引起大型坡体滑塌

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Large scale landslides and avalanches by reservoir impounding

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滑塌滑塌发生总体积所堵堵江堵江诱发主要危害
地点名称时间104m3江河类型历时原因及经济损失

四川汉源麦地1971.8.16100大渡河左完全长期放水灌田使40多人丧生,形成堰塞湖,威胁下游
意大利瓦依莱特196324000——————水库蓄水最大涌浪高度260m,死亡3000人
湖南安化唐岩光1961.3.6165资水不完全长期水库蓄水涌浪21m,损坏库内船只,死亡40余人
刘家峡苏州崖1957.9.2685黄河不完全长期水库蓄水——

    ③公路铁路的坡脚开挖。其中,坡脚开挖引起大型滑塌堵江的事例如表4。

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表4 坡脚开挖引起大型坡体滑塌水利论文,[J}3Dn

Large scale avalanches in excavating on slope toes水利论文6j%IDRt Y|3ra6N:B


滑塌滑塌发生总体积所堵堵江堵江诱发主要危害
地点名称时间104m3江河类型历时原因及经济损失

湖北秭归马家坝1986.7.162880长江右岸完全长期开挖坡脚

直接损失450万元

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四川巫溪中阳村1988.1.10765长江右岸完全长期开挖坡脚死亡26人,伤7人,直接损失468.5万元
四川茂县周场坪1982.61000岷江不完全长期爆破开挖危害公路
陕西勉县关家院子1981.9.2500汉水支流完全长期筑路开挖死亡30人
陕西安康赵家塘1973200汉水不完全长期爆破开挖铁路路基遭到破坏,危害通车

    ④引水渠道渗透产生的滑塌水利论文 {s@i&e

    文献[4]对引水渠道的渗透产生滑塌进行了总结,都江堰引水灌溉工程,干渠总长570km,控制灌溉面积1000万亩,渠道通过易滑膨胀的成都粘土、广汉粘土、网纹红土以及龙泉山断层破碎带。四川省1981年7月13~14日、8月14日、9月2日的3次大暴雨,7~9月的总降雨量达1000mm以上,超过往年的3倍,由暴雨诱发的滑塌4729处,其中571km的渠道就有滑塌961处。如表5。

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表5 1981四川省渠道滑塌现象

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Canal landslides and avalanches in Sichuan province in 1981

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渠道起止渠长流量滑塌数单位距离
名称地点(km)(m3/s)(个)滑塌率

人民渠七期

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略坪-鲁班183404962.70
东风渠四期麻石桥-土地场98501771.80
东风渠五期黑龙潭-录家239282040.85
玉溪河工程玉溪河-百丈5132841.64

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图2 产沙量与有效降水量的关系水利论文:Gn(H ?%Pd0V

Relationship between annual sediment yield and effective rainfall

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2.2 植被对滑塌的影响

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    文献[4]统计了四川省193个县中,森林覆盖率小于10%的有91个县,川中红层丘陵58个县的森林覆盖率仅为4.3%。森林植被的减少导致坡体抗冲能力的降低,以往水土流失由单一的沟蚀、面蚀,发展到现在以崩塌为主的重力侵蚀。随着人口的增加,陡坡地的不合理利用使裸露土壤增加,使雨水更加容易入渗,也增加了滑塌的危险性。水利论文rx*^d cE.|&qs

    1958年美国地貌学家Langbein-Schumm研究了在考虑植被影响的情况下,流域单位面积产沙量与有效降水量的关系*,如图2所示。这一变化规律是降雨所决定的侵蚀力与植被保护作用所决定的抗蚀能力之间强弱对比变化的结果。干旱区地表几乎处于裸露状态,稀疏的荒漠灌丛对地表物质保护作用很弱。从日本土木研究所统计资料[5]可知,不同土质不同植被滑塌的发生率不同。如表6。

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* 邵学军,王兴奎。河流动力学基础。清华大学98级博士生讲义,1998年。水利论文xWO$iV{8}P

表6 不同土质、植被的滑塌发生率

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Landslide and avalanche frequencies for different soil textures and vegetations水利论文&]\ hQm/? YP't c


植被情况裸露地草地针叶树阔叶树针阔混合其他

不同土质AA/GBB/GCC/GDD/GEE/GFF/G

表土4.40.6123.00.965.51.109.50.9925.41.1826.10.956.1
崩积土8.41.1731.31.313.60.7215.71.6312.00.5625.30.923.7
碎屑物4.00.5624.01.0012.02.4012.01.2524.01.1124.00.870.0
堆积物13.61.8913.60.574.50.9013.61.4131.81.4822.70.820.0
强风化岩7.21.0621.70.913.16.025.40.5611.60.5444.21.606.2
岩石22.93.1829.31.223.30.6510.91.1320.71.009.80.353.1
合计G7.224.05.09.621.527.65.1

备注:A、B、C、D、E、F为不同植被因子的构成比例,A/G、B/G、C/G、D/G、E/G、F/G为发生率水利论文`.UTxs#[4Q:D]

3 影响因素分析水利论文0D2~Y ^I[J

    文献[6]对影响坡体滑塌的各项因素进行了分析,并根据国内外现场实测资料说明了坡体形状、土质条件对坡体滑塌的影响。人类活动带来的影响虽然是随机的,但普遍存在。人类活动主要体现在工程带来的正反两方面的影响,如采矿和开挖出现的负面影响以及工程护坡措施的作用。人类活动对坡体滑塌和坡面植被状况对坡体滑塌影响可划分成积极和消极两种。如表7。为了研究人类的各种活动对坡体滑塌的影响程度,必须对人类活动引起的负面影响和滑塌发生率进行综合评价,这样才能有目的地加以防护,为此,通过人工降雨模拟试验对比了排水措施和护坡以及植被的作用。

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表7 人类活动及植被对坡体滑塌的影响水利论文\ j4[8| g S

Risk of landslide and avalanche in human activities and vegetations水利论文eY ?zV;{8G.`&{


影响消极消极消极无影响积极积极

人类活动挖洞切坡淘刷自然排水护坡
植被耕地裸露地荒地草地树林森林

4 室内人工降雨模拟试验

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    为了研究植被和人类活动对滑塌的影响,利用变坡槽进行了模拟试验。变坡槽长6m、宽2m、高1.3m,变坡槽上方设有降雨装置。试验沙是由永定河上粒径2mm以下的天然沙与密云粉粘土按一定比例混合,最后粘土含量约8%。试验沙d90=0.60mm,d50=0.23mm,d10=0.006mm。坡体表面和基岩面均为平面,土层厚度都是60cm。末端条件分为自然、排水和护坡三种,坡面分无植被(裸露地)和有植被(无纺布)两种。降雨强度为60mm/h,试验沙的干密度约1.65g/cm3。试验末端条件及植被情况如图3所示,试验条件如表8。自然条件下尾槽填土与变坡槽的试验沙一样,渗透系数为5×10-3cm/s,排水条件时尾槽铺沙为碎石70%加试验沙30%,渗透系数为4×10-2cm/s,变坡槽底部铺5cm厚的碎石沙,(与尾槽铺沙相同)其上再铺55cm厚的试验沙。水利论文~3E6S'kc6h3CCj

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图3 末端试验条件示意图

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Experimenf Sketch水利论文?2uj:r;UAf$x

表8 滑塌实验条件

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Experimental conditions of landslides and avalanches

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试验坡面坡度干密度粘土初始含水量雨强末端植被
组次(℃)(g/cm3(%)(%)(mm/h)条件状况

No.1351.668.19.860自然裸露地
No.2351.657.89.260排水裸露地
No.3351.647.59.760护坡裸露地
No.4351.668.29.660自然无纺布
No.5351.658.09.560排水无纺布
No.6351.657.89.860护坡无纺布

    试验过程中利用摄像机观测了滑塌过程以及滑塌位置。各组试验中滑塌的时机和规模如表9。表中水位是设置在变坡槽中心线、末端以上1.5m处槽底的孔隙水压计的最大值;位移量按设置在变坡槽中心线、末端以上4.0m、距槽底40cm处的位移计计算,当位移量超过400mm时认为坡体已经破坏,试验到此结束,否则试验继续进行,但试验时间限定在6小时。滑塌规模按试验结束时滑塌范围和平均深度估算,滑塌类型按滑塌体积大小分类,小于1.0m3为局部滑塌,小于3.0m3为表层滑塌,大于3.0m3为整体滑塌。试验过程中测量了土体的位移量和孔隙水压力,并在试验后测量了滑塌的体积。孔隙水压力和位移随时间的变化如图4所示。

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表9 滑塌实验结果水利论文9K9UT8QT\#k

Experimental results of landslides and avalanches

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试验末端植被累积雨量水位崩塌体积位移量滑塌
组次条件状况(mm)(cm)(m3(mm)型式

No.1自然裸露地23015.75.2>400整体滑塌*
No.2排水裸露地36013.81.9200表层滑塌
No.3护坡裸露地35521.72.4>400表层滑塌
No.4自然无纺布24019.55.3>400整体滑塌
No.5排水无纺布35013.01.130表层滑塌
No.6护坡无纺布30027.40.8150局部滑塌

    从试验结果分析可以得到以下几点认识:

    (1)对于自然坡面在不到4小时都发生了全层滑塌,但表面有无纺布的情况下滑塌的累积雨量比裸露地增加了10mm,说明无纺布有一定作用。在试验录像中还发现有无纺布时直到滑塌前并无多大表面局部侵蚀,说明植被良好对防止坡面水土流失有很大的作用。同样,在有工程措施的情况下,植被也起到了缓和滑塌的作用。如表9。水利论文h-K*c(}'g2L}O{

    (2)从表9中可知,有工程措施的情况即使有滑塌其体积也明显减少,特别是有排水工程措施时,基本不产生滑塌,由于排水措施能够降低坡内孔隙水压力,所以对防止坡体滑塌有很大的作用。

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    (3)从表9中还可以发现,在有排水和护坡工程措施时土体的位移量较小,裸露地状态下即使有位移也仅仅限于表层滑塌或局部滑塌。水利论文%O;r8RPa'D+D2G

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图4 孔隙水压力和位移量随时间的变化

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Variation of displacement and void water pressure with time

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    (4)从图4可以发现,坡体滑塌时坡内孔隙水压力达到峰值,说明坡内地下水上升是引起坡体滑塌的主要原因。同时坡面、坡脚无保护,面蚀、沟蚀引起的局部滑塌也是促使坡体滑塌的原因之一。水利论文s HT7iQ1n`4hM

    (5)从前面大量事例中说明人类活动对坡体的破环作用。但从滑塌模拟试验中也说明人工措施对坡体具有很大的保护作用。关键在于对自然的保护还是破坏,说明提醒人们增强环保意识非常重要,而且也是非常必要的。水利论文 oVtz f@N;`,j#H

5 结语

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    随着人口的密集、社会的发展,人类活动对自然界的影响越来越大,人类与自然相互干扰不可避免,陡坡的开垦、森林面积的缩小不断改变生态环境。森林人为变为耕地以后,山体滑塌、泥石流等现象也随之产生,人类活动促使重力侵蚀加速,特别是陡坡地耕种带来的影响最大。所以研究人类活动以及植被对坡体滑塌的影响非常重要。同时用室内模拟试验可以说明人类活动对坡体的影响。但要定量地预测坡体滑塌的危险性有待于进一步理论研究。水利论文$H$l q.j\]

参 考 文 献

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1 卢纳·B·利奥波德。肯尼思·S·戴维斯与时代-生活丛书合著。生活科学文库-水。科学出版社,1981年。水利论文-[Wq3Msq"P z3v#u

2 胡广韬等著。滑坡动力学。地质出版社,1995年。

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3 王向东。土地利用的变化对流域产沙沉积和环境的影响和人工神经网格技术在流域产流产沙中的应用。中国水利水电科学研究院博士论文,1999年。水利论文!`,O5k"dQ;rA PA9A

4 唐邦兴等编著。四川省自然灾害及减灾对策。四川电子科技大学出版社,1995年。水利论文rR&qasNB `

5 日本建设省土木研究所。关于崩塌灾害实态(50-52年资料集)土木研究所资料第1375号,1978年。水利论文|v Y f'Y}0N&aw0w}

6 徐永年,匡尚富等。坡面形态对崩塌产生的影响初探。海峡两岸山地灾害与环境保育研究论文(第1卷).四川科技出版社,1998年9月。

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