淺層滑坡型火后泥石流起動(dòng)機(jī)理研究進(jìn)展與案例分析*

雷鳴宇 崔一飛 倪鈞鈞 李 堯

(①中國科學(xué)院/水利部， 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041， 中國)(②中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049， 中國)(③清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084， 中國)(④香港科技大學(xué)， 土木與環(huán)境工程學(xué)系，香港 999077， 中國)

0 引 言

森林火災(zāi)是常見的森林災(zāi)害?；馃齾^(qū)域內(nèi)，往往會(huì)引起森林植被的破壞，土體物理化學(xué)性質(zhì)以及水文性質(zhì)的改變?；馂?zāi)后的數(shù)月至數(shù)十年時(shí)間內(nèi)，在強(qiáng)降雨條件下，火燒跡地會(huì)經(jīng)歷比未燒區(qū)域更嚴(yán)重的坡體侵蝕，引發(fā)泥石流。這種由于火災(zāi)導(dǎo)致森林植被灼燒，根系腐爛，造成土體水文及力學(xué)性質(zhì)惡化而產(chǎn)生的泥石流統(tǒng)稱為“火后泥石流”。

火后泥石流運(yùn)動(dòng)過程中，能造成嚴(yán)重的土體侵蝕(王嚴(yán)等， 2019)，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞，誘發(fā)更大規(guī)模的災(zāi)害，因而具有較強(qiáng)的破壞力，嚴(yán)重威脅著下游人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。1934年1月1日發(fā)生在加州洛杉磯附近的火后泥石流，造成30人死亡， 483座房屋被毀(Eaton， 1936)，這是關(guān)于火后泥石流災(zāi)害事件的首次報(bào)道。2002年發(fā)生在科羅拉多州傳教士嶺的火災(zāi)導(dǎo)致29185hm2的森林被毀，隨后的火后泥石流沖毀了橋梁護(hù)欄，造成公路被堵塞，至少5輛車被泥石流沖走(Cannon et al.，2003)。2014年6月1日，四川省甘孜藏族自治州鄉(xiāng)城縣正斗鄉(xiāng)仁額擁溝流域發(fā)生森林火災(zāi)，過火后的2014年6月8日，仁額擁溝發(fā)生了大規(guī)模泥石流，造成主河河水雍高，房屋、農(nóng)田被淤埋，大量道路、橋梁被沖毀(胡卸文等， 2018)。2020年5月7日，四川省涼山州喜德縣中壩村發(fā)生森林大火，火災(zāi)持續(xù)了6天5夜，過火面積超過100hm2，在火災(zāi)后的不到1個(gè)月時(shí)間內(nèi)，受持續(xù)降雨影響，于2020年6月4日在火災(zāi)區(qū)域暴發(fā)泥石流，導(dǎo)致下游村莊被毀，村民被迫遷移(圖1)。

圖1 2020 年“6·4”四川省涼山州喜德縣火后泥石流造成溝道下游房屋被淤埋(雷鳴宇攝于2020-6-5)

全世界每年發(fā)生森林火災(zāi)幾十萬次，受災(zāi)面積達(dá)幾百萬公頃(舒立福等， 1998)，其中美國遭受火后泥石流的報(bào)道最多。據(jù)美國學(xué)者對(duì)火燒跡地已經(jīng)發(fā)生的泥石流數(shù)量統(tǒng)計(jì)，大約40%的火燒跡地發(fā)生了泥石流災(zāi)害(胡卸文等， 2018)。全球變暖和極端氣候事件頻發(fā)的背景下，森林火災(zāi)呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)(趙鳳君等， 2008)，由此引發(fā)的火后泥石流事件也勢(shì)必增加。

已有的研究表明，火后泥石流可以由地表徑流引發(fā)或淺層土壤滑坡引發(fā)(Cannon et al.，2001)?！暗乇韽搅餍突鸷竽嗍鳌倍喟l(fā)生于火災(zāi)后的1～2年內(nèi)，此類火后泥石流多是由于火后土體滲透性急劇降低，導(dǎo)致地表徑流量激增而引發(fā)，目前的研究也多集中在此類泥石流的起動(dòng)機(jī)理上。然而，對(duì)于火災(zāi)數(shù)年后，由于根系腐爛，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，引發(fā)淺層滑坡并為后續(xù)泥石流提供物源的“淺層滑坡型火后泥石流”災(zāi)害事件的起動(dòng)機(jī)理研究較少(Gartner et al.，2005)。淺層滑坡型火后泥石流相比于前者，發(fā)生的時(shí)間更靠后，主要集中在火災(zāi)后的5～10年內(nèi)，火后滑坡的厚度從幾十厘米到6米多不等(Parise et al.，2012)，其起動(dòng)機(jī)理不同于地表徑流型火后泥石流。

本文主要針對(duì)火后淺層滑坡引發(fā)泥石流的研究展開回顧，并以發(fā)生在四川涼山州木里縣的淺層滑坡型火后泥石流事件為例，進(jìn)行野外調(diào)查與室內(nèi)試驗(yàn)，從而探究淺層滑坡型火后泥石流的起動(dòng)機(jī)理，這有助于深刻認(rèn)識(shí)淺層滑坡型火后泥石流，以便能更好地針對(duì)此類災(zāi)害做好災(zāi)害防治以及森林管理的工作。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前關(guān)于淺層滑坡型火后泥石流的報(bào)道較少，Parise et al. (2012)統(tǒng)計(jì)指出，只有12%火后泥石流是由淺層滑坡所觸發(fā)，一般發(fā)生于土壤覆蓋的邊坡，滑坡的厚度從幾十厘米到6米不等。研究表明，在美國愛達(dá)荷州(Meyer et al.，2001)及美國西北地區(qū)(Wondzell et al.，2003)發(fā)生森林火災(zāi)幾年后的火燒跡地常伴有坡體失穩(wěn)事件，并發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后期流域內(nèi)的樹根逐漸腐爛，導(dǎo)致了泥石流的發(fā)生。Meyer et al. (2001)認(rèn)為由淺層滑坡引發(fā)的火后泥石流一般發(fā)生于火災(zāi)后的10年內(nèi)，隨后Wondzell et al. (2003)也證實(shí)了這一觀點(diǎn)，認(rèn)為在火災(zāi)后的10年內(nèi)，根系的腐爛導(dǎo)致土壤黏聚力到達(dá)最低水平，這是火災(zāi)后數(shù)年容易發(fā)生滑坡的原因。

根系腐爛造成對(duì)土體加固能力的降低通常被認(rèn)為是火災(zāi)后淺層滑坡增加(Benda et al.，1997)和隨后的泥石流發(fā)生(Jackson et al.，2009)的主要誘因。因此，淺層滑坡型火后泥石流的研究主要從根系和土體兩方面著手?；馂?zāi)后植物根系開始腐爛，其腐爛速率與根系直徑成反比。這主要是由于細(xì)根與土壤的接觸面積較大，土壤中的微生物群落加速了分解(Vergani et al.，2016a, 2016b)。另外，由于根的腐爛或老化，土體導(dǎo)水系數(shù)可增大1.3～6.5倍(Scanlan， 2009； Vergani et al.，2014； Ni et al.，2017)?；谖锢韺?shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，優(yōu)勢(shì)流在潛在的滑動(dòng)表面上引起孔隙水壓力快速上升，滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度減小，最終導(dǎo)致邊坡破壞從而引發(fā)滑坡型火后泥石流(van Asch et al.，1999； Sidle et al.，2016)。

基于已有文獻(xiàn)，盡管有少量研究報(bào)道了植物死亡后根系強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，然而關(guān)于根系腐爛引起的其強(qiáng)度下降與根系土的強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)之間的定量關(guān)系如何尚不清楚。目前也缺乏火災(zāi)后土體強(qiáng)度的定量評(píng)估方法，這限制了人們對(duì)于淺層滑坡型火后泥石流起動(dòng)條件和起動(dòng)機(jī)理的認(rèn)知。

2 淺層滑坡型火后泥石流的起動(dòng)條件

淺層滑坡型火后泥石流的起動(dòng)需要一定的地形地貌條件和降雨條件，另外根系-土壤條件能為泥石流提供物源條件，下面分別對(duì)3類起動(dòng)條件進(jìn)行說明：

2.1 地形地貌條件

火后淺層滑坡型泥石流一般發(fā)育于火燒跡地的陡峭邊坡。Meyer et al. (1997)通過分析森林火災(zāi)后黃石公園沖積扇對(duì)地貌效應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)坡度是火后物質(zhì)輸移過程的主要控制因素。王士革(1999)通過研究淺層滑坡發(fā)育與坡度的關(guān)系后指出， 20°～40°是淺層滑坡發(fā)育最有利的坡度范圍。Rose(2013)對(duì)新西蘭北部的滑坡進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)95%的滑坡的坡度都大于24°，并且大都集中于28°～32°之間，這表明淺層滑坡事件與坡度相關(guān)性較高，且淺層滑坡一般發(fā)生在較陡的斜坡處。另外，坡度曲率也是控制火后淺層滑坡一個(gè)重要的變量，它控制著坡面淺表及地下水文動(dòng)態(tài)和侵蝕沉積速率(Gorsevski et al.，2006)。根據(jù)邊坡的縱剖面形態(tài)可以將坡體分為凸坡、凹坡和直線坡。一般而言，淺層滑坡受到凹度的強(qiáng)烈控制，因?yàn)榘计赂菀淄ㄟ^淺層地下水流的匯聚和水的滲入增加土壤飽和度(Borga et al.，2010)，降低土體強(qiáng)度，從而降低了邊坡穩(wěn)定性。除以上兩個(gè)因素外，坡向可能對(duì)火后淺層滑坡造成影響。Gao et al. (2010)研究新西蘭地形對(duì)淺層滑坡的影響及其演變，發(fā)現(xiàn)約有71.3%的滑坡發(fā)生在北邊坡向的坡體，說明滑坡的坡向和滑坡發(fā)生概率相關(guān)。

2.2 降雨條件

降雨是誘發(fā)滑坡的關(guān)鍵因素(馬鵬輝等， 2018； 潘俊義等， 2018； 孫萍等， 2019)，火后淺層滑坡通常是由長時(shí)間的降雨引起(Parise et al.，2012)。受冠層結(jié)構(gòu)的影響，植被冠層對(duì)降雨的截留量通常為總降水量的9%～48%(H?rmann et al.，1996)。而枯枝落葉層對(duì)降雨的截留量約占總降雨量的8%左右(Acharya et al.，2017； Rosalem et al.，2018)?；馂?zāi)后數(shù)年內(nèi)，植被及其根系死亡后會(huì)增加地表附近土壤的導(dǎo)水性，增大平行于斜坡表面的滲流并導(dǎo)致斜坡破壞(Greenway， 1987; Leslie et al.，2014)； 同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致豎向?qū)匦栽黾?，引起更深層土壤吸力的損失和地下水位上升。導(dǎo)水性增加主要是由于根系腐爛后，導(dǎo)致根系結(jié)構(gòu)和土壤結(jié)構(gòu)都被破壞，形成優(yōu)勢(shì)流動(dòng)通道引起的(Ghestem et al.，2011)。根腐爛后，形成了具有很強(qiáng)連通性的大孔(Ghestem et al.，2011)，促進(jìn)了水在土壤中的運(yùn)輸(Murphy et al.，1993)。優(yōu)勢(shì)流導(dǎo)致土體更易飽和(葉帥華等， 2018)，使邊坡失效發(fā)生滑坡(馮文凱等， 2018)。因此，火災(zāi)后引起邊坡失穩(wěn)的降雨閾值也有所下降。

降雨條件對(duì)泥石流的起動(dòng)具有較強(qiáng)的控制效應(yīng)。目前大量研究通過分析火后泥石流事件，試圖厘清火后泥石流及火后滑坡起動(dòng)的降雨閾值條件。Staley et al. (2016)提出了一種新的預(yù)測(cè)方法，該方法利用降雨、水文響應(yīng)和地理空間數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)美國西部最近火災(zāi)地點(diǎn)的降雨強(qiáng)度-持時(shí)閾值，并建立火后泥石流預(yù)測(cè)方法。表1總結(jié)了近年來，火后泥石流發(fā)生區(qū)域的降雨強(qiáng)度-持時(shí)閾值。

表1 火后泥石流發(fā)生區(qū)域降雨強(qiáng)度-持時(shí)閾值

2.3 根系-土壤條件

滑坡型火后泥石流的物源條件主要來自火災(zāi)后根系的腐爛誘發(fā)的淺層滑坡事件。過去的幾十年，科研人員針對(duì)植物對(duì)土體的加筋錨固作用(Wu et al.，1979; Pollen et al.，2005; Fan et al.，2008; Switala et al.，2019)以及邊坡穩(wěn)定性(Greenwood et al.，2004; Zhu et al.，2017; Gehring et al.，2019; Giadrossich et al.，2019)進(jìn)行了定量化分析和模擬。植物根系通過加筋及錨固作用與邊坡土體形成有機(jī)的整體，并通過增加土體表觀黏聚力(即植物根系對(duì)土壤剪切強(qiáng)度的貢獻(xiàn))顯著提高土體的抗剪強(qiáng)度。根系對(duì)土體有固結(jié)作用，網(wǎng)狀的須根提供加筋作用，粗壯的主根和側(cè)根提供錨固作用(宋維峰等， 2008)。在高烈度的火災(zāi)中，高溫可能會(huì)影響土層以下5～10cm范圍內(nèi)的根系(Swezy et al.，1991)，使根系被灼燒死亡，逐漸腐爛，根系數(shù)量和根系的強(qiáng)度也會(huì)降低(Jackson et al.，2009; Vergani et al.，2017)?；馃蟮臄?shù)年內(nèi)，由于火燒導(dǎo)致植被死亡，根系會(huì)逐漸腐爛而失去加筋和錨固作用，導(dǎo)致土體黏聚力在根系腐爛過程中逐漸減小(Meyer et al.，2001; Vergani et al.，2014)，土體更容易失穩(wěn)，為火后泥石流的起動(dòng)提供了充足的潛在物源。

另外，火災(zāi)對(duì)植物的水力作用的改變對(duì)邊坡穩(wěn)定性也有著重要的影響。Ng et al. (2016)通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比了根系土和無根系土的吸力分布情況，發(fā)現(xiàn)由于根系的蒸騰作用，根系土在降雨前和降雨過程中的吸力均偏高。植物引起的吸力可以減小土體的導(dǎo)水系數(shù)，并增加抗剪強(qiáng)度(Ni et al.，2019)。植物死亡后，植物水力作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的有利影響將逐漸消失，影響機(jī)理也隨之發(fā)生改變。植物蒸騰作用引起的土壤基質(zhì)吸力會(huì)消失，導(dǎo)致土壤的抗剪強(qiáng)度會(huì)降低(Ng et al.，2016; Ni et al.，2019)。

因此，火災(zāi)改變了根系-土壤的力學(xué)和水文效應(yīng)，導(dǎo)致滑坡發(fā)生概率大大增加，為火后泥石流提供了豐富的物源條件。對(duì)于根系的腐爛程度主要從根系數(shù)量及根系的極限抗拉力的變化來定義，圖2總結(jié)了前人關(guān)于火災(zāi)導(dǎo)致蘇格蘭松死亡后，其根系腐爛程度與火后時(shí)間演變的關(guān)系。由圖2可知，未被火燒的根系數(shù)量顯著大于火燒后48個(gè)月的根系數(shù)量，表明根系在火燒后的48個(gè)月內(nèi)腐爛嚴(yán)重，導(dǎo)致根系數(shù)量急劇減少。圖3總結(jié)出，對(duì)于同一直徑下的根系，火災(zāi)后的根系極限抗拉力會(huì)有所下降，其下降幅度隨火后時(shí)間的增加而增加，證明根系的腐爛會(huì)導(dǎo)致根系強(qiáng)度的降低，且根系腐爛程度隨火后時(shí)間的增加而增加。

圖2 火災(zāi)前后蘇格蘭松根系數(shù)量變化

圖3 不同火后時(shí)間下根系直徑-根系抗拉力關(guān)系曲線

3 淺層滑坡型火后泥石流案例及起動(dòng)機(jī)理分析

3.1 研究區(qū)概況

涼山州位于四川省西南方向，橫斷山的東北緣，地勢(shì)西高東低，地形地貌復(fù)雜。涼山州森林覆蓋率為43%，是四川省3大林區(qū)之一(李佳， 2019)。涼山州的年降水量為700～1200mm，降雨主要集中在每年的5～10月份，占全年降雨量的90%左右(胡堯， 2015)，每年的11月～次年的4月降雨量極少，導(dǎo)致涼山州在該季節(jié)內(nèi)氣候干燥，溫度偏高。由于涼山州境內(nèi)覆蓋大面積的原始森林，且地形條件復(fù)雜，交通不便，干燥的空氣遇上雷擊事件極易引發(fā)大規(guī)模的森林火災(zāi)。近年來，涼山州境內(nèi)森林大火呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，由森林火災(zāi)導(dǎo)致的火后泥石流事件也更加頻繁(圖4)。2010年2月16日，位于木里縣后所鄉(xiāng)的依羅村發(fā)生森林火災(zāi)，過火面積約為50hm2，過火區(qū)域植被燃燒殆盡，僅剩下一些死亡的樹木保留在土中。2019年6月，距離發(fā)生火災(zāi)9年后，曾經(jīng)的火燒跡地發(fā)生小型滑坡并在隨后的降雨中產(chǎn)生小型泥石流。經(jīng)調(diào)查，火燒跡地的淺層滑坡為泥石流的起動(dòng)提供了物源，為典型的淺層滑坡型火后泥石流事件，其發(fā)生條件主要與淺層滑坡相關(guān)。因此，本研究著重分析火燒跡地淺層滑坡的起動(dòng)因素，來探究淺層滑坡型火后泥石流的起動(dòng)機(jī)理。由圖5可知，火后淺層滑坡的滑動(dòng)面穿過根系，根系和土體被縱向剪斷。另外，滑動(dòng)面出露的根系已經(jīng)完全腐爛，根系在土體中腐爛中空后出現(xiàn)空管現(xiàn)象(圖5)，中空的根系不但能進(jìn)一步加大大孔隙優(yōu)先流的概率(Jiang et al.，2018； J?rgensen et al.，2019)，還破壞了根土復(fù)合體整體的結(jié)構(gòu)性，使得根土復(fù)合體強(qiáng)度降低。為了查明火燒跡地發(fā)生滑坡的原因，本研究還根據(jù)涼山州歷年火災(zāi)災(zāi)情數(shù)據(jù)選取火后3年的火燒跡地(木里縣寧朗鄉(xiāng))及未火燒區(qū)域作為對(duì)照，對(duì)比根系數(shù)量、根系極限抗拉力及根土復(fù)合體強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律，以解釋此次火后滑坡的發(fā)生機(jī)理。

圖4 研究區(qū)地理位置圖(a)； 研究區(qū)數(shù)字高程圖(b)； 寧朗鄉(xiāng)火后現(xiàn)場(chǎng)圖(c)； 后所鄉(xiāng)火后現(xiàn)場(chǎng)圖(d)

圖5 依羅村火后淺層滑坡-泥石流

3.2 野外調(diào)查及室內(nèi)試驗(yàn)

3.2.1 邊坡剖面開挖與根系數(shù)量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)火燒嚴(yán)重程度分類標(biāo)準(zhǔn)(Keeley， 2009； Gordillo-Rivero et al.，2014)，腐殖質(zhì)層燒毀嚴(yán)重且樹木被燒焦的區(qū)域?yàn)橹囟然馃齾^(qū)。為確保植物根系由于火災(zāi)的高溫灼燒而死亡腐爛，本研究選取火燒后3年和火燒后9年的重度火燒區(qū)及未火燒區(qū)域內(nèi)胸徑為15cm的馬尾松作為研究對(duì)象。以選取的馬尾松為圓心，半徑1.5m為開挖半徑，開挖深度為80cm進(jìn)行剖面開挖，按根系直徑分為0.5～1mm、1～2mm、2～5mm、5～10mm以及>10mm 5種徑級(jí)，統(tǒng)計(jì)開挖深度范圍內(nèi)的根系數(shù)量。統(tǒng)計(jì)數(shù)量后，對(duì)出露根系進(jìn)行采集，并放入15%酒精中保存以防止變質(zhì)(Vergani et al.，2014)，對(duì)火后時(shí)間為3年、9年及健康根系分別封裝，并做好標(biāo)注，帶回實(shí)驗(yàn)室。

3.2.2 不同火后時(shí)間的單根拉伸測(cè)試

對(duì)采集的根系進(jìn)行篩選，選取形態(tài)筆直的根系，截取其5cm長的根段在微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)CMT6104，量程10kN，精度為1%)上進(jìn)行拉伸測(cè)試，根系直徑是根據(jù)在斷裂點(diǎn)兩端用游標(biāo)卡尺量測(cè)后取平均值得到。為了避免根系在拉伸過程中由于應(yīng)力集中而斷裂，對(duì)每一個(gè)根系進(jìn)行了特殊的處理，在根的兩端用有機(jī)材料進(jìn)行包裹，再用夾具以10mm·min-1的速率進(jìn)行拉伸測(cè)試(Bischetti et al.，2016)。拉伸測(cè)試后，選擇斷裂點(diǎn)在根系中間的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，而在夾具附近斷裂的數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)(避免其由于應(yīng)力集中而斷裂)。本研究對(duì)健康根系， 3年火燒歷史及9年火燒歷史的根系進(jìn)行了260組拉伸測(cè)試，其中有效數(shù)據(jù)共計(jì)191組，無效數(shù)據(jù)69組，將有效數(shù)據(jù)按火后時(shí)間分類并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.2.3 火后根系土體強(qiáng)度隨火后時(shí)間演變規(guī)律

為了探究火后植被根系的腐爛是否會(huì)導(dǎo)致根系土抗剪強(qiáng)度的降低，確定火后滑坡的機(jī)理，本研究制作不同火后時(shí)間下根系土的重塑土樣品，其中未被火燒的健康根系作為對(duì)照組，進(jìn)行室內(nèi)三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，以厘清根系腐爛對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響隨火后時(shí)間的演變規(guī)律。試樣高度為30cm，直徑為15cm，每個(gè)樣品中加入10g根系，根系取至不同火后時(shí)間的火燒跡地，選取直徑約為5mm的根系，土體分5層擊實(shí)，在每層土擊實(shí)過程中，水平放上根系以及豎直方向插入根系，最終使根系交叉分布，配置好根土復(fù)合體剪切試樣(嵇曉雷等， 2016)。樣品干密度為1.45g·cm-3，配置試樣時(shí)含水率為15%?？紤]3種不同圍壓應(yīng)力(100 kPa、150 kPa和200 kPa)，探究不同火后時(shí)間下的根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)的變化。

3.2.4 火后不同時(shí)間下坡體穩(wěn)定性計(jì)算

經(jīng)調(diào)查，由于火燒后根系經(jīng)歷長時(shí)間的腐爛，已失去原有的固土能力，導(dǎo)致淺層滑坡的滑動(dòng)面貫穿根系區(qū)域(圖5)。對(duì)于火后不同時(shí)間下的坡體穩(wěn)定性分析，本研究根據(jù)后所鄉(xiāng)依羅村的淺層滑坡實(shí)測(cè)剖面，統(tǒng)計(jì)滑坡體的實(shí)測(cè)坡度及滑動(dòng)面深度并考慮火后不同時(shí)間下的根系土剪切試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行分析。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)滑動(dòng)面(圖5a)隨機(jī)選取12個(gè)不同位置的坡度進(jìn)行測(cè)量，其坡度范圍在28.7°～41.3°，平均值為38.6°(n=12)。對(duì)滑動(dòng)面隨機(jī)選取9個(gè)不同位置，測(cè)量滑動(dòng)面深度(圖5d)，其深度范圍為0.85～1.5m，平均深度為1.31m(n=9)?；陲柡屯恋臒o限邊坡理論，并考慮根系的加筋效應(yīng)對(duì)根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，根據(jù)Hales et al. (2017)提出的公式，計(jì)算不同火燒時(shí)間后坡體的穩(wěn)定性系數(shù)。其計(jì)算表達(dá)式如式1：

(1)

式中：c′為根系土的有效黏聚力(kPa)；φ′為根系土有效內(nèi)摩擦角(°)；γ和γw分別為干土和濕土的重度(g·cm-3)；m為土壤深度和地下水位深度之間的比率；β為坡體的平均坡度(°)；z是滑動(dòng)面深度(m)。

計(jì)算過程中，假設(shè)降雨條件下，整個(gè)根系土層達(dá)到飽和狀態(tài)，水位線和坡面持平，坡度選取該淺層滑坡實(shí)測(cè)坡度的平均值38.6°，滑動(dòng)面深度選取該淺層滑坡滑動(dòng)面的平均深度1.31m，土體干密度為1.45g·cm-3，g取9.8m·s-2。根據(jù)不同火后時(shí)間下的根土復(fù)合體的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算坡體穩(wěn)定性。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 根系剖面及根系數(shù)量

火后土層結(jié)構(gòu)及成分如圖6所示。由圖可知，火災(zāi)后的坡面土層結(jié)構(gòu)從上到下主要包括灰燼層、燒焦的腐殖質(zhì)層及土層。灰燼層主要是火災(zāi)中的地上植被燃燒形成的灰燼所組成； 而燒焦的腐殖質(zhì)層主要是由于火災(zāi)時(shí)的高溫使地下有機(jī)質(zhì)燃燒分解并最終附著在土層表面，形成的“塊狀層”(Certini， 2005)。表部覆蓋層基本組成成分主要包括灰燼、土壤、燒焦的樹枝以及腐爛的根系。

圖6 火燒區(qū)域坡體土層結(jié)構(gòu)及組成成分

對(duì)未被火燒、火燒后3年及火燒后9年的根系進(jìn)行剖面開挖，使根系出露。各剖面根系結(jié)構(gòu)特征及根系分布情況如圖7所示。對(duì)于未被火燒的健康根系，細(xì)根數(shù)量較多，且分布于整個(gè)土層中； 對(duì)于火后3年的根系結(jié)構(gòu)，可以明顯看出細(xì)根數(shù)量相比于未被火燒的樹木有所降低，且細(xì)根在土層中分布不均勻，這與細(xì)根的腐爛有關(guān)； 對(duì)于火燒后9年的樹木，根系結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全被破壞，細(xì)根幾乎已經(jīng)消失，且粗根的腐爛程度也非常嚴(yán)重，導(dǎo)致根系中空，土層中出現(xiàn)了大孔隙。說明根系腐爛是一個(gè)緩慢的過程，火后的初期，細(xì)根由于和土壤接觸面積更大，導(dǎo)致先于粗根腐爛； 而在發(fā)生火災(zāi)的較長時(shí)間后，粗根也最終會(huì)腐爛，導(dǎo)致坡體失穩(wěn)。

圖7 火后不同時(shí)間下根系結(jié)構(gòu)特征

對(duì)未被火燒，火燒之后3年、9年的松樹根系生物量統(tǒng)計(jì)如圖8。

圖8 未火燒松樹、火燒后3年及火燒9年松樹不同徑級(jí)根系數(shù)量

由圖8可知，對(duì)于徑級(jí)為0.5～1mm的根系，相比于健康的松樹根系，火后3年內(nèi)數(shù)量減少到健康根系的28%，而到火后9年時(shí)， 0.5～1mm的根系已經(jīng)完全消失； 對(duì)于徑級(jí)為1～2mm的根系，相比于健康的松樹，火后3年的松樹根系數(shù)量減少到健康根系的39%，該徑級(jí)火后9年的根系數(shù)量也已經(jīng)完全消失； 對(duì)于徑級(jí)為2～5mm的根系數(shù)量，火后3年略有降低，降低幅度約為17%，而火后9年時(shí)，該徑級(jí)下的根系已經(jīng)完全消失。對(duì)于5～10mm徑級(jí)的根系數(shù)量，相比于健康的松樹，火后3年的變化不明顯，而火后9年的根系數(shù)量下降至健康根系數(shù)量的一半； 對(duì)于大于10mm的根系，3種火燒歷史的根系數(shù)量變化不明顯。說明火后根系腐爛是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，細(xì)根由于直徑較小，其比表面積更大，因此在相同環(huán)境條件下，比粗根更先腐爛，因此會(huì)導(dǎo)致細(xì)根(<5mm)數(shù)量在火后3年和9年內(nèi)大幅度減少，而相對(duì)較粗的根系(>10mm)數(shù)量減少不明顯。

對(duì)于根系總量，火燒后3年及9年的根系總量相比于未被火燒的根系總量有大幅下降?；馃蟾悼偭侩S火燒后時(shí)間的關(guān)系如式2：

N=210e-0.29t

(2)

式中：N為根系總量；t為火燒后的時(shí)間。

3.3.2 根系極限抗拉力

對(duì)不同直徑下火后3年、9年后的松樹根系及健康根系進(jìn)行拉伸測(cè)試，根系斷裂時(shí)的力為根系極限抗拉力。根系極限抗拉力隨根系直徑的變化如圖9所示。由圖9可知，其值隨直徑的增加而增加，整體呈冪函數(shù)上升。對(duì)比火后9年，火后3年及健康根系的極限抗拉力，其值隨火后時(shí)間的增加而顯著降低，這和根系數(shù)量隨火后時(shí)間的增加而降低的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，再次證明火后根系的腐爛不但會(huì)導(dǎo)致根系數(shù)量的衰減，更會(huì)導(dǎo)致根系本身強(qiáng)度的降低。

圖9 健康根系、火燒后3年及火燒后9年根系極限抗拉力-直徑關(guān)系

為了說明火災(zāi)后根系極限抗拉力隨腐爛時(shí)間的變化規(guī)律，我們對(duì)不同徑級(jí)下的根系計(jì)算出平均極限抗拉力，并擬合出不同徑級(jí)下的根系極限抗拉力與腐爛時(shí)間的變化關(guān)系(圖10)。

圖10 根系極限抗拉力隨火燒后時(shí)間的變化關(guān)系

由圖10可知，盡管不同徑級(jí)的根系極限抗拉力不同，但均隨火燒后時(shí)間的增加而降低。對(duì)于相同時(shí)間下的根系極限抗拉力，其值隨直徑的增加而增加。到火燒后的第9年時(shí)，直徑小于5mm的根系已經(jīng)完全喪失拉力，僅有直徑大于5mm的根系維持較低水平的極限抗拉力。這說明根系腐爛隨火后時(shí)間的增加而加劇，導(dǎo)致根系本身的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生惡化。

3.3.3 不同火后時(shí)間下根土復(fù)合體強(qiáng)度

由不同火后時(shí)間下的根土復(fù)合體三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果(圖11)可以看出，對(duì)于相同火后時(shí)間下的樣品，其極限破壞應(yīng)力隨著圍壓的升高而增大； 在同一圍壓條件下，相比于素土，健康的根土復(fù)合體的極限破壞應(yīng)力有較大的提升，說明根系能夠有效提高土體的抗剪強(qiáng)度。根據(jù)不同火后時(shí)間下根土復(fù)合體的主應(yīng)力差-軸向應(yīng)變曲線，可以得到相應(yīng)的黏聚力和內(nèi)摩擦角。將根土復(fù)合體相對(duì)于素土提升的那一部分黏聚力視為根系引起的黏聚力，其大小表征了根系對(duì)土體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)程度。

圖11 不同火后時(shí)間下的根土復(fù)合體主應(yīng)力差-軸向應(yīng)變曲線

不同火后時(shí)間下的根系強(qiáng)度貢獻(xiàn)如表2所示，由表2可知，根系引起的黏聚力隨火后時(shí)間的增加而顯著降低，其變化規(guī)律和根系數(shù)量及根系極限抗拉力隨火后時(shí)間的變化規(guī)律相似，說明三者之間有相互聯(lián)系。隨火后時(shí)間的推移，根系逐漸腐爛導(dǎo)致其加筋作用逐漸削弱，失去對(duì)土體的加筋作用，使得根土復(fù)合體整體的抗剪強(qiáng)度都隨著火后時(shí)間的增長而降低，根系土體強(qiáng)度的降低，是火后滑坡起動(dòng)至關(guān)重要的原因。

表2 素土、未被火燒根系土、火燒后3年根系土及火燒后9年根系土抗剪強(qiáng)度參數(shù)

3.3.4 研究區(qū)域坡體穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)根土復(fù)合體固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)可得到不同火后時(shí)間下的根土復(fù)合體的有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)，其值如表3。

表3 不同火后時(shí)間下根土復(fù)合體有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)

基于無限邊坡理論，根據(jù)后所鄉(xiāng)依羅村的淺層滑坡實(shí)測(cè)坡度及滑動(dòng)面深度，并考慮火后不同時(shí)間下的根系土抗剪強(qiáng)度參數(shù)，火后不同時(shí)間下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖12。

圖12 不同火后時(shí)間的覆被邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

由計(jì)算結(jié)果可知，未被火燒的健康根系能夠顯著地提升邊坡穩(wěn)定性，但火災(zāi)后的根系強(qiáng)度會(huì)逐漸衰減，導(dǎo)致固土效應(yīng)也逐漸削弱，導(dǎo)致的最終結(jié)果是在火后9年的邊坡穩(wěn)定性分析中，其邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1，誘發(fā)了此次后所鄉(xiāng)邊坡失穩(wěn)事件，這和實(shí)際情況相符。從時(shí)間尺度上分析可知，火后的前幾年，邊坡穩(wěn)定性會(huì)有所降低，但由于根系還未腐爛完全，因此仍然具有一定的強(qiáng)度，能對(duì)邊坡起到加固作用，邊坡未發(fā)生失穩(wěn)； 但在火災(zāi)較長時(shí)間后，隨著根系腐爛程度的加重，根系已經(jīng)失去了對(duì)土體的加筋作用，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，最終誘發(fā)火后滑坡事件。

火災(zāi)發(fā)生后，在根系腐爛過程中，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性逐漸降低，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨火災(zāi)后時(shí)間的關(guān)系可由式3表示：

FOS=3.40e-0.14t

(3)

式中：FOS為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；t為火災(zāi)后時(shí)間。

4 結(jié)論及展望

通過文獻(xiàn)調(diào)研，以及對(duì)涼山州火燒跡地淺層滑坡型火后泥石流形成過程中起動(dòng)模式的研究，得出以下結(jié)論：

火災(zāi)發(fā)生較長時(shí)間后，由于植被死亡，失去生理作用，會(huì)導(dǎo)致根系逐漸腐爛。根系腐爛的過程會(huì)引起根系數(shù)量的減少，且不同直徑的根系腐爛速度對(duì)火后時(shí)間的敏感性不同。在相同的火后時(shí)間下，細(xì)根會(huì)先于粗根腐爛，火災(zāi)后的3年，細(xì)根數(shù)量大幅減少，到了火后第9年，細(xì)根已經(jīng)完全消失，而僅保留下粗根。這是由于細(xì)根與土體接觸面積更大，腐爛速率更快，導(dǎo)致細(xì)根優(yōu)先于粗根腐爛。根系的極限抗拉力表征了根系能夠提供的最大拉力。對(duì)于相同火后時(shí)間的根系，其極限抗拉力隨直徑的增加而增加，但對(duì)相同直徑的根系，其極限抗拉力隨火后時(shí)間的增加而迅速降低，反映了火后植被死亡導(dǎo)致根系腐爛而造成根系強(qiáng)度削弱。根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度相比于素土有所提升，說明根系能夠?qū)ν馏w有顯著的加筋作用，然而，這種加筋作用同樣會(huì)隨著火后時(shí)間的增加而降低，導(dǎo)致覆被邊坡的坡體穩(wěn)定性降低，引發(fā)火后滑坡-泥石流的概率也會(huì)隨火后時(shí)間的增加而增加。另外，觀察火燒9年后的火燒跡地淺層滑坡可以發(fā)現(xiàn)大量腐爛的根系。根系腐爛會(huì)導(dǎo)致根系內(nèi)部中空，使土體內(nèi)部形成中空管道，在強(qiáng)降雨條件下，雨水更容易沿著中空根系入滲到土體內(nèi)部，形成大孔隙優(yōu)先流現(xiàn)象，導(dǎo)致土體飽和度上升，土體強(qiáng)度降低，引發(fā)火后滑坡。因此，火后滑坡是由于火后根系腐爛造成土體力學(xué)及水文特性的改變，引起根土復(fù)合體強(qiáng)度而引發(fā)的邊坡失效問題。

關(guān)于火后泥石流起動(dòng)機(jī)理的研究，目前存在一些不足和研究難點(diǎn)。針對(duì)火后泥石流起動(dòng)機(jī)理的研究，未來的工作可以集中在以下幾方面：(1)淺層滑坡型火后泥石流暴發(fā)規(guī)模的影響因素。(2)火后泥石流的發(fā)生頻率隨火后時(shí)間的演變規(guī)律。(3)關(guān)于火后坡面的降雨-入滲-表面徑流及產(chǎn)匯流的數(shù)值模擬。