李啟闊

(廈門(mén)安能建設(shè)有限公司,福建 361010)

許多地區(qū)在極端降雨事件后，由于急速水流帶動(dòng)陡坡土壤滑動(dòng)，從而會(huì)引起一系列地質(zhì)災(zāi)害。這些斜坡通常由排水良好且黏性較差的崩坡積土組成，坡角大于土壤內(nèi)摩擦角。淺層滑坡在我國(guó)山區(qū)尤為常見(jiàn)，其滑坡體方量小,發(fā)生頻率大,是制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要原因[1-2]。

師華強(qiáng)[3]通過(guò)試驗(yàn)手段研究植物根系對(duì)表層土體抗剪強(qiáng)度的影響,分析出對(duì)淺層邊坡穩(wěn)定性的影響。邊坡的穩(wěn)定條件取決于植物根系對(duì)土壤的機(jī)械加固作用和非飽和土壤的土壤吸力狀況，而非飽和土壤的吸力狀況又受根系吸水的影響。楊永紅等[4]通過(guò)試驗(yàn)，分析了四種植被類(lèi)型對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度的影響。

淺層滑坡的時(shí)空分布與土壤的分布和作用息息相關(guān)，以往的研究成果表明，山坡的形態(tài)和過(guò)程受到植被分布的影響。植被通常對(duì)滲流區(qū)內(nèi)坡面上土壤的穩(wěn)定性有積極影響，根據(jù)兩個(gè)主要效應(yīng)：地質(zhì)力學(xué)效應(yīng)與植物根系提供的加固有關(guān)，根系網(wǎng)絡(luò)調(diào)控滲流區(qū)的土壤，以最大限度地提高吸水效率并保證地上冠層的穩(wěn)定性[5]；土壤水文效應(yīng)通過(guò)增加高吸水壓頭值的頻率作為根系吸水的結(jié)果[6-7]。根系分布受氣候條件和土壤水文特性的影響，特別是在水分限制條件下植物生長(zhǎng)的地區(qū)。根系-土壤系統(tǒng)的力學(xué)性質(zhì)受實(shí)際土壤強(qiáng)度、單根強(qiáng)度、土壤與根系之間的界面強(qiáng)度和根系空間結(jié)構(gòu)等多方面的影響。本研究通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)探討了這兩種效應(yīng)的相對(duì)作用，基于大八河地區(qū)的氣象資料，考察了其相對(duì)權(quán)重的時(shí)間變異性對(duì)均質(zhì)土壤覆蓋的斜坡穩(wěn)定性的影響。

1 研究方法

1.1 邊坡穩(wěn)定分析

邊坡穩(wěn)定性分析通常采用極限平衡法進(jìn)行，極限平衡法通過(guò)安全系數(shù)F的指標(biāo)來(lái)表示穩(wěn)定性，該指標(biāo)定義為可用抗剪強(qiáng)度與沿破壞面預(yù)期剪應(yīng)力的比值。在淺層滑坡的情況下，可以假定破壞面平行于表面邊坡，并且忽略所有在平行于表面邊坡的平面上不能解析的力分量。在這種情況下，F(xiàn)可以簡(jiǎn)單地用無(wú)限邊坡穩(wěn)定模型來(lái)估計(jì)。在本研究中，認(rèn)為土壤孔隙中的空氣在恒定大氣壓下完全排出，則沿垂直方向測(cè)量的一般深度z處(向下取正，表面z=0)植被邊坡的安全系數(shù)如式(1)：

(1)

式中：c′為土壤有效黏聚力，kPa；cr是植物根系提供的加固作用引起的土壤表觀黏聚力，kPa；γ是z以上土柱深度的平均比重，包括額外重量(如因地上植被引起的重量)，kN/m3；z是距土壤表面的深度(正向下)，cm；β是坡角,(°)；γw為水比重，kN/m3;h為吸力水頭，cm；Se是有效飽和度,%；φ′為有效土摩擦角,(°)。吸力水頭h處的有效飽和度Se(h)可由式(2)進(jìn)行估算，γ計(jì)算如式(3)。

(2)

式中:θ(h)為吸力水頭h處的土壤含水量，%；θr為殘余土壤含水量，%;θs為飽和土壤含水量,%。

(3)

式中:γs為干土的比重，kN/m3；Wv為由于地上植被而產(chǎn)生的單位表面的附加重量，通常忽略不計(jì)。θ(s)是測(cè)量深度s處的土壤含水量。

可以將式(1)表示為四個(gè)分量的和得到，如下所示：

F=Fφ+Fc+Fw+Fr

(4)

式中：Fφ是垂直于破壞面的平均凈應(yīng)力相關(guān)的內(nèi)摩擦對(duì)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)；Fc是土壤有效黏聚力c′提供的穩(wěn)定性貢獻(xiàn)；Fw是吸力對(duì)有效抗剪強(qiáng)度的穩(wěn)定貢獻(xiàn)；Fr是由植物根系加固產(chǎn)生的土壤黏聚力cr引起的穩(wěn)定性貢獻(xiàn)。植被通過(guò)影響Fw(土壤水文效應(yīng))和Fr(土壤力學(xué)效應(yīng))來(lái)影響邊坡的穩(wěn)定性。

1.2 植物根系固土模型

對(duì)于植被邊坡的穩(wěn)定性分析，應(yīng)量化植物根系提供的土壤表觀黏聚力。在本研究中，認(rèn)為植物根系提供的加固作用引起的土壤表觀黏聚力滿(mǎn)足式(5)：

cr(z)=k′·k″·Tr·RAR(z)

(5)

式中:cr(z)是土壤表觀黏聚力，kPa；RAR(z)為根系面積比，即給定深度z處根系的總橫截面積與根系在垂直面上的面積之比；Tr是根部的平均抗拉強(qiáng)度，kPa；參數(shù)k′為修正系數(shù)，取1.2，用于說(shuō)明根部不垂直于滑動(dòng)面；k″是偏差校正系數(shù)，取為0.4。

RAR(z)由式(6)中的指數(shù)函數(shù)得出：

RAR(z)=RAR0e- z/b

(6)

式中：RAR0是地表面處根系面積比；b是考慮了當(dāng)?shù)貧夂驐l件和土壤保水特性，由式(7)得出：

(7)

式中：α、λ和TG S描述了生長(zhǎng)季節(jié)的當(dāng)?shù)貧夂驐l件;θf(wàn) c和θw是田間持水量和萎蔫點(diǎn)的土壤含水量。

1.3 土壤水動(dòng)力分析

采用SWAP(土壤、水、大氣和植物)模型來(lái)模擬非飽和條件下的土壤水流。SWAP通過(guò)式(8)的數(shù)值積分來(lái)模擬滲流區(qū)吸力水頭h的時(shí)間變化。

(8)

式中:t為時(shí)間；C(h)是土壤水分差異容量函數(shù)，C(h)=dθ(h)/dh；K(h)是導(dǎo)水率函數(shù)，S(h)是飽和函數(shù)。

在合適的初始和邊界條件之下SWAP模型使用有限差分方法數(shù)值求解等式(9)。土壤持水量和土壤水力傳導(dǎo)率函數(shù)如式(10)。

θ=θr+(θ0-θr)[1+(αVG·h)n VG]- m VG

(9)

(10)

式中:Ks為飽和導(dǎo)水率，cm·d-1;αVG、nVG、mVG和λVG為經(jīng)驗(yàn)比例和形狀參數(shù)。θ0是由保水曲線(xiàn)h=0提供的土壤含水量值，假設(shè)等于θs。

引入S(h)來(lái)模擬從根系中提取的水分作為吸力水頭h的函數(shù)，如式(11)。

S(h)=χ(z)ξ(h)Tp(0≤ξ≤1)

(11)

式中:χ(z)是由歸一化根系密度分布函數(shù)定義，通過(guò)RAR(z)導(dǎo)出，如(12)；Tp為植被在無(wú)應(yīng)力條件下達(dá)到的最大蒸騰速率，g/(m2·h-1)；ξ(h) 是相對(duì)于Tp的實(shí)際蒸騰減少的因子。

(12)

本研究中，ξ(h)由式(13)得出：

(13)

式中：0≤h

2 試驗(yàn)研究

2.1 研究區(qū)概況

陽(yáng)東區(qū)大八河治理工程位于陽(yáng)東區(qū)大八鎮(zhèn)、塘坪鎮(zhèn)、紅豐鎮(zhèn)境內(nèi)，治理河段為大八河干流及其支流，治理河道長(zhǎng)度共計(jì)44.872 km(其中干流14.499 km，支流30.373 km)。

陽(yáng)東區(qū)境內(nèi)主要河流有漠陽(yáng)江及壽長(zhǎng)河，其中漠陽(yáng)江有干流及那龍河、大八河兩條支流。陽(yáng)東區(qū)年均氣溫22.3 ℃左右，年均降雨量為2300 mm，無(wú)霜期為350 d左右，年雨季是4—9月。

植被主要包括常綠季雨林、常綠闊葉林、針闊葉混交林、竹林、常綠灌叢、灌草叢、沼澤植被及水生植被等共8類(lèi)自然植被類(lèi)型。主要土壤類(lèi)型為磚紅壤和赤紅壤。

2.2 相關(guān)參數(shù)分析

2.2.1 土柱參數(shù)

取200 cm的均質(zhì)土柱，土壤水力特性由表1得出。

表1 土壤水力特性

2.2.2 研究區(qū)氣候參數(shù)

由大八河沿線(xiàn)的氣象站的數(shù)據(jù)得到氣候資料。評(píng)估參考根系分布所需的氣候參數(shù)是根據(jù)3—10月的生長(zhǎng)季節(jié)計(jì)算的,生長(zhǎng)季節(jié)的氣候參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 生長(zhǎng)季節(jié)的參考?xì)夂騾?shù)

2.2.3 根系分布與根系黏聚力

表3列出了用于估算根系分布和根系黏聚力的參數(shù)。RAR0和Cr對(duì)應(yīng)于大八河附近植物的典型值。利用表1和表2中列出的參數(shù)，根據(jù)計(jì)算平均根深b。

表3 評(píng)估根系分布和根系的參數(shù)

2.2.4 土壤強(qiáng)度特性

表4列出了數(shù)值試驗(yàn)中采用的土壤強(qiáng)度特性。

表4 土壤強(qiáng)度特性

2.2.5 土壤水動(dòng)力學(xué)模型的初始和邊界條件

假設(shè)土壤表面的向下通量等于降雨強(qiáng)度，降雨強(qiáng)度總是小于飽和導(dǎo)水率，因此不會(huì)出現(xiàn)積水條件。降雨和潛在蒸騰作用取大八河地區(qū)氣象站記錄的一年每日數(shù)據(jù)。通過(guò)連續(xù)兩年在相同的頂部邊界條件下進(jìn)行模擬，消除了初始條件的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 水文效應(yīng)與土柱深度關(guān)系

圖1顯示了Fw在β=35°,20～100 cm深度區(qū)間內(nèi)的時(shí)間演變。在雨季，F(xiàn)w值僅在<80 cm的深度會(huì)達(dá)到1以上;當(dāng)Fw在更大深度處，其值始終>1，蒸騰作用對(duì)土壤吸力剖面的影響在生長(zhǎng)期和夏季變得相關(guān)。

圖1 β=35°，20～100 cm深度范圍內(nèi)沿土柱的Fw時(shí)間模式

3.2 力學(xué)效應(yīng)與土柱深度關(guān)系

圖2中Fr的平均深度分布對(duì)應(yīng)的10%和90%，與Fw不同F(xiàn)r隨時(shí)間變化有限。Fr隨時(shí)間的變化僅是由于平均土壤含水量變化引起的平均土壤比重的變化。深度小于80 cm時(shí)，F(xiàn)r達(dá)到>1的值。

圖2 β=35°，F(xiàn)r的平均深度分布

3.3 力學(xué)效應(yīng)與水文相應(yīng)的相對(duì)貢獻(xiàn)百分比

通過(guò)計(jì)算以下指數(shù)fw來(lái)評(píng)估Fw相對(duì)于Fr的相對(duì)權(quán)重，該指數(shù)與坡度角無(wú)關(guān)，見(jiàn)式(14)：

(14)

圖3是隨著時(shí)間的推移，fw在不同深度的變化情況，在150～300 d之間，fw達(dá)到70%～80%，說(shuō)明吸力相對(duì)根系加固作用的貢獻(xiàn)增大。如圖4所示，在濕潤(rùn)期，對(duì)于小于100 cm的深度，fw通常假定值小于50%。換言之，在濕潤(rùn)期，在小于平均根系深度兩倍(b=50.2 cm)的深度內(nèi)，力學(xué)效應(yīng)(Fr)往往大于土壤水文效應(yīng)(Fw)。

圖3 20～100 cm深度范圍內(nèi)沿土柱的fw時(shí)間模式

圖4 50 cm和100 cm水深的fw時(shí)間序列

4 結(jié) 論

淺層滑坡可能發(fā)生在自然陡坡上(即坡角大于有效土壤摩擦角)，由排水良好的沉積物覆蓋，由滲透降雨觸發(fā)。在此類(lèi)邊坡上，植被在減輕淺層滑坡災(zāi)害方面起到一定作用。

(1)根系吸水，通過(guò)增加與土壤吸力相關(guān)的摩擦阻力來(lái)增強(qiáng)穩(wěn)定性。

(2)根部結(jié)構(gòu)加固土壤，通過(guò)增加土壤的表觀黏聚力來(lái)增強(qiáng)穩(wěn)定性。

(3)在雨季，土壤吸力狀態(tài)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響小于根系結(jié)構(gòu)提供的機(jī)械加固對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。相反，在生長(zhǎng)季節(jié)和夏季干燥季節(jié)，土壤吸力狀態(tài)遠(yuǎn)比機(jī)械加固更重要。

(4)模擬了一年時(shí)間內(nèi)均勻壤土的土壤水分動(dòng)態(tài)，建?？蚣芟鄬?duì)簡(jiǎn)單，無(wú)法完全評(píng)估天然邊坡的實(shí)際穩(wěn)定性。本研究中未提及其他因素對(duì)天然邊坡穩(wěn)定性的影響，例如土壤性質(zhì)的垂直不均勻性、側(cè)向土壤水流(受地形形態(tài)影響)和土層方向，有待今后進(jìn)一步開(kāi)展深入研究。