祁玉超, 蘭惠娟, 王道杰, 何松膛,方迎潮, 陳文樂(lè), 趙 鵬, 裴曾莉, 田 雨
(1.中國(guó)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(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610041; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 3.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司, 四川 成都 610041; 4.四川省富順縣城關(guān)中學(xué), 四川 自貢 643200)
在全球氣候變化背景下,強(qiáng)降雨等極端天氣現(xiàn)象增多,使得地形條件復(fù)雜的西南山區(qū)滑坡、泥石流等災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重[1]。目前山地災(zāi)害的治理措施主要是巖土工程措施和生物工程措施[2],但由于巖土工程措施存在與環(huán)境相容性差、設(shè)計(jì)要求和費(fèi)用高以及施工難度大等缺陷[3],隨著國(guó)際上基于自然手段方案(nature based solution)的提出[4],生物工程措施作為預(yù)防和緩解山地災(zāi)害的重要舉措,引起廣泛的討論與實(shí)踐應(yīng)用[5-8]。目前,已經(jīng)有學(xué)者對(duì)不同植被泥沙攔截能力[9]、地表水文效應(yīng)[10]、固土護(hù)坡機(jī)制[11]以及喬木固坡效應(yīng)等[12]問(wèn)題進(jìn)行大量研究,取得顯著的成果。然而涉及到暴雨條件下灌木固坡效應(yīng)的研究相對(duì)較少[13],尤其是在地形復(fù)雜、氣候多變、山地災(zāi)害頻發(fā)的西南地區(qū),灌木是否在任何坡度條件下都能發(fā)揮固坡效用,亦或是隨著坡度增加需要像喬木一樣考慮其自重[12]對(duì)坡體的影響,目前尚不明確。因此研究暴雨條件下灌木對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,對(duì)實(shí)現(xiàn)生物工程措施科學(xué)合理地防災(zāi)減災(zāi)具有重要理論和實(shí)踐意義。本文選取都江堰市銀洞子實(shí)際滑坡堆積體物質(zhì),通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)人工降雨試驗(yàn),利用自行設(shè)計(jì)的灌木植物模型研究4種坡度(20°,35°,50°,65°)和4種種植模式(密植、適中種植、稀植和裸坡)組合條件下對(duì)暴雨前后邊坡穩(wěn)定性的影響。通過(guò)本文系統(tǒng)的研究,以期為植被在坡面治理中的穩(wěn)定性定量化分析提供新思路,同時(shí)也為生態(tài)工程措施在山地災(zāi)害防治中的應(yīng)用實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù),最終為系統(tǒng)性的提升山地災(zāi)害防控能力提供參考。
1.1.1 試驗(yàn)土體 花崗巖的全風(fēng)化土(completely decomposed granite, CDG)在中國(guó)西南地區(qū)廣泛分布[14],而花崗巖山地丘陵地區(qū)又是我國(guó)滑坡災(zāi)害頻發(fā)區(qū),因此研究該土體堆砌邊坡的穩(wěn)定性具有重要意義。研究表明,CDG土體與人造根配合使用時(shí),能較好地模擬自然界中的“根—土”相互作用[15]。因此,將采自四川省都江堰市銀洞子滑坡堆積體的野外原狀土體進(jìn)行風(fēng)干,然后除去2 mm以上的土顆粒并摻入10%粒徑小于0.01 mm的黏土,制備出粒徑級(jí)配和土體強(qiáng)度參數(shù)等方面和CDG土體極為相似的試驗(yàn)土體。本文試驗(yàn)土體和CDG土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。土體粒徑級(jí)配累積曲線(xiàn)如圖1所示。
圖1 試驗(yàn)土體和全風(fēng)化(CDG)土體的粒徑級(jí)配累積曲線(xiàn)
1.1.2 灌木模型設(shè)計(jì) 馬桑(Coriarianepalensis)作為四川省分布較為廣泛的大中型灌木,對(duì)土壤條件要求較低,常作為荒山綠化樹(shù)種[16]。其典型的橫走型根系(圖2)具有較多的水平根和斜出根,在土體中主要發(fā)揮側(cè)向拉伸作用,能有效提高坡體穩(wěn)定性[11]。因新鮮的馬桑根系易腐爛,且個(gè)體差異較大。為提高試驗(yàn)可控性與可重現(xiàn)性,本文選擇聚氨酯實(shí)心橡膠圓棒(長(zhǎng)為50 mm,直徑為3 mm)制作出馬桑水平根系相似比為1∶20的人造根(圖2)。試驗(yàn)表明該種橡膠棒的抗拉強(qiáng)度(20.11 MPa)與真實(shí)的馬桑根系[17](18.22 MPa)較為接近。為考慮灌木自重對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,結(jié)合野外考察的馬桑自重,在每個(gè)模型頂部捆綁50 g的砝碼,以模擬灌木的自重荷載。為更好模擬灌木的橫走形根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用,在堆砌模型邊坡(坡面寬50 cm,長(zhǎng)80 cm,與野外斜坡原型的相似比約1∶20)時(shí),分層壓實(shí),灌木模型垂直于坡面埋設(shè),且呈“十”字形的水平根系與坡面平行。
圖2 馬桑根系和灌木模型
在常規(guī)立地分類(lèi)系統(tǒng)中,坡度等級(jí)可分為3類(lèi):緩坡或斜坡(0°~35°)、陡坡(35°~55°)和急坡(55°~90°),其中30°~50°是滑坡發(fā)生的優(yōu)勢(shì)坡度[12]。因此,根據(jù)研究區(qū)概況與試驗(yàn)?zāi)康?,本文選擇4種具有代表性坡度(20°,35°,50°,60°)與4種種植模式(表2)組合,共設(shè)計(jì)16組模擬降雨試驗(yàn)。
表2 灌木模型邊坡參數(shù)
在四川中西部地區(qū),易發(fā)生滑坡和泥石流的降雨強(qiáng)度為35~100 mm/h[18]。為探究暴雨條件下灌木對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,本文選擇了116 mm/h的降雨強(qiáng)度(特大暴雨),利用人工降雨裝置誘導(dǎo)模型邊坡破壞,試驗(yàn)裝置為Norton VeeJet 80100型噴嘴式人工模擬降雨機(jī)(包括人工降雨設(shè)備、邊坡模型槽和參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)),終止試驗(yàn)的時(shí)間為土坡不再發(fā)生進(jìn)一步失穩(wěn)破壞為止(約30 min)。
前人[19]的研究表明,莫爾—庫(kù)倫強(qiáng)度理論同樣適用于植物根系加筋土。與裸坡相比,灌木邊坡還應(yīng)考慮灌木水平根系對(duì)土體的側(cè)向拉力引起的土體抗剪強(qiáng)度增量以及因砝碼而增加的豎直向下的重力。
根據(jù)灌木邊坡條塊受力情況,結(jié)合Lan等[12]在邊坡滑動(dòng)性風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算中對(duì)瑞典條分法計(jì)算公式的改進(jìn),得到灌木邊坡安全系數(shù)修正公式為:
(1)
式中:Fs為土體滑動(dòng)面的邊坡安全系數(shù);ci為黏聚力(N);li為第i條滑塊的滑動(dòng)弧面的長(zhǎng)度(m);Gi為土塊i所受豎直向下的重力(N);Gi′為增加的砝碼的重力(N);θi為第i條滑塊與豎直方向的夾角(°);φi為內(nèi)摩擦角(°);i為土條的編號(hào)(取值范圍為1~16)。
采用OriginPro,Excel軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和繪圖。
2.1.1 溝蝕破壞 20°和35°的灌木邊坡,無(wú)論種植密度如何,在暴雨情況下均呈現(xiàn)出溝蝕破壞現(xiàn)象。比較典型的是20°適中種植灌木邊坡(圖3)。在降雨開(kāi)始650 s后坡腳開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)溝,隨著時(shí)間的推移,細(xì)溝不斷擴(kuò)大,逐漸向上延伸發(fā)展至與附近細(xì)溝相連,在998 s時(shí)形成圖3所示的沖溝。隨后沖溝在雨水的沖刷下不斷加深,被雨水沖刷下來(lái)的固體物質(zhì)堆積在坡腳,直至降雨結(jié)束。整個(gè)過(guò)程中灌木僅倒塌、歪斜并沒(méi)有出現(xiàn)滑落的現(xiàn)象。同時(shí),對(duì)比邊坡破壞進(jìn)程發(fā)現(xiàn),各組邊坡沖溝出現(xiàn)的位置都大致相同,只是出現(xiàn)時(shí)間的前后有差別,35°邊坡比20°邊坡首次出現(xiàn)沖溝的時(shí)間早172~242 s。另外,對(duì)比同種坡度下不同植物種植模式發(fā)現(xiàn),灌木種植密度對(duì)沖溝的出現(xiàn)時(shí)間影響不大,但是會(huì)影響沖溝的深度和數(shù)量。種植越密集沖溝數(shù)量越少,沖溝深度越淺。
圖3 不同降雨歷時(shí)(T)溝蝕破壞模式的邊坡破壞過(guò)程
2.1.2 漸進(jìn)式破壞 裸坡、50°灌木邊坡和60°稀植、密植灌木邊坡呈現(xiàn)出漸進(jìn)式破壞現(xiàn)象。比較典型的是50°裸坡(圖4),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的雨水入滲后,在625 s時(shí)坡體前緣出現(xiàn)裂縫,并且有土塊不斷滑落。隨后裂縫逐漸擴(kuò)張,破壞區(qū)邊緣層層剝落,導(dǎo)致破壞區(qū)域不斷擴(kuò)大,在946 s時(shí)坡面上方也開(kāi)始出現(xiàn)新的裂縫。最終使得破壞面貫通,產(chǎn)生更大規(guī)模的破壞。進(jìn)一步對(duì)比邊坡破壞進(jìn)程發(fā)現(xiàn),裸坡出現(xiàn)裂縫的時(shí)間隨坡度的增加而不同程度的加快,20°,35°,50°和60°的裸坡上開(kāi)始出現(xiàn)裂縫的時(shí)間分別為802,580,114和107 s;在同種坡度下,種植灌木的邊坡比裸坡出現(xiàn)裂縫的時(shí)間晚124~370 s,但灌木種植密度對(duì)邊坡出現(xiàn)裂縫的時(shí)間卻影響不大。試驗(yàn)結(jié)束后,裸坡的最終破壞面積隨著坡度的增加而增大,20°,35°,50°和60°裸坡的最終破壞面積分別為143,231,3 802,4 000 cm2。進(jìn)一步對(duì)比灌木邊坡和裸坡發(fā)現(xiàn),種植灌木的邊坡比同坡度的裸坡的破壞面積更大,并且灌木種植越密集最終破壞面積越大。
圖4 不同降雨歷時(shí)(T)漸進(jìn)式破壞模式的邊坡破壞過(guò)程
2.1.3 整體滑移式破壞 整體滑移式破壞出現(xiàn)在60°適中種植灌木的邊坡(圖5)。具體破壞過(guò)程為:在降雨初期,坡面產(chǎn)生較清澈的徑流,但沒(méi)有發(fā)生任何破壞。隨著時(shí)間的推移,在484 s時(shí)坡面下方開(kāi)始出現(xiàn)裂縫,并伴隨有土塊滑落。土塊滑落后,該位置形成含沙量較大的徑流,坡腳開(kāi)始出現(xiàn)泥沙堆積。在544 s時(shí)整個(gè)坡體開(kāi)始緩慢的向下滑移,并全程伴有土塊滑落。邊坡在962 s后停止滑移,但仍有部分土塊跟隨著灌木一起滑落直至降雨結(jié)束,試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)得該邊坡坡度由60°降為31.9°~37.2°。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是在灌木較密集的橫走型根系對(duì)淺層土體產(chǎn)生橫向拉力,兩者結(jié)合形成一個(gè)具有更強(qiáng)的抗拉裂能力的整體,因此在降雨入滲過(guò)程中坡面并沒(méi)有出現(xiàn)大面積破壞。但灌木的根系較淺,隨著雨水繼續(xù)入滲,土體含水量的增加導(dǎo)致土壤被軟化,土體抗剪強(qiáng)度不斷降低[20],在陡坡深處形成了新的不穩(wěn)定滑動(dòng)面[21],進(jìn)而發(fā)生整體滑移式破壞。當(dāng)土體下滑到土顆粒天然休止角(33°~37°)時(shí),達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài),但坡面在雨水和徑流的沖蝕下仍會(huì)繼續(xù)破壞,表現(xiàn)為土塊滑落、形成沖溝等,該過(guò)程會(huì)持續(xù)至降雨結(jié)束。
圖5 不同降雨歷時(shí)(T)整體滑移式的破壞模式破壞過(guò)程
坍塌量是衡量滑坡事故危害程度的重要參數(shù),試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同條件下(坡度和種植模式)的邊坡坍塌量具有顯著差異。降雨結(jié)束后,根據(jù)模型槽上的刻度尺、網(wǎng)格紙等計(jì)算出各邊坡的坍塌量,結(jié)果詳見(jiàn)表3。由表3分析可知,坡度對(duì)各邊坡坍塌量的影響最為顯著,大坡度邊坡的坍塌量總是大于小坡度邊坡的坍塌量。而在同種坡度下,灌木的種植與否對(duì)邊坡坍塌量的影響具有顯著差異。20°和35°灌木邊坡比同坡度裸坡的坍塌量少4%~70%,平均減少19.96%,50°和60°灌木邊坡比同坡度裸坡的坍塌量多10%~33%,平均增加22.17%。這表明在緩坡上種植灌木不但能夠提高表層土壤的抗剪強(qiáng)度[22-23],并且能夠增強(qiáng)緩坡的抗侵蝕能力,減少坍塌量,而在陡坡上種植灌木反而會(huì)增大坍塌量。其原因可能是花崗巖全風(fēng)化土有顯著的遇水軟化效應(yīng)[24],特別是暴雨條件下加速了土體被軟化的過(guò)程,導(dǎo)致灌木根系對(duì)土體的加固作用難以發(fā)揮。同時(shí)灌木自重產(chǎn)生的附加滑動(dòng)力會(huì)隨著坡度的增加而變大,當(dāng)灌木根系對(duì)邊坡的加固效應(yīng)不足以抵消灌木自重產(chǎn)生的附加滑動(dòng)力時(shí),灌木邊坡容易發(fā)生更大規(guī)模的滑坡、崩塌等災(zāi)害[25]。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),同坡度下稀植的灌木邊坡坍塌量低于適中種植和密植的灌木邊坡。其原因可能有3點(diǎn): ①由前文分析可知,灌木自重存在對(duì)邊坡穩(wěn)定的負(fù)效應(yīng)。灌木種植密度越大,單位面積上灌木自重產(chǎn)生的附加滑動(dòng)力就越大,從而更容易造成大規(guī)模的坍塌; ②灌木根系對(duì)土體的吸力影響范圍隨著灌木種植間距的增大而加深[15],過(guò)度密植的灌木并不利于邊坡的加固; ③過(guò)度密集的灌木橫走型根系會(huì)增加土壤水分入滲,提高土壤含水量,降低土體強(qiáng)度,加快坡體坍塌速度,增大坍塌量[26]。
表3 不同種植模式各坡度邊坡坍塌量10-3 m3
通過(guò)對(duì)土體參數(shù)的測(cè)量和分析,利用修正的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)公式計(jì)算了不同坡度條件下的坡體穩(wěn)定性(圖6)。對(duì)初始安全系數(shù)數(shù)值進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),不論何種配置模式,坡度越大的邊坡安全系數(shù)越低。同種坡度下,裸坡的初始安全系數(shù)高于灌木邊坡,即在不考慮植被對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響和對(duì)根土環(huán)境的改變[27],僅從力學(xué)角度分析,灌木自重產(chǎn)生的加滑力大于其根系對(duì)邊坡產(chǎn)生的加固作用。初始狀態(tài)下各邊坡安全系數(shù)均大于1,根據(jù)邊坡穩(wěn)定性的分類(lèi)[28],屬于穩(wěn)定邊坡。隨著時(shí)間的推移,邊坡安全系數(shù)基本遵循降雨初期不斷下降且在降雨中后期趨于穩(wěn)定的規(guī)律[29-30]。對(duì)于20°的邊坡,裸坡、稀植和適中種植的邊坡的安全系數(shù)近乎在同一時(shí)間分別下降了50%,62%和39%,而密植的邊坡的安全系數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)晚了70 s,并且僅僅下降了4%,這表明20°邊坡中密植灌木邊坡的穩(wěn)定性表現(xiàn)最好。原因可能是灌木較密集的種植在20°邊坡上時(shí),其橫走型根系會(huì)與土體結(jié)合形成抗拉裂能力和持水能力均更好的整體,延緩邊坡破壞時(shí)間的同時(shí)增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性,所以邊坡安全系數(shù)變化較小。35°和50°的植被邊坡安全系數(shù)開(kāi)始下降的時(shí)間比裸坡提前50 s到70 s。該時(shí)間表示破壞從坡面延伸到內(nèi)部的速度,這也進(jìn)一步說(shuō)明了灌木的橫走型根系會(huì)加快土壤水分入滲,降低土體強(qiáng)度。但是在降雨過(guò)程中,35°的裸坡安全系數(shù)下降幅度(61%)比灌木邊坡(分別為35%,41%,30%)大,而50°的裸坡安全系數(shù)下降幅度(27%)比灌木邊坡(分別為41%,36%,37%)小。這表明灌木的固坡效應(yīng)也存在Riestenberg等[31]提出的坡度閾值,即只有當(dāng)坡體的坡度在灌木起固坡作用的范圍區(qū)間內(nèi),才能達(dá)到固坡效果,否則會(huì)增加滑坡災(zāi)害發(fā)生的幾率。60°邊坡在初始就處于極易失穩(wěn)狀態(tài),在降雨開(kāi)始后,四組邊坡的安全系數(shù)很快降至臨界安全系數(shù)之下,即發(fā)生了失穩(wěn)[28]。另外由于60°適中種植灌木的邊坡發(fā)生了整體滑移式破壞,預(yù)先埋設(shè)的傳感器在降雨后期被沖出土體,因此安全系數(shù)變化曲線(xiàn)出現(xiàn)異常波動(dòng),屬正常現(xiàn)象。
圖6 不同坡度邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化曲線(xiàn)
本文通過(guò)16組室內(nèi)模型邊坡上的人工降雨試驗(yàn),研究了不同灌木種植模式對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,得出灌木對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:首先,灌木根系能夠通過(guò)根—土間的摩擦力將土體剪應(yīng)力轉(zhuǎn)化對(duì)根系的拉力,從而提高坡體的抗剪強(qiáng)度[11]。同時(shí)灌木自重平行坡面方向的分力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“加滑力”,坡度越大,自重產(chǎn)生的附加滑動(dòng)力的越大。另外,灌木對(duì)邊坡的水力特性(土體持水能力以及滲透系數(shù))影響也是不可忽視的[15]?;◢弾r全風(fēng)化土是一種非飽和土,具有良好的持水能力[32],因此滑坡的發(fā)生往往滯后于降雨,種植灌木能夠有效加強(qiáng)這一特性,試驗(yàn)中種植有灌木的邊坡產(chǎn)生細(xì)溝和裂縫的時(shí)間均晚于裸坡。同時(shí)灌木的根系擴(kuò)大的土壤孔隙能夠提高雨水的入滲能力[33],因此灌木的種植密度并不是越大越好??傊?,在討論灌木的固坡效應(yīng)時(shí),應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注坡度的大小,不可將不同坡度的邊坡一概而論;同時(shí)也應(yīng)考慮灌木對(duì)邊坡水土保持效益的整體作用,根據(jù)實(shí)際需求布置灌木種植密度。
在治理山地災(zāi)害的實(shí)際過(guò)程中,灌木通常不是單獨(dú)種植的,而是與喬木、草本植物等搭配種植。對(duì)比灌木和喬木[12]的固坡機(jī)制,灌木的橫走型根系主要對(duì)土體產(chǎn)生牽引作用而喬木的垂直型根系主要發(fā)揮機(jī)械錨固作用。盡管灌木和喬木的根系形態(tài)和固坡機(jī)制不同,但對(duì)緩坡均具有良好的水土保持功效[11],且兩者的固坡效應(yīng)均存在固坡閾值。但由于試驗(yàn)的局限性和現(xiàn)實(shí)差異,只能推測(cè)坡度閾值的范圍,無(wú)法得到坡度閾值的確切值。
綜上所述,在35°以下的邊坡上,建議將喬木和灌木合理搭配種植,可以起到促進(jìn)泥沙攔截、防止泥沙遷移的水土保持功效。但并不是種植的越密越好,在實(shí)際工程中,緩坡上可根據(jù)美學(xué)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和其他指標(biāo)靈活配置種植密度。在50°以上的邊坡上不推薦種植喬木和灌木,但在景觀要求較高的區(qū)域,可以采取有效措施通過(guò)減輕植被重量來(lái)保持邊坡的穩(wěn)定性,例如使用播撒草種來(lái)代替種植灌木[34]。另外,可以將植被措施與巖土措施搭配使用,更加有效的預(yù)防和控制陡坡失穩(wěn)[35]。
當(dāng)前,綠色減災(zāi)受到越來(lái)越多的關(guān)注,如何科學(xué)合理的利用生態(tài)工程治理滑坡等山地災(zāi)害成為保障山區(qū)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和生態(tài)安全屏障建設(shè)的重要議題。但由于試驗(yàn)條件的局限性,采用的人造根模型在構(gòu)型、根表面粗糙度等方面與真實(shí)根存在一定差別[36],而且本次試驗(yàn)中并沒(méi)有考慮真實(shí)植被在降雨過(guò)程中樹(shù)冠保留雨水,減輕降雨強(qiáng)度的作用[37-38],無(wú)法準(zhǔn)確還原真實(shí)植被在邊坡上生長(zhǎng)對(duì)局地水循環(huán)和生物地球化學(xué)循環(huán)的過(guò)程[5]。因此在今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步創(chuàng)新研究方法及改進(jìn)試驗(yàn)器材,優(yōu)化試驗(yàn)方案,以期獲得更加全面的邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)。
(1) 灌木邊坡在暴雨條件下的破壞模式可大致分為3種:20°和35°灌木邊坡發(fā)生溝蝕破壞,且與種植密度無(wú)關(guān);裸坡、50°灌木邊坡和60°稀植、密植灌木邊坡發(fā)生漸進(jìn)式破壞;60°灌木適中種植的邊坡發(fā)生整體滑移式破壞。
(2) 在35°以下的邊坡上種植灌木能夠增強(qiáng)抗侵蝕能力,減少坍塌量;在50°以上邊坡上種植灌木則會(huì)增大坍塌量。
(3) 綜上所述,對(duì)于易發(fā)生滑坡的花崗巖山地丘陵地區(qū),在35°以下的邊坡可根據(jù)實(shí)際需求將喬木、灌木搭配種植;不建議在50°以上的邊坡以種植高密度灌木的方式加固邊坡。