（地质工程专业论文）植被对黄土高原区地质灾害发育影响研究——以吴起县为例.pdf

摘要 吴起县位于陕西省延安市西北部，地处黄土高原地区，黄土高原地区是我国生态环 境最为脆弱的地区之一，特殊的自然地理和地质环境，导致该地区滑坡、崩塌、泥石流 等地质灾害频发，严重威胁人民群众的生命和财产安全。近年来，随着地方经济的飞速 发展和人类工程活动的增加，地质灾害呈现加重的趋势。因此，研究植被与吴起县地质 灾害发育的影响有重要意义。 本文结合中国地质调查局2 0 0 8 年下达的“陕西省延安地区地质灾害详细调查”任务， 在对吴起县地质灾害详细调查及室内试验等工作的基础上，针对植被对吴起地质灾害发 育的影响展开了系统的研究工作。首先，对吴起区域地质环境、黄土特性和植被特性进 行研究；再对植被的护坡机理进行研究，如草本植物根系加筋作用、木本植物垂直根系 锚固作用和水平根系的支持作用、植被水文效应等，分析出植被对地质灾害的正面、负 面的影响；然后对该地区地质灾害形成的内外因素进行了深入剖析，认为降雨及人类工 程活动是吴起地区地质灾害最主要的诱发因素；再对该地区地质灾害发育特征进行了分 析总结，得出吴起地质灾害发育以大中型和中厚型滑坡为主；最后以吴起的典型边坡 为例，对该边坡在天然含水量、饱和含水量和裸地、有植被等不同工程条件下的稳定性 进行计算，并利用f l a c 软件对边坡进行数值模拟，然后再根据边坡稳定性分析结果进 一步分析总结出植被对吴起地质灾害发育的影响。 关键词：植被、地质灾害、滑坡、边坡稳定性、数值模拟 a b s t r a c t w u q ic o u n t y , w h i c hi si nt h en o r t h w e s to fy a n a l lc i t yi ns h a n x ip r o v i n c e ，l o c a t e si nt h e r e g i o no fl o e s sp l a t e a u t h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n to f t h i sa r e ai so n eo ft h em o s tv u l n e r a b l e r e g i o n si n o u rc o u n t r ya n dt h es p e c i a ln a t u r a lg e o g r a p h ye n v i r o n m e n tc a u s e db yt h e l a n d s l i d e ，c o l l a p s ea n dd e b r i sf l o wa n do t h e rg e o l o g i c a ld i s a s t e r st a k ep l a c ef r e q u e n t l y , w h i c h s e r i o u s l yt h r e a t sp e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t i e s i nr e c e n t l yy e a r s ，w i t ht h ei n t e n s i f i c a t i o no f h u m a nb e i n g s e n g i n e e r i n ga c t i v i t i e s ，t h eg e o l o g i c a l d i s a s t e r s p r e s e n t a l l a g g r a v a t i n g t e n d e n c y t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt os t u d yo nt h ec o r r e l a t i o no fv e g e t a t i o na n dg e o l o g i c a l h a z a r d sg r o w t ho fw u q ic o u n t y t h i sp a p e rc o m b i n e sw i t ht h ed e t a i l e di n v e s t i g a t i o nt a s ko fg e o l o g i c a ld i s a s t e ri ny a n a n o fs h a n x ip r o v i n c ew h i c hi s s u e db yc h i n ag e o l o g i c a ls u r v e yb u r e a ui n2 0 0 8 o nt h eb a s i s o ft h el a b o r a t o r yt e s ta n dt h ed e t a i l e ds u r v e yo ft h eg e o l o g i c a ld i s a s t e ri nw u q i ，i tc a r r i e do u t r e s e a r c hw o r ko nt h ec o r r e l a t i o no fv e g e t a t i o na n dg e o l o g i c a lh a z a r d sg r o w t ho fw u q ic o u n t y f i r s to fa l l ，w es t u d yr e g i o n a lg e o l o g i c a le n v i r o n m e n t , l o e s sp r o p e a i e sa n dv e g e t a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fw u q i t h e nt h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h em e c h a n i s mo fb i o t e c h n i c a ls l o p e p r o t e c t i o n ，s u c ha st h es t r e n g t ho fh e r b s r o o ta n dt h ea n c h o r i n ge f f e c ta n dt h es u p p o r t i n g e f f e c to fw o o d yp l a n t s r o o ta n dt h eh y d r o l o g i ce f f e c to ft h eb i o t e c h n i c a ls l o p ep r o t e c t i o n ， a n a l y s i so ft h ea f f e c to fv e g e t a t i o no nt h eg e o l o g i c a ld i s a s t e r s t h e nt h i sp a p e rh a sa ni n - d e p t h a n a l y s i st ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o e s sl a n d s l i d ea n di n t e m a la n de x t e r n a lf o r m a t i o nf a c t o ro f l a n d s l i d es ot h a tr a i n f a l la n dh u m a ne n g i n e e r i n ga c t i v i t i e sw e r et h em a i np r e d i s p o s i n gf a c t o r o fl o e s sl a n d s l i d ei nw u q i a g a i nw eh a sa n a l y z e dt h er e - d e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c so f g e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，o b t a i n e dt h a tl a r g e m e d i u m s i z e da n dm e d i u m - t h i c ks l i d e b a s e da r e t h em a i ng e o l o g i c a lh a z a r d so fw u q i f i n a l l y , w eh a v ed e s i g n e das l o p ea n dc a l c u l a t e dt h e s t a b i l i t yo ft h es l o p ei nan a t u r a l ，s a t u r a t e dw a t e ra n db a r el a n d ，谢mv e g e t a t i o n t h e nw e u s e t h es o f t w a r eo ff l a cf o rap a r t i c u l a rs l o p e t h e nw eb a s e do no u ra n a l y s i so fs l o p es t a b i l i t y , f u r t h e ra n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt h ev e g e t a t i o no nt h ei m p a c to fg e o l o g i c a lh a z a r d s o fw u q i k e yw o r d s ：v e g e t a t i o n ，g e o l o g i c a lh a z a r d s ，l a n d s l i d e ，s l o p es t a b i l i t y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 长安大学硕士学位论文 1 1 选题依据和研究意义 第一章绪论 地质灾害是自然灾害的一种主要类型，在自然灾害中占有比较突出的地位。我国地 质和地理条件复杂，气候条件时空差异较大，地质灾害分布广泛、活动频繁、危害重， 是世界上地质灾害最为严重的国家之一，每年都造成巨大的财产损失和人员伤亡，其中 以突发性地质灾害造成的人员伤亡最为显著。据统计，1 9 9 8 年以来我国地质灾害造成人 员死亡总计达7 1 8 7 人，造成的经济损失多达4 3 6 1 亿元1 1j 。在我国，l 2 以上国土和2 3 以上城市受到不同程度地质灾害的威胁，由地质灾害造成的损失大约占整个自然灾害损 失的3 0 。其中，滑坡、崩塌、泥石流及人类工程活动诱发地质灾害所造成的损失约占 5 5 ，这些灾害的规模虽小于地震，但其发生的频度总的涉及范围则远高于地震。每年 各种地质灾害造成的直接经济损失达2 0 0 多亿元。全世界每年因自然灾害所造成的全部 的经济损失超过5 0 0 亿美元，其中2 3 是因自然灾害的破坏性所造成，其它1 3 是用于 包括预测、预防和减灾重建等措施的费用1 2 】。 吴起县位于陕西省延安市西北部，地处我国生态环境很脆弱的黄土高原区。特殊的 自然地理和区域地质环境是导致该区环境地质问题和地质灾害严重发育的根源。黄土高 原区黄土层较厚，结构比较疏松，发育着较为发达的水系，加上特殊的气候特征，区内 水土流失比较严重，地质灾害频发，严重威胁了当地人民的生命财产安全，灾害损失严 重。近些年，随着人口增加，经济发展，人类工程活动加剧，当地地质灾害形势越来越 严重。 面对如此严重的地质灾害形势以及恶劣的自然环境，政府的投资力是有限的。不可 能全部的采用工程措施来治理地质灾害。植被措施不仅可以有效的治理表浅层的地质灾 害，还可以改善当地的生态环境。因此，研究吴起植被与地质灾害影响有重要的实现意 义。 1 2 国内外研究现状 关于植被对地质灾害的影响，国内外内外学者从不同的角度出发做了不少的研究。 在国外，d i t ih e n g c h a o v a n i c h 对几种植物根系土的剪切强度进行试验，结果表明：根系 第一章绪论 能使土体的剪切强度明显增加。其中草本植物须根多，密度大，因此每一单位草本植物 的剪切强度增加值是树术根系的2 3 倍【3 1 ；e l l i s o n 和c m a n d r a k e 4 1 等通过观测昆士兰森林 覆盖区在砍伐后的坡体运动宣称森林覆盖的坡体比草皮覆盖的坡体有更大的蠕动度，森 林加重的坡面负荷造成了边坡的失稳破坏；s w a n s t o n 通过对俄勒冈州西南部森林区的监 测发现树木被砍伐后坡体的蠕变当年即增长至u 2 0 m m 年，3 年后坡体的蠕变又降低到砍 伐前的3 m m 年【5 】；g r a y 连续五年监测砍伐区，发现树木砍伐区边坡的蠕变明显大十森 林覆盖良好的边坡。 在国内，有许多工程地质学家和土力学家以及滑坡防治专家对植被固坡机制、植被 根系与土体抗剪强度、黄土滑坡的分布规律、植被覆盖对灾害影响、植被护坡在灾害中 的应用前景等与植被和地质灾害有关的问题进行了多方面较入的研究。如杨永红、王成 华等通过对裸地、扭黄茅草地、车桑子灌木林地和桉树林地四种不同植被类型、不同深 度土壤在天然含水量情况下的直剪试验，研究了植被类型对非饱和土抗剪强度的影响 睁1 0 1 ；申健，尚衍强等通过对三峡库区滑坡体及植被的调查，分析了植被蒸腾作用吸收 水分受滑坡灾害的影响，解释了“醉汉林”各种树型的成因，探讨了植被护坡作用以及 对滑坡发育的贡【1 1 , 1 2 1 ：魏丽、单九生等通过分析森林植被覆盖率、森林生物量和暴雨型 滑坡的空间分布，以度森林植被类型对大气降水的截留作用初步揭示了植被覆盖对滑坡 的影【1 3 】；李华对植被护坡在地质灾害治理中应用前景进行了研究1 1 ，2 1 , 2 2 1 ；徐则民，黄 润秋等对植被护坡的局限性及其对深层滑坡孕育的贡献进行了研究【2 3 圆】；徐永年通过实 例说明了人类的各种活动和不同植被状况对坡体滑塌的影响，并通过室内人工降雨模拟 试验说明排水及护坡等工程措施对坡体稳定具有一定的保护作川【3 0 】；张茂省，校培喜等 对延安市宝塔区崩滑地质灾害发育特征与分布规律作了研究【3 m 9 】；徐刚、郑达兴等对黄 土高原西南部陇县一千阳一带崩塌、滑坡地质灾害的遥感影像特征及分布规律进行了研 究【4 0 。5 们。这些成果对本文的植被对吴起地质灾害发育影响研究有很好的借鉴作用。 以上的研究成果几乎没有涉及到植被对黄土高原地质灾害发育的影响研究。结合笔 者参加的国土资源部中国地质调查局2 0 0 8 年下达的计划项目的子项目陕西省吴起县地 质灾害详细调查，从吴起县地质灾害发育特征与植被的关系这方面入手对植被对吴起 地区地质灾害发育影响进行了研究。 2 长安大学硕士学位论文 1 3 本文的研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 本文的主要研究内容为植被对吴起县地质灾害发育的影响，其中主要包括以下几 占 j ( 1 ) 吴起地区区域地质环境、黄土特性和植被特征研究； ( 2 ) 植被对地质灾害的影响研究 ( 3 ) 植被对吴起地质灾害发育的影响研究 1 3 2 技术路线 本文研究工作的技术路线如图1 1 所示。 图1 1 技术路线 第二章吴起区域地质环境、黄土特性和植被特征 第二章吴起区域地质环境、黄土特性和植被特征 2 1 区域地质环境【5 1 】【5 2 1 2 1 1 地理位置和交通 吴起在延安市的西北处，西北靠近定边，东北和靖边相邻，东南与志丹县相连，西 南接甘肃华池县。地处在东经1 0 7 0 3 8 5 7 ”1 0 8 0 3 2 4 9 ”和北纬3 6 0 3 3 3 3 - 3 7 0 2 4 2 7 ”之间。 总面积3 7 9 1 5 平方公里，人口1 2 7 万。全县包括4 个镇和8 个乡。 吴起的交通以公路为主，与省会西安以及相邻的宁夏、甘肃两省皆有公路相通( 吴 起县交通位置见图2 1 ) 。 图2 1 吴起县交通位置图 圈饲 甫反府靠 罄县袭窘驻墙 乡曩馥府驻地 誊弄 ，删一 p 一墨界 一饮 一叠路 坷蠢 2 1 2 地形地貌 吴起的地形地貌轮廓是在白垩世后形成，之后很长的时间内，在地质应力作用下， 形成了今天的黄土梁垌和峁梁地形。吴起地貌主体是黄土峁梁。该区海拔为 1 2 3 3 1 8 0 9 m 。吴起县北部有东西向的白于山，总体上看，该区地势西北部高、东南低， 地形主要可以分为黄土梁垌区和黄土峁梁沟壑区。 1 黄土梁垌区 周湾和长城乡的大部分地区都是这种地貌。该地貌地形高程为1 4 6 0 - - 1 5 1 0 m 。它主 要特征是厚层黄土披覆宽谷、缓梁。黄土梁多为凸形坡，蜩地平坦，宽l o - 1 0 0 0 m ，长 4 长安大学硕士学位论文 - n 两千米。垌地可以分为两级：一级墒地平坦，宽五百到一千米，墒面比河床高五十 到八十米，它由黄土状土组成；二级垌地比较少，宽度也仅为1 0 1 0 0 m ，称为“破垌”。 垌地间的黄土梁宽七十到一百米，长可达千米，两旁的沟谷切深五十到一百米，沟坡约 4 0 0 。 2 黄土峁梁沟壑区 这种地貌在吴起分布较广，占吴起总面积的百分之八十五。黄土梁一般宽五十到一 百米。黄土梁的形态受地表水网的制约。水文网密度小的地段，一般梁宽坡缓，反之， 则梁窄坡陡。梁项纵坡较小，向下逐渐变陡；沟道边可增加到1 5 - - 2 0 0 。因为黄土梁大 多被开辟成田，植被少，冲刷比较强烈，面蚀和沟蚀现象严重，不利于稳定。境内九川 一河支流散布其中，形成山大沟深、纵横交错、千沟万壑的地貌景观。 2 1 3 气象与水文特征 1 气象特征 吴起位于中纬度，属中温带半湿润半干旱气候区，温带大陆性季风气候特征：秋季 温凉湿润，冬季干燥寒冷，春季干旱多风，夏季旱涝相间。 吴起比延安市的其县雨水少，多年的平均降水量仅为4 7 8 3 m m ，且时空分布上差异 大。其降雨特征为： 1 ) 降水相对集中。全年约6 2 的降雨量集中在七、八、九三个月，其他月份均比 较少( 吴起县多年的平均降水量见图2 2 ) 。 l t3 4 s a79i o， 2l ，l 图2 2 吴起县多年平均降水量年内分配曲线 2 ) 年际变化大。3 4 年来观测得降雨量最大值为1 9 8 5 年的6 3 1 4 m m ，然而1 9 8 7 年 的总降水量才有2 7 0 m m ，差有2 - 3 倍。 3 ) 吴起降雨变化有一定的周期性，大周期约1 2 年，小周期才4 - 5 年( 吴起多年 降水量曲线见图2 3 ) 。 第二章吴起区域地质环境、黄土特性和植被特征 4 ) 在空间分布上同期降水量也有很大不同，总的趋势是由北、西向南、东，有随 地势的降低而增加的趋势。例如王洼子( 位于吴起西北部) 和长城( 位于吴起北部) 降 水量小于4 0 0 m m ，然而同期吴起镇( 位于吴起县中部) 、白豹( 位于吴起县南部) 降水 量4 5 0 4 8 3 4 m m 。吴起年降水量分布可见图2 4 。 图2 4 吴起县年降水量等值线图 从1 9 6 9 到2 0 0 6 年间吴起出现过4 0 次日降水量大于5 0 m m 的暴雨，约1 2 次年。 出现最多的月份是7 月，有1 7 次( 频率为4 2 5 ) 。总的来看，该区暴雨年平均频率不 6 长安大学硕士学位论文 太高，但是强度大。 从1 9 6 9 到2 0 0 2 年，吴起共出现2 5 次连阴雨，大多发生于8 - 1 0 月份，频率占8 0 左右，这时候也是地质灾害的易发期。 在吴起县境内，白于山以北蒸发度高，南部低，变化在1 2 0 0 - - - 2 0 0 0 m m 之间。 2 水文特征 吴起县的河流都属于黄河水系。可分为两大流域，一是白于山以北的无定河流域， 白于山以南的洛河流域。无定河仅有一些支沟( 如八里沟、石拐子川等) 位于吴起境内， 对吴起水文网格局影响不大，在此不做详述。 洛河是黄河的二级支流，吴起内大部分支流都流入其中，所以说它是境内地表水文 网的主体。在境内，洛河流域河网密度大，有许多呈树枝状展布的支毛沟，汇水面积超 过l k m 2 的沟谷密度可达0 9k m k i n 2 。沟峁的相对高差为1 2 0 - - - 5 7 6 m 。多数的沟( 支毛 沟除外) 都切入基岩。吴起河流的流量小，含砂量高，据资料显示，侵蚀模数高可达1 8 4 万吨k m ，一般情况下，高浓度的泥流会在暴雨过后的短期内形成，多造成灾害。 境内两大流域的地表水系，都呈树枝状展布，有9 条河流的流域面积超过1 0 0 平方 公里，干流深切，支流密布( 吴起县水系分布见图2 5 ) 。 石 1 _ 一- 、 、 捌。飞 猃 、 - 千 广- 承 7 铲：蠢 蕊天 、 ， 。= 崭 ， 厂 e ，； l 白， 竹) i 、i 第二章吴起区域地质环境、黄土特性和植被特征 洛河为过境河，在吴起境内流长为2 2 1k m 2 ，平均径流量为1 3 7 m 3 s ，1 9 6 6 年7 月 2 6 号全县下暴雨，洛河流量出现5 9 3 0r n 3 s 的最高值。 石拐子川：无定河主要支流，它发源于白于山北边，吴起境内流长为2 3 6 k m ，它的 流域面积是2 0 1 9k m 2 ，它平均径流量为0 2 m 3 s ，流域面积大于1 0 0k m 2 的河流( 洛河 除外) 概况见表2 1 。 表2 1 流域面积在1 0 0 k i n 2 以上的主要支流概况表 河流名称 流域面积( k m2 )长度( k m )平均流量( m 3 s ) 备注 石拐子川2 0 1 92 3 6o 2 八里庄河 1 7 5 3 2 5 0 2 乱石头川 9 4 25 5o 3 2 头道川1 5 7 88 3 4o 5 4 部分在县外 二道川 3 7 4 74 7 90 - 3 源于定边县 颗颗川 1 9 33 5 4o 0 7 宁塞川 5 2 9 24 7 60 1 8 三道川 2 6 2 3 4o 0 9 杨青川 1 3 2 92 4 50 0 5 白豹川 4 0 5 33 6 50 1 2 5 源于甘肃省 2 1 4 地层岩性与地质构造 1 地层岩性 吴起境内地层岩性特征由老至新分为： 白垩系下统环河一华池组( k l h ) 该组上部地层在区内有出露，岩性为紫红色砂岩和蓝色泥岩、棕红色砂质泥岩的不 等厚互层。砂岩为单层厚约0 5 l m 的钙、泥质胶结：泥岩多为单层厚为0 1 o 3 m 钙质 胶结，发育有小型交错层理。因该地层软硬相间，含泥量比较高，所以强度低，容易软 8 长安大学硕士学位论文 化。该岩组大多在梁峁陡峻斜坡下部或者深切沟谷底部出露，厚度5 3 0 m 。 新近系上新统( n 2 ) 岩性是含砂质粘土，颜色紫红，半胶结，强度较低，容易泥化。覆盖于区内老地层 上，后期大多被侵蚀，仅在冲沟沟头部位有厚度一般为5 一3 0 m 小片出露。 第四系中更新统黄土( q 2 c 0 1 ) 以粉质粘土为主，颜色为褐黄色或者褐色，发育有较多的垂直节理，在区内分布广 泛，厚度约5 0 m 。 第四系上更新统黄土( q 3 砌) 岩性为砂质含量高的黄土质粉土，颜色黄灰色，发育有垂直节理，土质较为疏松， 厚约1 0 - - 3 5 m 。由于大多覆在梁峁顶部和该梁峁斜坡上，因此不易准确划分其与下伏老 黄土界线。白于山北坡垌地中分布有薄层理夹砂层的次生黄土。 第四系全新统( q 4 ) 全新统地层成因较为不一，在河床或大的冲沟中多有冲洪积层零星分布，在自然斜 坡和人工边坡的坡脚附近有重力地质作用的产物分布。 吴起县境内地质地貌见图2 6 。 2 地质构造 吴起县境为一向西缓倾的地层倾角1 3 。的单斜构造。区域内仅发育有两组共轭裂 隙，倾角约7 0 0 ，裂隙多为闭合状，两组的走向分别为走向为北北东与北西西和走向为 北北西与北东东。 2 1 5 岩土类型及工程地质特征 吴起的岩土体类型可以分为以下三类： 1 软硬相间层状碎屑岩 较厚的砂岩、较薄的泥岩不等厚互层迭置，砂岩较硬，不易风化，大多会形成正坡， 泥、页岩层较软，容易软化和风化，多会形成负坡，所以坡面地形大多不平整，局部由 于泥、页岩的风化严重，会造成砂岩突出悬空，形成危岩。 2 密实红色粘土 它含砂和钙核，往下部砂含量增加。由于水的浸润，红色粘土容易软化、泥化，抗 滑能力达达下降，因此上层的黄土容易在红色粘土的表面发生滑动。吴起一些大型滑坡 都是这样形成的。 9 第二章吴起区域地质环境、黄士特性和植被特征 图2 6 吴起县地质地貌略图 - t - 回一圈z 回。口t 匠s 曰e 巨- l 、第四系中、上更新统黄土2 、新舅i 三系3 、白璺系环河一华池组4 黄土梁洞区 5 、黄土粱峁沟壑区6 、地层界线7 、地貌界线 3 黄土 黄土由上部5 , 、, 2 0 m 的上更新统黄土和下部的中更新统黄土两部分组成。成份以粉 土为主的上更新统黄土粘粒较少，大孔隙多，粘土颗粒含量很低，大孔隙较多，土质较 为疏松，强度较低。根据本次调查室内试验数据得出，天然土的抗剪强度内聚力c 为 1 5 3 2 1 5 k p a ，内摩擦角p 为1 9 6 - - - 2 3 6 0 ；饱和土的抗剪强度c 为5 3 - 8 4 k p a ，q 为 1 2 7 1 3 6 0 ；自重湿陷系数6 z s 为0 0 0 3 - 0 0 4 1 ，湿陷系数6 s 为0 0 5 8 , - 0 0 8 4 ，具有较 强湿陷性。人工边坡的稳定性比较差，容易产生地质灾害。下部中更新统黄土，成分以 粘粒为主，大孔隙发育，土质比较密实。天然土的抗剪强度c 为4 1 4 - - - 4 4 5 k p a ，q 为 2 1 7 - - - 2 6 3 0 ；饱和土的抗剪强度c 为9 2 - - - - 9 4 k p a ，q 为1 3 8 - - 1 4 2 0 ，饱和土抗剪强度 l o 长安大学硕士学位论文 较低；湿陷系数很小，不具湿陷性。 岩土体工程地质特征见表2 2 。 表2 2 岩土体工程地质特征表 岩土体类型岩类结构类型岩性及主要工程地质特征分布范围 大多分布在 砂岩、泥岩不等厚互层，砂岩和泥岩大沟底部或 软硬相间厚度比约2 ：1 。砂岩比较坚硬，单层者高陡梁峁 岩体层状 的碎屑岩 厚约0 5 , - - - 1 o m ，分布稳定，泥岩的斜坡的下部， 厚度变化比较大或为透镜体状。可见厚度约 5 - 3 0m 。 只在大沟的 紫红色粘土干时比较硬，含砂以及钙沟头部位有 板状或厚 核，下部的含砂量明显增加，钙质结零星出露，其 红色粘土核密集形成了钙板，粘土遇水容易软 厚度一般为 层状 化或者泥化，沿其项面通常形成滑5 - - 3 0 m ，局 坡。部厚度接近 5 0 m 。 土体 上部是上更新统黄土厚度为5 2 0 m ，成份主要是粉土，垂直节理比较 发育，具大孔隙，疏松。下 黄土块状遍布在全区。 部中更新统黄土，成份以黄土质粉土 为主，具大孔隙，垂直节理发育，土 质较密实。 2 1 6 水文地质条件 按照含水介质、水力特征和赋存条件，吴起区内地下水主要可分为三种类型：第四 系松散层孔隙水、裂隙水、白垩系基岩裂隙水。其中第四系松散层孔隙水主要在大的河 道沟谷的一级阶地堆积物中赋存；裂隙水的含水层分为黄土和垌地堆积物两类；白垩系 基岩裂隙水一般很难富集。 大气降水是区内地下水的主要补给方式，深部的基岩裂隙水局部会有侧向地下径流 的补给。地下水向临近沟谷排泄的主要是形式泉和小片渗水。就是这个原因很多冲沟在 枯水季节仍不会断流。 2 1 7 人类工程活动 吴起生态环境比较脆弱，近年来，随着人口的增长，社会的发展，人类工程活动的 第二章吴起区域地质环境、黄士特性和植被特征 增多，自然环境有了很大的变化( 见照片2 1 ) 。黄土高陡切坡等不规范人类工程活动比 较突出，这类工程活动常会诱发地质灾害。 照片2 1 杨青川入洛河口处的人类工程活动 人类工程活动中诱发地灾相关因素如下： 1 建窑洞，开挖坡角不适当，会诱发崩塌、滑坡等地质灾害； 2 修路等切挖斜坡的活动，会形成高陡边坡，它为滑坡、崩塌、泥石流等灾害的发 生创造了条件； 3 开采石油会破坏边坡稳定性，诱发滑坡、崩塌等灾害； 4 新修水利，扩大灌溉面积，会造成地下水抬高，形成盐碱地以及诱发灾害发生； 2 2 吴起县黄土特性研究 黄土是吴起地质灾害发育的主要地层，它具有自身的独特性，因此在研究吴起地质 灾害时，应该研究一下跟黄土有关的物质组成、水理性质以及力学性质。 2 2 1 黄土的物质组成 2 2 1 1 黄土的粒度成分 该地区黄土的颗粒主要是粉粒 3 3 】，它的含量超过百分之五十，粗粉粒比细粉粒多。 粗粉粒的直径为0 0 5 - 0 o l m m ，细粉粒直径为0 0 l 0 0 0 5 m m 。黄土的支承结构主要是由 1 2 长安大学硕士学位论文 粉粒和集粒构成的，一些较大的砂粒会恰在结构中。集粒是有黄土中的细粉粒和粘粒等 胶结而成的。由于结构体疏松，接触点少，往往会造成一些架空空隙，连接点处的胶结 物质比较少。碳酸盐以及易溶盐等是比较常见的常胶结物质。 2 2 1 2 黄土的矿物成分 粗粒矿物和细粒矿物共同构成了吴起黄土的矿物成分，粗粒矿物分为重矿物轻矿物 和重矿物两种，重矿物比重大于2 9 ，轻矿物小于2 9 。粗矿物中绝大多数是轻矿物，重 矿物较少，轻矿物中以石英矿物为主，重矿物种类比较多，如磷灰石、白铁矿等。 2 2 1 3 黄土的化学成分 吴起黄土化学成分与黄土中的矿物( 如云母、长石等) 相类似，主要是以k 2 0 、s i 0 2 、 等成分；离石黄土和午城黄土中的可溶盐则出现形式比较多，马兰黄土的可溶盐则以单 一的钙质结核形成出现；黄土中易溶盐的含量与该区的降雨量有关，西北多，而东南少。 2 2 2 黄土的水理性质 黄土的水理性质主要包括黄土的渗透性、崩解性，它们对地质灾害影响比较大。 遵 1 2 2 2 1 黄土的渗透性 黄土渗透性比较特殊，主要是由于黄土的特殊构造引起的。诸多因素( 如土的结构、 粘粒含量等等) 都会影响到黄土的渗透效果。土的渗透性常用的关系式是： k = 吒2 + 屯2 ( 2 1 ) 其中：k 为有效渗透系数，k v 是垂直渗透系数，k h 是水平渗透系数。 黄土会因成因不同或者时代不同，渗透性也不相同，新老黄土渗透性差别很大。此 外，黄土的各向异性随时代早晚而变化，时代越新，它越明显。例如，新黄土水平渗透 系数远小于垂直渗透系数，老黄土的水平渗透系数略大于垂直渗透系列5 3 1 。 2 2 2 2 黄土的崩解性 由于黄土遇水浸入而发生的碎散现象叫黄土的崩解性，它证实了黄土遇水会被破 坏。局部应力的大小和土体的强度决定着土的崩解速度。新老黄土遇水后稳定性都会下 降。斜坡往往容易被崩解性强的黄土破坏。黄土有多样的崩解形式( 如散粒状、鳞片状 等等) ，它与黄土的物理性质和化学性质有关。通常黄土崩解时首先会顺着节理裂开， 伴随着小土块散开和产生气泡，之后再散开为单粒状。 2 2 3 黄土的力学性质 2 2 3 1 黄土的压缩性 第二章吴起区域地质环境、黄土特性和植被特征 土包含固、液、气三相，在宏观上，气相就是指土中的孔隙，它的存在让黄土变的 可以被压缩。黄土受压体积变小的性能就叫做黄土的的压缩性。 土的压缩性与土基本性质相关，也和土的受力历史、受力状态以及受力条件有关。 它比一般的材料具有更为显著的剪胀性、弹塑性等特点。细粒土的压缩性会随着它塑性 指数变大而变大。黄土的压缩性也会因为不同时期黄土的孔隙比差别大而有所不一样， 总的来说午城黄土压缩性最小，离石黄土次之，马兰黄土最大。 2 2 3 2 黄土的抗剪性 抗剪强度是黄土比较重要的力学特性，它主要是指土体的抗剪切破坏能力，发生剪 切破坏时，土体抗剪强度数值上等于滑动面上的剪应力。土的抗剪强度与它本身性质有 很大关系，另外，也与土体所受的应力组合相关。土体达到剪切破坏时的应力组合关系 叫做破坏准则，黄土破坏准则比较复杂，到现在仍然没有研究出理想的黄土破坏准则。 2 2 4 黄土的湿陷性 黄土在一定压力作用下，物理状态和力学性质会因土体遭受雨水侵蚀而在短暂的时 间内发生突变，引起土的附加变形，这就是所谓的湿陷变形。湿陷变形与压缩变形有显 著的区别，一般压缩变形是随荷载的增加变形量增大，其主要是由于压力使土体孔隙结 构破坏造成的，而且压缩变形是逐渐进行的，过程较长；然而湿陷变形是在荷载没有变 化的情况下，主要是由于水的渗入而使土体孔隙结构破坏、土连结阻力显著减弱、土中 易溶盐的溶解等造成的一种特殊变形，水浸湿前后土颗粒间的咬合连结力变化十分大， 且湿陷往往在较短时间内形成，变形量大。 湿陷变形是一种特殊的塑性变形，它的特殊性不仅仅表现在它是力与水共同作用的 结果，也表现在它密切依赖于应力状态、应力历史与湿度状态、增湿历史和增湿水平等。 黄土湿陷有很大的隐蔽性，不易发觉，难预防，危害性大；水对黄土湿陷性影响很 大，因此，湿陷多会发生在一年中的多雨时期。黄土湿陷的主要原因是大暴雨，它强度 大，来势猛，容易导致土体坍塌，引起地质灾害。 2 3 吴起植被生态【5 2 1 2 3 1 植被组合与分布 1 4 长安大学硕士学位论文 吴起县地处中纬度，属中温带半湿润一半干旱气候区，植被性质具有明显的过渡特 色，即从暖温带落叶阔叶林带向温带森林灌丛草原过渡。吴起县以森林灌丛草原为主， 主要有沙棘、柠条、紫穗槐、荆条、酸枣、狼牙刺等灌木以及白羊草、黄背草等众多草 本植物。全区受地形地貌条件制约，分布极不均匀，王洼子等西北部以光山秃岭为主( 见 照片2 2 ) ，植被覆盖率极低，其他地区相对稍好( 见照片2 3 ) 。区内河谷切割较深，多 呈v 型谷，流域内森林植被发育一般，总体植被覆盖率低，水土流失严重。 照片2 2 王洼子乡典型照片 ( 一) 乔木 照片2 3 白豹乡典型照片 除槐树林、椿树林、侧柏林、松树林、白毛杨、小叶杨林等在吴起地区局部地方有 分布外( 洛源街道办、吴起镇、白豹镇、五谷城、薛岔等) ，其余地段分布较少。森林 主要集中在薛岔林场。多分布在阳坡半阳坡，但在阴坡半阴坡也有分布，且从平地、坡 麓一直到梁顶山脊。 ( 二) 灌木 灌丛在吴起县主要是沙荆、柠条、紫穗槐、红皮柳、白刺花、栾树、互叶醉鱼草、 木贼麻黄、沙柳、灌木铁线连、毛叶欧李、胡枝子、截叶铁扫帚、杠柳、本氏木兰、苦 马豆、纯齿冬青、红花锦鸡儿、南蛇藤、探春花、石麻黄、白生柳等灌丛。其中柠条、 紫穗槐、红皮柳、白刺花、黄蔷薇、沙荆、栾树、灌木铁线连、杠柳、本氏木兰、苦马 豆、探春花等灌丛多生长在梁峁的阳坡半阳坡，石麻黄、白生柳等少数灌丛生长在沟道 和梁峁的阴坡半阴坡。 ( 三) 牧草 吴起县林草植被覆盖总面积约2 3 8 4 9 蛔2 ，其中天然林草植被较少，多为近年来退 耕还林、人工种植。拥有人工草地9 0 万亩，林地1 9 1 万亩，成林沙棘1 2 5 万亩。组成 第二章吴起区域地质环境、黄土特性和植被特征 草场群落的植被约有7 4 科2 7 6 种。 ( 四) 栽培作物 一 主要为玉米、冬小麦、春小麦、糜谷类、马铃薯类作物，分布在吴起县境内的沟谷 坡地；在吴起县北部和西部主要为草和灌木，南部的吴起镇、白豹镇、薛岔乡等目前主 要为杨树、枣树林等。从植被的分布与组合来看，吴起县属于草原区。 2 3 2 区域植被生态演化 目前对第四纪以来黄土高原原生植被的认识主要有3 种观点，一是黄土高原在地质 历史时期曾广泛发育有森林草原和森林植被，曾经有超过5 0 的面积被森林植被覆盖， 目前没有森林生长是人类活动的结果；二是黄土高原的原始植被没有超出草原的范围， 草原植被是黄土高原的顶级群落；三是黄土高原的植被不能简单地表述为森林和森林草 原或是草原，而应区分不同地形部位和区域。大部分学者认为，黄土高原的植被以草原 为主，在局部沟谷中森林( 疏林) 植被能较好的发育。 ( 一) 、第四纪以来 黄土地层的孢粉分析结果表明，在整个第四纪期间，孢粉含量普遍不高，说明黄土 高原的植被一直比较稀疏；其中木本植物主要有松属、桦属、桤木属和栎属等，草本植 物主要为禾本科、藜科、蒿属等，代表了植被比较繁茂的暖温带森林草原景观。除了孢 粉资料之外，黄土和古土壤的土壤学研究也证明，黄土是干燥寒冷气候环境下的产物， 其中弱成土作用的黄土代表干冷荒漠草原，中等成土作用的黄土代表干冷草原，显著成 土作用的黄土代表草原环境。而古土壤被认为是比较温暖气候条件下的产物，其中黑垆 土代表草原环境，碳酸盐褐土和褐土代表草原一旱生森林环境，淋溶褐土指示旱生森林 环境，而棕褐壤则指示落叶阔叶林一旱生森林过渡环境。据刘东生估算，9 7 0 k ab e 以 来，黄土堆积时期占6 0 ( 5 7 9 k ab p ) ，古土壤发育时期仅占4 0 ( 3 9 1 k ab p ) ，其中 指示草原环境的碳酸盐褐土、褐土和黑垆土又占到6 9 ( 2 7 0 k a b e ) ，这说明，9 7 0 k a b p 以来，黄土高原主要是草原一干草原环境，地表植物相当稀疏。 更新世以后，黄土高原气候经过了多次的变化。植被也在森林和草原之间经历了多 次变化。 ( - - ) 、人类历史时期 人类历史时期，黄土高原植被的变化可以总结为：战国及战国以前黄土高原植被保 存着很好的天然状态，从东南往西北由森林逐渐到草原而构成，在横山、白于山、秃尾 1 6 长安大学硕七学位论文 河上游、晋西北山、陇中、陕北南部和晋西都分布着大片的森林。秦汉时候该区植被依 然有较好的天然状态，人类的活动对植被影响尚小。但是到了唐宋时期，在汾渭河流域、 关中平原已经找不到天然森林了，黄土高原植被开始遭到破坏，陕北北部逐渐在沙漠化。 明清时黄土高原植被遭受了毁灭性破坏。黄土高原植被一步步被破坏的原因主要是人类 活动造成的，但也有自然的因素。 上个世纪，黄土高原植被遭受了三个时段的破坏：五十年代的“大跃进”，六七十 年代的“文革”，七十年代“农业学大寨”，由于解放以后，中国人口猛增，也造成了黄土 高原植被破坏速度的快速增长。 2 0 世纪7 0 年代末以来黄土高原植树造林日渐被重视，截至2 0 世纪9 0 年代，吴起 县有林地1 7 9 3 万亩，灌木林2 0 7 万亩，草场总面积9 7 7 5 万亩。森林覆盖率6 3 。九 十年代以后随着政策的指导，人们对生存环境有了新的认识，通过造林种草，植被状况 有所好转，生态环境有了一定的改善。进入2 1 世纪，国家在黄土高原实行“退耕还林、 封山禁牧”政策，大面积的不适宜耕作的坡地实行退耕政策，退耕还林面积3 6 3 8 万亩， 荒山造林2 9 5 5 万亩，“三北”防护林、天保工程、飞播造林成效显著。目前区内天然植 被得到了很好的恢复，生态环境较以前有进一步改善，但仍然属于脆弱生态环境系统。 1 9 9 8 年，吴起县积极响应党中央“再造一个山川秀美的西北地区”批示精神，确立 了“封山退耕、植树种草、舍饲养羊、林牧主导、强农富民”的逆向开发战略，当年底 实现了全县整体封禁目标，1 9 9 9 年一次性退耕1 5 5 5 万亩，率先启动实施了退耕还林工 程。2 0 0 3 年提出了“生态立县”的指导思想，1 9 9 9 年以来，吴起县累计退耕还林2 3 7 1 9 万亩，林草植被覆盖率由退耕还林前的1 9 2 提高到6 2 9 ，生态状况明显改善，年均 降雨量由4 0 0 多毫米增加到5 8 2 毫米；累计完成水土流失综合治理面积1 2 7 1 平方公里， 治理度由1 9 9 7 年的3 9 7 提高到5 2 4 ，土壤年侵蚀模数由1 9 9 7 年的每平方公里1 5 3 万吨下降到0 5 4 万吨，如今，走遍吴起山川，到处呈现出“满山翠秀、鸟飞兔跃”的秀美 景观。在最新卫星遥感图上，吴起的行政区划图已显现出了绿色的轮廓，与周边甘肃、 宁夏、榆林等地形成了明显的对比。 1 7 第二章吴起区域地质环境、黄七特性和植被特征 照片2 4 吴起县绿化成果( 吴起镇) 1 9 9 8 年以来，先后被国家林业局、水利部、财政部等部委确定为“全国退耕还林试 点示范县”、“全国造林先进县”、“全国十百千水保生态环境建设先进县”、“全国林业建 设标准化示范县”、“全国水土保持先进集体”和“全国退耕还林与扶贫开发工作结合试点 县”，是全国1 5 0 多个退耕还林县中封得最早、退得最快、面积最大的县份，被称为全 国退耕还林第一县。 近年来，随着退耕还林和山川秀美工程的实施，吴起县植被覆盖率明显提高，在科 学发展观及构建和谐社会思想的指导下，生态环境将会朝着不断好转的趋势发展。 1 8 长安大学硕士学位论文 第三章植被对地质灾害的影响研究 3 1 植被的护坡机理研究【1 6 1 3 1 1 草本植物护坡机理 3 1 1 1 草本植物根系分布特征 草本植物的根系为须根，其半径一般都小于o 5m i l l ，随着土壤变深，根系密度表 现出三个特点：0 3 0 c m 土层中根系大量减少，该层内集中了9 0 的根数；3 0 7 0 c m 土 层中根系逐渐减少，该层内只有8 左右的根数；在7 0 1 5 0 c m 的土层中，根系密度最 低，仅有2 左右的根数。 学者李勇对草本植物的根系进行了大量的研究，结果表明，草本植物根量与土壤深 度的关系如下： 髟= 3 6 5 8 2 e - 。- 。s g z , 疋= 0 9 8 ， ( 3 1 ) p 0 0 1 ，g = 1 6 0 r = 0 7 8 e - 。5 7 z , r 220 9 4 ， ( 3 2 ) p 0 0 1 疗= 2 0 式中凡表示根系密度(