海南島熱帶雨林滑坡致災(zāi)因素分析

項　文，李光范，王曉亮，文　偉，劉惠江

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

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海南島熱帶雨林滑坡致災(zāi)因素分析

項文，李光范，王曉亮，文偉，劉惠江

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 海口 570228)

摘要：從地形地貌、降雨和蒸發(fā)以及人類工程活動等方面分析和總結(jié)了引發(fā)滑坡的因素，研究發(fā)現(xiàn)：海南島中高周低的環(huán)形階梯結(jié)構(gòu)的獨特地形地貌是滑坡發(fā)生的必要因素；較大年平均降雨量和蒸發(fā)量以及海南紅粘土在強降雨和蒸發(fā)下所產(chǎn)生的裂縫是滑坡發(fā)生的誘導(dǎo)因素；大量種植經(jīng)濟(jì)作物和開挖山體等頻繁的人類工程活動是滑坡發(fā)生的直接因素.

關(guān)鍵詞：熱帶雨林滑坡； 地形地貌； 降雨與蒸發(fā)； 靜止土壓力系數(shù)； 人類工程活動

滑坡是在一定自然條件下，由于降雨入滲、河流沖刷、地下水活動、人工切坡或地震等因素的影響，致使坡體內(nèi)部分土體或巖體在重力作用下，沿著一定的軟弱面或帶以水平位移為主的變形現(xiàn)象[1].滑坡災(zāi)害不僅使地質(zhì)面貌發(fā)生改變，而且摧毀道路，掩埋村莊，給人類活動造成重大損失.

海南島是我國擁有最大熱帶雨林的地區(qū)，其滑坡地質(zhì)災(zāi)害不僅使熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，而且讓人們生命和財產(chǎn)遭受重大損失.2010年10月2日，陵水縣吊羅山國家森林公園突發(fā)山體滑坡，有125名游客和13名吊羅山林業(yè)局工作人員不得不滯留山中，如圖1；2010 年10 月19日，海南省東線高速公路?？讴と齺喎较?78.1 km處的陵水境內(nèi)發(fā)生山體滑坡，如圖2；2011年9月29日，海南海榆中線一路段發(fā)生山體滑坡；2012年瓊海石壁鎮(zhèn)發(fā)生山體滑坡.據(jù)海南省2001─2010年地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查顯示[2]，海南島內(nèi)總共發(fā)現(xiàn)253處不穩(wěn)定斜坡和57處滑坡，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的37.1%，其中，大型滑坡有7處，小型滑坡50處.這些滑坡主要分布在中南部的山區(qū)和丘陵地區(qū)，且海南島的熱帶雨林區(qū)基本上分布在這些區(qū)域.

導(dǎo)致海南島熱帶雨林滑坡的因素有很多，主要分為兩類，第一類是內(nèi)部因素，也是滑坡產(chǎn)生的必要因素，這類因素主要是海南獨特的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等.第二類是外部因素，也可稱之為誘發(fā)因素，主要有降雨和蒸發(fā)以及人類工程活動.

1地形地貌對熱帶雨林滑坡的影響

1.1地形地貌對滑坡的影響地形地貌是滑坡地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的必要因素，也是前提條件[3].坡體發(fā)生滑動需要失穩(wěn)的重力勢差來作為其能量的來源，這種較大的重力勢差必須在具備有差異性較大的地形地貌條件下才能產(chǎn)生.山區(qū)的丘陵和臺地不斷隆起，加大了氣候變化的幅度，從而使得巖土內(nèi)部的風(fēng)化現(xiàn)象更加明顯.在以上因素的共同作用下，促進(jìn)了土坡內(nèi)部巖土體結(jié)構(gòu)面的大量發(fā)育，這使得巖土體產(chǎn)生變形，大大地降低了巖土體的力學(xué)性能，所產(chǎn)生的破碎巖土體逐漸發(fā)展成松散體，此時在外部誘發(fā)因素的作用下，滑坡災(zāi)害而由此產(chǎn)生.

1.2海南熱帶雨林地形地貌特征海南省位于中國最南端，地處東經(jīng) 108°37′～111°03′，北緯 18°10′～20°10′，全省陸地總面積為 3.5 萬km2.其中，熱帶天然雨林占全省面積的四分之一，主要分布在海南島中部山區(qū)和丘陵區(qū)，而主要林區(qū)則位于尖峰嶺、吊羅山和霸王嶺國家森林公園.

海南島在地質(zhì)運動的作用下，中部山區(qū)不斷抬高而形成了以五指山、鸚歌嶺為核心的，丘陵、臺地、平原依次形成環(huán)形梯級結(jié)構(gòu)的地貌，平原面積僅占海南島總面積的28.7%.海南島熱帶雨林區(qū)中的低山區(qū)、丘陵區(qū)和山前下蝕堆積平原區(qū)都具備明顯差異性的地形地貌條件，較大的重力勢差為滑坡災(zāi)害創(chuàng)造了運動條件.據(jù)資料數(shù)據(jù)顯示，海南島熱帶雨林內(nèi)的中低山區(qū)和丘陵區(qū)是各類地質(zhì)災(zāi)害點較密集的區(qū)域.

上文提到，海南島的不穩(wěn)定坡體以及滑坡共357處，且均分布在海南中南部熱帶雨林區(qū)的山地、丘陵等地方，綜上所述，海南島階梯結(jié)構(gòu)的地形地貌給滑坡的發(fā)生創(chuàng)造了極大條件，熱帶雨林區(qū)的山坡和丘陵地區(qū)是滑坡的高易發(fā)區(qū).

2降雨和蒸發(fā)對熱帶雨林滑坡的影響

2.1熱帶雨林區(qū)的土壤、降雨與蒸發(fā)情況熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)的主要氣候特征是高溫、多雨、高濕，為赤道周日氣候型.其雨林內(nèi)部山體的風(fēng)化過程強烈，母巖崩解層深厚；土壤脫硅富鋁化過程強烈，鹽基離子流失，鐵鋁氧化物相對積聚，呈磚紅色，一般這種由玄武巖和花崗巖經(jīng)過“紅土化”而形成的土稱之為紅粘土[4].海南的這種紅粘土除了具備一般的粘性特點外，還具有結(jié)構(gòu)緊密、滲透性能差以及明顯的縮脹特性等.在強降雨和強蒸發(fā)的作用下，紅粘土的縮脹現(xiàn)象極明顯，容易產(chǎn)生裂縫.隨著降雨和蒸發(fā)不斷交替地作用，裂縫持續(xù)向下發(fā)展可達(dá)4～6 m，最深處可超過10 m.

海南島是中國唯一地處熱帶地區(qū)的島嶼省份，位于熱帶北緣，屬于熱帶季風(fēng)氣候，其雨量充沛，由于離赤道很近，故其常年氣溫高，水分蒸發(fā)大.表1中記錄了海南省不同地區(qū)近30年的降雨和蒸發(fā)情況[5].

表1　海南省不同地區(qū)近30年的平均降雨及蒸發(fā)量

通過表1得出，海南省年平均蒸發(fā)量為2 000 mm，年平均降雨量為1 700 mm.由此說明，海南島的降雨和蒸發(fā)現(xiàn)象比較明顯，這促進(jìn)了紅粘土的縮脹現(xiàn)象的發(fā)生.

2.2在降雨與蒸發(fā)下的裂縫計算分析多數(shù)文獻(xiàn)顯示，滑坡的發(fā)生與非飽和土中的基質(zhì)吸力有著潛在聯(lián)系[6].在非飽和土中，基質(zhì)吸力對靜止土壓力和抗剪強度有著重要的影響，從而對土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性也存在著一定的關(guān)聯(lián)性.在非飽和紅粘土中，由于降雨和蒸發(fā)的作用，土體內(nèi)部會產(chǎn)生穩(wěn)定的孔隙水流，從而引起基質(zhì)吸力的變化[7].根據(jù)非飽和土理論，其廣泛使用的有效應(yīng)力的表達(dá)式[8]為：

σ′=(σ-μa)+χ(μa-μw)μ，

(1)

式中(σ-μa)為凈壓力；χ為有效應(yīng)力系數(shù)；χ(μa-μw)為基質(zhì)吸力.

根據(jù)VanGenuchten水-土特征曲線函數(shù)[9]，可得到以下降雨及蒸發(fā)條件下的非飽和土吸力表達(dá)式(2)：

(2)

式中：ks為非飽和土的滲透系數(shù)；rw為水的重度；q為非飽和土的穩(wěn)定流速，正值代表蒸發(fā)，負(fù)值代表降雨入滲；a，n，m為VanGenuchten水-土特征曲線的擬合參數(shù)；z為計算點離地下水位的距離.

據(jù)吳曉峰等人[10]在降雨和蒸發(fā)下基質(zhì)吸力與靜止土壓力關(guān)系的研究，可得出靜止土壓力系數(shù)K0的表達(dá)：

(3)

式中：σx，σz為水平x方向和豎直y方向上的應(yīng)力分量；v為泊松比；

將(2)式帶入(3)式可得到以下靜止土壓力系數(shù)與穩(wěn)定流之間的關(guān)系式：

(4)

引用文獻(xiàn)[10] 中海南島紅粘土的相關(guān)參數(shù)，設(shè)地下水位在地下10m處，天然密度取1.87g·cm-3，泊松比v=0.33，飽和滲透率Ks=8.6×10-8m·s-1.通過實驗得到參數(shù)a=0.006kPa-1，n=1.8，m=0.44.蒸發(fā)和降雨各取2個穩(wěn)定流量，蒸發(fā)時：q=1.15×10-8m·s-1，q=2×10-9m·s-1，降雨時：q=-3.1×10-8m·s-1，

q=-5×10-9m·s-1.將以上數(shù)據(jù)代入到(4)，可得到靜止土壓力系數(shù)K0與離地下水位的距離z之間的關(guān)系(如圖3).

圖3為在降雨和蒸發(fā)條件下紅粘土的K0值的變化情況.從圖3中能看出，3種情況下的靜止土壓力系數(shù)K0隨著z的增大而減小.在臨近地表處，各曲線斜率增大，靜止土壓力驟減，并出現(xiàn)了由正值向負(fù)值發(fā)展的現(xiàn)象，由此可知，土體在臨近地表的時候，側(cè)向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，這與以往的飽和土靜止土壓力理論中的K0總大于零的情況不同.由此可知，這種靜止土壓力的變化是形成裂縫的主要因素，在海南島雨量多和蒸發(fā)量大的情況下，更容易形成地裂縫.裂縫將土體分割成幾塊，塊與塊之間容易形成滑動面；降雨時，雨水通過裂縫迅速滲透入到土體內(nèi)部，土體自重增加，增加了下滑力；雨水下滲，在土體內(nèi)部塊與塊之間起到了潤滑作用，使得土體抗滑力下降；增加下滑力，減小抗滑力，安全系數(shù)下降，大大增加了滑坡的發(fā)生.

3人類工程活動對熱帶雨林滑坡的影響

3.1植被破壞海南島熱帶雨林有最為豐富的生物資源，迄今所發(fā)現(xiàn)的植物種類有4 200余種，繁多的植物種類構(gòu)成了復(fù)雜多樣的植物群落；同時，獨特的熱帶季風(fēng)氣候使得該島四季長青，森林覆蓋率達(dá)53%.近年來，隨著海南省經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，熱帶雨林大面積地遭到破壞，自2010年起，綠色和平組織通過分析衛(wèi)星影像和實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，海南島中部山區(qū)雨林在過去10年消失了7.2×104hm2，占雨林總面積的24.7%.導(dǎo)致熱帶雨林大面積退縮的原因主要有兩個：一是在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下，海南省熱帶雨林原有居民在砍伐熱帶雨林后，于山坡地之上大量種植檳榔樹、荔枝樹等經(jīng)濟(jì)作物；二是開發(fā)旅游景區(qū)，如尖峰嶺、吊羅山和霸王嶺3個國家森林公園的開發(fā)；又如盤山公路、雨林棧道的修建等，從而造成原有的熱帶雨林生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞.

植被對土坡的穩(wěn)定性具有重要影響，在原有土坡上植被覆蓋繁密，草本植被的根系對表層土具有粘結(jié)力，它可起護(hù)坡的作用，同時可減小降雨時雨水對土體表層的沖刷和雨水的滲透，降低裂縫的形成，減小滑坡發(fā)生的機率.可是一旦土體表層的植被遭到破壞后，以上的作用就大大降低，從而大大地促進(jìn)了滑坡的發(fā)生.

3.2經(jīng)濟(jì)作物根系的固土效應(yīng)植被遭破壞后，取而代之的就是經(jīng)濟(jì)作物的大面積種植.據(jù)海南島地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查統(tǒng)計，海南島的滑坡點有57處，其中因開荒毀林、不合理開荒種植經(jīng)濟(jì)作物而誘發(fā)滑坡的有44處，占全島滑坡地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的77.2%，香蕉樹、檳榔樹等經(jīng)濟(jì)作物種植區(qū)坡面上的滑坡成為了近兩年來滑坡發(fā)生的主要區(qū)域.王曉亮[11]等人研究了吊羅山國家森林公園內(nèi)所種植的檳榔樹的根系，發(fā)現(xiàn)檳榔樹根系對土體的抗剪強度有一定的影響.通過對根系的三軸試驗得出，檳榔樹根系對土體的粘聚力c值有較大的影響，但對內(nèi)摩擦角值的影響卻不大.檳榔樹根系入土較淺，根在豎直方向上的深度為0～40cm，水平方向的范圍可達(dá)30～100cm，它對表層土有一定的固土效應(yīng)，但對深層土則不具備固土效應(yīng)；檳榔樹樹干較高且不分枝，其枝葉集中在樹頂處，這大大降低了它對雨水的攔截效應(yīng)；而在種植檳榔樹時又要求土地裸露，這更加大了雨水對土體表面的沖刷，使?jié)B透加劇，從而使土坡的穩(wěn)定性降低.

3.3海南島旅游業(yè)的發(fā)展加劇了對山坡的開挖隨著海南島旅游業(yè)的發(fā)展，公路以及旅游區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需要迅速發(fā)展，尤其是公路建設(shè)已成為發(fā)展海南旅游業(yè)的重要部分，因此，對熱帶雨林的開發(fā)和利用也越來越大.在熱帶雨林區(qū)，由于山區(qū)的地形崎嶇不平，因此修建公路時，多數(shù)采用的是開挖坡腳的方式，這極易使邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)，從而導(dǎo)致滑坡發(fā)生.在對吊羅山、霸王嶺、尖峰嶺等國家森林公園的考察中，多數(shù)小型滑坡發(fā)生在道路兩旁，如圖4.

其次，從調(diào)研的情況來看，旅游區(qū)的房屋多數(shù)是采取削坡建造的方式.由于熱帶雨林區(qū)的地勢常高低不平，因此需通過削坡來平整場地，而這種方式也破壞了原有土坡的穩(wěn)定性；在土坡上建設(shè)房屋等基礎(chǔ)，這相當(dāng)于在原有坡體上施加了荷載，由于削坡后土體的穩(wěn)定性下降了，其抗剪強度也相應(yīng)降低，因此在其上修建房屋等基礎(chǔ)設(shè)施會增加其額外的荷載，由此而產(chǎn)生的剪切力極易超過土體本身的抗剪強度，從而產(chǎn)生剪切破壞，如圖5.

4總結(jié)

基于海南島地形地貌、降雨與蒸發(fā)以及人類工程活動3種因素，分析和總結(jié)了熱帶雨林滑坡發(fā)生的影響過程.

(1)海南島獨特的中高周低的環(huán)形梯級結(jié)構(gòu)的地形地貌，是熱帶雨林滑坡產(chǎn)生的前提條件.

(2)海南島年平均降雨量和年平均蒸發(fā)量較大，從而使分布廣泛的紅粘土易產(chǎn)生明顯的縮脹現(xiàn)象，形成土體裂縫.通過對裂縫的數(shù)值計算可知，在降雨及蒸發(fā)條件下所產(chǎn)生的穩(wěn)定流使得紅粘土的靜止土壓力系數(shù)K0不斷變化，且出現(xiàn)負(fù)值，這使得土體的側(cè)向力由壓應(yīng)力變成拉應(yīng)力，形成裂縫；在臺風(fēng)、強降雨情況下，雨水滲透加快，從而降低了土體的抗剪強度.

(3)植被遭到破壞、經(jīng)濟(jì)作物的種植以及開挖山坡等人類工程活動會影響土坡的穩(wěn)定性.熱帶雨林中的植被繁密，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其護(hù)坡效果明顯，但種植經(jīng)濟(jì)作物和開挖山坡后，植被大面積地消失，結(jié)果影響了土坡的穩(wěn)定性，在調(diào)研過程中也發(fā)現(xiàn)，滑坡發(fā)生地均為植被遭到不同程度破壞之處.

(4)地形地貌、降雨與蒸發(fā)以及人類工程活動三者的耦合作用是造成海南島熱帶雨林滑坡發(fā)生的最主要的方式.

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Factors of Leading to Hainan Tropical Rainforests Landslide

Xiang Wen, Li Guangfan, Wang Xiaoliang, Wen Wei, Liu Huijiang

(College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228，China)

Abstract：Based on topography, rainfall and evaporation, and human engineering activities, etc., the factors triggering landslides were analyzed and summarized. The results indicated that the unique topography of ring ladder structure of Hainan Island, in which the central region is higher and around is lower, was the necessary factor of landslides; the induction factors of landslide were the heavy average annual rainfall and evaporation capacity, red clay leading to cracks in Hainan under the heavy rainfall and evaporation; the direct factors of landslide included the planting of a large number of economic crops and the engineering activities such as the excavation of the mountains.

Keywords：tropical rainforest landslide; landform; rainfall and evaporation; coefficient of earth pressure; human engineering activities

中圖分類號：TU 43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0030

文章編號：1004-1729(2015)02-0162-05

收稿日期：------------------------ 2014-10-24基金項目： 海南省社會科技發(fā)展專項項目(SF201456)； 海南大學(xué)中西部重點領(lǐng)域建設(shè)的項目計劃(ZXBJH-XK011)；“十二五”科技支撐計劃項目(2013BAK05B03)

作者簡介：項文(1990-)，男，安徽安慶人，海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院2013級碩士研究生通信作者： 李光范(1959-)，男，博士、教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：巖土工程，E-mail: lgf1728@163.com