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          叮~院士專遞:夏季地質災害全面解讀手冊

          新聞時間:2024-05-21 文章來源:網絡 文章作者:admin

                 夏季即將到來,每年這個季節,伴隨著洪水和臺風,滑坡、泥石流、落石、地面塌陷等地質災害也進入了集中高發期。這些災害都是由于地球的重力作用造成的,但是也與人類活動有密切關系。我們如何認識夏季常見的地質災害?如何提高相關的防災減災能力?


                 今天是第16個全國防災減災日,主題是“人人講安全、個個會應急——著力提升基層防災避險能力”。 陳颙院士將帶我們從地球能量的角度認識夏季常見地質災害,希望這份“災害說明書”,能讓大家學會科學地認識自然,尊重自然,讓人類尋找到更好的生存之道。


                 物體由于地球的吸引而受到的力叫重力(gravity)。重力的施力物體是地球。重力無時不在、無處不在,在地表物質運移中,重力起到了關鍵的作用。在重力作用下,地表物質的運移主要有兩種類型。第一種是滑坡。滑坡是大量的山體物質在重力作用下,沿著山體內部的一個滑動面,在外界觸發作用下突然向下滑動的現象。第二種是泥石流。泥石流是沙石、泥土、巖屑、石塊等松散固體物質和水的混合物在重力作用下沿著溝床或坡面向下運動的特殊流體,在重力作用下,有“泥”有“石”,和水混合在一起,就成了泥石流。


                 滑坡和泥石流有什么不同呢?滑坡是指山坡的土層或巖層整體或分散地順斜坡向下的滑動?;碌纳襟w,是一整塊或幾整塊的,表面植被狀況可能不變。一次滑坡影響面積有限,但滑坡災害相當頻繁?;乱步小暗鼗?,還有“走山”、“垮山”或“山剝皮”等俗稱。泥石流是指在地面流水作用下,在溝谷或山坡上產生的一種挾帶大量泥砂、石塊等固體物質的特殊流體。它是介于山洪與滑坡之間的一種現象。泥石流影響面積比滑坡大,具有突然性,流速快,破壞性很大,俗稱“走蛟”“出龍”“蛟龍”等。


                 在重力作用下,許多物質都有沿滑脫面向下滑動的趨勢,但只要沒有達到滑動的條件,它們就仍然保持穩定。一旦當某些外界因素發生少許變化,達到滑動的條件,長期積累的重力勢能就會瞬間釋放出來。除滑坡和泥石流以外,重力造成的地表物質運移還有落石地面陷塌等類型。

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          地表物質運動的幾種情況:

          (a)滑坡:整個滑坡體下滑的整體滑動:(b)泥石流:大量大小混雜的松散固體物質和水的混合物沿山谷猛烈而快速向下流動

          (c)落石;陡峭的巖石山坡上,零星巖石的下落;(d)地面塌陷

          一、觸發滑坡的三個原因

                 顧名思義,滑坡有兩重含義,一是“滑”,二是“坡”。顯然,無“坡” 不“滑”,在平原地區,不會出現滑坡,在陡峭的山區才有可能出現滑坡。而有“坡”未必“滑”,許多山脈和山丘屹立千萬年,仍保持著穩定的狀態。假定在一個山體上存在著一個傾斜的層面,如果它是一個松軟的巖層,則層面上方的山體有可能沿著該層面發生滑動。傾角很小的層面,下滑力很小, 而正壓力很大,這種層面不可能發生滑坡。但對于很陡峭的層面(傾角α 很大 的層面),層面上的剪切力大,而由正壓力決定的摩擦力卻不大,因此,滑坡主要是發生在高傾角的層面上,而且滑動面前要有滑動空間。

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          下滑力隨坡度的變化

          (作用在物體上的重力總是要把物體拉向地心,位于與水平面成 30°角斜面上的一個重 10kg的小球,由于斜面的存在,小球無法垂直向下運動,重力拉小球沿斜面運動的下滑力T為 10kgxsin 30°x9.8 m/s=5x9.8N。顯然,斜面越傾斜,下滑力越大。當傾角為60°時,下滑力變成了87x9.8N)

          觸發滑坡的原因主要有三種:

                 第一是水的作用。連續的降雨和冰雪融化, 使土壤飽和,導致滑動層面潤滑,摩擦系數降低,會造成滑坡。這就是大量滑坡出現在多雨的夏季的原因,滑坡多發的地方,具有“大雨大滑,小雨小滑,無雨不滑”的特點。住在山區的居民,要防止外圍地表水進入滑坡區,會在滑坡邊界修筑截水溝,在坡面修筑排水溝。鉆孔、排水、隧道疏通都是排除地下水的有效辦法。1985年6月12日,連續降雨后,湖北省秭歸市新灘長江發生大滑。新灘位于長江西陵下上段兵書寶劍峽出口,總體積約 2000 萬 m3的滑坡體沖入長江,滑坡體堵塞了 1/3 的江面,河床最低點高程由 22.5 m 上升至 37.5 m,形成的滑坡涌浪在對岸爬高為 49 m,長江被迫停航 12 天。

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          1985 年新灘大滑坡

                 第二種觸發因素是地震。地震時,上覆巖體除了受重力作用外,還受到地震力的作用。地震產生的力往往有很大的水平分量,這樣,沿層面方向的剪切力大大增加,滑坡就發生了。世界上最大的滑坡就是由地震觸發的,其造成的災害也最大。

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          汶川大地震引發大光包滑坡

                 第三種觸發因素是人為的不合理開挖。多數情況下,發生滑動的巖土層面并不是一個無限長的理想平面,人們常用尺度有限的曲面來表示潛在的滑動面。重力作用下,上覆巖土體的重量使得其有一個下滑的趨勢,由于滑動面各處傾角不同,而且滑動前方存在阻礙體(坡趾,也叫坡腳), 整個山體處于穩定狀態。若在上覆巖土體上面再增加載荷(如建一些建筑物或堆積許多重物)或在坡腳處進行開挖,減少了阻擋作用,在這兩種情況下,滑坡就有可能發生了。

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          人工開挖山導致滑坡

                 認識到這個道理,反過來想,人類活動也可以防止產生滑坡,如減輕上覆巖土體的重量(頭輕),或增加坡腳的阻礙作用(腳穩),產生滑坡的基本條件是斜坡體前有滑動空間,加強阻擋作用,可以減緩滑坡的產生。預防滑坡的方式有以下幾種:①減輕滑坡面上方的質量;②增加滑坡面下方的滑動阻力;③在滑動面用樁基方法固定,同時設立排水管道。地球上絕大部分滑坡的發生都與水有關(數量多),但大規模的滑坡主要與地震有關(規模大),人為活動引起的滑坡,盡管數量不少,但規模都不大。

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          預防滑坡的方式

          二、遇到泥石流,應該向哪個方向跑?

                 泥石流是山坡上大量泥砂、石塊等經山洪沖擊而形成的突發性急流。泥石流經常發生在山區的峽谷地帶,在暴雨期具有群發性。2010 年 8 月 7 日 22 時,中國甘肅省舟曲縣突降強降雨,縣城北面的三眼峪和羅家峪同時暴發泥石流,共造成1144人遇難,600 人失蹤。

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          甘肅省舟曲特大泥石流災后悼念活動

          泥石流的形成必須同時具備地形、松散固體物質和水源三個條件,三者缺一不可:

          (1)孕育泥石流的地區一般地形陡峭,山坡的坡度大于 25°,溝床的坡度不小于 14°。巨大的相對高差使得地表物質處于不穩定狀態,容易在外力(降雨、冰雪融化、地震等)觸發作用下,發生向下的滑動,形成泥石流。

          (2)泥石流流域的斜坡或溝床上必須有大量的松散堆積物,才能為泥石流的形成提供必要的固體物質。作為泥石流主要成分之一的固體物質的來源有:滑坡、崩塌的堆積物,山體表面風化層和破碎層、坡積物、冰積物以及人工工程的廢棄物等。

          (3)水不但是泥石流的重要組成部分,而且也是決定泥石流流動特性的關鍵因素。因此夏季暴雨是泥石流最主要的水源,其次的水源來自冰雪融化和水庫潰壩等。


                 一個完整的泥石流流域可以分成為匯水區、形成區和堆積區。在匯水區,大量積聚的泥沙、巖屑、石塊等在水分的充分浸潤下,沿著斜坡(更主要是沿著谷地)開始流動。在形成區,泥石流在向下流動中不斷發展,溝內某些薄弱段的塊石等固體物松動、失穩,被猛烈掀揭、鏟刮,并與水流攪拌而形成泥石流。當大量的降雨在山坡上的時候,山坡坡面土層在暴雨的浸潤擊打下,土體失穩,沿斜坡下滑并與水體混合,侵蝕下切而形成懸掛于陡坡上的坡面泥石流。堆積區,多是地形較為開闊的地區,這里泥石流流速變慢,發生堆積,堆積區由于流域內來沙量的增長而不斷擴展,逼近泥石流的下游,經常淹沒或堵塞河道,造成原來的河道改道和變形。泥石流的形成、發展和堆積是地表的一次破壞和重新塑造的過程。

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                 從泥石流產生過程來看,連續的暴雨是造成泥石流的自然原因,而亂砍濫伐森林,造成山體表面水土流失嚴重,是釀成泥石流災難的人為原因之一。泥石流在我國分布十分廣泛。特別是斜貫我國遼、京、冀、晉、陜、甘、 鄂、川、滇、貴、渝等?。▍^、市),地處中國西部高原山地向東部平原、丘陵的過渡地帶,區域內地形起伏變化大、河流切割強烈、暴雨集中,加之人類對天然植被的嚴重破壞和對地表斜坡的廣泛改造以及搬運巖土等活動,滑坡、泥石流特別發育,分布密度大,活動頻繁,是我國滑坡、泥石流等災害最嚴重的地區。


                 滑坡和泥石流在全世界都有廣泛的分布。亞洲的山區面積占總面積的 3/4,地表起伏巨大,為滑坡和泥石流形成提供了巨大的能量和良好的能量轉化條件。滑坡和泥石流分布密集或較密集的國家有中國、哈薩克斯坦、日本、印度尼西亞、菲律賓、格魯吉亞、印度、尼泊爾、巴基斯坦等近 20 個國家。


                 在自然狀態下,純粹由自然因素引起的山區地表侵蝕過程非常緩慢,因此坡地還能保持完整。在人類活動影響下,把只適合林業和牧業利用的土地也辟為農田,大量開墾陡坡,以至陡坡越開越貧,越貧越墾。為了開墾更多的土地亂砍濫伐森林,甚至亂挖樹根、草坪,樹木銳減,使地表裸露,這些都加重了水土流失,使邊坡穩定性降低,引起滑坡、塌方、泥石流等更嚴重的地質災害。


                 泥石流暴發突然猛烈,持續時間不長,通常幾分鐘就結束,時間長的也就一兩個小時。泥石流較難預報,易造成較大傷亡,因此,萬一沒有做出預報,在遭遇泥石流之后采取正確的方法避險、逃生是非常重要的。泥石流不同于滑坡、山崩和地震,它是流動的,沖擊和搬運能力很大,所以,如果突遇泥石流,要迅速轉移到高處,千萬不要順溝方向往上游或下游跑,要向兩邊的山坡上跑。另外,不應上樹躲避,因泥石流不同于一般洪水,其流動中可切除沿途一切障礙,上樹逃生不可取。

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          泥石流要往高處跑

          三、市政建設面臨的新問題

                 地面塌陷是指上覆巖層發生破壞,巖土體下陷或塌落在地下空洞中, 并在地表形成不同形態的塌坑。重力是塌陷的基本原因,而地下空洞的存在是地面塌陷的空間條件。地面塌陷是地下礦產采空區或喀斯特區常見的一種自然災害。據不完全統計,全國有23 個?。ㄗ灾螀^、直轄市)發生巖溶塌陷,共 1400多起,塌坑總數超過 4 萬個。


                 自然界的地下水和空氣中的 CO2 結合,在水中生成碳酸(H2CO3), 含 H2CO3 的水流經碳酸巖地區,將不溶于水的碳酸鈣(CaCO3)變成了溶于水的碳酸氫鈣 [Ca(HCO3)2,H2CO3+CaCO3=Ca(HCO3)2],并隨著水流流往別處。這樣,原來的 CaCO3 變為 Ca(HCO3)2 后被水帶走,地下形成了空洞(喀斯特巖洞),相鄰的空洞聯通,可能形成地下河。而被帶走的 CaCO3,由于 Ca(HCO3)2的化學不穩定性,在新的地方又還原為 CaCO3 [Ca(HCO3 )2 =CaCO3+H2O+CO2]。在漫長的歲月中,上面的變化不斷重復發生,形成了今天令人嘆為觀止的喀斯特溶洞。


                 溶洞在地下水位波動頻繁的位置被侵蝕破壞形成塌陷。坍塌邊沿和空洞邊沿基本形成上下對應關系。由喀斯特溶洞形成的坍塌一般形成塌落洞,洞成簡狀或柱狀。在地下河強烈的溶蝕侵蝕作用下,地下空洞上方巖層的不斷崩塌直到地表,就形成了地球表面的巨大的塌陷坑。人們往往把它稱為“天坑”。重慶小寨天坑就是這種地質奇觀的代表。

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          小寨天坑,位于重慶市奉節縣小寨村,是世界上僅有的三例超級天坑(深度和寬度均超過 500m)之一

          小寨天坑坑口地面標高 1331m,深 666.2m,坑口直徑622m,坑底直徑 522m

          坑壁四局陡峭,在東北方向峭壁上有小道通到坑底。站在坑底抬頭仰視看到藍天,頗有“坐井觀天”之感

                 天坑是一種特殊的地質現象,一般出現在碳酸巖多的喀斯特地貌地區。小寨天坑容積約為 1.2 億m3 ,它圍壁圓滿,體量巨大,深度為 521~662 m,寬度為535~625 m,從深度和容積兩個指標看,都是真正的“世界第一天坑”。小寨天坑被建設部入選為首批中國國家自然遺產、國家自然與文化雙遺產預備名錄?,F在天坑的英文名字,也采用中國拼音的“Tian Keng”。


                 隨著地下礦產資源不斷加速開采,當這些地下采空區頂部的巖石被破壞時,地面塌陷就發生了。水在地面塌陷中起著非常重要的作用。城市中地下水管的泄漏,會帶走大量的土壤,形成地下空洞,進而造成地面的塌陷。隨著城市化的發展,地下水泄漏和沖刷形成的城市地面塌陷也越來越多。這是所有城市市政建設面臨的新問題。

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          西寧發生的路面塌陷

          2020年1月13日,青海西寧市城中區南大街發生路面坍塌,一輛公交車陷入其中,造成10人遇難,17人受傷

                 目前中國城鎮化率已接近 70%,城市道路需要有結實的骨骼,讓人踏實地行走在上面。2022年7月,住建部啟動首批針對城市塌陷問題的“城市體檢”工作,長沙、廣州、南京等11個城市為試點城市。多年經驗表明,滑坡和泥石流是可以有效防范的。關鍵是要讓社會公眾了解、掌握科學的災害防治知識,我國第一部關于地質災害防治的行政法規——《地質災害防治條例》于 2004 年 3 月 1 日起施行,它的出臺和實施標志著我國地質災害防治工作進入了規范化、法治化的軌道。

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