震區(qū)泥石流流域內(nèi)滑坡物源根系固土效應分析

張 旭，唐 川

(成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

0 引言

2008年5月12日發(fā)生的汶川大地震，引發(fā)了多達56 000處的山體滑坡與崩塌[1]，由這些崩滑產(chǎn)生的松散碎屑物，大量堆積在泥石流溝道岸坡或直接進入溝道，為泥石流的發(fā)生提供了充足的松散物源。如汶川縣映秀等地于2010年8月13日至14日暴發(fā)的群發(fā)性泥石流，及汶川縣綿虒鎮(zhèn)等地于2013年7月10日暴發(fā)的群發(fā)性泥石流等諸多震后泥石流事件中的主要物源均來自于汶川地震產(chǎn)生的崩滑堆積物[2，3]。有學者指出，該類后發(fā)型地震泥石流的強烈性活動，將持續(xù)10～15a甚至30a[4，5]。故此，對泥石流流域滑坡堆積物源進行進一步的研究有著很大的必要性。

2019年8月20日在汶川地區(qū)暴發(fā)的群發(fā)性泥石流事件，證實在震區(qū)的后發(fā)型地震泥石流活動性短期內(nèi)并沒有減弱的趨勢，但震區(qū)被地震破壞的植被在整體上卻已經(jīng)得到很好的恢復，因崩滑產(chǎn)生的裸露地表多數(shù)已經(jīng)再次生長植被。例如，有學者對龍溪河流域植被的NDVI值進行定性定量分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域受地震破壞的滯后效應影響，在2010年附近NDVI數(shù)據(jù)出現(xiàn)最低點，但在2015年基本恢復到震前水平[6]。也有學者以綿遠河流域為研究對象，分析其2008年至2013年的遙感影像，發(fā)現(xiàn)裸露的崩滑體面積有所下降，亦即其植被蓋度也是有所增加[7]。通過野外調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，很多泥石流流域內(nèi)的滑坡堆積體已經(jīng)恢復有各類植被。但多數(shù)堆積在溝道內(nèi)的、具有一定活動性的堆積體，則因受土質(zhì)、水文和恢復時間等因素影響，以恢復草本類植物的居多。而植被的恢復，對這些滑坡堆積體的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生一定影響。比如，植被的根系對于穩(wěn)固土體有著十分重要的作用，布滿植物根系的土壤具有類似“鋼筋混凝土”的構造，抗剪切強度可以得到極大提高[8]。

對于植被根系的這種“加筋效應”，目前已經(jīng)取得了豐富的研究成果。例如，在1977年，Waldron 通過大量植物根系含根土的直剪試驗提出了根土相互作用的力學模型[9]；1996年中國學者楊亞川等開展了草本植物根系土的室內(nèi)直剪試驗，指出根土復合體的抗剪強度與根土復合體的被施加正壓力大小關系依舊符合庫倫定理，而且含根量的增加可以有效提高復合土體的粘聚力，但對內(nèi)摩擦角影響不大[10]；周躍也曾針對云南松幼樹垂直根做過野外現(xiàn)場直剪試驗研究，并提出松樹垂直根可以使根系土層的整體抗剪強度平均提高0.98MPa，使土層對斜向滑動的阻力提高了42.09%，并且同時進行模型預測，預測值為平均達到2.67MPa，他認為實際值在兩者之間[11]；宗全利等曾在塔里木河流域進行野外取樣，并對取樣器取得的根土復合體原狀土進行室內(nèi)剪切試驗，同時提出了根據(jù)根系剛性狀態(tài)與柔性狀態(tài)建立的根土復合體的根—土互相作用力學模型[12]。

雖然當前關于植被根系對土體抗剪強度的影響已取得大量成果，但多針對植物根系在邊坡治理或增加斜坡體與岸坡淺層土體穩(wěn)定性等方面中發(fā)揮的作用等現(xiàn)實問題，而基于試驗的滑坡物源根系固土效應分析的研究相對匱乏。

基于這一研究現(xiàn)狀，筆者通過設計并進行根土復合體的抗剪強度試驗，探討了不同根系類型、根系密度以及含水率情況下，草本植被根系對強震區(qū)泥石流流域滑坡堆積物源抗剪強度的影響。這既是對強震區(qū)滑坡物源演化研究的一個完善與豐富，也可對災害預測及其演化規(guī)律的研究起到一定指導作用。

1 研究區(qū)概況

基于影像資料、地勘資料以及野外調(diào)查，最終選定簇頭溝流域為主要的研究區(qū)域。簇頭溝位于汶川縣綿虒鎮(zhèn)岷江右岸，溝口為簇頭村，距離綿虒鎮(zhèn)約2.2 km，且溝口有國道與高速路通過，綿虒鎮(zhèn)服務區(qū)就在其附近。

簇頭溝流域面積約為21.7 km2，溝道總長達8.9 km，主溝平均縱坡降184‰。在“5.12”大地震發(fā)生后，簇頭溝流域內(nèi)崩滑體面積共約5.76 km2，松散堆積物方量共約1 108×104m3，泥石流物源總量約40×104m3[13]。如圖1(見封二圖版Ⅰ圖1)為研究區(qū)位置與概況圖，2017年簇頭溝流域崩滑體面積總和約為4.33 km2。

簇頭溝歷史上少有泥石流暴發(fā)事件，據(jù)調(diào)查1930年曾暴發(fā)過一次小規(guī)模的泥石流，且未造成傷害。直至汶川大地震發(fā)生，對山體巖層結構造成嚴重破壞，斜坡體穩(wěn)定性降低，流域內(nèi)產(chǎn)生大量崩滑堆積體，為泥石流的暴發(fā)提供了充足物源。2013年7月10日，簇頭溝在經(jīng)過連續(xù)降雨后暴發(fā)了大規(guī)模的泥石流，對溝口外的居民與道路交通等造成嚴重破壞，并因堆積扇阻斷岷江，形成了更加嚴重的危害。在2019年8月20日，簇頭溝又一次暴發(fā)大規(guī)模泥石流，在淤滿攔擋壩后再次沖毀了溝口的村落與道路。

2 試驗設計及過程

2.1 野外調(diào)查及取樣

試驗選定的主要研究對象為簇頭溝流通區(qū)內(nèi)一處滑坡堆積物源。該坡體位于簇頭溝泥石流攔擋壩1號壩外側(cè)不遠處，前緣突出，進入泥石流溝道內(nèi)部，無防護措施，若在降雨條件下起動，或是在暴發(fā)泥石流時匯入泥石流，都將對溝口的簇頭村造成破壞。

此外，該坡體上有較多草本植被恢復，主要包括3種根系各不相同的植被類型，除此之外幾乎沒有其他種類植物生長，坡體含根層土體級配分布也較為均勻。并且，該坡體附近有道路直通溝外，便于取樣。

如表1所示，通過在坡體不同位置挖制土壤剖面，筆者發(fā)現(xiàn)坡體含根層平均厚度為30cm，且含根層的土體，明顯土壤比重較高，含根層以下土體則碎石、礫石等比重更高，基本沒有根系延展。同時，我們也在坡體不同位置取樣測量并經(jīng)過計算得到含根層土體的平均容重為1.615 g/cm3。表2即為以上各點的具體坐標，圖2(見封二圖版Ⅰ 圖2)為滑坡堆積體無人機正攝圖與各測量點位置以及堆積體剖面圖和正面影像(0點為即前緣坐標測量點)。

經(jīng)調(diào)查，該滑坡堆積體恢復的植被主要是圖3(a)所示的中華草沙蠶、圖3(b)所示的細裂葉蓮蒿和圖3(c)所示中華山蓼。

通過觀察不同植被根系的分布情況發(fā)現(xiàn)：(1)中華草沙蠶的須狀根在土體內(nèi)呈網(wǎng)狀交錯分布，根須稠密，在嘗試將不同生長狀況的草沙蠶拔出土體時發(fā)現(xiàn)其抗拉拔強度較強，且可以帶出大量土壤，但因根須較細也極易發(fā)生根須被拉斷的現(xiàn)象；(2)細裂葉蓮蒿的根系分布則以主根深扎為主，須根向四周輻射，抗拉拔強度高，不易拔出土體，且根系不易損壞；(3)中華山蓼主要為根狀莖分布在土體內(nèi)，因根莖質(zhì)脆，在嘗試拉拔時極易拉斷。

表2 典型測量點坐標

隨后我們采用兩種方法測量了植物的根系密度。第一種是以單棵植株為中心，挖制15 cm×15 cm×20 cm(深)的樣方，測量并計算根系重量與根土復合體總重的質(zhì)量比；第二種方法為使用環(huán)形取土器分別在植株周邊的不同位置采取土樣，然后測得其根系密度(質(zhì)量比)。前一種方法側(cè)重單株植物根系的分布情況，后者則更側(cè)重于不同位置土體內(nèi)某種植物根系的分布情況。

圖3 3種植被及其根系

根系密度的測量結果如表3所示，其中采用樣方法時，對每種植物分別選擇3棵不同長勢的植株進行測量，采用環(huán)刀法時則分別選擇植株周邊的四個位置進行測量。

表3 植被根系調(diào)查

此外，在現(xiàn)場也利用拉力計進行了根系抗拉力的簡化測試，以對比不同植被類型根系單根抗拉力的大小。測試結果如表3所示，可以看出，3種根系抗拉力由大到小依次為細裂葉蓮蒿、中華山蓼、中華草沙蠶。

最后在現(xiàn)場對滑坡堆積物源含根層土體進行了取樣，取樣工作主要包括4項內(nèi)容：(1)挖取含根層土體樣方，并帶回實驗室供測量其土體級配使用；(2)挖取含根層土體，現(xiàn)場測量并記錄其濕重，然后帶回實驗室供測量其含水率使用；(3)挖取不同植被根系，并附帶潮濕土壤，以塑料袋包裹，帶回實驗室供剪切試驗使用；(4)在不同位置挖取含根層土體，一并帶回實驗室，供剪切試驗使用。

圖4 根系抗拉力測量

2.2 試驗參數(shù)獲取及設置

在實驗室中將用于測量含水率的土樣進行烘干，測量其干重，計算出天然含水率為7.5%。依據(jù)這一數(shù)據(jù)，并聯(lián)系野外實際情況，設置剪切試驗的含水率參數(shù)分別為3%、5%、7.5%和9%四組。

對于試驗土樣的級配配置，只考慮含根層土壤的級配情況。將用于測量土體級配的土樣烘干并按照土工試驗標準測得其土體顆粒級配。因考慮到剪切試驗所使用設備要求土體粒徑不能超過20 mm，故需對試驗土樣進行超粒徑處理。土樣處理前(天然級配)與處理后的級配曲線對比(圖5)。

圖5 級配曲線

由級配曲線可以看出，含根層土體的d50約為4.3 mm，粉粒與粘粒含量較高，達到9.22%，砂粒含量也高達24.82%，礫石含量為58.87%，卵石(碎石)含量只有7.09%，總體來看，土體顆粒較細。因碎石含量很低，并且采用了替代法對土樣進行的超粒徑處理，故可以保證級配的改變對試驗結果的影響最小。

對于含根量的參數(shù)設置，主要參考野外用兩種方法測得的不同植被根系含根量，并考慮剪切盒大小與埋根難度等室內(nèi)情況，每種根系保證至少有一組參數(shù)接近或者大于野外測得的最小含根量，其余組數(shù)含根量隨機設置并相互保持明顯差距。此外，剪切盒內(nèi)土體容重與野外測得的含根層平均容重保持一致。本次室內(nèi)根土復合體直剪試驗的具體參數(shù)設置如表4所示。

其中3種根系的根土復合體直剪試驗分別考慮4種含水率情況。在7.5%含水率情況下，細裂葉蓮蒿分設4組含根量情況，中華草沙蠶分設5組含根量情況，中華山蓼因根系特征在野外分布差異不大，只分設3組含根量情況，通過這樣的參數(shù)設置，探究同一含水率下，3種根系的含根量對根土復合體抗剪強度的影響分別有什么不同。其中含根量為0即為素土(不含根土體)，只在4組含水率情況下各做一組，探究含水率對該坡體土體的抗剪強度的影響，并作為每組含根量變化試驗中的對比基準。本次直剪試驗根據(jù)參數(shù)變化共計22組。

表4 試驗參數(shù)設置

2.3 試驗過程

本次室內(nèi)直剪試驗使用的設備為YDS-1型攜帶式巖、土力學性質(zhì)多功能試驗儀，如圖6所示。試驗過程嚴格按照《土工試驗標準》與試驗設備操作說明以及實驗室規(guī)范進行，首先根據(jù)試驗參數(shù)制備土樣，然后按步驟進行試驗。試驗過程主要分為以下幾步：

(1)裝樣

向剪切盒內(nèi)填充土樣時，根據(jù)剪切盒體積與野外現(xiàn)場測量的土體容重計算出每組試驗所需土體重量，并對填裝的土體進行壓實。

填充時按照操作說明的規(guī)定分三層裝樣，且分別用濾水紙隔開。埋置根系時，盡量按照野外觀察到的根土分布現(xiàn)象仔細地填埋，以期在人工填埋情況下最大程度減少其對試驗結果造成的影響，且保證所填埋根系跨過剪切盒的剪切面，增加試驗結果可靠性。

(2)剪切

完成裝樣后，將剪切盒放到直剪儀上，并將其移動到初始位置，調(diào)試水平應力與垂向應力加載系統(tǒng)并固定位移計，拔掉剪切盒固定插銷，然后緩慢施加法向應力到預定值后，在確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常工作情況下，緩慢進行剪應力的逐級施加，直到發(fā)生剪切破壞或達到最大剪切位移為止。

圖6 試驗設備

考慮到野外測得的含根層土體平均深度只有30 cm，對于每組試驗參數(shù)下的四組法向應力給予不宜過大，故本次試驗研究所采取的法向應力皆為0.2 MPa、0.25 MPa、0.3 MPa、0.35 MPa四組(均為表頭數(shù)據(jù))。

(3)試驗現(xiàn)象記錄

剪切完成后，分別將水平應力系統(tǒng)與垂向應力系統(tǒng)卸去壓力并移開位移計，取下剪切盒，然后輕輕拆下上層剪切盒，清理上部土體至剪切面，觀察、記錄根系的破損或位移現(xiàn)象。

(4)數(shù)據(jù)處理

收集四組試驗數(shù)據(jù)，利用直剪設備操作說明中的碎石土剪切試驗換算公式將壓力表表頭數(shù)據(jù)換算成實際數(shù)據(jù)，并繪制不同法向應力下的剪應力與位移關系曲線，得到最大抗剪強度并繪制其與對應法向應力的散點圖，做出趨勢線，得到該組參數(shù)下土體的粘聚力c及其內(nèi)摩擦角的正切值tanφ。

3 根土復合體抗剪強度分析

3.1 試驗現(xiàn)象分析

在試驗結束后，發(fā)現(xiàn)大部分植物根系并沒有被剪斷，但是明顯在土體內(nèi)發(fā)生位移，且根部表皮有被磨損破壞的現(xiàn)象。

經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，細裂葉蓮蒿根系基本沒有剪斷現(xiàn)象發(fā)生，但是部分較細根須有被破壞；中華草沙蠶有較多細根須被拉斷或是磨損；中華山蓼根莖表皮破壞不明顯，但有部分根莖在土體剪切破壞過程中被拉斷。這些室內(nèi)試驗現(xiàn)象與在野外進行的根系拉拔試驗所觀察到的現(xiàn)象基本吻合。

圖7 根系試驗現(xiàn)象

如圖7所示，(a)為試驗裝樣過程中，對細裂葉蓮蒿進行填埋時的影像；(b)為該組試驗結束后，根系與下剪切盒的影像。對比可以發(fā)現(xiàn)，根系在土體內(nèi)位置明顯發(fā)生移動，部分根系明顯傾斜或是有向上拔出的跡象。

圖8 根系破壞現(xiàn)象

圖8所示為試驗過程中的部分根系被剪切破壞的現(xiàn)象。(a)圖為細裂葉蓮蒿在試驗后根系存在一定程度的破損現(xiàn)象；(b)圖所示為在試驗后中華草沙蠶較細根須多數(shù)被拉斷或破損；(c)圖為中華山蓼部分根系在試驗后被拉斷的試驗現(xiàn)象。

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

素土的直剪試驗數(shù)據(jù)結果如圖9所示?？梢钥闯觯瑢τ谕缓实乃赝?，其抗剪強度隨法向應力增加而變大；而在不同含水率情況下，其抗剪強度又有所不同。以法向力為0.35 MPa為例，明顯在含水率為7.5%時土體抗剪強度最大，且向兩側(cè)依次減小。

圖9 素土的法向力-抗剪強度關系曲線以及剪應力-位移關系曲線

相對應的，該土體的粘聚力與內(nèi)摩擦角也在7.5%含水率情況下達到最大，說明其最佳含水率應在7.5%附近。

表5 素土的粘聚力值與內(nèi)摩擦角值正切值

表5為素土在不同含水率情況下的土體粘聚力值與內(nèi)摩擦角正切值?？梢钥闯?，在含水率為7.5%時，粘聚力達到15 kPa，內(nèi)摩擦角正切值則達到0.481，即其內(nèi)摩擦角為25.7°，較為接近堆積物源坡體的休止角(野外測得的堆積體坡度為33.2°)。

圖10 抗剪強度與含水率關系曲線圖

其后，在進行根土復合體的直剪試驗時，發(fā)現(xiàn)在同一法向力下，依舊是含水率為7.5%時抗剪強度最大，向兩側(cè)依次減小，如圖10所示。其中圖(a)為素土的試驗結果，圖(b)為含根量Rc=0.15%的細裂葉蓮蒿根系試驗結果，圖(c)為含根量Rc=0.23%的中華草沙蠶根系試驗結果，圖(d)為含根量Rc=0.23%的中華山蓼根系試驗結果。

圖11 粘聚力與含水率關系曲線圖和內(nèi)摩擦角正切值與含水率關系曲線圖

對應的，土體的粘聚力與內(nèi)摩擦角也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢。如圖11所示，(a)為粘聚力與含水率的關系曲線，(b)為內(nèi)摩擦角與含水率的關系曲線。

這些數(shù)據(jù)表明，土體內(nèi)是否加入根系，并不影響土體的抗剪強度、粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率變化的趨勢；加入根系后，土體的最佳含水率并不會發(fā)生改變。此外，若是對這幾組數(shù)據(jù)進行縱向?qū)Ρ?，會發(fā)現(xiàn)植物根系的加入，明顯提高了土體的粘聚力，且提高效果各不相同，但土體的內(nèi)摩擦角則基本不受影響。

表6 不同含水率下土體的粘聚力與內(nèi)摩擦角正切值

表6為不同含水率情況下，各類根土復合體以及素土對應的粘聚力值和內(nèi)摩擦角正切值。聯(lián)系圖11(a)可以看出，不僅3種根土復合體的粘聚力均大于素土，而且它們之間也有明顯的大小順序關系。其中，相對于素土粘聚力提高最為明顯的是加入細裂葉蓮蒿根系的根土復合體；其次為加入中華山蓼根系的根土復合體；再次則為加入了中華草沙蠶根系的根土復合體。這和在野外進行的3種植被根系的抗拉力測試試驗結果相對應，可以互相作為驗證。

由圖11(b)與表6可以看出，相對于粘聚力，根系對于土體內(nèi)摩擦角的影響卻并不明顯。

此外，通過在試驗中保持含水率一致(7.5%)，改變根土復合體的含根量大小，觀察到根系密度(含根量)也對土體的粘聚力大小有較為明顯的影響，但對土體內(nèi)摩擦角影響不大。

表7 不同含根量的根土復合體粘聚力與內(nèi)摩擦角正切值

如表7所示為不同含根量的根土復合體粘聚力與內(nèi)摩擦角正切值(含根量為0即為素土)。從表中可以看出，當含水率不變時，根土復合體的粘聚力隨含根量增加而變大，且增加比率各有不同，其中，細裂葉蓮蒿根系的粘聚力—含根量關系曲線K值達到3.404 2，中華山蓼為3.066 4，中華草沙蠶則只有2.482 7。但是各組內(nèi)摩擦角則沒有明顯變化。說明含根量的增加主要是對土體的粘聚力有所影響，對其內(nèi)摩擦角則基本沒有影響。

4 結論與討論

綜合本次根土復合體抗剪強度研究的試驗，可以得出以下幾點結論。

草本植被根系可以有效提高土體的抗剪強度，但主要表現(xiàn)為其對土體粘聚力的提高，對于內(nèi)摩擦角的影響則相對較小。這表明，草本植被的根系可以通過增加土體抗剪強度有效提高滑坡堆積物源含根層土體的穩(wěn)定性，使其不易在降雨侵蝕中起動破壞。

草本植被根系在對土體抗剪強度的影響中，并不會改變土體的最佳含水率，根土復合體依舊表現(xiàn)為在最佳含水率時粘聚力與內(nèi)摩擦角達到最大，含水率增加或減小時粘聚力與內(nèi)摩擦角則逐次減小的趨勢。滑坡堆積物源含水率的變化主要由降雨引起，因此，恢復植被的坡體也許在相同的降雨強度或歷時的情況下表現(xiàn)得更為穩(wěn)定，但依舊會隨著持續(xù)降雨，坡體的抗剪強度先增加再逐漸減弱，直至達到臨界并發(fā)生破壞。

對于同一含水率，3種植被根系增強土體抗剪強度的程度各有不同，細裂葉蓮蒿增強效果最好，中華山蓼次之，再次則為中華草沙蠶。說明3類植物中抗拉力最強的木質(zhì)根系對滑坡堆積物源的穩(wěn)固作用最好。

對于同一含水率和同種草本植被根系，隨著含根量的增加，根土復合體粘聚力也越來越大，土體抗剪強度的提高越來越明顯。也就是說，隨著時間發(fā)展，堆積物源上的植被恢復如果越來越好，則堆積物源的穩(wěn)定性也會逐步提高。

土體在剪切破壞過程中，根系在土體內(nèi)的位置會發(fā)生變化。所以，根系在土體內(nèi)呈網(wǎng)狀交織分布的中華草沙蠶這類須根系植被，因相對不易發(fā)生位移或被拔出，對于坡體的穩(wěn)固也可以起到獨特的作用。雖因根須較為脆弱而容易被破壞，對土體抗剪強度的增加也相對較小，但這一不足卻可以通過提高含根量來彌補。

綜合本次試驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)成果可以看出，泥石流流域內(nèi)滑坡堆積物源上草本植被的恢復，對于物源的穩(wěn)定性有明顯的益處。雖然由于草本植物根系扎根不深，含根層一般只是覆蓋坡體表層，但由于根系的改善土體入滲條件以及本文研究表明的對土體抗剪強度的提高作用，減少了坡體的水土流失，使得根系也間接的對整個坡體起到了一定保護作用。隨著時間發(fā)展，在坡體不受明顯破壞的情況下，各泥石流流域內(nèi)的滑坡堆積體植被的蓋度、豐富度都將逐步提高，意味著土體內(nèi)根系的密度和種類都會有所增加，坡體穩(wěn)定性也會逐漸加強。聯(lián)系前面提及的強震區(qū)泥石流物源多數(shù)為流域內(nèi)崩滑堆積體，可以預測，隨著泥石流流域植被的恢復，泥石流的活動性也將逐步減弱。

致謝：感謝成都理工大學地災實驗室提供的試驗平臺。感謝試驗過程中，唐海、熊江、帖宇、豐強和羅玉婷等研究生提供的幫助。感謝博士生龔凌風兩位的指導。