高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡成災(zāi)機(jī)制及預(yù)警模型研究綜述

豆紅強(qiáng),簡(jiǎn)文彬,王 浩,樊秀峰,劉紅位,吳振祥

(1. 福州大學(xué) 紫金地質(zhì)與礦業(yè)學(xué)院,福建 福州 350108; 2. 福建省地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350002)

0 引言

我國(guó)地處太平洋西岸,海岸線自北向南綿延18 000 km有余,平均每年約有7～8個(gè)臺(tái)風(fēng)和熱帶氣旋登陸,是世界上臺(tái)風(fēng)登陸最頻繁的國(guó)家之一[1-2]。由于我國(guó)沿海山地丘陵地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜且極為脆弱,受臺(tái)風(fēng)裹挾而來(lái)的狂風(fēng)暴雨的作用極易誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及交通運(yùn)輸?shù)葞?lái)嚴(yán)重威脅和極大損失[3-4]。如2009年8月9日超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫拉克”在福建霞浦登陸,隨后僅在福建、浙江兩省即誘發(fā)滑坡、崩塌和泥石流地質(zhì)災(zāi)害160余起,其中浙江臨安林竹村滑坡直接致死11人。與此同時(shí),沿海山地丘陵地區(qū)的植被覆蓋度一般較高,如素有“八山一水一分田”之稱的福建省,其植被覆蓋度高達(dá)70%左右?？梢?jiàn),臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡災(zāi)害的地質(zhì)載體多屬植被發(fā)育斜坡,臺(tái)風(fēng)暴雨過(guò)后,滑坡多呈星點(diǎn)狀點(diǎn)綴于高植被覆蓋斜坡之上。

臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的頻繁發(fā)生及其造成的危害早已引起世界各國(guó)政府部門(mén)、國(guó)際組織及工程界的高度重視,并相繼開(kāi)展了臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的調(diào)查評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)預(yù)警與示范點(diǎn)建設(shè)以及防治應(yīng)急等工作[2,5-6]。但是,目前有關(guān)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的研究多以案例分析為主,且忽視了風(fēng)荷載、植被特征等關(guān)鍵因子的影響。事實(shí)上,高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡是地質(zhì)-植被-氣象多要素共同作用的結(jié)果,其孕災(zāi)環(huán)境與成災(zāi)機(jī)制更為復(fù)雜。另一方面,由于高植被覆蓋區(qū)內(nèi)的斜坡變形跡象和滑坡征兆被植被遮擋,往往較難發(fā)現(xiàn),表現(xiàn)出顯著的隱蔽性,致使其在監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)方面仍缺乏實(shí)用、先進(jìn)的技術(shù)支撐。

在當(dāng)前全球氣候變暖和人類活動(dòng)日益加劇的大背景下,臺(tái)風(fēng)頻次和強(qiáng)度有增加增強(qiáng)趨勢(shì)[7-8],可以預(yù)見(jiàn),未來(lái)臺(tái)風(fēng)暴雨誘發(fā)的高植被覆蓋區(qū)的滑坡災(zāi)害在數(shù)量和規(guī)模上都有擴(kuò)大化的態(tài)勢(shì),如何合理高效地應(yīng)對(duì)高植被覆蓋區(qū)的臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡災(zāi)害已成為當(dāng)前科技人員所面臨的重大難題。為此,文中針對(duì)高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的群發(fā)、突發(fā)以及高隱蔽特性,在整理大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,總結(jié)高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的發(fā)育特征,從臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡成災(zāi)機(jī)理、植被對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響和降雨型滑坡預(yù)警預(yù)報(bào)等3個(gè)方面系統(tǒng)客觀地評(píng)述當(dāng)前研究現(xiàn)狀與不足,并展望了今后重點(diǎn)工作方向,希望能夠拋磚引玉,為臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的研究開(kāi)辟新的視角和研究思路,最終為全球高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的預(yù)警與防控提供科學(xué)決策和技術(shù)支撐。

1 臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡發(fā)育特征

以地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、植被廣為發(fā)育且頻遭臺(tái)風(fēng)暴雨襲擊的浙閩兩省為例,借助文獻(xiàn)檢索和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研總結(jié)了高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的發(fā)育特征,其總體表現(xiàn)為點(diǎn)多、面廣、規(guī)模小和危害大。圖1即為發(fā)生于福建省閩清縣的典型植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑波。

圖1 典型高植被覆蓋區(qū)的滑坡Fig. 1 Rainfall-induced landslides in high vegetation coverage area

1.1 地貌地質(zhì)特征

張?zhí)怺2]和ZHUANG等[9]統(tǒng)計(jì)分析了浙江省內(nèi)303處臺(tái)風(fēng)暴雨誘發(fā)的滑坡,結(jié)果表明該類滑坡以表層滑坡為主,其中土質(zhì)滑坡102處,占總數(shù)的33.7%;其余201處則為強(qiáng)-全風(fēng)化層滑坡,占總數(shù)的66.3%;滑坡規(guī)模小于1 000 m3且滑體厚度小于3 m的滑坡點(diǎn)共計(jì)207處,約占總數(shù)的68.3%。池永翔等[10]根據(jù)福建省地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查資料指出福建省受臺(tái)風(fēng)暴雨影響的滑坡以小型淺層土質(zhì)滑坡為主,多為坡高<30 m、坡度為25°～45°的斜坡。袁康等[11]基于Planet衛(wèi)星影像研究了安徽寧國(guó)市受臺(tái)風(fēng)“利奇馬”襲擊而誘發(fā)的滑坡發(fā)育特征,結(jié)果表明臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡在高程[300 m, 600 m)區(qū)間、坡度[20°, 30°)區(qū)間發(fā)育較為集中。

綜上可知,臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡基本上為未固結(jié)的第四系殘坡積層和基巖全風(fēng)化的淺層土質(zhì)滑坡,滑體厚度多為1～5 m,滑坡的規(guī)模整體較小,一般小于1 000 m3,少數(shù)大于3 000 m3,平面形態(tài)多呈長(zhǎng)條形,滑面多為第四系覆蓋層與下伏基巖接觸界面和土層內(nèi)部軟弱面。

1.2 時(shí)空分布特征

就時(shí)間尺度而言,降雨誘發(fā)的滑坡并非全部發(fā)生在降雨期間,而是部分滑坡啟動(dòng)時(shí)間與降雨存在一定的遲滯,滯后時(shí)長(zhǎng)從1～10 d不等。如謝劍明等[12]、高華喜等[13]著重探討了滑坡遲滯時(shí)長(zhǎng)與降雨強(qiáng)度的關(guān)系;陳麗霞等[14]和趙國(guó)通等[15]統(tǒng)計(jì)分析了降雨誘發(fā)滑坡失穩(wěn)遲滯時(shí)長(zhǎng)與滑坡工程地質(zhì)巖組分布的關(guān)系;除此之外,坡體裂隙發(fā)育[16-17]、滑坡體物理力學(xué)和滲透參數(shù)的不確定性[18-19]、以及雨水對(duì)滑坡體的浸泡軟化作用[20]、甚至邊坡體內(nèi)的封閉氣體[21]等均對(duì)滑坡的失穩(wěn)滯后有一定影響。

但是,對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡而言,由于臺(tái)風(fēng)裹挾而來(lái)的降雨具有過(guò)程雨量大、降雨強(qiáng)度大等特點(diǎn),致使其總體上表現(xiàn)為“即雨即滑”,多與臺(tái)風(fēng)登陸-離境過(guò)程大致同步,無(wú)明顯滯后現(xiàn)象。如2005年7月襲擊浙江的“海棠”臺(tái)風(fēng)所誘發(fā)的滑坡主要發(fā)生于2015年7月19日,其與極端暴雨同步,無(wú)滯后性[2];影響溫州的臺(tái)風(fēng)“泰利”的主體降雨時(shí)間為8月31日8時(shí)—9月3日8時(shí),其誘發(fā)的滑坡則集中發(fā)生于2005年9月1日,明顯處在臺(tái)風(fēng)暴雨期間[22];閆金凱等[23]則以影響福建的“蘇力”臺(tái)風(fēng)和“西馬侖”臺(tái)風(fēng)為例指出分別有87.5%和95.2%的滑坡集中爆發(fā)在臺(tái)風(fēng)登陸后的12 h內(nèi)(此時(shí)恰為主體降雨高峰段)。

另一方面,從空間尺度上講,臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的空間分布與臺(tái)風(fēng)路徑及其影響范圍高度一致。滑坡點(diǎn)主要分布在距臺(tái)風(fēng)中心路徑垂直距離小于200 km的范圍內(nèi),在200～300 km范圍內(nèi)也有所分布,大于300 km 范圍內(nèi)的滑坡點(diǎn)極少。如,“云娜”臺(tái)風(fēng)誘發(fā)的滑坡有91%集中在距臺(tái)風(fēng)中心路徑50～180 km的區(qū)域內(nèi);“海棠”臺(tái)風(fēng)誘發(fā)的滑坡約83%集中在距臺(tái)風(fēng)中心路徑120～200 km的區(qū)域內(nèi)[22]。

與此同時(shí),臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明:滑坡與臺(tái)風(fēng)分布范圍、強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性程度不盡相同,但總體上,其基本都發(fā)生在臺(tái)風(fēng)7級(jí)(平均風(fēng)速約為13.9～17.1 m/s)風(fēng)圈半徑內(nèi),其中一部分在10級(jí)(平均風(fēng)速約為24.5～28.4 m/s)風(fēng)圈半徑內(nèi)[9]。可見(jiàn),滑坡點(diǎn)發(fā)育分布位置及密度與臺(tái)風(fēng)風(fēng)荷載密切相關(guān)。

1.3 上覆植被特征

如前所述,浙閩兩省臺(tái)風(fēng)暴雨誘發(fā)滑坡的地質(zhì)載體多屬植被發(fā)育斜坡,其上覆植被種類繁多,多以喬木、竹、茶樹(shù)、灌木、草以及果樹(shù)、農(nóng)作物等類型為主。其中以喬木居多,且坡面植被覆蓋度一般較高。陳光平[22]統(tǒng)計(jì)分析了臺(tái)風(fēng)“泰利”誘發(fā)的溫州地區(qū)滑坡的上覆植被類型,結(jié)果表明臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡上覆植被以喬木居多,占45%,灌木次之,占23%。王照財(cái)?shù)萚24]則通過(guò)對(duì)2004—2009年間溫州11次臺(tái)風(fēng)誘發(fā)滑坡的野外調(diào)查資料歸納,發(fā)現(xiàn)溫州地區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡坡面植被類型以喬木、竹居多,分別占33%和30%,其次為草、灌木,占比分別為21%和16%,如圖2所示。閆金凱等[23]以及ZHUANG等[9]研究指出福建臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡上覆植被同樣以喬木居多(以杉樹(shù)、松樹(shù)為主),竹次之,灌木和草則相對(duì)較少。

圖2 溫州臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡上覆植被類型Fig. 2 Types of vegetation overlying landslides induced by typhoon and associated rainstorm in Wenzhou

2 研究現(xiàn)狀

2.1 臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡成災(zāi)機(jī)理

臺(tái)風(fēng)暴雨具有顯著的降雨中心降雨強(qiáng)度大、歷時(shí)短、雨量集中的單峰特點(diǎn),故在其作用下斜坡坡面沖蝕嚴(yán)重、地下水響應(yīng)靈敏且滲流擴(kuò)散迅速,由此觸發(fā)的滑坡多以局部淺層失穩(wěn)破壞為主,除此之外,還表現(xiàn)為以覆蓋層沿基巖接觸面發(fā)生的突變型滑坡和沿層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)生的切層緩動(dòng)型滑坡2種類型[2,25-26]。

臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡是內(nèi)外動(dòng)力機(jī)制共同作用的結(jié)果,影響因素眾多。為明確臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的關(guān)鍵致災(zāi)因子,研究人員借助統(tǒng)計(jì)分析、灰色關(guān)聯(lián)分析等方法綜合探討了暴雨、強(qiáng)風(fēng)、植被、地形地貌、地層巖性、構(gòu)造、斜坡結(jié)構(gòu)以及人類工程活動(dòng)等因子的作用,強(qiáng)調(diào)指出臺(tái)風(fēng)暴雨是此類滑坡最重要的激發(fā)因素,并與地層巖性與斜坡結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[27-30]。進(jìn)一步的,一部分學(xué)者又基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬揭示了臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的失穩(wěn)演化過(guò)程即為臺(tái)風(fēng)暴雨與斜坡巖土體耦合的過(guò)程,即短期集中強(qiáng)降雨一方面造成斜坡內(nèi)瞬時(shí)孔隙水壓驟增,另一方面則通過(guò)地表徑流沖刷、滲流作用等方式改變巖土體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì),兩者共同作用促使滑移面上剪應(yīng)力增加,抗剪強(qiáng)度降低[31-32]。筆者即借助室內(nèi)模型試驗(yàn)總結(jié)了臺(tái)風(fēng)暴雨型土質(zhì)滑坡的失穩(wěn)演化規(guī)律,其變形大致可分為壓縮沉降微變形階段、勻速變形階段以及加速變形階段,尤其在加速變形階段,其變形曲線呈非線性且具有顯著的突發(fā)性[33],如圖3和圖4所示。此外,已有研究表明,濕潤(rùn)鋒下移導(dǎo)致的土體基質(zhì)吸力減少是降雨型滑坡失穩(wěn)的主要原因,而土壤前期含水率又是影響濕潤(rùn)鋒下移過(guò)程的重要因素之一,眾多學(xué)者亦基于數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及物理模型(尤其是Green-Ampt模型)探討了前期含水率對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律[34-37],乃至基于土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化開(kāi)展了臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的預(yù)警預(yù)測(cè)研究[38-39]。

圖3 臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡失穩(wěn)演化過(guò)程Fig. 3 Failure evolutions of landslide induced by typhoon and associated rainstorm

我國(guó)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡多發(fā)生于東南沿海高植被覆蓋區(qū),而當(dāng)前有關(guān)其成因機(jī)理的研究多未考慮植被覆蓋層的作用,甚至還刻意消除植被的影響。顯然,這些基于無(wú)植被裸坡所得的既有成果難以準(zhǔn)確刻畫(huà)臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)植被發(fā)育斜坡的水-力響應(yīng)行為。當(dāng)然,亦有部分學(xué)者從純統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度研究了植被對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的作用[40],甚至開(kāi)展了臺(tái)風(fēng)暴雨下含植被斜坡室內(nèi)物理試驗(yàn)[41]。但這些研究仍以定性描述為主,未能定量揭示地質(zhì)-植被-氣象相互作用下高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)降雨型滑坡的成災(zāi)機(jī)制。

2.2 植被對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響

植被對(duì)斜坡穩(wěn)定性的作用大體可歸納為水文效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)2個(gè)方面。具體來(lái)講,植被冠層截流可減輕雨水對(duì)斜坡土體的沖刷濺蝕,根系以及枯枝落葉腐殖質(zhì)可降低地表徑流對(duì)斜坡表層土體沖刷和侵蝕作用,植物則通過(guò)蒸騰作用降低斜坡土體內(nèi)的孔隙水壓力。與此同時(shí),植被又可通過(guò)根系加筋作用增強(qiáng)斜坡淺層土體的抗剪強(qiáng)度,并借助深層根系的錨固作用和水平根系的牽引作用提高斜坡的整體穩(wěn)定性。為深入揭示并量化植被的水文效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng),國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同植物類型、植物根系分布特征與根-土相互作用等方面探索了植物特征與有效降雨量的內(nèi)在關(guān)系[42],構(gòu)建了考慮植物根系形狀的地下水滲流與地表徑流耦合運(yùn)移模型[43],建立了根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度理論(如Wu-Waldron模型、Fiber-Bundle模型、Root-Bundle模型)[44-46],并在此基礎(chǔ)上提出考慮植被作用的斜坡穩(wěn)定性計(jì)算理論[47-49],典型的如式(1)和式(2)所示:

(1)

(2)

式中:Fs為植被發(fā)育斜坡的安全系數(shù);Cs為土體黏聚力(kPa);Cr為植被根系所提供的黏聚力(kPa);φ為土體內(nèi)摩擦角(°);ρs、ρw與ρr分別為斜坡土體、水以及植被根系的密度(kg/m3);D為坡體厚度(m);m為土層深度范圍內(nèi)的飽和部分;θ為坡角;Br為單位地表面積下的總生物量(kg/m2);Tr為全部根系的抗拉強(qiáng)度(N/m2);K為假設(shè)根系均勻分布下根系從體積島面積的轉(zhuǎn)換系數(shù)(m-1)。

但是,植被對(duì)斜坡穩(wěn)定性的作用是復(fù)雜的、多方面的,并非都顯現(xiàn)出積極的作用,甚者在一些關(guān)鍵問(wèn)題上還存有爭(zhēng)議。如有研究表明植被對(duì)斜坡長(zhǎng)期演化和深層滑坡孕育有顯著貢獻(xiàn)[50],對(duì)高陡斜坡甚至有促滑作用[51];再如,植被根系在土中所形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)一方面在一定程度上限制土體開(kāi)裂,減小土體的滲透特性;另一方面則因根系網(wǎng)絡(luò)形成的滲流通道深度與截面大小不一而產(chǎn)生優(yōu)先流,其可能加速雨水的入滲與擴(kuò)散,亦有可能因根系阻塞而形成滯水平臺(tái)。但兩者的協(xié)同作用對(duì)植被發(fā)育斜坡入滲特性的影響尚不清楚[52-54]。圖5即系統(tǒng)的展示了不同工況下植被根系構(gòu)型對(duì)坡體優(yōu)先流的影響,直觀地再現(xiàn)了其復(fù)雜、多面效應(yīng)。其中,圖5(a)順坡向根系有助于入滲雨水排泄,圖5(b)根端可誘發(fā)局部水壓增加,圖5(c)根系分叉可使入滲雨水分散或集中,圖5(d)彎長(zhǎng)根系可使入滲雨水分散或集中,具體取決于根系走向,圖5(e)當(dāng)大多數(shù)根系沿坡向上時(shí),易在根莖處形成孔隙水集聚,圖5(f)當(dāng)多數(shù)根系沿坡向下時(shí),其有助于入滲雨水的排泄,圖5(g)向裂縫方向生長(zhǎng)的根系增加了雨水匯聚,圖5(h)直根系將雨水向土層深部入滲,若存在縫隙,將排泄至基巖內(nèi)部;否則,將致使土-巖界面處的孔隙水壓顯著增加,圖5(i)叢生根系可使雨水入滲至坡體淺表層,圖5(j)根簇/群可顯著增加孔隙水壓,圖5(k)根系重疊纏繞且垂直于斜坡時(shí)可攔截向下入滲的雨水,導(dǎo)致局部孔隙水壓增加,圖5(l)不同植物根系構(gòu)型在不同地形地貌條件下,其對(duì)植被發(fā)育斜坡優(yōu)先流的影響也各有不同。此外,對(duì)不同土體含水率下根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律亦有不同認(rèn)識(shí),一種認(rèn)為根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度隨著土壤含水量增加而減小,另一種則認(rèn)為其隨著土壤含水量增加而先增加后減小[55-57]。而即便在區(qū)域大尺度上,當(dāng)前對(duì)植被覆蓋度與滑坡時(shí)空格局關(guān)系也未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)[58-60]。

圖5 植被根系構(gòu)型對(duì)邊坡優(yōu)先流影響的示意圖Fig. 5 Illustrations of the effects of root architecture on preferential flow

與此同時(shí),強(qiáng)臺(tái)風(fēng)裹挾著巨大能量,常伴有12級(jí)以上的大風(fēng),由此對(duì)植被發(fā)育斜坡的穩(wěn)定性亦有顯著影響。最直觀的表現(xiàn)即為植被風(fēng)振效應(yīng),其一方面直接導(dǎo)致植被根系周圍土體結(jié)構(gòu)的破壞,降低土體力學(xué)性質(zhì);另一方面則為雨水入滲提供了更為快速便捷的通道[22]。但當(dāng)前有關(guān)風(fēng)荷載與植被相互作用的研究多集中于林業(yè)工程領(lǐng)域,借助理論分析、數(shù)值模擬以及風(fēng)洞試驗(yàn)等手段開(kāi)展一般風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)荷載作用林木力學(xué)特性、模型及風(fēng)致林木倒伏等方面的研究[61-63]。早在1965年,WRIGHT[64]就建立了平均風(fēng)速沿樹(shù)高度方向分布的指數(shù)函數(shù)模型;RUDNICKI等[65]、VOLLSINGER等[66]則基于風(fēng)洞試驗(yàn)研究了風(fēng)作用下樹(shù)木所承受的風(fēng)力以及透風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)速的變化規(guī)律。同時(shí)最新研究發(fā)現(xiàn),在強(qiáng)風(fēng)作用下(如臺(tái)風(fēng)),樹(shù)木運(yùn)動(dòng)特性與一般風(fēng)場(chǎng)作用迥異,其材料和幾何非線性對(duì)樹(shù)木倒伏影響顯著。進(jìn)一步的,亦有學(xué)者基于單株植物模型提出了考慮等效風(fēng)荷載作用下的邊坡計(jì)算模型[67-68]。典型的,ZHUANG等[9]基于修正的多自由度樹(shù)木搖擺模型建立了臺(tái)風(fēng)荷載下樹(shù)木力學(xué)響應(yīng)方程,如式(3)～式(5)所示:

(3)

(4)

Gi=mig·sinθi·cosθi

(5)

式中:m,c,k,φ分別為第一個(gè)模態(tài)的質(zhì)量、阻尼、剛度和形態(tài);y是其相關(guān)的廣義位移;Fwi為風(fēng)荷載;ht為樹(shù)高;ρ為空氣密度;Cd為阻力系數(shù);Af為正面面積;u為風(fēng)速;θi則為該段相對(duì)于垂直方向的傾角。

總體上,臺(tái)風(fēng)暴雨下植被對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響是“風(fēng)雨同舟”作用下水文效應(yīng)與力學(xué)效應(yīng)共同作用的結(jié)果,而先前研究更多的是將水文效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行分析,尤其缺乏探索植被在風(fēng)驅(qū)雨作用下致使斜坡地表裂隙萌生、優(yōu)先入滲的動(dòng)態(tài)過(guò)程,致使所得的結(jié)論存在一定局限性和不完整性,難以全面體現(xiàn)植被對(duì)斜坡穩(wěn)定性的復(fù)雜作用。

2.3 降雨型滑坡的預(yù)警預(yù)報(bào)

如何實(shí)現(xiàn)降雨型滑坡預(yù)警預(yù)報(bào)的精確性、時(shí)效性一直是防災(zāi)減災(zāi)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前,降雨型滑坡預(yù)測(cè)模型的研究主要集中在兩大方向:一種是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理探求降雨特征與滑坡之間數(shù)學(xué)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型,近年來(lái)該模型由于數(shù)學(xué)方法和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟而逐步得到廣泛應(yīng)用。在降雨型滑坡的統(tǒng)計(jì)研究中,降雨臨界值選取的判別指標(biāo)多種多樣,其中有基于降雨強(qiáng)度的時(shí)降雨強(qiáng)度指標(biāo)和日降雨強(qiáng)度指標(biāo)[69],有基于累計(jì)降雨量的24 h降雨量、12 h降雨量,甚至前15 d累計(jì)降雨量指標(biāo)[70-71],也有降雨強(qiáng)度-降雨持時(shí)、累計(jì)降雨量-歷史閾值的雙因素判別指標(biāo)[72-73]。表1和表2分別統(tǒng)計(jì)給出了全球和我國(guó)典型區(qū)域降雨型滑坡的降雨閾值及其適用范圍。顯然,統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型在作為區(qū)域滑坡災(zāi)害預(yù)報(bào)時(shí)具有簡(jiǎn)便易用的特點(diǎn),但該模型往往過(guò)于強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,無(wú)法闡釋降雨誘發(fā)滑坡發(fā)生的內(nèi)在機(jī)制,只能適用于特定區(qū)域,且當(dāng)缺乏足夠的滑坡案例及降雨資料時(shí),降雨臨界值的選擇含有較強(qiáng)的主觀成分。

表1 全球典型區(qū)域降雨型滑坡的降雨閾值Table 1 Rainfall thresholds for rainfall-landslide around the world

表2 我國(guó)典型地區(qū)降雨型滑坡降雨閾值Table 2 Rainfall thresholds for rainfall-landslide in China

另一種是從降雨誘發(fā)滑坡機(jī)制出發(fā)的動(dòng)力預(yù)測(cè)模型,其又可分為單體滑坡預(yù)測(cè)模型和區(qū)域滑坡耦合預(yù)測(cè)模型。前者主要是基于滑坡位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展單體滑坡成災(zāi)機(jī)理的研究并對(duì)其位移演化發(fā)展做出預(yù)測(cè)[101-103],也即是說(shuō)其僅對(duì)單體邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào);后者是以降雨誘發(fā)滑坡啟動(dòng)的力學(xué)機(jī)制為基礎(chǔ),將雨水入滲模型、水文模型與邊坡穩(wěn)定分析模型進(jìn)行有機(jī)耦合。特別是地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)的快速發(fā)展,為耦合預(yù)測(cè)模型的研究提供了寬廣的平臺(tái),并產(chǎn)生了眾多基于GIS的滑坡耦合預(yù)測(cè)模型。具有代表性的有SHALSTAB (shallow landslide stability model)模型[104-105]、SINMAP (stability index mapping)模型[106-107]、DSLAM (distributed shallow landslide model)模型[108]和TRIGRS (transient rainfall infiltration and grid-based regional slope-stability model)模型[109-110]等。這些模型均具有各自的優(yōu)勢(shì)但同時(shí)也存在一定的不足,如SHALSTAB模型和SINMAP模型未考慮復(fù)雜降雨過(guò)程與動(dòng)水壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響;TRIGRS模型雖然可用于復(fù)雜的降雨工況,但其在計(jì)算邊坡穩(wěn)定性時(shí)仍采用理想化的均質(zhì)邊坡模型。除此之外,一些學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了能考慮巖土體參數(shù)不確定性的滑坡耦合分析模型,但其僅考慮土體強(qiáng)度參數(shù)(如黏聚力和內(nèi)摩擦角)的不確定性,而忽略表現(xiàn)為強(qiáng)變異性的飽和滲透系數(shù)和降雨的時(shí)空分布特性[111-113]。

總體來(lái)說(shuō),上述研究成果對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的防控與應(yīng)急發(fā)揮了積極的作用。但是統(tǒng)計(jì)資料表明,因當(dāng)前統(tǒng)計(jì)預(yù)警模型和動(dòng)力預(yù)警模型所提取的預(yù)警指標(biāo)過(guò)于單一,使其在預(yù)警時(shí)間和預(yù)警范圍上并不具有優(yōu)勢(shì),其成功預(yù)警率并不理想[114-115]。更重要的是,不論是統(tǒng)計(jì)預(yù)警模型還是動(dòng)力預(yù)警模型均未充分考慮植被對(duì)滑坡的復(fù)雜作用,嚴(yán)重降低高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡預(yù)警預(yù)報(bào)的精確性和時(shí)效性。

3 討論與展望

3.1 當(dāng)前研究存在的不足

縱觀國(guó)內(nèi)外研究,有關(guān)高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的研究在成災(zāi)機(jī)制與預(yù)警模型方面仍存在以下深層次的問(wèn)題亟待解決。

1)臺(tái)風(fēng)-暴雨共同作用下植被發(fā)育斜坡的水文動(dòng)態(tài)響應(yīng)刻畫(huà)不足

斜坡因其所處的復(fù)雜地形地質(zhì)條件與上覆植被作用往往造成土體入滲特性在空間上具有明顯分區(qū)、分帶和各向異性等特征。尤其是植被發(fā)育斜坡中裂隙、植被根系等所構(gòu)成的優(yōu)先流通道,促使其以非均衡優(yōu)先流的方式發(fā)生垂向和側(cè)向快速下滲以補(bǔ)給地下水,或集聚形成滯水平臺(tái)。與此同時(shí),臺(tái)風(fēng)還通過(guò)植被將風(fēng)荷載傳遞至斜坡內(nèi)部土層,致使坡體表面裂隙萌生并促使雨水有優(yōu)先入滲。但是,目前尚缺乏臺(tái)風(fēng)-暴雨共同作用下植被發(fā)育斜坡的雨水優(yōu)先入滲的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)或試驗(yàn)數(shù)據(jù),更缺乏復(fù)雜地形地質(zhì)條件下考慮植被作用的大氣降雨-地表水-地下水轉(zhuǎn)化過(guò)程的理論模型,難以定量刻畫(huà)臺(tái)風(fēng)-暴雨共同作用下植被發(fā)育斜坡的水文動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2)高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡成災(zāi)機(jī)制仍不清晰,以及由此導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法缺乏針對(duì)性

本質(zhì)上講,滑坡災(zāi)害是一種具有時(shí)空屬性的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。但當(dāng)前在揭示其失穩(wěn)機(jī)制時(shí),往往側(cè)重氣象、工程擾動(dòng)等外界環(huán)境的作用,而對(duì)滑坡自身地質(zhì)條件和植被作用的復(fù)雜性考慮不足。例如,福建省廣泛發(fā)育有由巖層與上覆殘坡積松散堆積層組成的二元結(jié)構(gòu)邊坡,對(duì)該類邊坡的失穩(wěn)啟動(dòng),植被僅能起到延緩作用,對(duì)其破壞模式并無(wú)決定性影響。此外,在研究植被作用時(shí),仍將其水文效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行單獨(dú)分析,未考慮其水-力耦合作用。

進(jìn)一步的,因高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的成災(zāi)機(jī)制仍不清晰,在評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性時(shí),未考慮植被根區(qū)的優(yōu)先流效應(yīng),且多將植被根系對(duì)土體的貢獻(xiàn)直接模擬為增加土體的黏聚力,或?qū)⒑低翆右暈閺?fù)合增強(qiáng)層,進(jìn)而過(guò)高估計(jì)其穩(wěn)定性。另一方面,植被根系表現(xiàn)為顯著的時(shí)空變異特性,其與生長(zhǎng)齡期、空間位置等密切相關(guān),而當(dāng)前的確定性評(píng)價(jià)方法則難以反映其隨機(jī)性。

3)考慮多參量耦合的高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡動(dòng)態(tài)預(yù)警模型鮮有涉及,已有預(yù)警模型對(duì)群發(fā)型滑坡災(zāi)害的精細(xì)化、精準(zhǔn)化預(yù)警不足

由于臺(tái)風(fēng)暴雨觸發(fā)的滑坡具有分布廣、突發(fā)性強(qiáng)、位置不明確等特點(diǎn),其預(yù)警模型的構(gòu)建開(kāi)始向多尺度、精細(xì)化方向發(fā)展,但在其發(fā)展過(guò)程中,還存在諸多關(guān)鍵問(wèn)題。例如,在區(qū)域尺度上,如何快速精確的獲取高植被覆蓋區(qū)斜坡的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?能否基于植被指數(shù)信息反演植被根系的空間分布特征并量化根系對(duì)土層抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)?能否充分體現(xiàn)高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的復(fù)雜孕災(zāi)環(huán)境和成災(zāi)機(jī)制?在單體滑坡尺度上,結(jié)合其失穩(wěn)力學(xué)機(jī)制,哪些監(jiān)測(cè)指標(biāo)可直接或間接作為臺(tái)風(fēng)暴雨條件下植被發(fā)育斜坡的失穩(wěn)判據(jù)?能否在繁多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中凝練動(dòng)態(tài)預(yù)警指標(biāo)以提升預(yù)警精度與時(shí)效。

3.2 今后工作方向與展望

高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡是地質(zhì)-植被-氣象多要素共同作用的結(jié)果,其研究涉及工程地質(zhì)學(xué)、植物學(xué)、計(jì)算力學(xué)、地球信息科學(xué)等多個(gè)學(xué)科分支,必須注重多學(xué)科的交叉融合,筆者建議從如下4個(gè)方面開(kāi)展研究。

1)繼續(xù)查明高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的復(fù)雜孕災(zāi)環(huán)境與其特征規(guī)律

綜合運(yùn)用資料調(diào)查、遙感解譯及地質(zhì)大數(shù)據(jù)分析等手段查明典型高植被覆蓋區(qū)的臺(tái)風(fēng)氣象條件(歷史登陸臺(tái)風(fēng)的頻次、風(fēng)力、風(fēng)速及降雨中心位置、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間等)、植被特征(植被群落的形貌特征、根系形態(tài)、植被覆蓋度)與地質(zhì)背景(地形地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及人類活動(dòng))等復(fù)雜孕災(zāi)環(huán)境及其與臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡發(fā)育規(guī)律(時(shí)間、地點(diǎn)、規(guī)模、災(zāi)害特征等)的關(guān)聯(lián)特征,并建立植被發(fā)育斜坡的典型地質(zhì)概化模型。

2)深入揭示臺(tái)風(fēng)暴雨下植被發(fā)育斜坡的水文響應(yīng)規(guī)律

植被發(fā)育斜坡對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨的響應(yīng)過(guò)程復(fù)雜。首先,可開(kāi)展植被截流野外觀測(cè)試驗(yàn),定量研究臺(tái)風(fēng)-暴雨共同作用下植被截流效應(yīng)與其降雨再分配過(guò)程;其次,開(kāi)展臺(tái)風(fēng)-暴雨共同作用下含植被的土柱入滲試驗(yàn),研究臺(tái)風(fēng)荷載下植被根系松動(dòng)區(qū)范圍,刻畫(huà)風(fēng)驅(qū)雨作用下植被致使斜坡地表裂隙萌生、優(yōu)先入滲的動(dòng)態(tài)過(guò)程;進(jìn)一步的,開(kāi)展典型植被根系優(yōu)先流染色原位入滲試驗(yàn),捕捉植被根土的優(yōu)先流路徑的分布特征;最后,基于飽和-非飽和滲流理論,建立復(fù)雜地質(zhì)地形條件下考慮植被根區(qū)優(yōu)先流和根系吸水作用的地表徑流與地下水滲流的水分運(yùn)移模型,揭示臺(tái)風(fēng)暴雨下植被發(fā)育斜坡的水分運(yùn)移規(guī)律與其孔隙水壓的分布特征,如圖6所示。

圖6 臺(tái)風(fēng)暴雨下植被發(fā)育斜坡的水文響應(yīng)示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the hydrological response of vegetated slopes under typhoon storms

3)重點(diǎn)建立高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡臨滑判據(jù)與其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型

臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡多表現(xiàn)為突發(fā)性,其本質(zhì)即為其孕育發(fā)生是一個(gè)從漸變到突變的過(guò)程。綜合運(yùn)用室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及理論分析等手段,研究復(fù)雜孕災(zāi)環(huán)境下植被發(fā)育斜坡的成災(zāi)全過(guò)程與失穩(wěn)模式;以經(jīng)典的齋藤3階段變形曲線為依托,基于多維多物理量表征信息(位移、應(yīng)力、含水量、水位、孔隙水壓、雨量、植被特征等),建立滑坡不同失穩(wěn)演化階段的變形特征、轉(zhuǎn)化條件與臨滑判據(jù)(圖7)。

圖7 齋藤3階段變形曲線Fig. 7 Three-stage deformation curve of landslide proposed by Saito

進(jìn)一步的,在建立植被發(fā)育斜坡的穩(wěn)定性計(jì)算模型時(shí),可嘗試根據(jù)植物的形態(tài)學(xué)和生理學(xué)特點(diǎn),量化影響斜坡穩(wěn)定性的植被特征參數(shù)。如,植物自重荷載擬通過(guò)植物高度、胸徑、樹(shù)形和樹(shù)齡等生長(zhǎng)特性予以簡(jiǎn)化確定;植被根土相互作用的定量表達(dá)則著重考慮植被根系密度、傾向、分支點(diǎn)以及分支結(jié)構(gòu)等特征,建立定量描述根系錨固作用與加筋作用下土體抗剪強(qiáng)度增量的等效模型; 植被風(fēng)荷載則嘗試基于風(fēng)洞數(shù)值模擬試驗(yàn)分析不同植被類型、地表粗糙度以及坡面形態(tài)等工況下的植被風(fēng)荷載體型系數(shù)及其傳遞至土層的荷載分布模式。

4)嘗試構(gòu)建臺(tái)風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)-過(guò)境-離境全過(guò)程的高植被覆蓋區(qū)滑坡的預(yù)警模型

臺(tái)風(fēng)與其裹挾而來(lái)的暴雨路徑復(fù)雜且難以預(yù)測(cè),加之影響范圍廣泛,因此,構(gòu)建時(shí)空多尺度預(yù)警模型以實(shí)現(xiàn)滑坡易發(fā)區(qū)的識(shí)別與精準(zhǔn)定位是防災(zāi)減災(zāi)的落腳點(diǎn)。此時(shí),可從開(kāi)發(fā)融合機(jī)理和過(guò)程的物理模型與大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)模型入手,針對(duì)高植被覆蓋區(qū)的臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡提出基于實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)暴雨路徑的分級(jí)預(yù)警指標(biāo)與其分級(jí)區(qū)間。

其中,在構(gòu)建物理預(yù)警模型時(shí),可通過(guò)研究典型植被根冠異速生長(zhǎng)關(guān)系,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于植被指數(shù)反演植被根系的空間分布特征;同時(shí),為獲取高分辨率、高精度的數(shù)字高程模型,可基于機(jī)載LiDAR實(shí)現(xiàn)高植被覆蓋區(qū)斜坡地形地貌信息與植被信息的快速提取,其示意圖如圖8所示。

4 結(jié)論

文中在系統(tǒng)總結(jié)浙閩兩省高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡發(fā)育特征并回顧當(dāng)前研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,得到如下結(jié)論:

1)高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡基本上為未固結(jié)的第四系殘坡積層和基巖全風(fēng)化的淺層土質(zhì)滑坡,且坡面植被覆蓋度一般較高,其啟動(dòng)時(shí)間多與臺(tái)風(fēng)登陸-離境過(guò)程大致同步,發(fā)育分布位置及密度與臺(tái)風(fēng)風(fēng)荷載密切相關(guān)。

2)重點(diǎn)梳理并剖析了臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡成災(zāi)機(jī)制、植被對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響及其預(yù)警預(yù)報(bào)的研究現(xiàn)狀與不足,藉此指出了當(dāng)前有關(guān)高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的研究仍存在臺(tái)風(fēng)-暴雨共同作用下植被發(fā)育斜坡的水文動(dòng)態(tài)響應(yīng)刻畫(huà)不足、成災(zāi)機(jī)制仍不清晰以及由此導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法缺乏針對(duì)性、考慮多參量耦合的動(dòng)態(tài)預(yù)警模型鮮有涉及且已有預(yù)警模型對(duì)群發(fā)型滑坡災(zāi)害的精細(xì)化、精準(zhǔn)化預(yù)警不足等亟待解決的深層次問(wèn)題。

3)高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡是地質(zhì)-植被-氣象多要素共同作用的結(jié)果,其研究須注重多學(xué)科的交叉融合,建議未來(lái)研究應(yīng)繼續(xù)查明高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的孕災(zāi)環(huán)境與其發(fā)育規(guī)律,揭示臺(tái)風(fēng)暴雨下植被發(fā)育斜坡的水文響應(yīng)規(guī)律,建立高植被覆蓋區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡臨滑判據(jù)與其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型,最終構(gòu)建臺(tái)風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)-過(guò)境-離境全過(guò)程的高植被覆蓋區(qū)滑坡的動(dòng)態(tài)預(yù)警模型。