-《滑坡灾害防治手册:认识滑坡 防治滑坡》
滑坡
地质学家、工程师和专业技术人员经常会使用不同的、并区分了滑坡之间细微差异的滑坡定义。滑坡定义的分歧反映了滑坡研究所涉及的学科众多及滑坡研究的复杂性。在这里,滑坡是一个一般术语,用来描述土、岩石和有机物在重力作用下沿边坡向下的运动;也指这种运动造成的地形(图1.1为一种类型的滑坡实例)。
根据不同的边坡破坏机制和破坏类型,对滑坡有不同的分类方法。这里作一简要介绍。
有一些术语,如块体运动、边坡破坏以及其他一些词语可以和“滑坡”对等使用。人们常常会听到这些词语被用于所有类型和规模的滑坡。
不管使用哪种精确的滑坡定义或是讨论哪种滑坡类型,了解典型滑坡的基本组成都是了解滑坡的第一步。图1.2显示了滑坡各部分的位置和用来描述某个滑坡的特定部分时最常用的术语。在附录A的滑坡术语词典中对这些术语和相关词汇进行了定义。
滑坡是土、岩石或两者的混合物在滑动面上发生的沿边坡向下的运动。如果滑动面是曲面的,则称为旋转式滑坡;如果是平面的,则称为平移式滑坡。在滑坡运动过程中,滑动体内的物质往往表现为具有粘聚力或半粘聚力的整体,在滑坡体内部很少有变形产生。但必须注意的是,在一些实例中,如果滑坡物质在向下运动的过程中性质发生了变化,那么在破坏开始及其后续的过程中,滑坡可能包含其他类型的运动。
这里提供了不同类型滑坡的描述和示意图。了解你所在地区滑坡灾害的特征,对规划或采取适当的减灾措施都极为重要。滑坡的类型将决定滑坡运动的潜在运动速度、可能的运动规模、运动距离、滑坡可能造成的危害,以及应该采取的减灾措施。
根据运动类型和所包含的物质,滑坡可以被分成不同的类型(Cruden D M等,1996;Turner A Keith等,1996)。简而言之,滑坡物质是岩质或soil(土质)(或两者兼有);对于后者的soil(土质),如果由砂粒或更细粒的土组成,则称为earth(土);如果为粗粒的碎块,则称为debris(碎屑)。运动类型描述滑坡物质如何发生位移的内部机制,可分为:崩塌、倾倒、滑动、侧离或流动。如此,滑坡便可通过组合描述滑坡物质和运动的两个术语进行分类(如岩崩,泥石流等)。滑坡也可以是包含一个以上运动类型的复合型破坏(如岩石滑动—泥石流)。
在本手册中,我们把“运动类型”和“滑坡类型”作为同义语。根据特定的性质和特征,每种运动类型还可以细分。每种类型的主要次一级类型将另作叙述。不常用的次一级类型将不作叙述,但列在参考文献中。
对参考文献,本手册没有采用在文中直接引用和加注的方式,而是将所有引用的文献都列入在参考文献目录中。
崩塌是指土、岩石或两者的混合物沿着某个面在很小或没有剪切位移的情况下,从边坡上分离后下落的过程。随后的过程中,破坏的物质会自由下落、弹跳或滚动。
岩崩是指土、岩石或两者的混合物离开陡峭的边坡和悬崖后的一种突然的下落运动。落下的物质常会撞击下面稍平缓的边坡,产生回弹。落下的块体会由于撞击而产生分裂,或沿着较陡的边坡产生滚动,直到下面的坡体趋于平缓。
岩崩的发生和相对规模/范围
普遍发生在世界各地的陡峭或近垂直边坡,如海岸沿岸、河流和溪谷的岩质岸坡。一次岩崩的体积会有很大的差异,小到一块石头或一堆土,大到成千上万立方米的巨型块体。
运动速度
非常快,到极端快,自由落体;分离后的土,岩块和巨石将产生弹跳和滚动。滚动速度取决于边坡的陡峭程度。
诱发机制
溪流和河流的自然侵蚀过程或差异风化(如冻融循环)等造成的边坡下部掏空;公路建设或维护过程中的工程开挖;地震动或其他强烈振动。
危害(直接/间接)
下落的物体会危及生命。大型岩崩会摧毁所到之处的财产或设施。巨石会因长距离回弹或滚动而导致结构物的破坏和人员伤亡。特别是对公路和铁路的损害较大:岩崩能够撞击车辆造成人员伤亡,或堵塞高速公路和铁路。
防护措施/减灾措施
可以采用喷锚挂网或其他的边坡表层加固法。隔离带,能够有效防止滚动或回弹的挡土墙,对危岩体进行爆破清除等方法。锚杆或类似的锚固法可以用来加固陡崖,削坡也可以减少危险。在危险区域,推荐采用危险信号标志以提高公众对危险的认识。必须向公众警告,在有危险的陡崖下面停车所能面临的危险。
预警崩的示意图和照片。在世界的少数地区,已经完成了崩塌危险性填图。关于岩石回弹方式的计算和圈划落石影响范围参数的估算方法也已经有大量的出版物。那些有岩石突出悬空的地段,沿着陡峭边坡发育有破碎化的或节理化的岩石地段,尤其是那些频繁遭受反复冻融的地区,都是极易发生岩崩危险的地区。还有,在砾石中开挖的竖坑,其临空面尤其容易发生岩崩。图1.3和图1.4分别为岩
倾倒是指土或岩石的块体沿着某点或位于该块体重心以下的某轴发生的向边坡以外方向的旋转运动。倾倒破坏有时会由该变形体以上的边坡物体的重力作用而产生。有时倾倒破坏起因于岩体裂缝中水或冰的劈裂作用。倾倒破坏会发生在岩石、岩屑(粗粒物质)或土体(细粒物质)中,有时会以复杂的和复合的形态出现。
发生情况
在全球范围内都有发生,尤其在柱状节理发育的火山岩地区有广泛分布。沿溪谷和河流的陡峭岸壁地段也多有发生。
运动速度
极端缓慢到极端快速,随着运动距离的不同有时在运动过程中会产生加速现象。
诱发机制
受该变形体以上边坡的重力作用而产生。有时起因于岩体裂缝中水或冰的劈裂作用。振动、底部掏空、差异风化、开挖或溪流侵蚀也会导致倾倒破坏。
直接影响/间接影响
可能会具有极端破坏性,特别是在破坏突然发生或(和)高速运动时。
防护措施/减灾措施
在容易发生倾倒破坏的地区,有许多方法可以用来加固岩体。譬如岩石螺栓、机械锚杆或其他类型的锚杆。渗流也是导致岩石不稳定的因素之一,所以排水也应作为一种防护措施而受到重视。
预警
至今尚没有全面开展倾倒破坏易发生危险性的填图工作。在某些地区已经有发生实例的数据库。对易于发生倾倒破坏的地区采用倾斜仪等进行观测很有效果。倾斜仪用来记录边坡在裂缝和垂向运动最大的地段的倾斜变化。依据倾斜仪观测结果,可以有效地建立预警系统。图1.5和图1.6分别为倾倒破坏的示意图和照片。
滑动是土体或岩体沿着滑动面或剪切应变高度集中的相对较薄的剪切带上发生的顺坡向下的运动。在最终滑动面形成之前,初始破坏并不是在所有地点同时发生的;变形物质的体积也是从某个局部破坏点开始逐渐扩大的。
旋转式滑坡
旋转式滑坡是指滑体沿着向上弯曲的滑动面(勺状滑动面)的运动。这种滑动从某种意义上绕着与边坡等高线平行的轴发生旋转。在一定条件下,滑坡变形体,沿着滑动面呈现粘性块体运动,而其内部几乎没有变形。滑坡变形体的上部可能发生几乎垂直向下的运动,上部滑坡体的表面会出现向滑坡后壁方向的反倾。如果滑坡是旋转式,而且有几个平行的弯曲的运动平面,则被称为滑塌(slump)。
发生情况
旋转式滑坡最普遍地发生在均质土层和岩层中,它是回填土中最常见的滑坡类型。
相对规模/范围
在坡度为20~40度的边坡中都可能发生。在土体中,滑动面的深度-长度比大致为0.3~0.1。
运动速度
极端缓慢(每5年的位移小于0.3米),中速(每月1.5米),快速(每月大于1.5米)。
诱发机制
旋转式滑坡可以由于集中和(或)连续降雨,快速融雪导致的边坡坡体的饱和及坡体内的地下水位抬升引起;也可以由在洪水过后的河水位快速下降引起;也可能由于水库蓄水引起的地下水位上升引起;也可能由于溪流、湖泊和河流水位上升所造成的边坡坡脚处的侵蚀引起。这类滑坡还可以由于地震的诱发作用而发生。
直接危害/间接危害
如果滑坡运动比较缓慢的话,一般不会造成人员伤亡,但可能对结构物、道路、生命线工程造成严重损害。坐落在滑坡体上的建筑物会由于滑坡体的倾斜和变形而受到严重破坏。如果滑坡体规模很大,有时很难采取措施使其长期稳定。这类滑坡可能堵塞河道,形成堰塞湖并导致洪水。
减灾措施
可以安装仪器以监测坡体的运动,观测滑坡的运动速度。必须尽快修复滑坡体上遭到破坏的排水系统以防止更多的地表水进入坡体内。在可能的情况下,采取适当的削坡和其他边坡工程措施,都可以极大地减少滑坡的危险性。在滑坡前缘修建挡土墙可以有效地减缓滑坡运动速度,阻挡滑坡体的运动。然而,如果这类挡土墙设计得不合理,滑坡体物质可能会越过挡土墙的顶部而继续向下滑动。
预警
过去发生过这类滑坡的地区有可能复活;在边坡顶部出现的裂缝可以作为滑坡开始破坏的标志,应该引起警惕。图1.7和图1.8分别为旋转式滑坡的示意图和照片。
直接危害/间接危害
平移式滑坡在初期阶段会以较慢速度运动,造成财产和(或)生命线工程的破坏。在有些情况下,平移式滑坡因速度较快而威胁生命。平移式滑坡也可能堵塞河道,形成洪水。
减灾措施
为了防止平移式滑坡发生,或老平移式滑坡的复活,必须采取充分的排水措施。常用的防护措施包括平整坡面,适当的削坡,排水和建挡土墙。在岩石边坡中可以采用更复杂的措施,如锚杆、岩石螺栓等专业工程措施。对在中陡边坡上发生的平移式滑坡,很难对其进行永久性的加固。
预警
在过去曾经发生过平移式滑坡的地区,包括经常遭受强烈地震作用的地区,重复发生平移式滑坡的可能性很高。顶部裂缝变宽,前缘发现隆起都可以作为滑坡即将发生的征兆。图1.9和图1.10分别为平移式滑坡的示意图和照片。
侧离运动是指粘性土体或岩体,在下部存在软弱物质的条件下,伴随着破碎和沉陷而发生的扩张和扩展。下伏软弱物质的液化或流动(以及挤出)可能导致侧向伸展。侧离包括块状伸展、液化伸展和侧向伸展。
侧向流动
侧向流动一般发生在非常平缓的边坡或基本平坦的台地,尤其是上部为坚硬的岩体或土体,下部为软弱层的地层结构中。这种破坏现象常伴随着上部物质陷落于下部物质中。在岩石侧离过程中,坚硬的地表在软弱的下伏层上不断扩展和破裂,在稳定的地面上慢慢被拉开,并不需要在软弱层中形成明显的滑动面。在一定条件下,下伏软弱层会被向上挤压到上部岩体的裂缝中,将上部滑体进一步分割成块体。在土体伸展中,上部的稳定土层沿着下部由于液化或塑性变形产生的软弱单元发生伸展。如果软弱层厚度较大,则上伏碎裂块体会沉陷其中,发生平移、旋转、解体、液化,甚至流动。
发生情况
在世界各地都有发生,尤其在有易液化土层分布的地区。一般来说,有地震活动的区域发生侧向流动的可能性更大些。
相对规模/范围
受影响的地区可能始于很小的区域,一些迅速发展的裂缝,影响到几百米宽的地区。
运动速度
缓慢到中速。在地震等诱发的条件下,会达到快速。地面运动的速度可以由每天几毫米到几十米。
诱发机制
造成软弱层失稳的诱因包括以下方面:
地震动造成的下部软弱层液化;
非稳定边坡上的自然或人为加载;
降雨、融雪、地下水位变化引起的下部软弱层的饱和;
河岸边坡的侵蚀扰动引起的下部敏感海成粘土的液化;
一定深度下不稳定物质的塑性变形(如盐岩)。
直接危害/间接危害
可能给建筑物、公路、铁路和生命线工程等造成损坏。根据不同土层的饱和条件、变形速度或慢或快。侧向流动还可能演化为泥流。
减灾措施
在某些地区,已经存在液化危险区划(液化势)图,但并不是非常广泛。在分布着具有液化可能性地层的地区,尤其是那些经常遭受地震的地区,必须禁止建筑开发。如果地下水位很高,则可以采取降低水位的各种措施。
预警
在曾经发生过侧向流动的地区,再次发生侧向流动的可能性很高。在强震灾害发生和有易液化土层分布的地区,极易发生侧向流动。侧向流动也常和海成粘土有紧密联系,如在加拿大东部的St.Lawrence低平地地区,侧向流动最为常见。图1.11和图1.1 2分别为侧向流动的示意图和照片。
泥石流
泥石流是一种高速的块体运动形式。其中的松散土、岩石,有时还有植物等有机物与水混合,形成顺坡向下的泥浆流。当有大量的细小颗粒包含在流动的物质中时,它们有时被非正式地或不确切地称为“泥滑”。偶然会有这样的情况,当旋转式或平移式滑坡在运动过程中获得速度,滑体物质失去粘聚力或有了水的参与,滑坡会进化为泥石流。在无粘聚力的砂质堆积物可能有时会发生干燥条件下的流动(形成砂流)。由于泥石流常在无任何前兆现象时发生,并以极高速运动,往往会造成人身伤亡。
发生情况
泥石流在世界各地都有发生,尤其在陡峭的沟谷和峡谷地区最为普遍。在由于森林野火或森林采伐等原因植被破坏后,泥石流的发生频度多有增强趋势。在土层较薄的火山岩地区,泥石流也很常见。
相对规模/范围
流动破坏类型可以表现为富水的薄层运动,也可以是堆积物和泥砂的厚层运动。它们的发生常限于陡峭的山谷,这样有利于其高速顺坡向下运动。一般来说,这种运动多为薄层,运动轨迹长而窄,有时可以在陡峻的山区沟谷中运动几千米。泥石流中的泥砂常在边坡的底部停止运动而形成扇状或三角状的泥石流扇。泥石流扇也可能不稳定,需要引起注意。
运动速度
取决于运动物质的稠度和边坡角。可以达到极高速(每小时56千米)。
诱发机制
泥石流常由于暴雨和快速融雪引起的集中坡面流所诱发。在边坡较陡的情况下,集中坡面流会严重侵蚀坡面,带走表层松散的土和岩石。其他类型的边坡破坏形式,如果发生在接近饱和的粉砂质或砂质材料中,并且发生在陡峭的边坡上,也常会转化成泥石流。
直接危害/间接危害
因泥石流具有突发性、高速运动和能够搬运巨石和大量其他碎屑物等特点,可能会造成毁灭性的危害。在其顺坡向下的运动过程中,泥石流可以推走房屋等建筑物,也可以迅速充填建筑物。轻微的时候,泥石流会通过大量粉砂土和岩屑影响水质。
减灾措施
通常来说,泥石流是无法阻止的,因此,不要把房子建在发生过泥石流的沟谷里,也不要建在可能会发生野火的地方,不要建在有容易发生泥石流的土层的地方,不要建在存在任何受泥石流诱发因素的地方,同时还要特别注意不要把房子建在泥石流运动可能到达的地方。作为减灾措施,可以修建导流墙将泥石流从建筑物附近引开,可以修建泥石拦挡坝让泥石流堆积停留。可以在泥石流临界雨量已知的地区安装预警系统,通过雨量观测对泥石流的发生进行预报。减少由于泥石流可能造成的生命和财产的损失,最好的办法是撤离、避让和搬迁。
预警
在一些地区,已经公布了泥石流危险性分区图。泥石流经常会在集中降雨时在陡峭的山区发生。这种情况可能是季节性的,或是间歇式的。特别是在那些最近发生过森林野火,或者由于其他原因植被被破坏的山区。图1.13和图1.14分别为泥石流的示意图和照片。
火山泥流(火山泥石流)
火山泥流的英文名称“lahar”,源于印度尼西亚。火山泥流属于泥石流的一种,起源于火山边坡。火山泥流在运动过程中会带走火山喷发形成的松散堆积物和其他岩屑。
发生情况
在世界上几乎所有的火山地区都有发生。
相对规模/范围
如果能积累到一定速度,并带走沿途的岩屑,火山泥流可能会影响到上千平方千米的范围;其他情况下,火山泥流可能只影响火山附近的有限区域,最终堆积在山坡上。
运动速度
如果加入积雪或冰川的作用,大量的融水将导致火山泥流运动达到一个较高的速度(时速大于50千米)。如果主要成分是岩屑并且呈现黏性,则将以中低速运动。
诱发机制
水是火山泥流的主要诱发因素。水可以来源于火山喷发前火山口处的火口湖,火山喷发物质中水蒸气的聚集,或火山顶处冰雪的融化。一些最大型的火山泥流灾害发生在火山喷发时或火山岩浆向火山口移动时。由于火山口周围的雪和冰的融化,火山泥流出现快速液化和流动现象,并以极高速度向坡下运动。
直接危害/间接危害
火山泥流可能引起巨大灾害,尤其是在火山喷发时快速融化冰雪所诱发的火山泥流,可能快速下滑掩埋山坡上的村庄。大型火山泥流可能会堵塞河流,形成堰塞湖,回水会淹没上游地区。低胶结强度的滑坡坝在溃决时,可能导致下游洪水。火山泥流常导致大量人员伤亡。
减灾措施
除了避让,不在其运动通道或火山边坡上建造房屋以外,目前还没有其他任何有效的防御火山泥流的措施。预警系统和撤离工作在有些情况下可以在某种程度上减少人员伤亡,但预警系统需要有效的观测,而且还必须有可靠的撤离手段。
预警
根据过去曾经发生过的火山泥流事件,可以进行火山泥流易发性与危险性分区,估计潜在的火山泥流的影响范围。这类图件在大多数具有火山泥流危险性的地区都还不具备。图1.15和图1.16分别为火山泥流的示意图和照片。
碎屑流
碎屑流指那些大型极高速的,在临空边坡上发生的山体崩塌破坏。在运动过程中,它会带走边坡上原有的破碎岩屑。有时候,如果有雪和冰的参与,水将使得碎屑流转化为泥石流和(或)火山泥流。
发生情况
在世界各地陡峭的山区环境中都有发生。在非常陡的火山边坡处,碎屑流可能会沿着火山表面的排水系统高速运动。
相对规模/范围
迄今为止已知的大型碎屑流,可以将3千米长的巨大块体搬动几千米远。
运动速度
高速到极高速;可以达到100米/秒。
诱发机制
一般来说,碎屑流可以分为“冷型碎屑流”和“热型碎屑流”。“冷型碎屑流”常发生在边坡失稳过程中。如高陡山区风化边坡的坍塌,或在滑动型滑坡高速运动过程中发生的基岩山体的解体。那时,滑坡体可以转化为碎屑流。“热型碎屑流”是指那些由火山活动,包括由火山地震或岩浆贯入导致的边坡失稳而引起的碎屑流。
直接危害/间接危害
碎屑流在停止运动之前可以移动数千米的距离,或者在运动途中转化为富水的火山泥流或泥石流,沿着沟谷下滑数十千米。这种类型的破坏可能掩埋城镇和乡村,损毁河道。碎屑流运动速度通常较高,易造成人员伤亡,几乎不可能进行预警和采取任何行动。
泥流
泥流可能发生在平缓或中等陡度的边坡,多发生在粘土或粉砂等细粒物质中,有时在强风化的粘土沉积岩边坡中也会发生。泥流的物质呈现塑性或粘性流体的性质,并具有强烈的内部变形。灵敏性海成粘土(如位于挪威、加拿大等地被称为quick clay的超灵敏性粘土)在受到扰动时,会丧失所有强度,并突然液化和触变。这种破坏形式可能波及大范围的地区,并流动数千米。泥流的规模经常以上部滑坡后壁逐渐后退的方式不断扩大。滑动式破坏或侧向流动在顺坡向下的过程中会转化成泥流。泥流的运动速度可以由很缓慢(蠕变)到高速和极高速(灾难性高速)。极缓慢流动和仅局限在高纬度永久冻土环境下的特殊泥流,这里不予讨论。
发生
泥流多发生在那些下覆有细粒土层的地区或风化作用强烈的地区,世界各地均可发生。灾难性的高速泥流在北美的St.Lawrence低地、阿拉斯加沿岸、大不列颠哥伦比亚和北欧斯堪的那维亚半岛的灵敏性海成粘土中很普遍。
相对规模/范围
泥流的规模可以小到100平方米,大到数平方千米。在灵敏性海成粘土中发生的泥流可以运动数千米。破坏的影响深度可及地表以下数十米的范围。
运动速度
缓慢到高速。
诱发机制
泥流诱发因素包括:长期或集中降水导致坡体饱和;坡体附近水面突然下降引起的边坡地下水位的急剧下降;边坡坡脚处的侵蚀、开挖和工程活动;边坡上部的过量加载,地震动或人工震动。
直接危害/间接危害
灵敏性海成粘土中发生的高速、后退式(也称溯源式)泥流除了对滑坡后壁上部的大范围平坦地区造成毁坏以外,也会在长距离滑动过程中,造成沿途地区的生命财产和建筑物及线状基础设施的毁坏,并且有可能堵塞河道而引起上游洪水以及下游水的盐化。缓慢的泥流也会切断线状基础设施,造成财产损失。
减灾措施
在边坡上建立良好的排水系统、削坡、保护边坡坡脚(防止侵蚀)、禁止开挖等都是重要的减灾措施。常通过测试边坡粘土的剪切强度来监测危险边坡的潜在土压力。但最好是避免在此类边坡附近进行工程开发活动。
预警
过去发生过的泥流是最好的危险性评价指标。易液化粘土的分布现在已有很好的办法去查清。在北美东部的许多地方,已经完成了这方面的制图。边坡顶部的裂缝可以作为潜在破坏的指标。图1.19和图1.20分别为泥流的示意图和照片。
诱发机制
对于季节性蠕变,降雨和融雪是典型的诱因。但对于其他类型的蠕变,可以有很多不同的诱因,如化学风化或物理风化、渗漏管涌、不良排水、不良建筑设置等。
直接危害/间接危害
因为蠕变的速度很小,在某些地方很难察觉。例如在评价建筑物选址适宜性时,蠕变往往被忽视,最终造成灾害。蠕变作用于管线、建筑、高速公路、围栏等上的速度常常比较缓慢,有时也会引起更具破坏性和高速运动的场地破坏。
减灾措施
对于蠕变最为常用的减灾措施是排水,尤其是对季节性的蠕变。诸如削坡或排土,另外,建设挡土墙也是有效的减灾措施。
预警
蠕变常可根据马刀树、歪斜的围栏或挡土墙、倾斜的电杆或围栏,以及很小的表面起伏波纹来进行判断。蠕变速度可以利用钻孔倾斜仪或通过地表变形的详细观测来获取。图1.21和图1.22分别为蠕变的示意图和实际的蠕变现象。
联系客服