地塊邊緣地帶破壞機(jī)理及防治研究

高長(zhǎng)紅

（陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司銅川分公司,陜西 西安 710075）

1 前言

占補(bǔ)平衡是我國(guó)推行的一項(xiàng)保障18 億畝耕地紅線的重要決策。黃土地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱,常見(jiàn)的地災(zāi)有崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地面開(kāi)裂（地裂縫）,在坡度不超過(guò)30°的荒坡上進(jìn)行土地平整工作,原有等邊坡穩(wěn)定狀態(tài)被打破。同樣,建成后的邊緣地帶也處于不穩(wěn)定狀態(tài),因此會(huì)面臨很多關(guān)于地質(zhì)方面的問(wèn)題。

地塊邊緣地帶破壞現(xiàn)象主要發(fā)生在濕陷性黃土地區(qū),大多數(shù)研究都是關(guān)于土地平整過(guò)程中發(fā)生的災(zāi)害,而建成以后發(fā)生的災(zāi)害關(guān)注度明顯不足,幾乎沒(méi)有此方面的研究[1-6],員學(xué)鋒等認(rèn)為影響黃土侵蝕主要因素有人口分布、降水、土地利用類(lèi)型、海拔和土壤類(lèi)型[7]。

陜西銅川地區(qū)2004 年建設(shè)的某土地平整工程,于2019 年進(jìn)行質(zhì)量提升（修復(fù)）,其地塊平均長(zhǎng)度在30 m~50 m,田坎高度2 m~9 m,在很多地塊外緣中間位置發(fā)生了崩塌、黃土暗穴、小型滑坡等現(xiàn)象（圖1、圖2）。

圖2 地塊外緣整體向下滑移

2 工程環(huán)境

銅川市耀州區(qū)廟灣鎮(zhèn),屬喬山山脈南支,鄂爾多斯臺(tái)地南部邊緣。區(qū)內(nèi)地勢(shì)西北高而東南低,峽谷區(qū)山高谷深,谷坡陡峭,巖石裸露,地面崎嶇,起伏劇烈,項(xiàng)目區(qū)平均海拔1250 m,區(qū)內(nèi)溝壑縱橫。項(xiàng)目區(qū)西北側(cè)比場(chǎng)地海拔高30 m左右,多為泥巖,風(fēng)化程度嚴(yán)重,溝底有體積較大巖石掉落。

項(xiàng)目區(qū)境內(nèi)有沮河,屬于渭河水系石川河的源頭河流,流域地勢(shì)西北高,東南低,平均海拔高程1100 m,先后流經(jīng)耀州區(qū)廟灣鎮(zhèn)、柳林鎮(zhèn)、瑤曲鎮(zhèn)、關(guān)莊鎮(zhèn),在耀州城區(qū)南與漆水河匯流,并入石川河。沮河河道總長(zhǎng)度77 km,流域面積915 km2,河床平均比降10.5‰。項(xiàng)目區(qū)場(chǎng)地西北側(cè)巖石縫隙有泉眼,為長(zhǎng)流水。

項(xiàng)目區(qū)位于銅川市耀州區(qū)瑤曲鎮(zhèn)杜家山,于2005 年前后建成。經(jīng)過(guò)多年遇水沖刷,加之地塊邊緣地帶地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),經(jīng)實(shí)地統(tǒng)計(jì),在近14 年期間,約300 畝整治后的土地上,共有55 處地塊外緣發(fā)生破壞的現(xiàn)象。其中最大一處沖溝,流失土方約120 余立方米。造成這些地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的主要原因有：①山體過(guò)陡,且多為沖洪積巖土。田坎裸露石塊、礫石、圓礫等大小不一,使得邊坡不夠穩(wěn)定；②地塊外緣田坎設(shè)計(jì)過(guò)陡,邊坡處在不穩(wěn)定狀態(tài)；③填方區(qū)土層厚度過(guò)大,有的達(dá)到了15 m左右。項(xiàng)目區(qū)衛(wèi)星云圖見(jiàn)圖3。

圖3 項(xiàng)目區(qū)衛(wèi)星影像圖

以上地質(zhì)災(zāi)害給當(dāng)?shù)鼐用窈统邪鼞魩?lái)了很多困擾,不利于農(nóng)作物產(chǎn)值提升,同時(shí)也對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了很大影響。結(jié)合以上不利條件,質(zhì)量提升工程需要從影響因素入手,結(jié)合災(zāi)害誘因,通過(guò)工程手段對(duì)其進(jìn)行治理。

3 破壞機(jī)理

3.1 誘因

項(xiàng)目區(qū)處在山區(qū),地質(zhì)環(huán)境十分脆弱。很多地方填方厚度過(guò)大,沒(méi)有采取有效壓實(shí)措施,同時(shí)邊坡過(guò)高過(guò)陡。嚴(yán)重的地方填方區(qū)所用材料為圓礫、角礫等沒(méi)有粘性的土質(zhì)。

同時(shí),濕陷性黃土在未受水時(shí),一般強(qiáng)度較高,壓縮性小。當(dāng)在一定壓力下遇水浸濕后,土體結(jié)構(gòu)遭到破壞,即遇水具有崩解性。為滿足不均勻沉降導(dǎo)致發(fā)生邊坡地質(zhì)災(zāi)害,土地整治施工時(shí)一般情況為地塊外緣略高于內(nèi)部。田塊外緣屬于填方區(qū),地質(zhì)環(huán)境脆弱,加之遇水侵蝕,更使得邊緣地帶節(jié)理裂隙發(fā)育充分。嚴(yán)重時(shí)這些裂隙形成貫通的通道。地塊邊緣地帶破壞成因,根據(jù)實(shí)地調(diào)查,可以概括為：

1）田坎斷面設(shè)計(jì)不合理,過(guò)陡的田坎造成邊坡不穩(wěn)定,這與普通地質(zhì)災(zāi)害所說(shuō)的滑坡一樣,即邊坡坡度是誘發(fā)災(zāi)害的原因之一。

2）田塊邊緣地勢(shì)較低,地表徑流匯聚于此,誘發(fā)了滑坡或崩塌等現(xiàn)象。

3）由于原狀土被開(kāi)挖后,破壞原來(lái)的應(yīng)力平衡,隨著時(shí)間的推移,地應(yīng)力緩慢釋放,造成田坎向外隆起或被拉裂成數(shù)條裂縫。

4）機(jī)械化種植的發(fā)展,致使地塊邊緣受震動(dòng)影響,外緣開(kāi)裂。

一般情況下破壞原因?yàn)橐陨蠋追N條件下的一種或多種組合。

3.2 破壞機(jī)理

地塊外緣田坎處土質(zhì)有原狀土和回填土之分,原狀土在田坎坡比太大時(shí),多由地應(yīng)力釋放,造成田坎開(kāi)裂。而回填土同其它工程條件下一樣,遇水都會(huì)發(fā)生濕陷,導(dǎo)致周?chē)貏?shì)降低,為地表徑流匯水提供了有利地勢(shì)條件,進(jìn)而發(fā)展成黃土暗穴[8]。

地塊外緣破壞過(guò)程如下（見(jiàn)圖4~圖7）：

圖4 地表徑流向地勢(shì)低的地方流動(dòng)

圖7 坡體向下滑移

1）地塊外緣開(kāi)裂,水是主要誘因。原地勢(shì)為地塊內(nèi)部高,地塊外緣低,或因外緣區(qū)域?yàn)樘罘絽^(qū),降雨后造成地勢(shì)降低,這些都是造成地表徑流匯集的有利條件。

2）田坎修筑完成后,坡體整體性差,土體抗剪強(qiáng)度不高,植被短時(shí)間內(nèi)難以形成規(guī)模,不能對(duì)坡體形成約束。同時(shí),大量地表水在地塊外緣匯集。

3）沿節(jié)理裂隙開(kāi)始下滲,隨著時(shí)間推移,孔洞的孔徑增加,增加了坡體重量,地塊外緣坡體內(nèi)孔徑數(shù)量增加、孔洞路徑更長(zhǎng),整個(gè)田坎小幅度下移,與原地面形成落差,高度約4 cm~15 cm。

若田坎坡比較大,坡體沒(méi)有足夠的支撐,隨著降雨持續(xù),整個(gè)田坎崩塌。

圖5 地表水在地塊外緣匯集

圖6 水開(kāi)始下滲，形成一定的裂隙

4 治理措施

銅川地區(qū)年降水量較少,設(shè)計(jì)一種既能節(jié)水,又能防止地塊外緣發(fā)生災(zāi)害的構(gòu)筑物對(duì)保障作物產(chǎn)量十分必要。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期調(diào)查和分析,在填方區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱的田塊,容易發(fā)生田坎滑移現(xiàn)象。通過(guò)采取在地塊外緣布設(shè)截水溝和集水池的方法,既可以預(yù)防田塊外緣發(fā)生破壞,多余的水可以蓄積起來(lái),在旱季可以灌溉,節(jié)約資源。此外,在修筑田坎時(shí),注重田坎坡比不宜過(guò)大,回填區(qū)的壓實(shí)度要有治理保證。

如圖8 所示,集水池深1.0 m,寬1.0 m,長(zhǎng)1.5 m,坑壁為磚砌體,24 墻,墻壁用防水砂漿處理。截水溝也為磚砌體,為盡量少占用農(nóng)田,長(zhǎng)度宜為填方區(qū)長(zhǎng)度的1/5。根據(jù)歷時(shí)一年多觀察,該處置方案效果較好（圖9、圖10）,基本上大部分田坎沒(méi)有發(fā)生滑移現(xiàn)象。

圖8 地塊外緣集水池平面圖

圖9 蓄水池施工

圖10 蓄水池建成后

該工程措施雖占用了農(nóng)田等有效耕地面積,但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看是十分有必要的,如不處理,隨著邊坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育程度加劇,可能導(dǎo)致整個(gè)田塊喪失耕種功能。此工程措施能解決一部分高原地區(qū)缺雨、缺水現(xiàn)象,也為節(jié)能環(huán)保做出來(lái)一定貢獻(xiàn)。

5 結(jié)論與展望

有關(guān)農(nóng)田完整性的防護(hù)措施與研究少之甚少,而這是關(guān)乎糧食產(chǎn)量的大問(wèn)題,尤其是在黃土高原地區(qū),地塊外緣破壞現(xiàn)象比較常見(jiàn)。

地塊外緣破壞機(jī)理可以概括為：地表徑流向地勢(shì)低的田坎處流動(dòng)—在外緣處發(fā)生濕陷,地表下沉聚水—積水向裂隙滲透—擴(kuò)大裂隙,最終貫通,導(dǎo)致田坎崩塌或滑移。關(guān)于田坎設(shè)計(jì)、技術(shù)要求以及防治措施亟需改進(jìn),需引起社會(huì)關(guān)注。

本文提到的治理措施,局限于地質(zhì)環(huán)境脆弱的黃土高原地區(qū)。在地塊外緣布置集水池的方法,適用于地質(zhì)環(huán)境脆弱地區(qū),建議在項(xiàng)目選址時(shí)盡量避開(kāi)此類(lèi)地區(qū)。不可避免時(shí),在施工期間應(yīng)充分考慮地質(zhì)脆弱帶來(lái)的各種不安全隱患。