震区泥石流流域内滑坡物源根系固土效应分析

张 旭，唐 川

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

0 引言

2008年5月12日发生的汶川大地震，引发了多达56 000处的山体滑坡与崩塌[1]，由这些崩滑产生的松散碎屑物，大量堆积在泥石流沟道岸坡或直接进入沟道，为泥石流的发生提供了充足的松散物源。如汶川县映秀等地于2010年8月13日至14日暴发的群发性泥石流，及汶川县绵虒镇等地于2013年7月10日暴发的群发性泥石流等诸多震后泥石流事件中的主要物源均来自于汶川地震产生的崩滑堆积物[2，3]。有学者指出，该类后发型地震泥石流的强烈性活动，将持续10～15a甚至30a[4，5]。故此，对泥石流流域滑坡堆积物源进行进一步的研究有着很大的必要性。

2019年8月20日在汶川地区暴发的群发性泥石流事件，证实在震区的后发型地震泥石流活动性短期内并没有减弱的趋势，但震区被地震破坏的植被在整体上却已经得到很好的恢复，因崩滑产生的裸露地表多数已经再次生长植被。例如，有学者对龙溪河流域植被的NDVI值进行定性定量分析，发现该区域受地震破坏的滞后效应影响，在2010年附近NDVI数据出现最低点，但在2015年基本恢复到震前水平[6]。也有学者以绵远河流域为研究对象，分析其2008年至2013年的遥感影像，发现裸露的崩滑体面积有所下降，亦即其植被盖度也是有所增加[7]。通过野外调查也发现，很多泥石流流域内的滑坡堆积体已经恢复有各类植被。但多数堆积在沟道内的、具有一定活动性的堆积体，则因受土质、水文和恢复时间等因素影响，以恢复草本类植物的居多。而植被的恢复，对这些滑坡堆积体的稳定性也会产生一定影响。比如，植被的根系对于稳固土体有着十分重要的作用，布满植物根系的土壤具有类似“钢筋混凝土”的构造，抗剪切强度可以得到极大提高[8]。

对于植被根系的这种“加筋效应”，目前已经取得了丰富的研究成果。例如，在1977年，Waldron 通过大量植物根系含根土的直剪试验提出了根土相互作用的力学模型[9]；1996年中国学者杨亚川等开展了草本植物根系土的室内直剪试验，指出根土复合体的抗剪强度与根土复合体的被施加正压力大小关系依旧符合库伦定理，而且含根量的增加可以有效提高复合土体的粘聚力，但对内摩擦角影响不大[10]；周跃也曾针对云南松幼树垂直根做过野外现场直剪试验研究，并提出松树垂直根可以使根系土层的整体抗剪强度平均提高0.98MPa，使土层对斜向滑动的阻力提高了42.09%，并且同时进行模型预测，预测值为平均达到2.67MPa，他认为实际值在两者之间[11]；宗全利等曾在塔里木河流域进行野外取样，并对取样器取得的根土复合体原状土进行室内剪切试验，同时提出了根据根系刚性状态与柔性状态建立的根土复合体的根—土互相作用力学模型[12]。

虽然当前关于植被根系对土体抗剪强度的影响已取得大量成果，但多针对植物根系在边坡治理或增加斜坡体与岸坡浅层土体稳定性等方面中发挥的作用等现实问题，而基于试验的滑坡物源根系固土效应分析的研究相对匮乏。

基于这一研究现状，笔者通过设计并进行根土复合体的抗剪强度试验，探讨了不同根系类型、根系密度以及含水率情况下，草本植被根系对强震区泥石流流域滑坡堆积物源抗剪强度的影响。这既是对强震区滑坡物源演化研究的一个完善与丰富，也可对灾害预测及其演化规律的研究起到一定指导作用。

1 研究区概况

基于影像资料、地勘资料以及野外调查，最终选定簇头沟流域为主要的研究区域。簇头沟位于汶川县绵虒镇岷江右岸，沟口为簇头村，距离绵虒镇约2.2 km，且沟口有国道与高速路通过，绵虒镇服务区就在其附近。

簇头沟流域面积约为21.7 km2，沟道总长达8.9 km，主沟平均纵坡降184‰。在“5.12”大地震发生后，簇头沟流域内崩滑体面积共约5.76 km2，松散堆积物方量共约1 108×104m3，泥石流物源总量约40×104m3[13]。如图1(见封二图版Ⅰ图1)为研究区位置与概况图，2017年簇头沟流域崩滑体面积总和约为4.33 km2。

簇头沟历史上少有泥石流暴发事件，据调查1930年曾暴发过一次小规模的泥石流，且未造成伤害。直至汶川大地震发生，对山体岩层结构造成严重破坏，斜坡体稳定性降低，流域内产生大量崩滑堆积体，为泥石流的暴发提供了充足物源。2013年7月10日，簇头沟在经过连续降雨后暴发了大规模的泥石流，对沟口外的居民与道路交通等造成严重破坏，并因堆积扇阻断岷江，形成了更加严重的危害。在2019年8月20日，簇头沟又一次暴发大规模泥石流，在淤满拦挡坝后再次冲毁了沟口的村落与道路。

2 试验设计及过程

2.1 野外调查及取样

试验选定的主要研究对象为簇头沟流通区内一处滑坡堆积物源。该坡体位于簇头沟泥石流拦挡坝1号坝外侧不远处，前缘突出，进入泥石流沟道内部，无防护措施，若在降雨条件下起动，或是在暴发泥石流时汇入泥石流，都将对沟口的簇头村造成破坏。

此外，该坡体上有较多草本植被恢复，主要包括3种根系各不相同的植被类型，除此之外几乎没有其他种类植物生长，坡体含根层土体级配分布也较为均匀。并且，该坡体附近有道路直通沟外，便于取样。

如表1所示，通过在坡体不同位置挖制土壤剖面，笔者发现坡体含根层平均厚度为30cm，且含根层的土体，明显土壤比重较高，含根层以下土体则碎石、砾石等比重更高，基本没有根系延展。同时，我们也在坡体不同位置取样测量并经过计算得到含根层土体的平均容重为1.615 g/cm3。表2即为以上各点的具体坐标，图2(见封二图版Ⅰ 图2)为滑坡堆积体无人机正摄图与各测量点位置以及堆积体剖面图和正面影像(0点为即前缘坐标测量点)。

经调查，该滑坡堆积体恢复的植被主要是图3(a)所示的中华草沙蚕、图3(b)所示的细裂叶莲蒿和图3(c)所示中华山蓼。

通过观察不同植被根系的分布情况发现：(1)中华草沙蚕的须状根在土体内呈网状交错分布，根须稠密，在尝试将不同生长状况的草沙蚕拔出土体时发现其抗拉拔强度较强，且可以带出大量土壤，但因根须较细也极易发生根须被拉断的现象；(2)细裂叶莲蒿的根系分布则以主根深扎为主，须根向四周辐射，抗拉拔强度高，不易拔出土体，且根系不易损坏；(3)中华山蓼主要为根状茎分布在土体内，因根茎质脆，在尝试拉拔时极易拉断。

表2 典型测量点坐标

随后我们采用两种方法测量了植物的根系密度。第一种是以单棵植株为中心，挖制15 cm×15 cm×20 cm(深)的样方，测量并计算根系重量与根土复合体总重的质量比；第二种方法为使用环形取土器分别在植株周边的不同位置采取土样，然后测得其根系密度(质量比)。前一种方法侧重单株植物根系的分布情况，后者则更侧重于不同位置土体内某种植物根系的分布情况。

图3 3种植被及其根系

根系密度的测量结果如表3所示，其中采用样方法时，对每种植物分别选择3棵不同长势的植株进行测量，采用环刀法时则分别选择植株周边的四个位置进行测量。

表3 植被根系调查

此外，在现场也利用拉力计进行了根系抗拉力的简化测试，以对比不同植被类型根系单根抗拉力的大小。测试结果如表3所示，可以看出，3种根系抗拉力由大到小依次为细裂叶莲蒿、中华山蓼、中华草沙蚕。

最后在现场对滑坡堆积物源含根层土体进行了取样，取样工作主要包括4项内容：(1)挖取含根层土体样方，并带回实验室供测量其土体级配使用；(2)挖取含根层土体，现场测量并记录其湿重，然后带回实验室供测量其含水率使用；(3)挖取不同植被根系，并附带潮湿土壤，以塑料袋包裹，带回实验室供剪切试验使用；(4)在不同位置挖取含根层土体，一并带回实验室，供剪切试验使用。

图4 根系抗拉力测量

2.2 试验参数获取及设置

在实验室中将用于测量含水率的土样进行烘干，测量其干重，计算出天然含水率为7.5%。依据这一数据，并联系野外实际情况，设置剪切试验的含水率参数分别为3%、5%、7.5%和9%四组。

对于试验土样的级配配置，只考虑含根层土壤的级配情况。将用于测量土体级配的土样烘干并按照土工试验标准测得其土体颗粒级配。因考虑到剪切试验所使用设备要求土体粒径不能超过20 mm，故需对试验土样进行超粒径处理。土样处理前(天然级配)与处理后的级配曲线对比(图5)。

图5 级配曲线

由级配曲线可以看出，含根层土体的d50约为4.3 mm，粉粒与粘粒含量较高，达到9.22%，砂粒含量也高达24.82%，砾石含量为58.87%，卵石(碎石)含量只有7.09%，总体来看，土体颗粒较细。因碎石含量很低，并且采用了替代法对土样进行的超粒径处理，故可以保证级配的改变对试验结果的影响最小。

对于含根量的参数设置，主要参考野外用两种方法测得的不同植被根系含根量，并考虑剪切盒大小与埋根难度等室内情况，每种根系保证至少有一组参数接近或者大于野外测得的最小含根量，其余组数含根量随机设置并相互保持明显差距。此外，剪切盒内土体容重与野外测得的含根层平均容重保持一致。本次室内根土复合体直剪试验的具体参数设置如表4所示。

其中3种根系的根土复合体直剪试验分别考虑4种含水率情况。在7.5%含水率情况下，细裂叶莲蒿分设4组含根量情况，中华草沙蚕分设5组含根量情况，中华山蓼因根系特征在野外分布差异不大，只分设3组含根量情况，通过这样的参数设置，探究同一含水率下，3种根系的含根量对根土复合体抗剪强度的影响分别有什么不同。其中含根量为0即为素土(不含根土体)，只在4组含水率情况下各做一组，探究含水率对该坡体土体的抗剪强度的影响，并作为每组含根量变化试验中的对比基准。本次直剪试验根据参数变化共计22组。

表4 试验参数设置

2.3 试验过程

本次室内直剪试验使用的设备为YDS-1型携带式岩、土力学性质多功能试验仪，如图6所示。试验过程严格按照《土工试验标准》与试验设备操作说明以及实验室规范进行，首先根据试验参数制备土样，然后按步骤进行试验。试验过程主要分为以下几步：

(1)装样

向剪切盒内填充土样时，根据剪切盒体积与野外现场测量的土体容重计算出每组试验所需土体重量，并对填装的土体进行压实。

填充时按照操作说明的规定分三层装样，且分别用滤水纸隔开。埋置根系时，尽量按照野外观察到的根土分布现象仔细地填埋，以期在人工填埋情况下最大程度减少其对试验结果造成的影响，且保证所填埋根系跨过剪切盒的剪切面，增加试验结果可靠性。

(2)剪切

完成装样后，将剪切盒放到直剪仪上，并将其移动到初始位置，调试水平应力与垂向应力加载系统并固定位移计，拔掉剪切盒固定插销，然后缓慢施加法向应力到预定值后，在确保数据采集系统正常工作情况下，缓慢进行剪应力的逐级施加，直到发生剪切破坏或达到最大剪切位移为止。

图6 试验设备

考虑到野外测得的含根层土体平均深度只有30 cm，对于每组试验参数下的四组法向应力给予不宜过大，故本次试验研究所采取的法向应力皆为0.2 MPa、0.25 MPa、0.3 MPa、0.35 MPa四组(均为表头数据)。

(3)试验现象记录

剪切完成后，分别将水平应力系统与垂向应力系统卸去压力并移开位移计，取下剪切盒，然后轻轻拆下上层剪切盒，清理上部土体至剪切面，观察、记录根系的破损或位移现象。

(4)数据处理

收集四组试验数据，利用直剪设备操作说明中的碎石土剪切试验换算公式将压力表表头数据换算成实际数据，并绘制不同法向应力下的剪应力与位移关系曲线，得到最大抗剪强度并绘制其与对应法向应力的散点图，做出趋势线，得到该组参数下土体的粘聚力c及其内摩擦角的正切值tanφ。

3 根土复合体抗剪强度分析

3.1 试验现象分析

在试验结束后，发现大部分植物根系并没有被剪断，但是明显在土体内发生位移，且根部表皮有被磨损破坏的现象。

经过对比发现，细裂叶莲蒿根系基本没有剪断现象发生，但是部分较细根须有被破坏；中华草沙蚕有较多细根须被拉断或是磨损；中华山蓼根茎表皮破坏不明显，但有部分根茎在土体剪切破坏过程中被拉断。这些室内试验现象与在野外进行的根系拉拔试验所观察到的现象基本吻合。

图7 根系试验现象

如图7所示，(a)为试验装样过程中，对细裂叶莲蒿进行填埋时的影像；(b)为该组试验结束后，根系与下剪切盒的影像。对比可以发现，根系在土体内位置明显发生移动，部分根系明显倾斜或是有向上拔出的迹象。

图8 根系破坏现象

图8所示为试验过程中的部分根系被剪切破坏的现象。(a)图为细裂叶莲蒿在试验后根系存在一定程度的破损现象；(b)图所示为在试验后中华草沙蚕较细根须多数被拉断或破损；(c)图为中华山蓼部分根系在试验后被拉断的试验现象。

3.2 试验数据分析

素土的直剪试验数据结果如图9所示。可以看出，对于同一含水率的素土，其抗剪强度随法向应力增加而变大；而在不同含水率情况下，其抗剪强度又有所不同。以法向力为0.35 MPa为例，明显在含水率为7.5%时土体抗剪强度最大，且向两侧依次减小。

图9 素土的法向力-抗剪强度关系曲线以及剪应力-位移关系曲线

相对应的，该土体的粘聚力与内摩擦角也在7.5%含水率情况下达到最大，说明其最佳含水率应在7.5%附近。

表5 素土的粘聚力值与内摩擦角值正切值

表5为素土在不同含水率情况下的土体粘聚力值与内摩擦角正切值。可以看出，在含水率为7.5%时，粘聚力达到15 kPa，内摩擦角正切值则达到0.481，即其内摩擦角为25.7°，较为接近堆积物源坡体的休止角(野外测得的堆积体坡度为33.2°)。

图10 抗剪强度与含水率关系曲线图

其后，在进行根土复合体的直剪试验时，发现在同一法向力下，依旧是含水率为7.5%时抗剪强度最大，向两侧依次减小，如图10所示。其中图(a)为素土的试验结果，图(b)为含根量Rc=0.15%的细裂叶莲蒿根系试验结果，图(c)为含根量Rc=0.23%的中华草沙蚕根系试验结果，图(d)为含根量Rc=0.23%的中华山蓼根系试验结果。

图11 粘聚力与含水率关系曲线图和内摩擦角正切值与含水率关系曲线图

对应的，土体的粘聚力与内摩擦角也呈现出相同的变化趋势。如图11所示，(a)为粘聚力与含水率的关系曲线，(b)为内摩擦角与含水率的关系曲线。

这些数据表明，土体内是否加入根系，并不影响土体的抗剪强度、粘聚力和内摩擦角随含水率变化的趋势；加入根系后，土体的最佳含水率并不会发生改变。此外，若是对这几组数据进行纵向对比，会发现植物根系的加入，明显提高了土体的粘聚力，且提高效果各不相同，但土体的内摩擦角则基本不受影响。

表6 不同含水率下土体的粘聚力与内摩擦角正切值

表6为不同含水率情况下，各类根土复合体以及素土对应的粘聚力值和内摩擦角正切值。联系图11(a)可以看出，不仅3种根土复合体的粘聚力均大于素土，而且它们之间也有明显的大小顺序关系。其中，相对于素土粘聚力提高最为明显的是加入细裂叶莲蒿根系的根土复合体；其次为加入中华山蓼根系的根土复合体；再次则为加入了中华草沙蚕根系的根土复合体。这和在野外进行的3种植被根系的抗拉力测试试验结果相对应，可以互相作为验证。

由图11(b)与表6可以看出，相对于粘聚力，根系对于土体内摩擦角的影响却并不明显。

此外，通过在试验中保持含水率一致(7.5%)，改变根土复合体的含根量大小，观察到根系密度(含根量)也对土体的粘聚力大小有较为明显的影响，但对土体内摩擦角影响不大。

表7 不同含根量的根土复合体粘聚力与内摩擦角正切值

如表7所示为不同含根量的根土复合体粘聚力与内摩擦角正切值(含根量为0即为素土)。从表中可以看出，当含水率不变时，根土复合体的粘聚力随含根量增加而变大，且增加比率各有不同，其中，细裂叶莲蒿根系的粘聚力—含根量关系曲线K值达到3.404 2，中华山蓼为3.066 4，中华草沙蚕则只有2.482 7。但是各组内摩擦角则没有明显变化。说明含根量的增加主要是对土体的粘聚力有所影响，对其内摩擦角则基本没有影响。

4 结论与讨论

综合本次根土复合体抗剪强度研究的试验，可以得出以下几点结论。

草本植被根系可以有效提高土体的抗剪强度，但主要表现为其对土体粘聚力的提高，对于内摩擦角的影响则相对较小。这表明，草本植被的根系可以通过增加土体抗剪强度有效提高滑坡堆积物源含根层土体的稳定性，使其不易在降雨侵蚀中起动破坏。

草本植被根系在对土体抗剪强度的影响中，并不会改变土体的最佳含水率，根土复合体依旧表现为在最佳含水率时粘聚力与内摩擦角达到最大，含水率增加或减小时粘聚力与内摩擦角则逐次减小的趋势。滑坡堆积物源含水率的变化主要由降雨引起，因此，恢复植被的坡体也许在相同的降雨强度或历时的情况下表现得更为稳定，但依旧会随着持续降雨，坡体的抗剪强度先增加再逐渐减弱，直至达到临界并发生破坏。

对于同一含水率，3种植被根系增强土体抗剪强度的程度各有不同，细裂叶莲蒿增强效果最好，中华山蓼次之，再次则为中华草沙蚕。说明3类植物中抗拉力最强的木质根系对滑坡堆积物源的稳固作用最好。

对于同一含水率和同种草本植被根系，随着含根量的增加，根土复合体粘聚力也越来越大，土体抗剪强度的提高越来越明显。也就是说，随着时间发展，堆积物源上的植被恢复如果越来越好，则堆积物源的稳定性也会逐步提高。

土体在剪切破坏过程中，根系在土体内的位置会发生变化。所以，根系在土体内呈网状交织分布的中华草沙蚕这类须根系植被，因相对不易发生位移或被拔出，对于坡体的稳固也可以起到独特的作用。虽因根须较为脆弱而容易被破坏，对土体抗剪强度的增加也相对较小，但这一不足却可以通过提高含根量来弥补。

综合本次试验现象与数据成果可以看出，泥石流流域内滑坡堆积物源上草本植被的恢复，对于物源的稳定性有明显的益处。虽然由于草本植物根系扎根不深，含根层一般只是覆盖坡体表层，但由于根系的改善土体入渗条件以及本文研究表明的对土体抗剪强度的提高作用，减少了坡体的水土流失，使得根系也间接的对整个坡体起到了一定保护作用。随着时间发展，在坡体不受明显破坏的情况下，各泥石流流域内的滑坡堆积体植被的盖度、丰富度都将逐步提高，意味着土体内根系的密度和种类都会有所增加，坡体稳定性也会逐渐加强。联系前面提及的强震区泥石流物源多数为流域内崩滑堆积体，可以预测，随着泥石流流域植被的恢复，泥石流的活动性也将逐步减弱。

致谢：感谢成都理工大学地灾实验室提供的试验平台。感谢试验过程中，唐海、熊江、帖宇、丰强和罗玉婷等研究生提供的帮助。感谢博士生龚凌风两位的指导。