海南岛热带雨林滑坡致灾因素分析

项　文，李光范，王晓亮，文　伟，刘惠江

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)



海南岛热带雨林滑坡致灾因素分析

项文，李光范，王晓亮，文伟，刘惠江

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

摘要：从地形地貌、降雨和蒸发以及人类工程活动等方面分析和总结了引发滑坡的因素，研究发现：海南岛中高周低的环形阶梯结构的独特地形地貌是滑坡发生的必要因素；较大年平均降雨量和蒸发量以及海南红粘土在强降雨和蒸发下所产生的裂缝是滑坡发生的诱导因素；大量种植经济作物和开挖山体等频繁的人类工程活动是滑坡发生的直接因素.

关键词：热带雨林滑坡； 地形地貌； 降雨与蒸发； 静止土压力系数； 人类工程活动

滑坡是在一定自然条件下，由于降雨入渗、河流冲刷、地下水活动、人工切坡或地震等因素的影响，致使坡体内部分土体或岩体在重力作用下，沿着一定的软弱面或带以水平位移为主的变形现象[1].滑坡灾害不仅使地质面貌发生改变，而且摧毁道路，掩埋村庄，给人类活动造成重大损失.

海南岛是我国拥有最大热带雨林的地区，其滑坡地质灾害不仅使热带雨林生态系统受到破坏，而且让人们生命和财产遭受重大损失.2010年10月2日，陵水县吊罗山国家森林公园突发山体滑坡，有125名游客和13名吊罗山林业局工作人员不得不滞留山中，如图1；2010 年10 月19日，海南省东线高速公路海口─三亚方向178.1 km处的陵水境内发生山体滑坡，如图2；2011年9月29日，海南海榆中线一路段发生山体滑坡；2012年琼海石壁镇发生山体滑坡.据海南省2001─2010年地质灾害调查显示[2]，海南岛内总共发现253处不稳定斜坡和57处滑坡，占地质灾害总数的37.1%，其中，大型滑坡有7处，小型滑坡50处.这些滑坡主要分布在中南部的山区和丘陵地区，且海南岛的热带雨林区基本上分布在这些区域.

导致海南岛热带雨林滑坡的因素有很多，主要分为两类，第一类是内部因素，也是滑坡产生的必要因素，这类因素主要是海南独特的地形地貌、地质构造等.第二类是外部因素，也可称之为诱发因素，主要有降雨和蒸发以及人类工程活动.

1地形地貌对热带雨林滑坡的影响

1.1地形地貌对滑坡的影响地形地貌是滑坡地质灾害产生的必要因素，也是前提条件[3].坡体发生滑动需要失稳的重力势差来作为其能量的来源，这种较大的重力势差必须在具备有差异性较大的地形地貌条件下才能产生.山区的丘陵和台地不断隆起，加大了气候变化的幅度，从而使得岩土内部的风化现象更加明显.在以上因素的共同作用下，促进了土坡内部岩土体结构面的大量发育，这使得岩土体产生变形，大大地降低了岩土体的力学性能，所产生的破碎岩土体逐渐发展成松散体，此时在外部诱发因素的作用下，滑坡灾害而由此产生.

1.2海南热带雨林地形地貌特征海南省位于中国最南端，地处东经 108°37′～111°03′，北纬 18°10′～20°10′，全省陆地总面积为 3.5 万km2.其中，热带天然雨林占全省面积的四分之一，主要分布在海南岛中部山区和丘陵区，而主要林区则位于尖峰岭、吊罗山和霸王岭国家森林公园.

海南岛在地质运动的作用下，中部山区不断抬高而形成了以五指山、鹦歌岭为核心的，丘陵、台地、平原依次形成环形梯级结构的地貌，平原面积仅占海南岛总面积的28.7%.海南岛热带雨林区中的低山区、丘陵区和山前下蚀堆积平原区都具备明显差异性的地形地貌条件，较大的重力势差为滑坡灾害创造了运动条件.据资料数据显示，海南岛热带雨林内的中低山区和丘陵区是各类地质灾害点较密集的区域.

上文提到，海南岛的不稳定坡体以及滑坡共357处，且均分布在海南中南部热带雨林区的山地、丘陵等地方，综上所述，海南岛阶梯结构的地形地貌给滑坡的发生创造了极大条件，热带雨林区的山坡和丘陵地区是滑坡的高易发区.

2降雨和蒸发对热带雨林滑坡的影响

2.1热带雨林区的土壤、降雨与蒸发情况热带雨林生态系统的主要气候特征是高温、多雨、高湿，为赤道周日气候型.其雨林内部山体的风化过程强烈，母岩崩解层深厚；土壤脱硅富铝化过程强烈，盐基离子流失，铁铝氧化物相对积聚，呈砖红色，一般这种由玄武岩和花岗岩经过“红土化”而形成的土称之为红粘土[4].海南的这种红粘土除了具备一般的粘性特点外，还具有结构紧密、渗透性能差以及明显的缩胀特性等.在强降雨和强蒸发的作用下，红粘土的缩胀现象极明显，容易产生裂缝.随着降雨和蒸发不断交替地作用，裂缝持续向下发展可达4～6 m，最深处可超过10 m.

海南岛是中国唯一地处热带地区的岛屿省份，位于热带北缘，属于热带季风气候，其雨量充沛，由于离赤道很近，故其常年气温高，水分蒸发大.表1中记录了海南省不同地区近30年的降雨和蒸发情况[5].

表1　海南省不同地区近30年的平均降雨及蒸发量

通过表1得出，海南省年平均蒸发量为2 000 mm，年平均降雨量为1 700 mm.由此说明，海南岛的降雨和蒸发现象比较明显，这促进了红粘土的缩胀现象的发生.

2.2在降雨与蒸发下的裂缝计算分析多数文献显示，滑坡的发生与非饱和土中的基质吸力有着潜在联系[6].在非饱和土中，基质吸力对静止土压力和抗剪强度有着重要的影响，从而对土质边坡的稳定性也存在着一定的关联性.在非饱和红粘土中，由于降雨和蒸发的作用，土体内部会产生稳定的孔隙水流，从而引起基质吸力的变化[7].根据非饱和土理论，其广泛使用的有效应力的表达式[8]为：

σ′=(σ-μa)+χ(μa-μw)μ，

(1)

式中(σ-μa)为净压力；χ为有效应力系数；χ(μa-μw)为基质吸力.

根据VanGenuchten水-土特征曲线函数[9]，可得到以下降雨及蒸发条件下的非饱和土吸力表达式(2)：

(2)

式中：ks为非饱和土的渗透系数；rw为水的重度；q为非饱和土的稳定流速，正值代表蒸发，负值代表降雨入渗；a，n，m为VanGenuchten水-土特征曲线的拟合参数；z为计算点离地下水位的距离.

据吴晓峰等人[10]在降雨和蒸发下基质吸力与静止土压力关系的研究，可得出静止土压力系数K0的表达：

(3)

式中：σx，σz为水平x方向和竖直y方向上的应力分量；v为泊松比；

将(2)式带入(3)式可得到以下静止土压力系数与稳定流之间的关系式：

(4)

引用文献[10] 中海南岛红粘土的相关参数，设地下水位在地下10m处，天然密度取1.87g·cm-3，泊松比v=0.33，饱和渗透率Ks=8.6×10-8m·s-1.通过实验得到参数a=0.006kPa-1，n=1.8，m=0.44.蒸发和降雨各取2个稳定流量，蒸发时：q=1.15×10-8m·s-1，q=2×10-9m·s-1，降雨时：q=-3.1×10-8m·s-1，

q=-5×10-9m·s-1.将以上数据代入到(4)，可得到静止土压力系数K0与离地下水位的距离z之间的关系(如图3).

图3为在降雨和蒸发条件下红粘土的K0值的变化情况.从图3中能看出，3种情况下的静止土压力系数K0随着z的增大而减小.在临近地表处，各曲线斜率增大，静止土压力骤减，并出现了由正值向负值发展的现象，由此可知，土体在临近地表的时候，侧向压应力转变为拉应力，这与以往的饱和土静止土压力理论中的K0总大于零的情况不同.由此可知，这种静止土压力的变化是形成裂缝的主要因素，在海南岛雨量多和蒸发量大的情况下，更容易形成地裂缝.裂缝将土体分割成几块，块与块之间容易形成滑动面；降雨时，雨水通过裂缝迅速渗透入到土体内部，土体自重增加，增加了下滑力；雨水下渗，在土体内部块与块之间起到了润滑作用，使得土体抗滑力下降；增加下滑力，减小抗滑力，安全系数下降，大大增加了滑坡的发生.

3人类工程活动对热带雨林滑坡的影响

3.1植被破坏海南岛热带雨林有最为丰富的生物资源，迄今所发现的植物种类有4 200余种，繁多的植物种类构成了复杂多样的植物群落；同时，独特的热带季风气候使得该岛四季长青，森林覆盖率达53%.近年来，随着海南省经济的迅速发展，热带雨林大面积地遭到破坏，自2010年起，绿色和平组织通过分析卫星影像和实地调查发现，海南岛中部山区雨林在过去10年消失了7.2×104hm2，占雨林总面积的24.7%.导致热带雨林大面积退缩的原因主要有两个：一是在经济利益的驱使下，海南省热带雨林原有居民在砍伐热带雨林后，于山坡地之上大量种植槟榔树、荔枝树等经济作物；二是开发旅游景区，如尖峰岭、吊罗山和霸王岭3个国家森林公园的开发；又如盘山公路、雨林栈道的修建等，从而造成原有的热带雨林生态环境的严重破坏.

植被对土坡的稳定性具有重要影响，在原有土坡上植被覆盖繁密，草本植被的根系对表层土具有粘结力，它可起护坡的作用，同时可减小降雨时雨水对土体表层的冲刷和雨水的渗透，降低裂缝的形成，减小滑坡发生的机率.可是一旦土体表层的植被遭到破坏后，以上的作用就大大降低，从而大大地促进了滑坡的发生.

3.2经济作物根系的固土效应植被遭破坏后，取而代之的就是经济作物的大面积种植.据海南岛地质灾害的调查统计，海南岛的滑坡点有57处，其中因开荒毁林、不合理开荒种植经济作物而诱发滑坡的有44处，占全岛滑坡地质灾害总数的77.2%，香蕉树、槟榔树等经济作物种植区坡面上的滑坡成为了近两年来滑坡发生的主要区域.王晓亮[11]等人研究了吊罗山国家森林公园内所种植的槟榔树的根系，发现槟榔树根系对土体的抗剪强度有一定的影响.通过对根系的三轴试验得出，槟榔树根系对土体的粘聚力c值有较大的影响，但对内摩擦角值的影响却不大.槟榔树根系入土较浅，根在竖直方向上的深度为0～40cm，水平方向的范围可达30～100cm，它对表层土有一定的固土效应，但对深层土则不具备固土效应；槟榔树树干较高且不分枝，其枝叶集中在树顶处，这大大降低了它对雨水的拦截效应；而在种植槟榔树时又要求土地裸露，这更加大了雨水对土体表面的冲刷，使渗透加剧，从而使土坡的稳定性降低.

3.3海南岛旅游业的发展加剧了对山坡的开挖随着海南岛旅游业的发展，公路以及旅游区基础设施的建设需要迅速发展，尤其是公路建设已成为发展海南旅游业的重要部分，因此，对热带雨林的开发和利用也越来越大.在热带雨林区，由于山区的地形崎岖不平，因此修建公路时，多数采用的是开挖坡脚的方式，这极易使边坡产生失稳，从而导致滑坡发生.在对吊罗山、霸王岭、尖峰岭等国家森林公园的考察中，多数小型滑坡发生在道路两旁，如图4.

其次，从调研的情况来看，旅游区的房屋多数是采取削坡建造的方式.由于热带雨林区的地势常高低不平，因此需通过削坡来平整场地，而这种方式也破坏了原有土坡的稳定性；在土坡上建设房屋等基础，这相当于在原有坡体上施加了荷载，由于削坡后土体的稳定性下降了，其抗剪强度也相应降低，因此在其上修建房屋等基础设施会增加其额外的荷载，由此而产生的剪切力极易超过土体本身的抗剪强度，从而产生剪切破坏，如图5.

4总结

基于海南岛地形地貌、降雨与蒸发以及人类工程活动3种因素，分析和总结了热带雨林滑坡发生的影响过程.

(1)海南岛独特的中高周低的环形梯级结构的地形地貌，是热带雨林滑坡产生的前提条件.

(2)海南岛年平均降雨量和年平均蒸发量较大，从而使分布广泛的红粘土易产生明显的缩胀现象，形成土体裂缝.通过对裂缝的数值计算可知，在降雨及蒸发条件下所产生的稳定流使得红粘土的静止土压力系数K0不断变化，且出现负值，这使得土体的侧向力由压应力变成拉应力，形成裂缝；在台风、强降雨情况下，雨水渗透加快，从而降低了土体的抗剪强度.

(3)植被遭到破坏、经济作物的种植以及开挖山坡等人类工程活动会影响土坡的稳定性.热带雨林中的植被繁密，结构复杂，其护坡效果明显，但种植经济作物和开挖山坡后，植被大面积地消失，结果影响了土坡的稳定性，在调研过程中也发现，滑坡发生地均为植被遭到不同程度破坏之处.

(4)地形地貌、降雨与蒸发以及人类工程活动三者的耦合作用是造成海南岛热带雨林滑坡发生的最主要的方式.

参考文献：

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[4] 胡玉佳.海南岛热带雨林[M].广州:广东高等教育出版社,1999.

[5] 张黎明, 魏志远, 漆智平.近30年海南不同地区降雨量和蒸发量分布特征研究[J].中国农学通报,2006, 22 (4):403-403.

[6] 吴俊杰,王成华,李广信.非饱和土基质吸力对边坡稳定的影响[J].岩土力学, 2004, 25(5): 732-736,744.

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[10] 吴小锋,李光范,胡伟，等.降雨及蒸发下胀缩型地裂缝研究[J].防灾减灾工程学报,2014， 34(1)：113-118.

[11] 王晓亮,李光范,胡 伟,等.浅析吊罗山滑坡诱发因素及影响机理.自然灾害学报, 2014,23(1):144-148.

Factors of Leading to Hainan Tropical Rainforests Landslide

Xiang Wen, Li Guangfan, Wang Xiaoliang, Wen Wei, Liu Huijiang

(College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228，China)

Abstract：Based on topography, rainfall and evaporation, and human engineering activities, etc., the factors triggering landslides were analyzed and summarized. The results indicated that the unique topography of ring ladder structure of Hainan Island, in which the central region is higher and around is lower, was the necessary factor of landslides; the induction factors of landslide were the heavy average annual rainfall and evaporation capacity, red clay leading to cracks in Hainan under the heavy rainfall and evaporation; the direct factors of landslide included the planting of a large number of economic crops and the engineering activities such as the excavation of the mountains.

Keywords：tropical rainforest landslide; landform; rainfall and evaporation; coefficient of earth pressure; human engineering activities

中图分类号：TU 43

文献标志码：ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0030

文章编号：1004-1729(2015)02-0162-05

收稿日期：------------------------ 2014-10-24基金项目： 海南省社会科技发展专项项目(SF201456)； 海南大学中西部重点领域建设的项目计划(ZXBJH-XK011)；“十二五”科技支撑计划项目(2013BAK05B03)

作者简介：项文(1990-)，男，安徽安庆人，海南大学土木建筑工程学院2013级硕士研究生通信作者： 李光范(1959-)，男，博士、教授，硕士研究生导师，研究方向：岩土工程，E-mail: lgf1728@163.com