滑坡损毁土地复垦技术研究

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  摘 要:本文以重庆市江津区夏坝镇双新村滑坡为研究区,通过滑坡机理研究分析滑坡的稳定性情况,然后选择滑坡后缘开展复垦模式和工程技术研究,主要工作包括:削坡减载、土地平整、田面清理、排水系统和田坎及削坡面的生态防护,修复后滑坡的社会、生态、经济效益明显提高。
  关键词:重庆;滑坡;复垦;削坡减载
  目前,国外的土地复垦主要集中于露天矿和矸石山的土地复垦,其目标主要是以保护生态环境为主。国内的土地复垦也主要集中于采矿区土地复垦,随着相互交流的深入,国内外土地复垦技术措施逐渐趋同。对于滑坡的现有研究则主要集中在滑坡稳定性及防治措施上,而鲜见滑坡损毁土地复垦的专门研究。近年来,特别是汶川地震后,滑坡等地质灾害损毁土地复垦研究逐渐兴起。吴树仁等分析了滑坡灾毁土地整理后认为,滑坡灾毁土地具有极大的发展潜力。杨尽等确定了汶川灾后土地损毁类型,并分析了各类损毁土地类型的特征,认为次生地质作用中滑坡体前缘损毁的土地复垦潜力显著。后来又提出滑坡、泥石流损毁的土地应以预防性的整理复垦模式为主,其他损毁土地则应以修复性的整理复垦模式为主;多种损毁土地类型相叠加时,要采取主要损毁土地类型和次要损毁土地类型兼顾的整理复垦模式。郭达志等研究了矿区开采诱发滑坡的形成,并提出了预防滑坡的方法:首先是采用适宜的采矿技术;其次是因地制宜采取填土夯实裂缝,疏通流水渠道等多种办法防止地表水流入裂缝。王丽分析了四川宣汉滑坡的特点,成功地将滑坡体整理成水平梯田以达到损毁土地复垦的目的。彭轩明等充分研究了三峡库区滑坡损毁土地特征,并提出了滑坡灾毁土地整理模式。这些研究或者以某片区域的滑坡为研究对象提出复垦模式或者针对滑坡整体开展研究,基于每个滑坡体本身各部分差异性,因此本文针对滑坡后缘进行相应的复垦模式和关键技术研究。
  一、研究区概况
  双新村滑坡位于重庆市江津区夏坝镇北部山区,滑坡体的北京坐标系中心坐标为X:3225813,Y:35644974。其地理位置见图1。滑坡区纵长约410m,前缘横宽70m,后缘宽120m,滑坡中部横宽180m,滑坡厚约8-15m,滑坡面积约5.81×104m2,体积约69.7×104m3,为牵引式土质滑坡,主滑方向281°。滑坡属侵蚀剥蚀丘陵地貌,前缘高程250~260m,后缘高程325~340m,相对高差约65~90m。顺斜坡方向,地形坡度变化不大,总体呈外凸地形,地形坡角9~20°。平面形态呈舌型。
  研究区属于亚热带季风气候条件,气候四季分明,雨量充沛,日照充足,无霜期长,年平均温度18.5℃,冬季平均气温7.7℃,夏季平均气温28.5℃,年日照时数1276小时,年平均降雨量1030mm,无霜期341天,年湿度81%。太阳总辐射量86.5千卡/cm2。滑坡区域周边发育数条冲沟,滑坡周边无大型河流。
  双新村滑坡发生于2009年8月5日。调查发现,复垦施工前滑坡后缘滑坡壁清晰可见,滑坡拉裂槽依旧存在,土地高低不平。由于该滑坡发生时间已久,现已止滑稳定且坡度平缓,附近村民对滑坡体中部、前缘已自发地进行了复垦利用。本研究仅选择了滑坡灾害发生后对农田损毁最为严重的滑坡后缘进行研究。结合滑坡后缘当前的实际情况,研究区主要选择从滑坡壁前方至前方公路之间的区域,整个工程区长120m,宽30-100m,总面积约9000m2,研究区地形图如图2所示。
  滑坡后缘受张拉应力影响,地面下沉3~6m,同时在土体上形成数条巨大拉裂沟,拉裂沟最宽达10m,延伸长100m,深度3~5m。在滑坡体的后缘,形成了高度近8m左右的大型滑坡壁。
  二、研究区滑坡机制分析
  双新村滑坡的滑坡体主要是第四系全新统残坡积层,滑坡床岩性则主要是侏罗系中统沙溪庙组。原坡体后部坡度较大,约15°,前部较平缓。由于该坡体以结构松散的堆积体为主,极易吸收大气降水并在下伏基岩面积水,致使岩土软化;滑体自重增加,渗透压力和上浮托力进一步降低滑带的抗剪强度,导致边坡变形速度加快,最终造成边坡松散覆盖层的滑塌。连续降雨为坡体发生滑移提供了前提条件,是该滑坡产生的诱发因素。在降雨产生的地表水聚积坡脚浸泡入渗诱发因素等的作用下,破坏了边坡的平衡状态,发生碎石土覆盖层沿基岩面产生的滑坡,属前缘牵引型土质滑坡。滑坡后缘断陷形成高达8m的滑坡壁,松散土体堆积于滑坡壁前拉裂槽中形成洼地;中部由于受到张拉、挤压等复合应力作用,土体大多发生倾覆、开裂甚至翻转出原来农田心土层;前缘原有农田被滑坡前缘覆盖,土体破碎严重,并有鼓丘隆起。
  三、研究方法
  结合已有的研究成果与现场调查,本研究选择在滑坡后缘张拉应力区进行损毁农田的修复,主要包括6个方面的内容:削坡减载、裂缝封填、土地平整、田面清理、排水系统和护坡工程,即其复垦模式为:削—填—平—清—排—护。研究区具体施工见图5。滑坡后缘南侧为近8m的陡坎,需要削坡减灾;构筑四级梯田并埋设暗管,最后在削坡和埂坎上布置灌木和草本植物护坡。
  四、结果与讨论
  (一)削:削坡减载
  削坡的工程量以及削坡后的坡体稳定性与坡体的高度以及削坡的坡比具有明显的相关性,显然在相同的稳定性要求下,坡体越高,需要的削坡坡比就越大,相应的削方量就增大,同时对滑坡壁上部和下部土地的占用也会增大。借鉴中华人民共和国国家标准《建筑边坡工程技术规范(GB50330-2002)》,在建筑边坡工程中,当土质边坡高度大于8m、岩质边坡高度大于10m时,高度过大,则既不利于土地的开发利用,也往往造成不经济。本滑坡区域多是土质边坡,且高度均小于8m,本研究采用一次性削方到坡脚的方案。由于滑坡发生过程中,陡坎底部往往伴随有张拉裂缝,在土地整理过程中必须对该裂缝进行封堵,而滑坡陡坎削方所产生的岩土体正好可以用于下部裂缝的封堵,从而大大减少了裂缝封堵的岩土运送量。
  在工程区内,滑坡形成的陡坎主要分布在工程区两侧,其中在工程区左侧,主要为土质陡坎,高度2-3m,在工程区右侧,陡坎高度从1m至数m不等,其中越靠近滑坡后壁陡坎高度越大,且陡坎性质由土质陡坎向岩质陡坎逐渐转变。在示范工程中,采用滑坡壁处置技术,按照相应的坡率要求对不同高度、不同性质的陡坎进行了放坡处理,其中对于土质陡坎,由于其高度不大,则采用削坡至坡脚的方案,对于岩质陡坎,则采用削坡+堆载相结合的处理方法。共削坡长度约200m,总削坡方量约为800m3。   (二)填:裂缝封填
  由于本滑坡在发生后经历了四年的稳定调节期,滑坡壁下部的大型裂缝已经在自然作用下进行了充填封堵,且观测表明,目前自然充填封堵裂缝未对滑坡整体稳定性造成影响,因而本示范工程省略了大型拉裂槽的封堵环节。
  (三)平:土地平整
  根据工程示范区的实际情况,在进行梯田设计时将梯田方向沿等高线方向布置,由于本区域地形坡度在10°左右,因而在梯田设计时根据前面的研究成果,沿垂直于等高线方向共布置4级梯田,单级梯田田面宽度20-30m梯田田坎以土质田坎为主,田坎高度为1.5-2.5m,局部可达3m。结合工程区的地形条件,梯田长度从上至下逐渐增加,其中最上一级梯田长度约为60m,最下一级梯田长度约110m。上部三级梯田布置成水平梯田,最外侧一级梯田由于原始地形坡度较大,因而在梯田设计过程中根据原有坡度的实际情况,布置为坡式梯田。共复垦农田面积约9000m2。
  (四)清:田面清理
  研究区域岩性主要为砂泥岩互层区,其中泥岩所占比重大,虽然在滑坡发生时,随着滑坡的拉裂以及后缘的垮塌,产生了大量的基岩岩块,但主要以泥岩为主,经过四年的风化田面内的泥岩岩块基本都已经风化成土,因而工程区田面清理工作量小。
  (五)排:排水系统
  如前所述,滑坡区后缘损毁农田的整理中,地表水和地下水的疏排是其中一个重要的环节。从土地平整前后的情况来看,整理工程对地表水和地下水补径排的影响主要表现在如下几个方面:首先,在未进行复垦以前,工程区两侧及后方陡坎下方已有自然冲沟,可对地表水进行及时排泄,有效降低降雨在地表的滞留时间,减少入渗量。而土地整理后,两侧冲沟被掩埋,对整理区外来水量的排泄能力减弱;其次,在进行工程治理以前,工程区田面多以斜坡面为主,地表排水能力较强,而工程整理后,田面以水平田面为主,且在田面边缘设筑起了高出田面约20cm的田坎,明显增强了对地表水的拦蓄能力,使降雨入渗量增加。针对以上两方面的影响,对工程区的地表地下排水系统进行了如下设计:
  1.在工程区周边设置地面截水沟:为了对工程区外围进入工程区内部的地表水进行有效拦截,在工程区周边设置了环形截水沟。根据周边汇水面积,截水沟设计为矩形截面,宽40cm,高40cm,底部采用混凝土砂浆铺底,壁面采用沙砖砌筑,内部混凝土抹面。排水沟主要沿治理后的陡坎底部修筑,前方直接与公路排水沟相连,总长约300m。
  2.坡改梯工程是坡耕地整理过程中的一个重要内容,在滑坡体上进行坡改梯工程会使原来有坡度的田面变得平整,坡度减缓,从而使坡面在降雨条件下入渗强度显著增加,进而直接入渗成为壤中流,同时梯田埂坎切断坡面径流,减缓径流流速,延长了降雨的入渗时间,使得降雨入渗率大大提高。上述效应会使滑坡体内部岩土体中的孔隙水压力大大增加,从而影响滑坡的稳定性,可能导致已经基本稳定的滑坡在修筑梯田后发生再次滑动。因此,在滑坡区土地整理过程中,梯田的修筑必须要能够有效排除多余的降雨入渗量,从而减缓降雨入渗对坡体稳定性的影响。为了解决上述问题,本研究根据传统坡改梯工程设计要求,结合农田排水技术方法,提出了暗管排水梯田的思路。
  暗管排水梯田的主要思路是:首先按照传统坡耕地整理梯田设计的原则和要求进行梯田坎设计,在此基础上于田块耕作层下方埋设排水暗管,排除梯田田面多余的降雨入渗量,暗管出水口从梯田田坎伸出,同时在田坎下部下一级梯田修筑背沟,用于收集由暗管排出的地下水以及田坎表面的地表水,背沟分别与梯田两侧的纵向排水沟相连。梯田其他设计指标与传统坡耕地土地整理中的梯田设计相同。设计了暗管排水系统排除多余降雨入渗:为了有效降低降雨入渗对滑坡稳定性的影响,在整理后的农田区域设置了暗管排水系统。暗管采用直径为50cm的PVC管,管上半部开孔,排水水管连接处采用专用的接头,并用胶水进一步粘接,防治管内水渗流。排水管埋设深度60cm,间距10m。
  3.在每级梯田后面修筑背沟:为了有效地将暗管排出的降雨入渗量疏导入左右两侧的排水沟中,同时排除梯田田坎面上的地表水,在每级梯田后修筑背沟,背沟宽20cm,深20cm,背沟面采用砂砖砌筑,并以水泥砂浆抹面。同时在暗管出水口处也采用砂浆涂抹,防治水流渗入梯田田面。背沟总长度约300m。
  (六)护:田坎及削坡面的生态防护
  由于本次土地修复过程中,各级梯田的田坎多以土质田坎为主,因而为了有效的保护梯田田坎面不发生垮塌,同时形成良好的生态效应,在坡面中部开挖的水平沟的土袋上进行了草苗的种植,以形成生物埂坎效应。然后对周边滑坡壁整治后的其他坡面部位也分别种植了相应的草苗和灌木,对坡面进行保护。草本的种植方式主要以播撒为主,主要草本类型有黑麦草、狗牙根、紫花苜蓿等,播种面积总计约1540m2;灌木则选择了黄荆、紫穗槐两种,分4行互层置于坡面上。
  五、复垦效果评价
  对比重庆市江津区夏坝镇双新村滑坡土地复垦前后景观,可以看出通过复垦施工,使原来滑坡土地的社会、经济和生态价值明显提高。
  (一)社会效益:通过滑坡土地复垦,使原来损毁的土地变成可以耕种和收获的农田,变废为宝,村民能拥有了更多的劳动场所,有助于促进社会安定。经过本次修复治理,使原原有土地变得平整,原来凌乱的地块进行了规整,同时田间道路以及整治区周边道路的修建使土地的耕作条件大为改观,同时对滑坡后壁的整治,消除了原滑坡壁垮塌的风险,极大的减小了滑坡壁对下部农田耕作的威胁。
  (二)经济效益:在整治区域,由于整治前耕作条件较差,因此土地利用率极低,根据整治前的测量,该区域总面积约15亩,在整治前实际利用的土地面积约3.65亩,土地利用率约为24%。在经过整治后,经测算该区域有效土地面积约为11亩,土地利用率提高到73%。同时土地利用条件得到极大改善,土地灌排设施得以合理规划、土壤质地也得到了加大改善,对保证对提高农业产量提供了良好条件。预计在整治区域,每年农业收入可较未整治以前提高3-4倍;   (三)生态效益:未整治前,本区杂草重生、凌乱不堪,同时区内地形凹凸不平、冲沟交错,水土流失较为严重,本次整治修筑了四级梯田,合理设计田面及田坎,同时科学规划整个坡面农田的排水系统,使降雨条件下地表径流的流向及流速的规律性及可控性得到明显加强,地表水对农田的冲蚀能力以及对表土的携带搬运能力得以明显减弱。同时,对于梯田田坎以及削坡后的滑坡陡壁面均进行了生态护坡,一方面加强了壁面的水土保持效果,另一方面从生态景观上也体现出整齐规范的效果。因此,经过整理后,该区域农田生态效益也得到了明显的增强。
  六、结语
  滑坡土地复垦具有极大的发展潜力,是滑坡灾区恢复经济生产的重要途径。通过滑坡土地复垦的合理设计、整体规划,能较大幅度地提高土地利用率,进而促使当地经济、社会、生态等综合效益的提高。但是滑坡土地复垦涉及国土、农业、林业、水利等多个部门的协调,工程量和投资量较大,效益回收周期长,因此需要政府主导,多方筹措资金,更需要发动当地农民投工投劳,各部门共同参与才能顺利完成。
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  作者简介:王爱国(1982—),男,山东莱芜人,博士研究生,从事土地复垦利用与规划研究。
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