降雨型浅层滑坡潜在重力侵蚀量模拟与计算

传统的边坡稳定模型以边坡安全评估为主,以降雨型滑坡为主的潜在重力侵蚀量模拟和预测为当前水土保持领域研究中亟待完善的工作,当前暂无系统的模型和计算流程可供参考。为实现降雨滑坡潜在重力侵蚀量的预测和量化,采用COMSOL Multiphysics在流固耦合框架下自定义局部稳定系数标量场LFS,模拟暴雨条件下坡体滑床3D轮廓发展过程及潜在侵蚀量动态,并与传统强度折减法进行了对比。结果表明:暴雨过程中暂态饱和达到一定深度后坡面出现潜在重力侵蚀,随着降雨影响深度的增大,潜在侵蚀量持续增大,形成由浅渐深的潜在滑床,最大侵蚀深度位于坡脚;LFS法可实现与强度折减法较为吻合的滑床轮廓,且较强度折减法计算效率更高,结果更保守,可获得准确的临界失效范围;降雨型浅层滑坡潜在重力侵蚀量模拟流程为:1)实地地形、土壤、水文勘察,2)渗流-应力耦合模型构建,3)LFS等值面提取,4)几何体切割和体积积分。

重庆缙云山3种典型倒伏树木根土盘特征

根土盘是边坡林木力学分析建模和了解林木倒伏力学机制的重要模块。为实现基于植株地上部分易观测指标对根土盘几何参数的预测,以及分析根土盘形态特征的主要影响因子,对缙云山林地倒伏树木进行野外调查,统计杉木、润楠、大头茶的树高、冠高、冠幅、根土盘的迎风半径、背风半径、横向直径、根土盘深度、根系数量、地形坡度等指标,并对3种植物的根土盘根系抗拉强度进行测定,最终对调查数据进行统计拟合以及PCA分析。结果表明:1)大头茶具有最大的横向直径与最小的根土盘深度且表层根系数量多于杉木和润楠,根土盘整体呈宽浅圆盘状;杉木具有最小的横向直径与最大的根土盘深度且深层根系数量多于大头茶和润楠,根土盘整体呈窄深圆柱状;2)3种树木根土盘的横向直径、迎风半径、背风半径与胸径均呈较强的正相关关系(R^(2)>0.452),根土盘深度与胸径的相关性则较弱(R^(2)<0.047);3)PCA分析结果显示根土盘横向直径与根系数量和地形坡度呈较强正相关关系,根土盘深度与冠幅、冠高比呈较强正相关关系。综合得出:通过胸径可以对横向直径、迎风半径、背风半径这些指标进行相对比较好的预测,对根土盘深度的预测则较差;倒伏株的根土盘形态主要受根土盘根系数量、冠高比等决定,较多的根系数量和较大的地形坡度导致更大的根土盘横向直径,冠高、冠幅比较大的树木,导致更大的根土盘深度。

根系对浅表层土大孔隙分布特征及饱和渗透性的影响

根系的存在对土壤大孔隙的产生及渗透特性有着重要影响,为研究浅表层土体中根系生物量与土壤大孔隙特征之间的数值关系,在缙云山针阔混交林中选取杉木单株植物根际土体为研究对象,进行染色示踪试验及根系生物量测量,取样后在室内采用自制定水头装置进行水分穿透试验和渗透试验。结果表明:(1)不同土壤剖面和不同土层深度的土壤染色面积不同,距离树木主干位置越远的剖面染色面积越大,而距离主干位置越近的剖面染色面积越小,且随着土层深度的增加整体上每个剖面上染色面积比均下降;(2)4个剖面整体表现出随土层深度的增加根系数量减少的趋势,根系直径主要集中在0.2~10 mm,且0.2~1 mm径级的根系较多;(3)染色区较未染色区具有更大的稳定出流速率,4个剖面染色区的出流速率分别为未染色区的1.97,1.81,1.77,1.70倍,且随着土层深度的增加大孔隙数量减少,大孔隙的半径分布范围在0.3~1.7 mm;(4)大孔隙度和根系生物量与渗透系数呈正相关关系,大孔隙度决定了渗透系数94.5%的变异,根系生物量决定了渗透系数87.4%的变异。

风荷载作用下三种乔木对边坡变形和稳定的影响

植被对边坡稳定影响机制是全世界性的课题,研究多集中于根系固土能力和边坡稳定性增益方面,针对植被边坡土体变形和稳定性对风荷载作用的响应机制并不清晰。为探讨风荷载作用下土体应力发展和稳定性影响规律,该研究基于前期调查选取缙云山3种典型乔木(杉木、润楠、大头茶),采用Geo-studio建立边坡数值模型,分析了各坡体模型在不同风速下的应力、位移和边坡稳定系数。结果表明:1)风荷载作用下,在根土盘位置出现了应力集中现象,迎风侧根土盘上部和下部表现为压力和张力,背风侧则相反;随风速和坡度增大,整体转动趋势加剧,总位移中坡位>上坡位>下坡位。2)当坡度较小时,边坡稳定系数随风速增大先轻微增大后迅速降低,坡度较大时,稳定系数随风速变化单调递减。45°陡坡在最大风速(30 m/s)下,大头茶、润楠和杉木的安全系数较无风时分别降低3.6%、27%、11.8%,大头茶边坡在风荷载下平均应力和总位移最小,稳定性受风荷载影响最小。3)林冠宽度、根盘直径对边坡稳定性影响的极差随风速增大而放大,冠高和根盘深度的极差变化不大,林冠宽度和根土盘直径参数为主要影响稳定性的主要因子。类似大头茶具有较大根土盘直径的树种护坡作用受风荷载影响较小,而类似润楠和杉木具有较大树冠高度,较小根土盘直径和较大根系深度的植边坡在风荷载作用下应力集中现象和位移增大趋势明显,风力对稳定性不利,不建议作为多风区域高边坡防护树种。研究结果有助于理解和认识风荷载下土体应力传递机制和对边坡稳定的影响,为多风区域植被边坡防护提供依据。

河岸稳定性动态机理及生态支护方案分析

为研究降雨联合水位波动条件下的河岸稳定性动态机理,设计合理的生态护坡方案,采用实地勘察、力学试验、数值模拟相结合的方法揭示嘉陵江北碚段边坡稳定性随水位变动的特点及边坡失效机理,并对比传统护坡手段探讨“活木桩护坡”措施中的关键技术参数。结果表明:1)河岸滩涂边坡的稳定性随水位升降而波动,在水位消落阶段边坡稳定疾速下降,其原因为边坡外部静水压力随水位消落卸载,边坡内部指向坡外的渗透压力作用导致中坡位发生浅层破坏。在暴雨多发的夏秋季节,当江水位下降速率超过3 m/d应激发河岸滩涂的滑坡灾害预警;2)在活木桩的桩体直径和入桩角度固定的条件下,适当增加入桩长和减少桩间距有助于限制边坡水平位移,河岸滩涂缓坡的桩体配置建议为警戒水位和常水位之间的中上部,桩距2.3 m桩长3.3 m组合,且只有当桩长接近潜在滑动层时才会影响到表层土的稳定性;3)在优化参数配置下的活木桩配置初期,可在水位消落的极端条件下提高稳定系数18.6%,是传统草灌木固坡效果的3.8倍。木桩根系充分生长后可提高边坡稳定系数22.3%,较同配置桩体增加3.7%。

重庆缙云山森林火灾干扰边坡的滑坡易发期预测

为明确缙云山火灾后边坡的失稳机制并预测未来滑坡风险,该研究通过对火林地根-土体物理性质勘测和试验,借鉴森林砍伐与根系强度预测模型-SIDLE曲线模型预测了根系强度的衰减和恢复动态,并采用COMSOL模拟了未来40 a林地边坡在正常状态和极端降雨事件后的稳定性动态。结果表明:(1)缙云山林缘边坡为约1.5 m厚的砂质壤土-砂质泥岩双层土坡结构,上下层渗透性和土体强度差异悬殊;(2)林缘边坡在自然状态下处于稳定状态,潜在滑动面位于深层(稳定系数FOS>2);极端降雨条件下,潜在滑动面位于土层结构面上,该处易出现带状积水,正孔隙水压力约10 kPa,极端降雨后无根系状态临界FOS为1.13,根系固土状态下临界FOS为1.32;(3)火灾发生后对自然状态下边坡深层稳定性影响较小,而极端降雨后边坡浅层稳定性随火灾后的年动态呈现快速降低而后缓慢恢复的趋势,期间FOS谷值处便出现长达数年的浅层滑坡易发期。缙云山林缘边坡的失稳机制为降雨过程中土层界面处正孔隙水压力积累弱化了有效应力。结合文献已有灌木根系数据和本区植物根系固土特性和土层特征,保守估计该次火灾发生后6~9 a为滑坡易发期,FOS为1.22~1.32,至少18~24 a后才可完全恢复至火灾前的稳定条件。研究结果有助于了解区域浅层滑坡形成机制,为火后森林恢复和边坡风险评估提供初步参考。

基于三轴UU试验的土体含水率对根土复合体强度特性的影响

为研究自然边坡其强度特性随含水率的变化规律。通过设计不同体积含水率(20%,27%,35%,40%,45%)和2种含根量(RAR=0.1%,0.3%)的重塑土进行不固结不排水三轴试验,以研究含水率对土体破坏方式、抗剪强度和初始切线模量的影响。结果表明:(1)试样破坏模式多为剪切变形和剪胀变形,在含水率为20%,27%时,出现明显剪切贯穿面破裂带,其余含水率下表现为剪胀变形;(2)含水率对根土复合体抗剪强度主要体现在黏聚力上,含水率从20%升至45%时,2种含根量的根土复合体黏聚力分别降低67%,72%;含水率低于35%时,可用对数关系表示,随含水率升高,黏聚力明显降低;含水率达到35%以上时,可用线性关系表示,黏聚力下降速度减缓;含根量增加,抗剪强度提高;(3)不同含根量和围压下根土复合体初始切线模量与含水率关系可以用线性关系拟合,含水率从20%升至45%时,2种含根量的根土复合体初始切线模量平均分别降低43%和47%。综合考虑土体弹塑性和植物因素对土体位移或变形的影响,可提高边坡稳定性计算精度。研究结果可为植物边坡以及水土保持植被建设治理提供科学参考,丰富根系固土领域的科学理论。

森林火灾对浅层含根土力学特性的影响

根系对土体的力学特性有显著影响,可以对土壤侵蚀和浅层滑坡起到作用。森林火灾发生后,对表层土壤产生影响,植物根系的固坡作用明显减弱,然而对灾后根土复合体力学特性的影响及根系腐败研究尚不充分。为揭示火灾对根系固土能力的弱化机理,对2022年8月21日发生山火的重庆市缙云山国家级自然保护区开展调查,从不同火烧程度的区域采集土样,采用电子万能试验机测得根系抗拉强度、ZJ型应变控制式直剪仪测定含根土体抗剪强度。结果表明:1)轻度火烧区与未被火烧区的细根数量差异较小,而中等火烧区与重度火烧区明显减少,对直径<2 mm的根系,针阔混交林在轻度、中度与重度火烧地区分别比未被火烧地区减少16%、28%和44%,竹林分别减少17%、25%和50%;2)根系抗拉强度随直径整体呈幂函数下降,对比火灾前后根系的抗拉强度,其值随火烧程度的增加而降低;当法向应力相同时,针阔混交林和竹林的未火烧区根土复合体的抗剪强度均明显大于火烧区,中度火烧区与重度火烧区下降较为明显;3)火烧等级对土壤黏聚力显著影响,针阔混交林重度火烧区0~10 cm土壤黏聚力较未火烧区域降低86%,竹林重度火烧区20~30 cm下降72%。结果可为研究森林火灾对根土复合体力学特性的影响及其相关机制提供依据,为灾后浅层滑坡等地质灾害易发性评价和防灾减灾提供数据支撑。

火烧迹地根系分布对浅层含根土土水特征及渗透特性的影响

火灾会造成森林浅层土水力特性发生改变,植物根系可以改变土壤土水特征和渗透特性。以重庆市北碚区缙云山虎头村的火烧迹地为研究对象,采用平衡锥仪法、烘干法等测定不同火灾程度下马尾松林和毛竹林土壤的液限、密度、饱和含水率等基本物理性质,通过变水头渗透试验测定浅层含根土的饱和渗透系数k s,采用激光粒度仪法测定颗粒级配曲线并基于van-Genuchten(VG)模型拟合土-水特征曲线。结果表明:1)森林火灾导致其浅层土壤密度降低,饱和含水率、液限、孔隙度等显著升高;2)火烧迹地根系数量减少,其中0~<2 mm径级的细根数量变化最大,减少约30%~50%;3)对于轻、中和重3种火烧程度,马尾松林火烧后其饱和渗透系数升高,尤其在重度火烧区表层土相比未遭受火烧浅层土的渗透系数提高58.26倍,毛竹林导水率变化规律与马尾松林相似且渗透系数的改变程度更大,其重度火烧区表层土的渗透系数提高162.24倍;4)火烧迹地浅表层含根土土-水特征曲线进气值参数α随火烧程度的加剧而降低3.0%~6.8%,其孔径分布参数n随火烧程度的加剧而增加6%~30%。研究结果进一步量化森林火灾对浅表层含根土饱和渗透特性和土水特征的影响,为火烧迹地边坡水力特性研究及边坡稳定分析提供科学依据。