浅层滑坡型火后泥石流起动机理研究进展与案例分析

火后泥石流由起动条件的不同可以分为表面径流型火后泥石流和浅层滑坡型火后泥石流。由于表面径流型火后泥石流多发生于火灾后的前两年,水土流失严重,灾害效应明显,因此,大多数研究集中在表面径流型火后泥石流。然而,对于火灾较长时间后发生的浅层滑坡型火后泥石流,现有研究相对较少,这制约了人们对于浅层滑坡型火后泥石流起动条件和起动机理的认知。与表面径流型火后泥石流相比,浅层滑坡型火后泥石流的形成主要是由于根-土强度的退化导致。因此,定量测定火灾后根和土强度的衰减,是了解浅层滑坡型火后泥石流机理的必要条件。本文以四川省凉山州木里县的火后浅层滑坡为研究对象,针对未火烧、火烧后3年及火烧后9年的马尾松进行根系数量统计、根系极限抗拉力测试、根土复合体抗剪强度测试及对不同火烧后时间的坡体进行稳定性分析。结果表明,火后根系数量、极限抗拉力随火后时间而递减。由于火灾造成植被死亡根系腐烂,土中产生大孔隙,使得根土复合体抗剪强度下降,进而造成降雨条件下的浅层滑坡的起动。研究成果解释了火灾后数年内浅层滑坡-泥石流的起动机理,为滑坡型火后泥石流防灾减灾提供了数据支撑。     

退化高寒草原人工恢复植被根系及根-土复合体力学特性研究

为研究人工恢复草本植物对青藏铁路沿线退化高寒草原土体抗剪强度增强作用,以青藏铁路沱沱河段人工草地建植区为研究区,通过对区内生长期为1 a的3种组合种植草本植物开展单根拉伸和根-土复合体直剪试验,评价了3种草本组合单根、根-土复合体力学强度特性。研究结果表明:组合类型I即扁穗冰草（Agropyron cristatum）+碱茅（Puccinellia distans）+冷地早熟禾（Poa crymophila）,其3种草本平均根径（0.06～0.34 mm）、平均抗拉力（0.58～3.09 N）、平均抗拉强度（36.87~221.70 MPa）相对最大;3种草本组合其单根抗拉力与根径呈幂函数正相关关系,而抗拉强度与根径呈幂函数负相关关系;直剪试验结果表明,3种草本组合其根-土复合体黏聚力均随深度增加而降低,其中组合类型I其根-土复合体黏聚力相对最大为32.62 kPa,且较组合类型II、组合类型III根-土复合体黏聚力的增加幅度分别为15.3 %、57.7 %,表现出草本组合类型I具有相对更为显著的增强土体抗剪强度作用。研究结果可为青藏铁路沿线高寒草地退化、水土流失、浅层滑坡等灾害防治提供理论依据,同时对采用种植植被开展沿线生态恢复具有实际指导意义。     

紫花苜蓿根系?黄土复合体剪切特性与库仑修正模型

植物根系可以显著提升土体的强度。为探究紫花苜蓿根系对黄土抗剪性能的增强作用,选取生长周期为60 d的紫花苜蓿根系?黄土复合体为研究对象,通过剪切试验和根系拉伸试验获取紫花苜蓿根系?黄土复合体抗剪强度和根系抗拉强度参数,采用电子放大镜观察紫花苜蓿根系结构与特征,利用经验公式建立根?土复合体库仑修正模型,并对比分析库仑修正模型、WWM模型及修正WWM模型的优缺点,对黄土地区植物根系增强土体强度进行评价。结果表明:紫花苜蓿根系对土体抗剪性能的增强效应显著;紫花苜蓿根系发达,根径在0.2~6.7 mm,随着根径的增大,单根极限抗拉力呈指数式增大,抗拉强度呈指数式降低;不同RAR(Root Area Ratio,即根系横截面积之和与土体横截面积的比值)下的根?土复合体抗剪强度相比素土样提升显著,RAR与黏聚力和内摩擦角之间具有显著的相关关系,其中RAR与黏聚力之间呈线性正相关关系,与内摩擦角之间呈高斯函数关系;根?土复合体库仑修正模型对黄土区草本植物根?土复合体的抗剪强度增量预测具有较好的合理性、有效性及适用性,修正WWM模型次之,WWM预测精度相对较差;而在木本植物根?土复合体的抗剪强度增量预测方面,根?土复合体库仑修正模型和修正WWM模型的预测精度要远高于WWM模型。研究结果对黄土地区植被护坡工程具有指导意义。      

基于试验与模型的根系增强抗剪强度分析

在总结近代学者对植物根系固土作用机制研究的基础上,采用大盒直剪试验与物理模型,对重庆缙云山地区6种常见植物:马尾松、香樟、广东山胡椒、四川大头茶、白毛新木姜子、四川山矾根系的增强抗剪强度进行对比。通过自制的大盒直剪仪对植物实际固土效果进行了测定,该大直剪仪具有简单、经济、易行等特点。通过对多种植物根系进行抗拉试验和根土复合体受力分析,确定了植物根系的抗拉强度与植物根面积比率。利用Wu模型对6种植物的根系固土效能进行模型计算。结果表明,不同的植物根系类型对增强抗剪强度值的影响非常显著。在重庆缙云山地区的土壤质地情况下,Wu的根土复合体模型高估了根系增强土壤的抗剪强度约为90%。基于该结论,为使Wu模型计算的根系固土强度值较为准确,修订Wu模型中的k值为0.63。     

寒旱环境盐生植物根-土复合体抗剪强度影响因素试验研究

为探讨寒旱环境盐生植物根系对增强土体抗剪强度的贡献,本项研究以柴达木盆地尕斯库勒盐湖区及其周边地区作为试验区,选取区内海韭菜（Triglochin maritimum Linn.）、芦苇（Phragmites australis Trin.）、无脉苔草（Carex enervis C.A.Mey.）、赖草（Leymus secalinus Tzvel.）、洽草（Koeleria cristata（L.）Pers.）5种优势盐生草本植物作为供试种,通过野外采集根-土复合体原状和不含根系的素土试样,且由表层向下层分层制取直剪原状试样方法,分别进行复合体和素土试样的室内直剪试验,分析不同取样位置深度处的含水量、垂直压力、根系分布形态、含根量以及根面积比5种因素对根-土复合体抗剪强度的影响。试验结果表明:随着取样深度位置处土体含水量增加,复合体黏聚力c值呈逐渐降低变化规律;5种植物根-土复合体和素土试样垂直压力和抗剪强度之间符合莫尔-库仑准则,5种植物根系起到浅层加筋作用且抗剪强度增幅为3.26%~57.18%。随着海韭菜和芦苇根-土复合体试样的根面积比（RAR）及无脉苔草、赖草和洽草根-土复合体试样含根量的减小,复合体试样黏聚力c值呈降低趋势;根面积比对海韭菜和芦苇根-土复合体黏聚力c值的影响程度,以及含根量对无脉苔草、赖草和洽草根-土复合体黏聚力c值的影响程度均相对大于含水量。5种植物根-土复合体在不同深度处黏聚力c值均显著高于素土黏聚力c值,其增强幅度为9.61%~182.56%,相比较而言,内摩擦角φ值变化相对较小。区内海韭菜根系对土体抗剪强度的增强作用相对较为显著,其次为芦苇、无脉苔草、赖草、洽草。该项研究结果对于进一步评价盐生植物根系增强土体强度作用,以及与试验区地质条件相类似的地区采用盐生植物有效防止水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有实际指导意义。     

高寒矿区草本植物根系增强排土场边坡土体抗剪强度试验研究

为研究草本植物根系对增强高寒地区露天煤矿排土场边坡土体抗剪强度的贡献以及相关因素对边坡土体抗剪强度的影响,以青海境内祁连山北缘江仓露天煤矿排土场为试验区,在排土场边坡组合种植垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)和冷地早熟禾(Poa pratensis L.)2种草本植物,在边坡3个不同位置处分别制取不含根系素土和根-土复合体试样进行直剪试验,探讨土体物理力学性质以及植物根系数量与根-土复合体抗剪强度之间的关系。结果表明:（1）随着边坡海拔升高,坡面浅层素土和根-土复合体试样的密度和砂粒含量呈显著增加,含水率、粉粒和黏粒含量显著降低;（2）与边坡素土试样抗剪强度相比,坡底、坡中和坡顶位置处根-土复合体抗剪强度增幅分别为4.09%、18.92%和0.69%;（3）在素土和根-土复合体试样中,含水率与黏聚力之间呈显著负相关关系,相关系数分别为-0.943和-0.969;土体中砂粒含量与内摩擦角之间呈显著正相关关系,相关系数分别为0.940和0.926;（4）坡底至坡顶位置处根-土复合体的黏聚力与素土相比,增幅分别为29.23%,54.40%,26.45%。     

高寒矿区排土场边坡土体抗剪强度特征

为研究高寒矿区排土场边坡草本植物根-土复合体抗剪强度特征及其影响因素,以青藏高原东北部天骏木里煤田江仓矿区排土场为研究区,对组合种植垂穗披碱草（Elymus nutans Griseb.）和冷地早熟禾（Poa crymophila Keng）的排土场边坡,测得边坡地表以下不同深度根-土复合体密度、含水率和含根量等指标,通过室内直剪试验获得素土和复合体黏聚力c和内摩擦角φ;采用灰色关联法得到密度、含水率和含根量与抗剪强度指标c和φ间的关联度。试验结果表明:排土场边坡相同取样点位置和层位,根-土复合体密度和含水率均小于素土,且第二层（地表以下10~20 cm）根-土复合体含根量显著小于第一层（地表以下0~10 cm）,第二层含根量较第一层平均降低幅度为31.66%;此外,根-土复合体c值较素土大,第一层和第二层根-土复合体c值较素土其平均增加幅度为32.69%、13.42%,两者的φ值则未表现出显著性变化规律;根-土复合体抗剪强度指标c和φ与密度关联度相对较高,与含水率关联度次之,与含根量关联度相对较小。研究结果对高寒矿区采用种植植物方式开展排土场边坡生态恢复,科学有效地防治坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害,具有一定的理论研究价值和实际指导意义。      

根-土复合体的三轴试验及其强度分析

植被根系对土体的强度有显著影响。现有研究缺乏准确的模型描述根-土复合体破坏时应力状态。为量化植被根系对土体强度的贡献,采用一系列固结不排水三轴试验研究了含根量对根-土复合体强度特征的影响,并基于能量耗散原理建立了根-土复合体强度预测模型,最后对比分析了试验结果与模型预测值。结果表明:根系可显著提高根-土复合体强度,当含根量为0.486%,根-土复合体的偏应力较素土增大了1.70倍,抗剪强度较素土提高了72.1%,围压较小时根系对土体强度的提高更为显著;根-土复合体内摩擦角随含根量的增加变化较小,而根-土复合体的黏聚力随含根量的增加而逐渐增大;根-土复合体模型预测值与试验结果较为接近,表明该模型具有较高的准确率和可靠度。研究成果可为根-土复合体强度特性理论研究提供参考,并为根-土复合体强度预测提供了可靠方法。     

寒旱环境草本与灌木植物单根拉伸试验强度特征研究

为进一步探讨寒旱环境植物护坡力学效应,本项研究在自建试验区选取了适宜于当地气候条件下生长的乡土草本和灌木植物共5种作为供试种,并分别对其进行了单根拉伸试验,较为系统地分析了5种草本和灌木植物根系的强度特征。试验结果表明: 5种草本和灌木植物其单根抗拉力分别随根径增大而增大,两者之间呈幂函数关系;同时,其单根抗拉强度表现出随根径的增加呈减小的规律,且两者间具有幂函数关系;草本植物垂穗披碱草单根抗拉强度大于细茎冰草,而灌木单根抗拉强度由大至小依次为柠条锦鸡儿、霸王、白刺。此外,对比分析生长期为1a和2a的3种灌木单根拉伸试验的应力-应变关系曲线得出,灌木植物单根在拉伸试验阶段初期,应力-应变之间呈线性关系,表现出弹性材料特性;至试验的中期和后期阶段时应力-应变之间呈非线性关系,表现出弹塑性材料特性;进一步研究表明灌木单根的最大伸长率随着生长期的增加呈下降趋势。该研究成果在防治研究区浅层滑坡、水土流失等地质灾害,以及保护区域生态地质环境等方面具有重要理论研究价值和实际指导意义。     

火烧迹地土壤斥水性和渗透性变化特性

林火会造成火烧迹地土壤斥水性增强及渗透性降低,导致降雨期间流域内地表产流率激增。在一定条件下,尤其是地形陡峭的高海拔山区,地表产流激增一般是泥石流灾害发生的重要诱因。然而,对于高海拔山区火烧迹地土壤斥水性和渗透性变化特征的研究相对缺乏。以海拔高程3029~4474 m的四川省雅江县恶古乡火烧迹地为研究对象,通过现场水滴入渗试验和圆盘入渗试验,探究斥水性强度分布及其与土壤入渗参数之间的内在联系。结果显示:土壤斥水性强度分布具备较大的空间异质性,林火对斥水性的影响深度在轻度火烧区为2 cm,在中度和严重火烧区为3 cm;研究区土壤渗透能力与斥水性强度呈反比,饱和导水率和吸渗率与水滴入渗时间之间遵循幂函数分布,其变异系数与火烈度呈正比,且严重火烧区部分土壤由于斥水性被高温破坏造成饱和导水率增大;斥水性土壤相较于亲水性土壤出现明显的入渗延迟现象。研究结果丰富了高海拔山区火烧迹地水文特征的研究,为揭示火烧迹地泥石流坡面物源起动机理提供理论依据。     

寒区高吸力非饱和土的破坏准则研究

针对北方寒旱区路基边坡时常因拉剪强度不足而发生浅层滑坡的现象,通过常规三轴试验探究了冻融和高吸力对非饱和土的强度特性影响。结果表明：随着冻融次数的增加,非饱和土的土-水特征曲线逐渐下移,抗拉强度与抗剪强度逐渐减小;随着基质吸力的增加,抗剪强度逐渐增大,抗拉强度逐渐降低。鉴于传统的抗拉抗剪联合公式不能很好地反映经冻融作用之后高吸力非饱和土抗拉区破坏包线的实际情况,通过引入“界值”概念,提出一种新的抗拉区绘制破坏包线的方法对传统公式进行修正,修正后的公式具有很好的适用性,可以为寒旱区非饱和土边坡稳定性计算提供可靠的理论依据。     

Post-fire geomorphic response in steep,forested landscapes: Oregon Coast Range,USA

The role of fire in shaping steep, forested landscapes depends on a suite of hydrologic, biologic, and geological characteristics, including the propensity for hydrophobic soil layers to promote runoff erosion during subsequent rainfall events. In the Oregon Coast Range, several studies postulate that fire primarily modulates sediment production via root reinforcement and shallow landslide susceptibility, although few studies have documented post-fire geomorphic response. Here, we describe field observations and topographic analyses for three sites in the central Oregon Coast Range that burned in 1999, 2002, and 2003. The fires generated strongly hydrophobic soil layers that did not promote runoff erosion because the continuity of the layers was interrupted by pervasive discontinuities that facilitated rapid infiltration. At each of our sites, fire generated significant colluvial transport via dry ravel, consistent with other field-based studies in the western United States. Fire-driven dry ravel accumulation in low-order valleys of our Sulphur Creek site equated to a slope-averaged landscape lowering of 2.5 mm. Given Holocene estimates of fire frequency, these results suggest that fire may contribute 10–20% of total denudation across steep, dissected portions of the Oregon Coast Range. In addition, we documented more rapid decline of root strength at our sites than has been observed after timber harvest, suggesting that root strength was compromised prior to fire or that intense heat damaged roots in the shallow subsurface. Given that fire frequencies in the Pacific Northwest are predicted to increase with continued climate change, our findings highlight the importance of fire-induced dry ravel and post-fire debris flow activity in controlling sediment delivery to channels.     

西昌市经久乡森林火灾火烧区特点及火后泥石流易发性评价

2020年3月30日四川省凉山彝族自治州西昌市经久乡发生特大森林火灾,大火持续3 d,过火面积超30 km2。山火后在坡面堆积了厚度1~5 cm不等的灰烬层,同时火烧迹地本身结构被扰动,在强降雨条件下极易诱发火后泥石流灾害,对附近学校、居民集中居住点,尤其是泸山—邛海风景区等重要基础设施及人民生命财产构成了严重威胁。通过遥感解译、野外调查及勘查,查明了不同火烈度及对应火烧迹地灰烬层和结构扰动特点,表明重度、中度和轻度火烧区分别占比46.8%、37.9%和15.3%,且火烧区火烧迹地坡面灰烬及土壤结构扰动层平均厚度与火烈度成正比,其中轻度、中度和重度火烧区平均厚度分别为1.20 cm,3.23 cm和5.04 cm。提出了基于中度及重度火烈度区面积占比、火烧迹地坡面灰烬及结构扰动层厚度、产沙区平均坡度、主沟平均纵比降、沟道流域面积5个影响因子,采用专家经验法对火烧区共63条潜在泥石流沟道进行火后泥石流易发性评价,结果表明:火烧区所有沟道中,有29条为高易发,占总数的46.0%;23条为中等易发,占总数的36.5%;8条为低等易发,占总数的12.7%;3条为不易发性,占总数的4.8%。考虑火烧区超过50%以上的沟道流域面积不足0.2 km2,且这些沟道平均纵比降大,坡面灰烬、泥沙等松散物源堆积较厚,使得中等及高等易发性泥石流沟道数量占比高达82.5%,一遇集中降雨,发生火后泥石流可能性极大。