对两类自然灾害：滑坡与水土流失综合治理问题的研究
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摘要：本文从系统认识论出发，以吊钟坝滑坡群水土保持综合治理研究为论证点，认为在一特定地质环境条件下，滑坡的形成与水土流失产生是同一系统中的相关事件。两者应结合治理。
关键词：系统
The research about slide slope and water-soil synthesize father to two kinds naturalness calamity
Abstract This paper depart from the epistemology of system, with the research of DiaoZhongBa slide slopes water and soil retain synthesize father as demonstrate point, and draw the conclusion that under the especially Geo-condition , the form of slide slope and the produce of water and soil loss is mutuality event inside a system。The two must be combine father。
Key words system，slide slope，water and soil loss，DiaoZhongBa slide slopes，associate point
Tong Guang-qin
Chang Jiang Water Resource Committee Three Gorges Reconnaissance Academe
1序言
近年来，由于前期森林的大面积砍伐，土壤间持水能力大为下降。在具有一定坡度的边坡地段，由于地表植被的极度缺乏，自然地表对大气降雨基本无甚阻挠作用，地表径流的形成与汇集，对边坡表层土壤、养分的流失及边坡自然空间几何形态的改造，是促使边坡稳态转化而产生地质隐患的主导因素之一。同时由于地质隐患灾害的潜伏性，即外界改造动力的持续性或间歇性，边坡对动力改造的相斥性与积累作用使得边坡地表的次生再造与动力作用施与期不连续，使得人们认为两者是不相关的。同时受社会的、经济的某些因素影响，从而力促人们忽略两者的关联性与严重性。
就全球而言，地震、火山和崩滑、泥石流以
及水土流失等地表改造作用，是自然灾害中的主要作用。诸如暴雨和特大洪水等，除了它们自身所造成的水灾之外，还伴有两岸岸坡的崩滑、泥石流或大面积水土流失[1]。所以从某种意义上讲，边坡的崩滑与水土流失现象经常是相伴而生的。
对于经常相伴而生的两类自然灾害，由于其表观上的不相关性，造成人们缺乏对其形成机制和治理系统性的更深层次认识，以至限制了人们对其灾害性的消弱与改造活动。
本文拟以系统论的观点，对在一特定地质环境条件下，滑坡与水土流失产生的相关性和防治的系统性进行一些初步的探索性研究，并以吊钟坝滑坡群水土综合治理研究为例来论证本文观点, 以期引起学术界各位同仁的注意。
2滑坡形成与水土流失产生的相互关联论
2.1水对滑坡稳定性的影响
众多的理论研究与工程实践表明，水是控制边坡稳态之一也是最主要的因素。据对长江三峡工程库区已勘察滑坡进行的研究发现，水对处于临界稳态边坡的稳定系数影响值达0.4~0.6之多[2]。
水对边坡稳态的控制作用，主要表现为：其一，地表径流对边坡空间几何形态的改造。大气降雨在边坡上的第一次分配是入渗，第二次分配主要表现为形成地表径流。地表径流的自然排泄，是其所携能量以最利便的方式、最大的限度进行释放，以符合能量最低的自然法则。所以说地表径流的排泄过程是从水能释放而不是从边坡稳定角度出发。在地表径流排泄的过程中，径流与边坡表层土壤的相互作用，使得边坡空间几何形态的水能改造有利于水能释放而非边坡稳定。吊钟坝滑坡群水土综合治理区边坡介质渗透性一般，但其降雨在时空上分布极不均匀（主要集中在7、8月份，约占全年降雨的36.4％），极易形成地表径流。边坡总体坡度在14°左右，但前缘较陡，同时由于坡体植被覆盖率极低，约为1％，临近钟坝河滑坡前缘覆盖率几乎为零。地表径流对边坡形态的改造主要表现为覆盖层变薄（土体流失）；其次为依托自然水系排泄，对边坡局部切割，形成的多层次坍滑体。从地质上分析，本区已形成4个大小不一的变形体系群。
值得注意的是，由于边坡前缘为钟坝河，洪水期间，钟坝河流水对坡体前缘不断冲刷、掏切作用，坡体前缘物质大量流失，形成高陡临空面，将进一步降低边坡现有的稳定性。
其二，地下水对边坡的荷载作用。由于大气降雨或周边环境水量的持续补给，可能使得边坡介质中地下水位骤然上升，水压力p（=γh）此时对边坡的作用表现为减轻边坡介质自重和加大促使边坡不稳的下滑力。对于下滑区段较大的边坡而言，后者的不利影响往往远大于前者。如若边坡前后缘高差值较大且介质渗透较好，其产生的动水压
图1 吊钟坝滑坡群地质略图
力Pid(=Aoinsinβi)对边坡稳定极为不利。吊钟坝区各处均有泉水出露，特别是大降雨期后，泉眼出水充足，从而说明覆盖层介质易饱水，形成对边坡稳定不利的高水位静水压力。
表1 吊钟坝综合治理区不同工况边坡稳定计算
剖面号
稳 定 系 数
滑面（饱水100％）几何要素
饱水
0％
饱水
80％
饱水
100％
前缘高程
（m）
后缘高程
（m）
6－6’
1.43
0.998
0．89
360．0525
479．0000
1－1’
1.16
0.848
0．77
396．0057
463．9065
5－5’
1.35
0.958
0．86
374．0658
430．9588
区内坡面上除发育有由三条较大的自然沟组成的坡面排水系统外，其坡面径流的排泄基本上是无组织、无目的的，并呈紊乱状态。消弱水土流失中载体水的比重与作用，实施水土分流，坡面径流的拦截、排泄应是有组织、有目的的。
2.3两者的关联点－水
通过以上分析表明，就本区而言，边坡稳态的恶化（形成滑坡）与水土流失现象的产生是相辅相成的，水在其中起到了关键性作用。
其一，钟坝河流水对边坡前缘的冲刷、掏蚀，坡体前缘物质流失（水土流失）；前缘物质流失，导致边坡前缘的高陡临空面的形成，从而边坡稳态恶化形成滑坡。
其二，降雨时空上分布不均，雨能短时间内大量集中，超出边坡表面对其的抗蚀能力，形成水土流失；同时引起覆盖层厚度减薄，地表水入渗加剧，对边坡稳定不利。
其三，坡面径流排泄的紊乱性，造成坡面径流的深度不一，局部地段下切，形成多层次的坍滑体；坡面径流较深处水土流失较严重。
综上所述，水是滑坡形成与水土流失产生的关联点。
3滑坡与水土流失综合整治的系统论
我们已经得出一个重要结论：在一特定地质环境条件下，滑坡的形成与水土流失现象的产生是纳入一个系统范畴的。对于个体的施与作用（整治或防治），应考虑个体间的相互关联性与反作用效应，以系统认识论的高度，首先着眼于各个个体的关联点，从全局出发来实施整治措施，其次是考虑不关联点的效应。
设有一局部封闭系统O，{ O1，O2，···，Oi ,···，On }∈O，其单个子系统Oi {i=1,2,···，n }为n 维向量组。若一串子系统中含有关联点G，不失一般性，即设一串子系统O1，O2，···，Oj；令Oj=F(G,ξj1,ξj2,···，)， {（j=1,2,···，j）,j≤n}, 则系统的施与作用点首要考虑关联点G，其次才是不关联点的效应。
吊钟坝滑坡群水土综合治理（大系统）主要包括滑坡整治与水土流失防治（子系统），两者关联点是水，即吊钟坝滑坡群水土综合治理应首要着眼于水的问题。
4.1治理思路研究
区域系统目前变形明显，特别是钟坝河两岸，在洪水期间，河岸崩塌活动频繁，牵引坡体失稳。水土流失现象相当严重，从而使生态环境极为恶化，其潜在危害性更加难以消除。为使区域系统获得良好的农业生态环境，治理工程实施从水保角度出发，立足近期效益兼顾长远利益，“除害兴利”，治理与开发并举，在彻底解除滑坡灾害危害性的同时，为周边环境的社会经济发展留下足够的建筑空间及有效的农业用地。
吊钟坝滑坡群水土综合治理工程以滑坡治理与水保治理相结合，以滑坡治理作为水保治理的导入点。吊钟坝滑坡区造成坡体失稳的根本原因是钟坝河洪水期间水流对坡脚的掏切及坡体介质地下高水位对边坡渗压所至。钟坝河纵坡比降很大，达1/10，天然河道洪水流速约为3.56m/s，超过河床及河岸允许流速2.8~3.35m/s，河床受到冲刷、岸坡切脚崩塌，形成高陡临空面，牵引坡体而失稳。为此，减缓钟坝河洪水流速是工程治理的关键所在。减缓钟坝河流速的途径主要是人工再造河床，以降低河道纵坡，拓宽过水断面，加大河道糙率等。
地表水排泄不畅是滑体内部产生变形和坡面产生水土流失最主要的原因，因此，在滑坡区设置坡面排水系统。
为保持坡体在饱水状态下的稳定，采用坡面整治，以减少推力区的推力，并籍此以改造坡面形态，增进水土保持。
4.2治理方案研究
4.2.1钟坝河流水治理
通过削坡减载（坡面整治）并在原河道回填对边坡反压镇脚，以解决滑体稳定问题，沿钟坝河流向反压镇脚回填物做成阶状梯级式，降低河床纵坡比，减缓河水流速，水能分散梯级消能（多级跌水）。对坡面径流实施系统排水工程。
兴建多级跌水的目的，是为了实现坡面稳定所需的镇脚高度，又防御水流冲刷岸坡。如何实现其目的，应对多级跌水的级数进行规划。
① 多级跌水级数选择
最优的跌水级数是指：a效益与工程费用之差（或比值）最大；b工程费用一定时效益最大；c效益一定时工程费用最小。本文研究分析采用c类标准进行分析论证跌水级数，把效益限定在一定的水平上，仅以工程费用作为目标函数，使之极小化。
目标函数的确立：
对于多级跌水系统，可以认为只要多级跌水工程沿钟坝河河床纵向分布、镇脚高度相同，其经济、生态和社会效益就相同，在多级跌水级数的优化中，对于跌水位置予以保留，跌水总长、镇脚高度等可以在约束条中加以限制。
在跌水位置确定后，单级跌水体的工程费用与单级跌水体体积有关，多级跌水系统的总工程费用与各级跌水体体积也存在在同样关系。可以认为系统内各级跌水体体积之和达到最小时，跌水系统的工程费用也达到最小值。
约束条件选择：
与目标函数相配合，约束条件应反映对跌水系统经济、社会、生态效益的要求。其主要约束条件为：
系统滞洪约束条件。系统中某个子系统的总体防洪能力应不小于任何一个单级跌水体的防洪能力，所以应选择各跌水体中最高的洪水标准作为跌水系统的洪水标准，并应计算出相应的洪水总量和洪峰流量。
地形约束条件。各处跌水体的高度应在地形条件允许的范围之内。
非负约束条件。在优化规划的计算过程中，可能会出现设计变量为负值，其值为不合理解[5]。 上述设计变量、目标函数、约束条件构成了数学模型。其求解结果以相对综合指数与级数曲线呈现，见图1所示。
②跌水溢流面形式的选择
经计算分析可知：采用斜面式溢流面，跌水底部流速为8.9m/s ,需要保护长度为10.72m；采用阶梯式溢流面，跌水底部流速为4.22m/s ,需要保护长度为2.22m。
以上分析可以看出，采用阶梯式溢流面具有明显优势：其一，渠底部流速仅为4.22m/s，需要防冲材料的性能低，而高达8.9m/s斜面式溢流面，所需防冲材料性能相应要高得多；其二，保护长度，采用阶梯式溢流面，其只有斜面式溢流面的约1/5 。因而，本工程以采用阶梯式溢流面为优。
4.2.2坡面径流排泄
为减少降雨入渗及地表径流对滑坡体稳定及滑坡体表面冲刷的影响，需设置地表排水系统，以迅速排走地表水，避免大量雨水渗入滑坡体，对滑坡体的安全造成不利的影响。
4.2.3坡面水土防治
坡面水土流失受坡面径流条件、坡面空间几何形态等因素控制。回填钟坝河床反压高度除受边坡稳定性控制外，还与拓宽过流断面后洪水流速限制（岸坡容许不冲流速）、工程费用有关。从坡面水土流失防治出发，进行坡面几何形态的整治（对边坡稳定性而言为削坡减载），削坡土方回填河床作镇脚物质。为探求最优坡面整治形态与回填高度，现分别绘制典型剖面不同镇脚高程（在此高程，坡体经形态整治后满足其稳定要求）与收益指数关系曲线如下：
图3 6－6’剖面镇脚高程与收益指数关系曲线
图4 5－5’剖面镇脚高程与收益指数关系曲线
图5 1－1’剖面镇脚高程与收益指数关系曲线
根据图3、图4、图5，当反压镇脚分别采取三种不同高程：对于Ⅱ号滑坡体，取代表性剖面6－6’，其收益指最大为314.8m，相对应最优镇脚高程为370.5m；Ⅳ号滑坡体，代表性剖面1－1’右侧，其收益指数最大为256.78，相对应最优镇脚高程为416.0m ；Ⅲ号滑坡体，代表性剖面5－5’，其收益指数最大为183.74，相对应最优镇脚高程为384.0m。
根椐拟定镇脚高程、坡面几何形态，从防御水土流失角度出发，可在坡体表面进行植被、草皮规划（结合当地经济、生态环境），以提高土体对水源的涵养性。
6结语
（1）从系统论认识的角度出发，在一特定地质环境条件下，滑坡的形成与水土流失的产生是相关的。
（2）对于一局部封闭系统，若一串子系统中存在关联点，则关联点是对系统作用的首要施与点。
（3）通过对吊钟坝滑坡群水土综合治理的研究，认为其整治的重点在于对钟坝河流水、坡面径流的控制作用。
（4）多级跌水体系对的消能功效已被实际工程验 证，但其消能机制目前还不十分明确。
7参考文献
[1]崔政权，边坡工程 －理论与实践最新发展，中国水利水电出版社，1999.12。
[2]童广勤等，忠县火电厂库岸防护工程设计，长委三峡院，1998.7。
[3]李怀甫，小流域治理理论与方法，中国水利水电出版社，1998.5。
[4]于新英、张景山，黑龙江中游中兴、同仁段塌岸分析及防护措施，水利水电科技进展第18卷第3期，1998.6。
[5]蒋定生等，黄土高原水土流失与治理模式，中国水利水电出版社，1997.9。