淺層滑坡型火后泥石流起動機理研究進展與案例分析*

雷鳴宇 崔一飛 倪鈞鈞 李 堯

(①中國科學院/水利部， 成都山地災害與環境研究所， 山地災害與地表過程重點實驗室， 成都 610041， 中國)(②中國科學院大學， 北京 100049， 中國)(③清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室， 北京 100084， 中國)(④香港科技大學， 土木與環境工程學系，香港 999077， 中國)

0 引 言

森林火災是常見的森林災害。火燒區域內，往往會引起森林植被的破壞，土體物理化學性質以及水文性質的改變。火災后的數月至數十年時間內，在強降雨條件下，火燒跡地會經歷比未燒區域更嚴重的坡體侵蝕，引發泥石流。這種由于火災導致森林植被灼燒，根系腐爛，造成土體水文及力學性質惡化而產生的泥石流統稱為“火后泥石流”。

火后泥石流運動過程中，能造成嚴重的土體侵蝕(王嚴等， 2019)，導致土壤結構破壞，誘發更大規模的災害，因而具有較強的破壞力，嚴重威脅著下游人民的生命和財產安全。1934年1月1日發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)，這是關于火后泥石流災害事件的首次報道。2002年發生在科羅拉多州傳教士嶺的火災導致29185hm2的森林被毀，隨后的火后泥石流沖毀了橋梁護欄，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城縣正斗鄉仁額擁溝流域發生森林火災，過火后的2014年6月8日，仁額擁溝發生了大規模泥石流，造成主河河水雍高，房屋、農田被淤埋，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生森林大火，火災持續了6天5夜，過火面積超過100hm2，在火災后的不到1個月時間內，受持續降雨影響，于2020年6月4日在火災區域暴發泥石流，導致下游村莊被毀，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)

全世界每年發生森林火災幾十萬次，受災面積達幾百萬公頃(舒立福等， 1998)，其中美國遭受火后泥石流的報道最多。據美國學者對火燒跡地已經發生的泥石流數量統計，大約40%的火燒跡地發生了泥石流災害(胡卸文等， 2018)。全球變暖和極端氣候事件頻發的背景下，森林火災呈現逐年增加的趨勢(趙鳳君等， 2008)，由此引發的火后泥石流事件也勢必增加。

已有的研究表明，火后泥石流可以由地表徑流引發或淺層土壤滑坡引發(Cannon et al.，2001)。“地表徑流型火后泥石流”多發生于火災后的1～2年內，此類火后泥石流多是由于火后土體滲透性急劇降低，導致地表徑流量激增而引發，目前的研究也多集中在此類泥石流的起動機理上。然而，對于火災數年后，由于根系腐爛，導致土體強度降低，引發淺層滑坡并為后續泥石流提供物源的“淺層滑坡型火后泥石流”災害事件的起動機理研究較少(Gartner et al.，2005)。淺層滑坡型火后泥石流相比于前者，發生的時間更靠后，主要集中在火災后的5～10年內，火后滑坡的厚度從幾十厘米到6米多不等(Parise et al.，2012)，其起動機理不同于地表徑流型火后泥石流。

本文主要針對火后淺層滑坡引發泥石流的研究展開回顧，并以發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，進行野外調查與室內試驗，從而探究淺層滑坡型火后泥石流的起動機理，這有助于深刻認識淺層滑坡型火后泥石流，以便能更好地針對此類災害做好災害防治以及森林管理的工作。

1 國內外研究現狀

目前關于淺層滑坡型火后泥石流的報道較少，Parise et al. (2012)統計指出，只有12%火后泥石流是由淺層滑坡所觸發，一般發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，在美國愛達荷州(Meyer et al.，2001)及美國西北地區(Wondzell et al.，2003)發生森林火災幾年后的火燒跡地常伴有坡體失穩事件，并發現火災后期流域內的樹根逐漸腐爛，導致了泥石流的發生。Meyer et al. (2001)認為由淺層滑坡引發的火后泥石流一般發生于火災后的10年內，隨后Wondzell et al. (2003)也證實了這一觀點，認為在火災后的10年內，根系的腐爛導致土壤黏聚力到達最低水平，這是火災后數年容易發生滑坡的原因。

根系腐爛造成對土體加固能力的降低通常被認為是火災后淺層滑坡增加(Benda et al.，1997)和隨后的泥石流發生(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。火災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，土體導水系數可增大1.3～6.5倍(Scanlan， 2009； Vergani et al.，2014； Ni et al.，2017)。基于物理實驗的數據表明，優勢流在潛在的滑動表面上引起孔隙水壓力快速上升，滑動面抗剪強度減小，最終導致邊坡破壞從而引發滑坡型火后泥石流(van Asch et al.，1999； Sidle et al.，2016)。

基于已有文獻，盡管有少量研究報道了植物死亡后根系強度隨時間的變化，然而關于根系腐爛引起的其強度下降與根系土的強度參數(黏聚力和內摩擦角)之間的定量關系如何尚不清楚。目前也缺乏火災后土體強度的定量評估方法，這限制了人們對于淺層滑坡型火后泥石流起動條件和起動機理的認知。

2 淺層滑坡型火后泥石流的起動條件

淺層滑坡型火后泥石流的起動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3類起動條件進行說明：

2.1 地形地貌條件

火后淺層滑坡型泥石流一般發育于火燒跡地的陡峭邊坡。Meyer et al. (1997)通過分析森林火災后黃石公園沖積扇對地貌效應關系，發現坡度是火后物質輸移過程的主要控制因素。王士革(1999)通過研究淺層滑坡發育與坡度的關系后指出， 20°～40°是淺層滑坡發育最有利的坡度范圍。Rose(2013)對新西蘭北部的滑坡進行調查統計，發現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性較高，且淺層滑坡一般發生在較陡的斜坡處。另外，坡度曲率也是控制火后淺層滑坡一個重要的變量，它控制著坡面淺表及地下水文動態和侵蝕沉積速率(Gorsevski et al.，2006)。根據邊坡的縱剖面形態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烈控制，因為凹坡更容易通過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)，降低土體強度，從而降低了邊坡穩定性。除以上兩個因素外，坡向可能對火后淺層滑坡造成影響。Gao et al. (2010)研究新西蘭地形對淺層滑坡的影響及其演變，發現約有71.3%的滑坡發生在北邊坡向的坡體，說明滑坡的坡向和滑坡發生概率相關。

2.2 降雨條件

降雨是誘發滑坡的關鍵因素(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間的降雨引起(Parise et al.，2012)。受冠層結構的影響，植被冠層對降雨的截留量通常為總降水量的9%～48%(H?rmann et al.，1996)。而枯枝落葉層對降雨的截留量約占總降雨量的8%左右(Acharya et al.，2017； Rosalem et al.，2018)。火災后數年內，植被及其根系死亡后會增加地表附近土壤的導水性，增大平行于斜坡表面的滲流并導致斜坡破壞(Greenway， 1987; Leslie et al.，2014)； 同時也會導致豎向導水特性增加，引起更深層土壤吸力的損失和地下水位上升。導水性增加主要是由于根系腐爛后，導致根系結構和土壤結構都被破壞，形成優勢流動通道引起的(Ghestem et al.，2011)。根腐爛后，形成了具有很強連通性的大孔(Ghestem et al.，2011)，促進了水在土壤中的運輸(Murphy et al.，1993)。優勢流導致土體更易飽和(葉帥華等， 2018)，使邊坡失效發生滑坡(馮文凱等， 2018)。因此，火災后引起邊坡失穩的降雨閾值也有所下降。

降雨條件對泥石流的起動具有較強的控制效應。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的降雨閾值條件。Staley et al. (2016)提出了一種新的預測方法，該方法利用降雨、水文響應和地理空間數據來預測美國西部最近火災地點的降雨強度-持時閾值，并建立火后泥石流預測方法。表1總結了近年來，火后泥石流發生區域的降雨強度-持時閾值。

表1 火后泥石流發生區域降雨強度-持時閾值

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后根系的腐爛誘發的淺層滑坡事件。過去的幾十年，科研人員針對植物對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)以及邊坡穩定性(Greenwood et al.，2004; Zhu et al.，2017; Gehring et al.，2019; Giadrossich et al.，2019)進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的整體，并通過增加土體表觀黏聚力(即植物根系對土壤剪切強度的貢獻)顯著提高土體的抗剪強度。根系對土體有固結作用，網狀的須根提供加筋作用，粗壯的主根和側根提供錨固作用(宋維峰等， 2008)。在高烈度的火災中，高溫可能會影響土層以下5～10cm范圍內的根系(Swezy et al.，1991)，使根系被灼燒死亡，逐漸腐爛，根系數量和根系的強度也會降低(Jackson et al.，2009; Vergani et al.，2017)。火燒后的數年內，由于火燒導致植被死亡，根系會逐漸腐爛而失去加筋和錨固作用，導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，為火后泥石流的起動提供了充足的潛在物源。

另外，火災對植物的水力作用的改變對邊坡穩定性也有著重要的影響。Ng et al. (2016)通過室內試驗，對比了根系土和無根系土的吸力分布情況，發現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水系數，并增加抗剪強度(Ni et al.，2019)。植物死亡后，植物水力作用對邊坡穩定性的有利影響將逐漸消失，影響機理也隨之發生改變。植物蒸騰作用引起的土壤基質吸力會消失，導致土壤的抗剪強度會降低(Ng et al.，2016; Ni et al.，2019)。

因此，火災改變了根系-土壤的力學和水文效應，導致滑坡發生概率大大增加，為火后泥石流提供了豐富的物源條件。對于根系的腐爛程度主要從根系數量及根系的極限抗拉力的變化來定義，圖2總結了前人關于火災導致蘇格蘭松死亡后，其根系腐爛程度與火后時間演變的關系。由圖2可知，未被火燒的根系數量顯著大于火燒后48個月的根系數量，表明根系在火燒后的48個月內腐爛嚴重，導致根系數量急劇減少。圖3總結出，對于同一直徑下的根系，火災后的根系極限抗拉力會有所下降，其下降幅度隨火后時間的增加而增加，證明根系的腐爛會導致根系強度的降低，且根系腐爛程度隨火后時間的增加而增加。

圖2 火災前后蘇格蘭松根系數量變化

圖3 不同火后時間下根系直徑-根系抗拉力關系曲線

3 淺層滑坡型火后泥石流案例及起動機理分析

3.1 研究區概況

涼山州位于四川省西南方向，橫斷山的東北緣，地勢西高東低，地形地貌復雜。涼山州森林覆蓋率為43%，是四川省3大林區之一(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，導致涼山州在該季節內氣候干燥，溫度偏高。由于涼山州境內覆蓋大面積的原始森林，且地形條件復雜，交通不便，干燥的空氣遇上雷擊事件極易引發大規模的森林火災。近年來，涼山州境內森林大火呈現上升趨勢，由森林火災導致的火后泥石流事件也更加頻繁(圖4)。2010年2月16日，位于木里縣后所鄉的依羅村發生森林火災，過火面積約為50hm2，過火區域植被燃燒殆盡，僅剩下一些死亡的樹木保留在土中。2019年6月，距離發生火災9年后，曾經的火燒跡地發生小型滑坡并在隨后的降雨中產生小型泥石流。經調查，火燒跡地的淺層滑坡為泥石流的起動提供了物源，為典型的淺層滑坡型火后泥石流事件，其發生條件主要與淺層滑坡相關。因此，本研究著重分析火燒跡地淺層滑坡的起動因素，來探究淺層滑坡型火后泥石流的起動機理。由圖5可知，火后淺層滑坡的滑動面穿過根系，根系和土體被縱向剪斷。另外，滑動面出露的根系已經完全腐爛，根系在土體中腐爛中空后出現空管現象(圖5)，中空的根系不但能進一步加大大孔隙優先流的概率(Jiang et al.，2018； J?rgensen et al.，2019)，還破壞了根土復合體整體的結構性，使得根土復合體強度降低。為了查明火燒跡地發生滑坡的原因，本研究還根據涼山州歷年火災災情數據選取火后3年的火燒跡地(木里縣寧朗鄉)及未火燒區域作為對照，對比根系數量、根系極限抗拉力及根土復合體強度隨時間的變化規律，以解釋此次火后滑坡的發生機理。

圖4 研究區地理位置圖(a)； 研究區數字高程圖(b)； 寧朗鄉火后現場圖(c)； 后所鄉火后現場圖(d)

圖5 依羅村火后淺層滑坡-泥石流

3.2 野外調查及室內試驗

3.2.1 邊坡剖面開挖與根系數量統計

根據火燒嚴重程度分類標準(Keeley， 2009； Gordillo-Rivero et al.，2014)，腐殖質層燒毀嚴重且樹木被燒焦的區域為重度火燒區。為確保植物根系由于火災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年的重度火燒區及未火燒區域內胸徑為15cm的馬尾松作為研究對象。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，統計開挖深度范圍內的根系數量。統計數量后，對出露根系進行采集，并放入15%酒精中保存以防止變質(Vergani et al.，2014)，對火后時間為3年、9年及健康根系分別封裝，并做好標注，帶回實驗室。

3.2.2 不同火后時間的單根拉伸測試

對采集的根系進行篩選，選取形態筆直的根系，截取其5cm長的根段在微機控制電子萬能試驗機(型號CMT6104，量程10kN，精度為1%)上進行拉伸測試，根系直徑是根據在斷裂點兩端用游標卡尺量測后取平均值得到。為了避免根系在拉伸過程中由于應力集中而斷裂，對每一個根系進行了特殊的處理，在根的兩端用有機材料進行包裹，再用夾具以10mm·min-1的速率進行拉伸測試(Bischetti et al.，2016)。拉伸測試后，選擇斷裂點在根系中間的數據為有效數據，而在夾具附近斷裂的數據為無效數據(避免其由于應力集中而斷裂)。本研究對健康根系， 3年火燒歷史及9年火燒歷史的根系進行了260組拉伸測試，其中有效數據共計191組，無效數據69組，將有效數據按火后時間分類并進行統計分析。

3.2.3 火后根系土體強度隨火后時間演變規律

為了探究火后植被根系的腐爛是否會導致根系土抗剪強度的降低，確定火后滑坡的機理，本研究制作不同火后時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照組，進行室內三軸固結不排水試驗，以厘清根系腐爛對根土復合體抗剪強度的影響隨火后時間的演變規律。試樣高度為30cm，直徑為15cm，每個樣品中加入10g根系，根系取至不同火后時間的火燒跡地，選取直徑約為5mm的根系，土體分5層擊實，在每層土擊實過程中，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，配置試樣時含水率為15%。考慮3種不同圍壓應力(100 kPa、150 kPa和200 kPa)，探究不同火后時間下的根系對土體抗剪強度貢獻的變化。

3.2.4 火后不同時間下坡體穩定性計算

經調查，由于火燒后根系經歷長時間的腐爛，已失去原有的固土能力，導致淺層滑坡的滑動面貫穿根系區域(圖5)。對于火后不同時間下的坡體穩定性分析，本研究根據后所鄉依羅村的淺層滑坡實測剖面，統計滑坡體的實測坡度及滑動面深度并考慮火后不同時間下的根系土剪切試驗結果，進行分析。對現場滑動面(圖5a)隨機選取12個不同位置的坡度進行測量，其坡度范圍在28.7°～41.3°，平均值為38.6°(n=12)。對滑動面隨機選取9個不同位置，測量滑動面深度(圖5d)，其深度范圍為0.85～1.5m，平均深度為1.31m(n=9)。基于飽和土的無限邊坡理論，并考慮根系的加筋效應對根土復合體抗剪強度的貢獻，根據Hales et al. (2017)提出的公式，計算不同火燒時間后坡體的穩定性系數。其計算表達式如式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是滑動面深度(m)。

計算過程中，假設降雨條件下，整個根系土層達到飽和狀態，水位線和坡面持平，坡度選取該淺層滑坡實測坡度的平均值38.6°，滑動面深度選取該淺層滑坡滑動面的平均深度1.31m，土體干密度為1.45g·cm-3，g取9.8m·s-2。根據不同火后時間下的根土復合體的有效抗剪強度指標計算坡體穩定性。

3.3 結果分析

3.3.1 根系剖面及根系數量

火后土層結構及成分如圖6所示。由圖可知，火災后的坡面土層結構從上到下主要包括灰燼層、燒焦的腐殖質層及土層。灰燼層主要是火災中的地上植被燃燒形成的灰燼所組成； 而燒焦的腐殖質層主要是由于火災時的高溫使地下有機質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 火燒區域坡體土層結構及組成成分

對未被火燒、火燒后3年及火燒后9年的根系進行剖面開挖，使根系出露。各剖面根系結構特征及根系分布情況如圖7所示。對于未被火燒的健康根系，細根數量較多，且分布于整個土層中； 對于火后3年的根系結構，可以明顯看出細根數量相比于未被火燒的樹木有所降低，且細根在土層中分布不均勻，這與細根的腐爛有關； 對于火燒后9年的樹木，根系結構已經完全被破壞，細根幾乎已經消失，且粗根的腐爛程度也非常嚴重，導致根系中空，土層中出現了大孔隙。說明根系腐爛是一個緩慢的過程，火后的初期，細根由于和土壤接觸面積更大，導致先于粗根腐爛； 而在發生火災的較長時間后，粗根也最終會腐爛，導致坡體失穩。

圖7 火后不同時間下根系結構特征

對未被火燒，火燒之后3年、9年的松樹根系生物量統計如圖8。

圖8 未火燒松樹、火燒后3年及火燒9年松樹不同徑級根系數量

由圖8可知，對于徑級為0.5～1mm的根系，相比于健康的松樹根系，火后3年內數量減少到健康根系的28%，而到火后9年時， 0.5～1mm的根系已經完全消失； 對于徑級為1～2mm的根系，相比于健康的松樹，火后3年的松樹根系數量減少到健康根系的39%，該徑級火后9年的根系數量也已經完全消失； 對于徑級為2～5mm的根系數量，火后3年略有降低，降低幅度約為17%，而火后9年時，該徑級下的根系已經完全消失。對于5～10mm徑級的根系數量，相比于健康的松樹，火后3年的變化不明顯，而火后9年的根系數量下降至健康根系數量的一半； 對于大于10mm的根系，3種火燒歷史的根系數量變化不明顯。說明火后根系腐爛是一個循序漸進的過程，細根由于直徑較小，其比表面積更大，因此在相同環境條件下，比粗根更先腐爛，因此會導致細根(<5mm)數量在火后3年和9年內大幅度減少，而相對較粗的根系(>10mm)數量減少不明顯。

對于根系總量，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。火燒后根系總量隨火燒后時間的關系如式2：

N=210e-0.29t

(2)

式中：N為根系總量；t為火燒后的時間。

3.3.2 根系極限抗拉力

對不同直徑下火后3年、9年后的松樹根系及健康根系進行拉伸測試，根系斷裂時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，整體呈冪函數上升。對比火后9年，火后3年及健康根系的極限抗拉力，其值隨火后時間的增加而顯著降低，這和根系數量隨火后時間的增加而降低的趨勢相對應，再次證明火后根系的腐爛不但會導致根系數量的衰減，更會導致根系本身強度的降低。

圖9 健康根系、火燒后3年及火燒后9年根系極限抗拉力-直徑關系

為了說明火災后根系極限抗拉力隨腐爛時間的變化規律，我們對不同徑級下的根系計算出平均極限抗拉力，并擬合出不同徑級下的根系極限抗拉力與腐爛時間的變化關系(圖10)。

圖10 根系極限抗拉力隨火燒后時間的變化關系

由圖10可知，盡管不同徑級的根系極限抗拉力不同，但均隨火燒后時間的增加而降低。對于相同時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，直徑小于5mm的根系已經完全喪失拉力，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間的增加而加劇，導致根系本身的力學性質發生惡化。

3.3.3 不同火后時間下根土復合體強度

由不同火后時間下的根土復合體三軸剪切試驗結果(圖11)可以看出，對于相同火后時間下的樣品，其極限破壞應力隨著圍壓的升高而增大； 在同一圍壓條件下，相比于素土，健康的根土復合體的極限破壞應力有較大的提升，說明根系能夠有效提高土體的抗剪強度。根據不同火后時間下根土復合體的主應力差-軸向應變曲線，可以得到相應的黏聚力和內摩擦角。將根土復合體相對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土體強度的貢獻程度。

圖11 不同火后時間下的根土復合體主應力差-軸向應變曲線

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

表2 素土、未被火燒根系土、火燒后3年根系土及火燒后9年根系土抗剪強度參數

3.3.4 研究區域坡體穩定性計算

根據根土復合體固結不排水三軸試驗可得到不同火后時間下的根土復合體的有效抗剪強度參數，其值如表3。

表3 不同火后時間下根土復合體有效抗剪強度參數

基于無限邊坡理論，根據后所鄉依羅村的淺層滑坡實測坡度及滑動面深度，并考慮火后不同時間下的根系土抗剪強度參數，火后不同時間下的邊坡穩定性系數計算結果如圖12。

圖12 不同火后時間的覆被邊坡穩定性系數

由計算結果可知，未被火燒的健康根系能夠顯著地提升邊坡穩定性，但火災后的根系強度會逐漸衰減，導致固土效應也逐漸削弱，導致的最終結果是在火后9年的邊坡穩定性分析中，其邊坡穩定性系數小于1，誘發了此次后所鄉邊坡失穩事件，這和實際情況相符。從時間尺度上分析可知，火后的前幾年，邊坡穩定性會有所降低，但由于根系還未腐爛完全，因此仍然具有一定的強度，能對邊坡起到加固作用，邊坡未發生失穩； 但在火災較長時間后，隨著根系腐爛程度的加重，根系已經失去了對土體的加筋作用，導致邊坡穩定性降低，最終誘發火后滑坡事件。

火災發生后，在根系腐爛過程中，導致邊坡穩定性逐漸降低，邊坡穩定性系數隨火災后時間的關系可由式3表示：

FOS=3.40e-0.14t

(3)

式中：FOS為邊坡穩定性系數；t為火災后時間。

4 結論及展望

通過文獻調研，以及對涼山州火燒跡地淺層滑坡型火后泥石流形成過程中起動模式的研究，得出以下結論：

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

關于火后泥石流起動機理的研究，目前存在一些不足和研究難點。針對火后泥石流起動機理的研究，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規模的影響因素。(2)火后泥石流的發生頻率隨火后時間的演變規律。(3)關于火后坡面的降雨-入滲-表面徑流及產匯流的數值模擬。