滑坡是指在河流沖刷、地下水活動、地震和人工削坡等因素的影響下,構成斜坡的土體或巖體在重力作用下整體或分散地沿斜坡下滑的現象。俗稱“走山”、“崩山”、“地上滑”或“土上滑”。
滑坡從孕育到形成,需要經歷開裂、蠕動、滑動和穩定四個階段(圖4-9)。
圖4-9滑坡形成示意圖
滑坡現象其實是壹個動力學規律,可以用壹個簡單的動力學方程組來表示。
開墾被災害破壞的土地
式中:p——控制滑坡發生的驅動力;
f-合力;
r-電阻;
E——滑坡失穩的特征值;
T——滑坡穩定性的特征值。
驅動力(P)由重力、大氣降水、地表水、地下水和泥石流提供,可通過觀測滑坡物質、地表水、地下水和泥石流的密度獲得,因此P值是壹個可用值。合力f等於滑坡質量與其加速度的乘積,其中質量可以用單位質量(即密度)來表示,加速度可以測量,由此可以計算出合力f的值。阻力r等於合力與驅動力之差,也可以通過簡單計算得到。因此,穩定特征值和不穩定特征值都很容易得到。t和e不是簡單的調整系數,可根據公式(4-2)確定。
T+E=1 (4-2)
控制滑坡運動的驅動力P和失穩特征值E都在變化。因此,如果驅動力從P0變化到Pt,則在驅動力變化率ε、驅動力P0和Pt以及作用時間t之間存在關系:
Pt=P0+ε t (4-3)
設不穩定性質的特征值從E0變為et,則不穩定特征值的變化率β與特征值E0,Et和時間t的關系為:
Et=E0+β t (4-4)
將公式(4-3)和公式(4-4)代入公式F = EP,我們得到:
開墾被災害破壞的土地
這描述了滑坡運動規律的動力學方程的完整形式。
在滑坡形成機理的研究中,滑坡角的作用是不可忽視的。滑坡角是控制滑坡現象孕育、發展和發生的決定性因素之壹,它與滑坡現象及其他因素共同產生滑坡動力學方程。滑坡角通過控制驅動力的有效力和滑坡方向來控制滑坡運動。在垂直方向上,由於地層物質的存在,沒有滑動的空間,所以滑動只是在有滑動空間的方向上,即滑動到可能發生滑坡的邊界方向。這樣,驅動滑坡運動的驅動力P隨滑坡角α減小或增大。
P′= P(1+cos2α)sinα(4-6)
圖4-邊坡現狀及預測示意圖(根據於洪德等,2011)
圖4-11之間的力-作用關系示意圖(根據余洪德等,2011)
如圖4-10和圖4-11所示,滑坡角度對滑坡產生的可控性包含在公式(4-1)的不穩定性質特征值E和穩定性質特征值T中。滑動面產生的支撐力是壹個不平衡力,還產生壹個滑坡方向的分力,等於Pcos2αsinα。這個分量也疊加在驅動滑坡運動的驅動力上。這個力雖然很小,但對於巨大的滑坡來說,卻是不可忽視的強大驅動力。如果滑坡角度被認為是控制滑坡現象孕育、發展和發生的壹個因素,那麽滑坡動力學方程的力學形式應表示為:
開墾被災害破壞的土地
因此,滑坡動力學方程的完整形式可以表示為:
開墾被災害破壞的土地
簡單來說,滑坡就是滑動的山體沿著壹個滑動面向下移動,勢能轉化為動能,直至動能消失的全過程。在下滑的過程中,由於地形緩慢,勢能減小,摩擦阻力增大,動能逐漸減小直至為零,滑動停止。滑坡面坡度普遍較小,滑坡土壤結構變化不大,滑坡上的受損土地具有較大的復墾潛力。
滑坡主要有拋擲型滑坡、重力型滑坡和剝離型滑坡,其中拋擲型滑坡多見於震後(如汶川地震中,拋擲型滑坡雖然只是壹小部分,但規模較大)。但總的來說,重力滑坡和剝離滑坡還是占多數。滑坡引起的壹系列土地破壞包括山體破壞、滑坡體本身的土地破壞、滑坡經過區的土地破壞和滑坡前緣的土地破壞。
(2)泥石流破壞土地的特征
泥石流對土地的破壞無疑是災難性的。泥石流的危害主要受其規模和濃度的影響,因為泥石流的濃度不僅影響其運動機理和動力作用,而且反映其顆粒組成特征。
陡峭的地形和壹定量的松散固體物質是泥石流形成的外部因素,壹定強度的降雨是激發泥石流的外部動力因素。泥石流發生的概率和規模取決於流域因素、固體物質供應和降雨因素。泥石流形成的盆地因素包括盆地形狀、面積、坡度或溝床坡度,泥石流溝分為斜坡型和溝谷型兩種。固體物質來源為坡面侵蝕、滑坡和崩塌,後者較多,這就容易解釋地震區泥石流頻發的原因。暴雨是引發泥石流發生的重要因素。陡峭的地形和大量松散物質的堆積,沒有強降雨是不可能形成泥石流的。在突發性暴雨引起地表徑流強烈的情況下,富含松散碎屑的山谷或山坡窪地容易發生泥石流。
泥石流的分類方法很多,按誘發原因可分為洪水泥石流、地震泥石流、冰川泥石流和火山泥石流。按侵蝕原因可分為水力泥石流、土壤泥石流或滑坡泥石流;按地形可分為標準泥石流、山坡泥石流和溝谷泥石流;按物質狀態可分為稀性泥石流和粘性泥石流。稀性泥石流和粘性泥石流的特點是:稀性泥石流以水為主要成分,粘土含量較低,固體物質壹般小於40%,有的甚至低於10%,具有很大的分散性。其中所含的水作為輸送介質,石塊以滾動或跳躍的方式向下運動,其堆積物在堆積區呈扇形散開;粘度高,固體物質占40% ~ 60%,有的甚至更高。其中,泥石流所含的水不是輸送介質,而是組成物質,稠度大,石塊懸浮,突然爆發,持續時間短,破壞力大。
被泥石流破壞的土地的主要特征是:
(1)沖擊傷害。泥石流沖擊力強,其攜帶的巨石直接擊中下遊耕地、林地、園地、建設用地,被沖擊力破壞。
(2)侵蝕和破壞。泥石流對土地的破壞,侵蝕破壞尤為突出。壹是在暴雨作用下,溝壑區大量坡地被水沖走,坡面土層因沖刷變薄,造成水土流失;第二,侵蝕貫穿整個泥石流溝,強烈的侵蝕沖刷溝坎和土地,破壞程度不斷增加。
(3)淤積和損壞。泥石流淤積災害是泥石流堆積區和流通區最常見的災害。泥石流在循環過程中被混合的樹木殘體或大石塊堵塞,來不及排出。大量泥、沙、石穿越溝岸,掩埋農田、農田基礎設施和村莊院落。
(4)土壤特性。泥石流泥漿包裹著大小顆粒,所以顆粒分選差,沈降不明顯,形成的堆積物沒有明顯的層狀;同時,由於成土時間短,受氣候和生物影響較深,土壤剖面層次不明顯
(3)塌陷破壞土地的特征
崩塌有很多種,按崩塌發生的位置分為滑坡和塌岸(由水流沖刷掏空邊坡引起);按物理特征可分為巖石崩塌、土壤崩塌、混合崩塌和雪崩;按成因可分為沿斷層或風化夾層塌陷、沿完整節理面(層理面和葉理面)塌陷、多節理塌陷、沿垂直節理塌陷、X節理切割V形塌陷、沿較完整基巖覆蓋層或風化層塌陷、探頭塌陷。
崩塌是山體的壹部分在壓力,即重力的作用下下落,形成堆積物的過程。崩塌堆積的形成可分為三種機制:壹是應力分階段,即該地區發生了大規模的自然災害(如泥石流),對邊坡造成了壹定的側蝕,邊坡壹定範圍內的內應力被重新調整,造成局部應力集中;第二,在潛在崩塌體形成階段,巖體受其巖性和風化作用的影響,在地震、降雨等外力作用下,巖體結構面逐漸開裂,這也為風化、降雨等外力提供了改造巖體的途徑。經過反復作用,巖體的完整性和強度逐漸降低,形成潛在的崩塌體;第三,在誘發崩塌階段,由於地震、山洪等災害引起的強烈地面運動,使邊坡受到外力作用,產生反復的拉伸和剪切,導致巖體松動。在外力和自重的雙重作用下,石塊被拋出或滑落、翻倒、翻滾、跳躍、掉落、相互碰撞,最後堆積在坡腳。地震後常見的崩塌包括拉滑型崩塌和振動分散型崩塌。
塌陷破壞土地的主要特點是:發生地的坡度比較大,多在60° ~ 70°之間的坡度上。塌陷主要破壞堆積區原有土地(如耕地、林地、設施用地等。),且堆積體壹般較大;而堆石樁則不同,結構松散,空隙多,無序,無層理,規格不壹。同時在坍縮過程中產生強烈的氣浪,細小的顆粒在氣浪的沖擊下被彈了出來。由於大小不壹,大的肯定先著地,這樣它們的崩塌在水平方向上就呈現出壹定的排序。其對土地的破壞主要表現在堆積區原有土地的破壞。如果是耕地,由於崩塌堆積體巨大,壹般很難復墾為耕地。堆積體——崩積層壹般坡度較大,前方堆積大塊崩積層,復墾困難。因此,壹般來說,堆積體不具備復墾為耕地的條件。只有小規模的崩塌或有土崩的堆積體才有復耕的可能。
(D)堰塞湖受損土地的特征
堰塞湖發生的地區往往具有特殊的地形和地質條件。在動力作用下,峽谷兩側山坡上的冰川、融雪活動或火山噴發產生的滑坡、崩塌、泥石流和堆積物,可以築起天然的堤壩,側向阻斷河床、河谷或山谷,造成上遊回水,形成堰塞湖。堰塞湖主要分布在海拔相對較高的地區,如汶川地震形成的唐家山堰塞湖,壩體高,蓄水量大。其橫河最大寬度611m,匯水面積3.55平方公裏,蓄水量1.45×108立方米,最大蓄水量3.16。
堰塞湖可分為降水堰塞湖、地震堰塞湖、火山堰塞湖和冰川湖,其形成因素可分為內因和外因。內因是壹定的地質條件、地形和河床動力谷坡會造成河道堵塞;外因是促使崩塌、滑坡、泥石流發生的誘發因素,如地震、暴雨、火山爆發、坡腳巖石侵蝕、人類不當開采等。也就是說,堰塞湖的形成壹般滿足以下條件:①江河、河流或山谷穿過形成區;②河流兩岸有能形成堰塞湖的物質(如山體),穩定性壹般較差;(3)存在使不穩定物質不穩定,堵塞河道的誘發因素或力量。
被堰塞湖破壞的土地主要有兩種:壹是堰塞湖水位上升,淹沒土地,尤其是耕地。這塊地的耕作層沒有被破壞,水位下降後完全可以開墾;二是被堰塞湖泄洪破壞的土地,原有耕作層因洪水侵蝕基本被沖走,但地形較為平坦,在有外來土源的條件下,具有土地復墾的潛力。
(5)地面沈降破壞土地的特征
地面塌陷可分為巖溶塌陷和松散土體塌陷。
巖溶塌陷壹般發生在巖溶地貌區,多數情況下是由現代地下河形成的溶蝕通道和頂板塌陷的不斷發展引起的。這種類型的塌陷通常始於覆蓋層中土洞的形成,並通過緩慢的漸進破壞過程發展到臨界狀態,形成臨界土洞。臨界土洞形成後,受到降雨、地震或地下水變化等外界因素的影響,進而發生地面塌陷。
松散土體的大體積坍塌是指地表以下存在壹定厚度的松散層,松散層級配良好,含有大量的粉土、細砂等粘性土。松散坍塌壹般發生在地下水位變化較大,第四系松散覆蓋層不厚,含粉質粘土或砂土,土質松散的環境中。
地下土體具有自穩定能力,如應力調節、土拱效應和骨架效應,能使其保持臨界穩定狀態。在這種狀態下,如果發生外界擾動、地下水波動和含水量變化,臨界穩定狀態會突然發生變化,導致地表迅速下沈,從而形成塌陷。崩潰的內部原因主要有:
(1)地面條件。地表的地形和植被覆蓋度會對崩塌的發生產生直接影響。地形有利於集水,積水不能及時排出的地區,就是地面塌陷多發的地區。當地表徑流匯集在地勢低窪處時,會產生地表荷載。同時,地表水的持續入滲不僅增加了土層的含水量和自重,還降低了土層的強度和變形參數,這些都是誘發地面塌陷的重要因素。
(2)土壤條件。土中滲流產生的動力可以帶走土中的細顆粒,使原土中只存在起骨架作用的粗顆粒。因此,當土層中含有壹定的砂和淤泥時,很容易造成坍塌。
(3)含水條件。塌陷與地表水和地下水有關。地下滲流會溶解和稀釋土中的膠結物質和鹽分,導致顆粒間的內聚力和結合力降低。滲流產生的水動力帶走細顆粒,形成粗顆粒骨架。
(4)地表超載和擾動(如地震)以及氣候(如幹旱)也是導致塌陷的外部因素。
地面沈降對土地的破壞特征主要是:由於沈降盆地、沈降坑、沈降裂縫的形成而對土地和地面設施的破壞。會造成地面沈降、積水,增加地面坡度,增加排灌難度,地下水位上升容易導致土壤鹽堿化和沼澤化,造成耕地面積、質量和農作物產量下降。地面設施被毀,房屋倒塌,導致人口遷移和財產損失。