植被對臺風(fēng)暴雨型滑坡發(fā)育的促進作用

孫 強, 張?zhí)? 伍劍波, 韓 帥, 趙 陽

(中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016)

0 引言

我國是全球遭受滑坡災(zāi)害影響最為嚴重的國家之一。據(jù)全國地質(zhì)災(zāi)害通報統(tǒng)計，2015—2021年間,我國發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害34 602起，因災(zāi)死亡1 337人,直接經(jīng)濟損失134.9億元，其中滑坡是最主要的地質(zhì)災(zāi)害類型，約占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的70%[1]。

在臺風(fēng)及期間強降雨的耦合作用下，我國的東南沿海地區(qū)常發(fā)生大規(guī)模的山體滑坡，直接或間接地給群眾生命和經(jīng)濟財產(chǎn)造成重大損失。例如： 1996年7月31日至8月1日，臺風(fēng)“賀伯”在臺灣省觸發(fā)滑坡1 315 處、泥石流 20 多處，致使 73 人死亡、463 人受傷，財產(chǎn)損失達 10 億美元[2]； 2016年9月27日至28日，臺風(fēng)“鲇魚”在浙江省和福建省誘發(fā)大量的山體滑坡、崩塌和泥石流，造成32人死亡、3人失蹤[3]。近年來臺風(fēng)暴雨誘發(fā)滑坡的數(shù)量呈增加趨勢[4-5]。

臺風(fēng)暴雨型滑坡的影響因素除了臺風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)強變頻、暴雨強度、降雨時長、總雨量等，還有山體坡度、坡向、巖組結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、植被、高程等特征[6-7]。植被通常被認為對防止滑坡的發(fā)生具有積極作用，植被的覆蓋率越低，滑坡越發(fā)育[8]。前人研究普遍認為植被對邊坡穩(wěn)定性的影響主要與根系有關(guān)，根系加固增加了淺層土壤的抗剪強度[9]。同時，植被冠層有利于降雨截留，減少雨水的入滲，增加蒸發(fā)，抑制土壤含水率的增加，降低土壤抗剪強度的衰減程度，有利于斜坡的穩(wěn)定性[10-11]。然而，植被對滑坡發(fā)育的影響，目前存在較大的爭議[12]。部分研究成果顯示，許多滑坡上的植被根部沒有生長至滑動面，因此植被反而增加了坡體重量[13]，喬木根-土間隙和根系腐爛后形成的大孔隙也會促進降雨入滲, 對滑坡產(chǎn)生不利影響[14-16]，同時臺風(fēng)的風(fēng)荷載還會通過植被對滑坡的淺部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響[17]。但由于在臺風(fēng)暴雨作用下植被與土壤之間復(fù)雜的耦合關(guān)系，前人研究尚未明確臺風(fēng)暴雨條件下植被促進滑坡發(fā)育的具體模式及其影響程度。

為了深入分析植被與臺風(fēng)暴雨型滑坡的關(guān)系，本文研究了東南沿海飛云江流域由臺風(fēng)暴雨誘發(fā)的255處滑坡，分析了滑坡的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、形態(tài)特征、植被覆蓋類型等。在此基礎(chǔ)上開展了風(fēng)洞物理模擬實驗，初步揭示了臺風(fēng)暴雨誘發(fā)滑坡過程中植被的促進效應(yīng)。

1 研究區(qū)概況

飛云江流域位于我國浙江省東南部，發(fā)源于浙江省景寧縣洞宮山白云尖，在瑞安市流入東海，流域面積約3 252 km2，域內(nèi)最高海拔1 050 m，是該省八大水系之一(圖1)。流域多年平均年降雨量1 850 mm，降雨集中分布在4—10月。流域大地構(gòu)造單元屬華南褶皺系，浙東南褶皺帶泰順—祖州斷拗的中部，廣泛分布著中生代火山巖，燕山期地質(zhì)構(gòu)造、火山噴發(fā)、巖漿侵入活動強烈，酸性、中酸性侵入巖較發(fā)育。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，影響流域地貌格局的大斷裂有溫州—鎮(zhèn)海大斷裂、泰順—黃巖NE向大斷裂及松陽—平陽NW向大斷裂。流域?qū)儆趤啛釒С＞G闊葉林植被帶，主要植被群落有常綠闊葉林、針闊混交林、常綠落葉闊葉混交林、毛竹林、毛竹針葉混交林、毛竹常綠混交林和針葉林等[17]。

圖1 飛云江流域地理位置

本文收集分析了飛云江流域臺風(fēng)暴雨誘發(fā)滑坡的調(diào)查資料?；碌囊?guī)模整體較小，大多在1 000 m3以內(nèi)，屬于典型的小型淺層土質(zhì)滑坡。發(fā)生在臺風(fēng)期間的滑坡結(jié)構(gòu)具有明顯的二元特征，即下部為基巖巖層，上部覆蓋了一定厚度的松散層，厚度大部分小于5 m，處于1～2 m之間?；w總體上是由基巖原地風(fēng)化而成的含黏土、砂質(zhì)黏土、粉土、亞砂土、碎石砂土等的第四系殘坡積層或全風(fēng)化層組成?；露嘌厮缮优c下伏基巖的接觸界面或沿土層內(nèi)部軟弱面發(fā)生?；旅嫫露燃性?0°～50°之間，約占70%，其中在30°附近的分布最為集中(圖2)。滑坡面形態(tài)主要為平直狀。從時間上看，臺風(fēng)暴雨誘發(fā)的滑坡發(fā)生時間與臺風(fēng)的大風(fēng)、強降雨過程大致同步，無明顯的滯后現(xiàn)象。

圖2 滑坡面規(guī)模與坡度特征

滑坡發(fā)生地坡面生長的植被類型多樣，多為毛竹、灌木、喬木、草以及果樹、農(nóng)作物等的集合體，本研究將其劃分為喬木、灌木、竹類及草地4種主要類型。據(jù)不完全統(tǒng)計，臺風(fēng)暴雨誘發(fā)的滑坡發(fā)生地坡面上的植被類型以喬木、竹類居多，草地、灌木次之(圖3)，且坡面植被整體覆蓋較好。

(a) 滑坡發(fā)生地植被分布野外照片 (b) 滑坡發(fā)生地坡面植被占比

2 技術(shù)方法

為分析驗證臺風(fēng)條件下植被對滑坡發(fā)育的影響，本文進行了風(fēng)荷載下植被對斜坡的結(jié)構(gòu)損傷實驗。實驗平臺采用中南大學(xué)風(fēng)洞實驗室。風(fēng)洞洞體為全鋼結(jié)構(gòu)，實驗段寬12 m、高3.5 m、長18 m，風(fēng)速范圍0～20 m/s，湍流度小于1%，并配備有高頻電子壓力掃描閥、微型壓力傳感器和動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等儀器設(shè)備。

2.1 相似條件

本研究根據(jù)臺風(fēng)暴雨型滑坡的規(guī)模、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、氣象條件和實驗設(shè)備條件等因素，綜合確定相似比和模型參數(shù)。模型的設(shè)計比例為1∶16，即相似系數(shù)n的取值為16。實驗設(shè)計的三維物理模型中，主要參數(shù)的相似系數(shù)滿足以下條件：

2.2 材料制作

坡體材料采用河砂、膨脹土、黏土、重晶石粉進行配比調(diào)制，力學(xué)參數(shù)參考區(qū)域內(nèi)的經(jīng)驗值[19]。在實驗室內(nèi)進行若干組土工實驗，直到材料各項參數(shù)接近經(jīng)驗值，最終確定河砂、膨脹土、黏土、重晶石粉的質(zhì)量比例為39∶10∶39∶12。坡體模型材料各項物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 坡體模型材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模型植被

喬木高度高，風(fēng)荷載作用更加明顯，飛云江流域的喬木類型多為中喬，樹高多在10 m左右，主根系深度一般在3 m以內(nèi)，因此本次實驗選擇高度0.6 m，根系深度約0.15 m的植被模型。根據(jù)喬木的外形特征，制作了滿足要求的模型樹。模型樹的樹干和樹葉為塑料材質(zhì)，樹根采用細鋼絲制作，樹葉尺寸約2 cm×3 cm，樹冠的直徑約30 cm； 樹干的直徑約2～4 cm，模型樹根部兩側(cè)各有4條根系(共8條根系)，根系的展布范圍約15 cm。

2.4 模型搭建

模型箱為鋼制結(jié)構(gòu)，長×寬×高為1.38 m×1.00 m×0.80 m。側(cè)壁采用有機玻璃板，底部為建筑木板，設(shè)置模型斜坡坡度為35°。斜坡模型上布置了12棵模型樹，從坡頂?shù)狡履_共4排，每排3棵，編號見圖4。模型樹之間左右間隔0.4 m，前后間隔0.3 m。將植被模型固定在模型箱后，從下往上逐漸填入坡體材料，并逐層擊實(圖4)。完成后的植被模型覆蓋度(植被的葉、莖、枝在地面的垂直投影面積占坡體總面積的百分比)約77%，與飛云江流域的植被覆蓋度基本相符。

風(fēng)洞實驗室內(nèi)不能產(chǎn)生任何顆粒物，因此，實驗前用塑料薄膜覆蓋滑坡模型表面，防止因風(fēng)速過大及植被破壞導(dǎo)致顆粒物的產(chǎn)生。

圖4 建成后的坡體模型

為監(jiān)測不同風(fēng)速作用下坡面和植被上的風(fēng)壓值，模型中共安裝42處風(fēng)壓監(jiān)測管。在滑坡模型的坡腳、坡面中部以及坡頂位置分別布置3處風(fēng)壓監(jiān)測點(圖5)； 模型中共有12棵模型樹，每棵樹的樹干底部、中部和樹冠處分別布置3處風(fēng)壓監(jiān)測管，離坡面高度分別為0.1 m、0.2 m、0.35 m，以此來監(jiān)測實驗過程中植被不同高度受到的風(fēng)壓(圖5)。

圖5 模型風(fēng)壓監(jiān)測點設(shè)置

2.5 實驗工況

根據(jù)飛云江流域歷次臺風(fēng)的風(fēng)速統(tǒng)計資料，本次實驗設(shè)置4種等級的臺風(fēng)工況，分別為8～9級(熱帶風(fēng)暴)、12～13級(臺風(fēng))、16級(超強臺風(fēng))以及超過16級臺風(fēng)的極端工況。根據(jù)風(fēng)速相似比確定實驗風(fēng)速分別為8.3 m/s、10.3 m/s、13.4 m/s和17 m/s。由于風(fēng)洞實驗室的限制，每種工況的實驗時間為1 h。臺風(fēng)與坡體模型坡向的夾角設(shè)為0°。每種工況結(jié)束后，重新夯實土體，并將坡體植被重新恢復(fù)至原樣，4種臺風(fēng)工況見表2。

表2 實驗臺風(fēng)工況

3 實驗結(jié)果分析

3.1 風(fēng)荷載對斜坡推力的影響

受限于風(fēng)洞實驗室的安全要求，模型設(shè)置為迎風(fēng)坡，即風(fēng)力是作用于下滑力的反方向。但是通過分析風(fēng)荷載的大小，同樣能反映實際條件下順風(fēng)坡風(fēng)荷載對斜坡下滑力的貢獻。

按照傳統(tǒng)的剩余推力法(不考慮降雨、地下水位及其他外部荷載)僅考慮滑體自重導(dǎo)致的下滑力、摩阻力以及滑面黏聚力的作用，在不同風(fēng)荷載作用下，模型斜坡穩(wěn)定性系數(shù)的計算公式為

。

(1)

式中：Fs為穩(wěn)定性系數(shù)；WH為滑體自重，N；α為斜坡坡度，(°)；c為滑帶黏聚力，Pa；φ為滑帶內(nèi)摩擦角，(°)；L為斜坡長度,m；fp為植被的風(fēng)荷載(順坡向為正，逆坡向為負)，N。

無風(fēng)條件下，斜坡原始的抗滑力為1 394 N，下滑力為942 N，fp為0 N，斜坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.48。

當風(fēng)速為8.3 m/s時，樹冠的平均風(fēng)壓為50 Pa，樹干中部平均風(fēng)壓為36 Pa，根部底部平均風(fēng)壓為32 Pa(圖6)。將每棵樹上不同高度處受到的風(fēng)壓值乘以其對應(yīng)的寬度，可得到隨高度變化的風(fēng)荷載曲線。從植被的風(fēng)荷載曲線看，在臺風(fēng)作用下，樹冠處受到的風(fēng)荷載遠大于樹干部位(圖7)。

植被受風(fēng)荷載作用于斜坡的推力為41 N，占抗滑力的2.9%。假設(shè)風(fēng)向為順風(fēng)坡(不考慮風(fēng)力角度的影響)，下滑力將增大至983 N，穩(wěn)定系數(shù)下降至1.38。

圖6 風(fēng)速8.3m/s時11號樹的風(fēng)壓變化

圖7 風(fēng)速8.3m/s時植被模型的風(fēng)荷載變化

同理，當實驗風(fēng)速分別為10.3 m/s、13.4 m/s和17 m/s時，植被受風(fēng)荷載作用于斜坡的推力分別增大至75 N、110 N和186 N，達到斜坡抗滑力的5.4%、7.9%和13.3%，穩(wěn)定性系數(shù)降至1.34、1.24和1.17。

3.2 斜坡結(jié)構(gòu)的破壞情況

在工況一、工況二和工況三條件下，隨著風(fēng)速的增大，雖然植被的搖擺程度逐漸增強，但實驗結(jié)束后，坡體和植被未見明顯的損傷特征。在工況四條件下，當風(fēng)速達到17 m/s時，坡體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形和破壞，主要表現(xiàn)為植被傾倒、土體隆起、裂縫產(chǎn)生。實驗結(jié)束后對植被的傾倒角度進行了測量，斜坡的12棵模型樹中傾倒的樹木共7棵，模型的前兩排樹和最后一排的3號樹均發(fā)生了明顯的傾倒，其中第一排樹的傾倒角度更大(約10°)，第二排樹的傾倒角度稍小(約5°)，最后一排的3號樹樹冠處受到的風(fēng)壓較大，向后傾倒的角度為8°(圖8、表3)。

圖8 第4組實驗后植被模型傾倒狀況

表3 植被模型傾倒角度統(tǒng)計

部分植被模型下部的坡面發(fā)生隆起，隆起位置在第1排10號和11號樹的根系附近，這兩棵樹的根土結(jié)構(gòu)被破壞，隆起高度約2 cm，根系即將被拔起(圖9)。這種現(xiàn)象與實際情況相符，野外調(diào)查過程中，在強大的風(fēng)力作用下，高大的喬灌木往往被連根拔起[20]。

圖9 10～12號樹根部裂縫分布

坡體模型上第一排的10號、11號、12號樹和最后一排的3號樹的根部土體附近出現(xiàn)了裂縫，裂縫長約5～12 cm，寬0.2～0.5 cm(圖10)。與斜坡失穩(wěn)變形導(dǎo)致的拉裂縫、臌脹裂縫具有平行排列的特征不同，臺風(fēng)作用下植被撕拽導(dǎo)致的裂縫以樹的根部為中心，主要分布在樹的前側(cè)，向四周呈放射狀。

圖10 3號樹附近的裂縫分布

從上述變形破壞的現(xiàn)象中不難發(fā)現(xiàn)，斜坡的前排和最后排坡頂位置的植被根部土體最容易發(fā)生破壞。出現(xiàn)以上現(xiàn)象是由于前排植被在臺風(fēng)過程中首當其沖，受到的風(fēng)荷載也較大，作用于根部土體的力矩更大，容易造成土體的拉裂。實驗過程中發(fā)現(xiàn)與前3排植被相比，坡頂植被枝葉擺動劇烈，搖晃幅度更大，可能與位置較高，后部無其他物體阻擋而產(chǎn)生復(fù)雜的空氣擾動有關(guān)。

3.3 斜坡材料滲透系數(shù)變化特征

在每種工況實驗結(jié)束后，在坡頂2號樹和3號樹之間的位置取原狀土樣進行滲透系數(shù)的測試。圓筒的直徑15 cm，高20 cm，每次取樣深度為15 cm，獲取的滲透系數(shù)能夠較好地代表坡體材料的滲透能力(圖11)。

與原始狀況相比，在8.3 m/s、10.3 m/s、13.4 m/s的風(fēng)速條件下，坡體材料的滲透系數(shù)無較大變化，在17 m/s以上的風(fēng)速條件下，由于斜坡植被發(fā)生了明顯傾斜，根部土體產(chǎn)生了大量裂縫，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯破壞，滲透性急劇增大至原來的10倍以上。受限于實驗條件，無法觀察到植被風(fēng)荷載造成了坡體結(jié)構(gòu)性損傷，進而導(dǎo)致降雨入滲加劇的現(xiàn)象，但研究表明斜坡巖土體裂縫的增加和滲透系數(shù)的增大對斜坡的穩(wěn)定性會產(chǎn)生顯著的影響[21-23]。

圖11 滲透系數(shù)變化曲線

本文通過風(fēng)洞實驗初步揭示了臺風(fēng)、植被耦合作用對斜坡的穩(wěn)定性影響。臺風(fēng)暴雨對滑坡的誘發(fā)可以分為兩個方面： 一方面臺風(fēng)、植被搖曳導(dǎo)致土體松動、裂縫產(chǎn)生和滲透性增加，進一步增加了降雨入滲軟化土體的作用; 另一方面臺風(fēng)荷載通過植被作用影響斜坡附加的下滑推力，實驗證明了在強烈的臺風(fēng)作用下，不能忽視臺風(fēng)-植被-斜坡的力學(xué)機制。

5 結(jié)論與現(xiàn)存問題

5.1 結(jié)論

(1)飛流江流域臺風(fēng)暴雨型滑坡基本上是第四系殘坡積層的淺層土質(zhì)滑坡，坡度多在30°左右，規(guī)模較小，發(fā)生時間與臺風(fēng)的大風(fēng)、暴雨過程密切相關(guān)，無明顯的滯后性。

(2)研究區(qū)臺風(fēng)暴雨誘發(fā)的滑坡坡面植被類型以喬木、竹類居多，草本、灌木次之，且坡面植被整體覆蓋較好。

(3)在臺風(fēng)和植被的耦合作用下，風(fēng)荷載最大可達滑坡抗滑力的13%，對滑坡穩(wěn)定性有直接影響。當風(fēng)向和滑向一致時，強臺風(fēng)條件下風(fēng)荷載通過植被作用會導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定系數(shù)下降0.28，超強臺風(fēng)條件下會導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性下降0.31。

(4)臺風(fēng)期間，植被擺動撕拽會導(dǎo)致植被根部產(chǎn)生大量裂縫，破壞根部土體的結(jié)構(gòu)，造成土體物理力學(xué)指標的變化，滲透系數(shù)會增大至原來的10倍以上。

5.2 現(xiàn)存問題

本文對臺風(fēng)暴雨型滑坡的演化機制研究僅是初步的和嘗試性的。植被對臺風(fēng)風(fēng)荷載的傳導(dǎo)過程是非常復(fù)雜的，如臺風(fēng)過程中存在脈沖風(fēng)力、風(fēng)振等情況。本次實驗將風(fēng)荷載簡化為簡單的靜力作用，未對風(fēng)荷載的力矩做進一步分析，而植被力矩是影響土體拉裂的重要因素。同時，受限于實驗條件，實驗中沒有模擬臺風(fēng)伴隨的降雨過程，對風(fēng)、雨對滑坡的耦合作用機制缺乏討論。因此，要闡明臺風(fēng)、暴雨、植被對滑坡的耦合作用，仍需進行深入的理論分析和大量的實驗工作。