浅层滑坡型火后泥石流起动机理研究进展与案例分析*

雷鸣宇 崔一飞 倪钧钧 李 尧

(①中国科学院/水利部， 成都山地灾害与环境研究所， 山地灾害与地表过程重点实验室， 成都 610041， 中国)(②中国科学院大学， 北京 100049， 中国)(③清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室， 北京 100084， 中国)(④香港科技大学， 土木与环境工程学系，香港 999077， 中国)

0 引 言

森林火灾是常见的森林灾害。火烧区域内，往往会引起森林植被的破坏，土体物理化学性质以及水文性质的改变。火灾后的数月至数十年时间内，在强降雨条件下，火烧迹地会经历比未烧区域更严重的坡体侵蚀，引发泥石流。这种由于火灾导致森林植被灼烧，根系腐烂，造成土体水文及力学性质恶化而产生的泥石流统称为“火后泥石流”。

火后泥石流运动过程中，能造成严重的土体侵蚀(王严等， 2019)，导致土壤结构破坏，诱发更大规模的灾害，因而具有较强的破坏力，严重威胁着下游人民的生命和财产安全。1934年1月1日发生在加州洛杉矶附近的火后泥石流，造成30人死亡， 483座房屋被毁(Eaton， 1936)，这是关于火后泥石流灾害事件的首次报道。2002年发生在科罗拉多州传教士岭的火灾导致29185hm2的森林被毁，随后的火后泥石流冲毁了桥梁护栏，造成公路被堵塞，至少5辆车被泥石流冲走(Cannon et al.，2003)。2014年6月1日，四川省甘孜藏族自治州乡城县正斗乡仁额拥沟流域发生森林火灾，过火后的2014年6月8日，仁额拥沟发生了大规模泥石流，造成主河河水雍高，房屋、农田被淤埋，大量道路、桥梁被冲毁(胡卸文等， 2018)。2020年5月7日，四川省凉山州喜德县中坝村发生森林大火，火灾持续了6天5夜，过火面积超过100hm2，在火灾后的不到1个月时间内，受持续降雨影响，于2020年6月4日在火灾区域暴发泥石流，导致下游村庄被毁，村民被迫迁移(图1)。

图1 2020 年“6·4”四川省凉山州喜德县火后泥石流造成沟道下游房屋被淤埋(雷鸣宇摄于2020-6-5)

全世界每年发生森林火灾几十万次，受灾面积达几百万公顷(舒立福等， 1998)，其中美国遭受火后泥石流的报道最多。据美国学者对火烧迹地已经发生的泥石流数量统计，大约40%的火烧迹地发生了泥石流灾害(胡卸文等， 2018)。全球变暖和极端气候事件频发的背景下，森林火灾呈现逐年增加的趋势(赵凤君等， 2008)，由此引发的火后泥石流事件也势必增加。

已有的研究表明，火后泥石流可以由地表径流引发或浅层土壤滑坡引发(Cannon et al.，2001)。“地表径流型火后泥石流”多发生于火灾后的1～2年内，此类火后泥石流多是由于火后土体渗透性急剧降低，导致地表径流量激增而引发，目前的研究也多集中在此类泥石流的起动机理上。然而，对于火灾数年后，由于根系腐烂，导致土体强度降低，引发浅层滑坡并为后续泥石流提供物源的“浅层滑坡型火后泥石流”灾害事件的起动机理研究较少(Gartner et al.，2005)。浅层滑坡型火后泥石流相比于前者，发生的时间更靠后，主要集中在火灾后的5～10年内，火后滑坡的厚度从几十厘米到6米多不等(Parise et al.，2012)，其起动机理不同于地表径流型火后泥石流。

本文主要针对火后浅层滑坡引发泥石流的研究展开回顾，并以发生在四川凉山州木里县的浅层滑坡型火后泥石流事件为例，进行野外调查与室内试验，从而探究浅层滑坡型火后泥石流的起动机理，这有助于深刻认识浅层滑坡型火后泥石流，以便能更好地针对此类灾害做好灾害防治以及森林管理的工作。

1 国内外研究现状

目前关于浅层滑坡型火后泥石流的报道较少，Parise et al. (2012)统计指出，只有12%火后泥石流是由浅层滑坡所触发，一般发生于土壤覆盖的边坡，滑坡的厚度从几十厘米到6米不等。研究表明，在美国爱达荷州(Meyer et al.，2001)及美国西北地区(Wondzell et al.，2003)发生森林火灾几年后的火烧迹地常伴有坡体失稳事件，并发现火灾后期流域内的树根逐渐腐烂，导致了泥石流的发生。Meyer et al. (2001)认为由浅层滑坡引发的火后泥石流一般发生于火灾后的10年内，随后Wondzell et al. (2003)也证实了这一观点，认为在火灾后的10年内，根系的腐烂导致土壤黏聚力到达最低水平，这是火灾后数年容易发生滑坡的原因。

根系腐烂造成对土体加固能力的降低通常被认为是火灾后浅层滑坡增加(Benda et al.，1997)和随后的泥石流发生(Jackson et al.，2009)的主要诱因。因此，浅层滑坡型火后泥石流的研究主要从根系和土体两方面着手。火灾后植物根系开始腐烂，其腐烂速率与根系直径成反比。这主要是由于细根与土壤的接触面积较大，土壤中的微生物群落加速了分解(Vergani et al.，2016a, 2016b)。另外，由于根的腐烂或老化，土体导水系数可增大1.3～6.5倍(Scanlan， 2009； Vergani et al.，2014； Ni et al.，2017)。基于物理实验的数据表明，优势流在潜在的滑动表面上引起孔隙水压力快速上升，滑动面抗剪强度减小，最终导致边坡破坏从而引发滑坡型火后泥石流(van Asch et al.，1999； Sidle et al.，2016)。

基于已有文献，尽管有少量研究报道了植物死亡后根系强度随时间的变化，然而关于根系腐烂引起的其强度下降与根系土的强度参数(黏聚力和内摩擦角)之间的定量关系如何尚不清楚。目前也缺乏火灾后土体强度的定量评估方法，这限制了人们对于浅层滑坡型火后泥石流起动条件和起动机理的认知。

2 浅层滑坡型火后泥石流的起动条件

浅层滑坡型火后泥石流的起动需要一定的地形地貌条件和降雨条件，另外根系-土壤条件能为泥石流提供物源条件，下面分别对3类起动条件进行说明：

2.1 地形地貌条件

火后浅层滑坡型泥石流一般发育于火烧迹地的陡峭边坡。Meyer et al. (1997)通过分析森林火灾后黄石公园冲积扇对地貌效应关系，发现坡度是火后物质输移过程的主要控制因素。王士革(1999)通过研究浅层滑坡发育与坡度的关系后指出， 20°～40°是浅层滑坡发育最有利的坡度范围。Rose(2013)对新西兰北部的滑坡进行调查统计，发现95%的滑坡的坡度都大于24°，并且大都集中于28°～32°之间，这表明浅层滑坡事件与坡度相关性较高，且浅层滑坡一般发生在较陡的斜坡处。另外，坡度曲率也是控制火后浅层滑坡一个重要的变量，它控制着坡面浅表及地下水文动态和侵蚀沉积速率(Gorsevski et al.，2006)。根据边坡的纵剖面形态可以将坡体分为凸坡、凹坡和直线坡。一般而言，浅层滑坡受到凹度的强烈控制，因为凹坡更容易通过浅层地下水流的汇聚和水的渗入增加土壤饱和度(Borga et al.，2010)，降低土体强度，从而降低了边坡稳定性。除以上两个因素外，坡向可能对火后浅层滑坡造成影响。Gao et al. (2010)研究新西兰地形对浅层滑坡的影响及其演变，发现约有71.3%的滑坡发生在北边坡向的坡体，说明滑坡的坡向和滑坡发生概率相关。

2.2 降雨条件

降雨是诱发滑坡的关键因素(马鹏辉等， 2018； 潘俊义等， 2018； 孙萍等， 2019)，火后浅层滑坡通常是由长时间的降雨引起(Parise et al.，2012)。受冠层结构的影响，植被冠层对降雨的截留量通常为总降水量的9%～48%(Hörmann et al.，1996)。而枯枝落叶层对降雨的截留量约占总降雨量的8%左右(Acharya et al.，2017； Rosalem et al.，2018)。火灾后数年内，植被及其根系死亡后会增加地表附近土壤的导水性，增大平行于斜坡表面的渗流并导致斜坡破坏(Greenway， 1987; Leslie et al.，2014)； 同时也会导致竖向导水特性增加，引起更深层土壤吸力的损失和地下水位上升。导水性增加主要是由于根系腐烂后，导致根系结构和土壤结构都被破坏，形成优势流动通道引起的(Ghestem et al.，2011)。根腐烂后，形成了具有很强连通性的大孔(Ghestem et al.，2011)，促进了水在土壤中的运输(Murphy et al.，1993)。优势流导致土体更易饱和(叶帅华等， 2018)，使边坡失效发生滑坡(冯文凯等， 2018)。因此，火灾后引起边坡失稳的降雨阈值也有所下降。

降雨条件对泥石流的起动具有较强的控制效应。目前大量研究通过分析火后泥石流事件，试图厘清火后泥石流及火后滑坡起动的降雨阈值条件。Staley et al. (2016)提出了一种新的预测方法，该方法利用降雨、水文响应和地理空间数据来预测美国西部最近火灾地点的降雨强度-持时阈值，并建立火后泥石流预测方法。表1总结了近年来，火后泥石流发生区域的降雨强度-持时阈值。

表1 火后泥石流发生区域降雨强度-持时阈值

2.3 根系-土壤条件

滑坡型火后泥石流的物源条件主要来自火灾后根系的腐烂诱发的浅层滑坡事件。过去的几十年，科研人员针对植物对土体的加筋锚固作用(Wu et al.，1979; Pollen et al.，2005; Fan et al.，2008; Switala et al.，2019)以及边坡稳定性(Greenwood et al.，2004; Zhu et al.，2017; Gehring et al.，2019; Giadrossich et al.，2019)进行了定量化分析和模拟。植物根系通过加筋及锚固作用与边坡土体形成有机的整体，并通过增加土体表观黏聚力(即植物根系对土壤剪切强度的贡献)显著提高土体的抗剪强度。根系对土体有固结作用，网状的须根提供加筋作用，粗壮的主根和侧根提供锚固作用(宋维峰等， 2008)。在高烈度的火灾中，高温可能会影响土层以下5～10cm范围内的根系(Swezy et al.，1991)，使根系被灼烧死亡，逐渐腐烂，根系数量和根系的强度也会降低(Jackson et al.，2009; Vergani et al.，2017)。火烧后的数年内，由于火烧导致植被死亡，根系会逐渐腐烂而失去加筋和锚固作用，导致土体黏聚力在根系腐烂过程中逐渐减小(Meyer et al.，2001; Vergani et al.，2014)，土体更容易失稳，为火后泥石流的起动提供了充足的潜在物源。

另外，火灾对植物的水力作用的改变对边坡稳定性也有着重要的影响。Ng et al. (2016)通过室内试验，对比了根系土和无根系土的吸力分布情况，发现由于根系的蒸腾作用，根系土在降雨前和降雨过程中的吸力均偏高。植物引起的吸力可以减小土体的导水系数，并增加抗剪强度(Ni et al.，2019)。植物死亡后，植物水力作用对边坡稳定性的有利影响将逐渐消失，影响机理也随之发生改变。植物蒸腾作用引起的土壤基质吸力会消失，导致土壤的抗剪强度会降低(Ng et al.，2016; Ni et al.，2019)。

因此，火灾改变了根系-土壤的力学和水文效应，导致滑坡发生概率大大增加，为火后泥石流提供了丰富的物源条件。对于根系的腐烂程度主要从根系数量及根系的极限抗拉力的变化来定义，图2总结了前人关于火灾导致苏格兰松死亡后，其根系腐烂程度与火后时间演变的关系。由图2可知，未被火烧的根系数量显著大于火烧后48个月的根系数量，表明根系在火烧后的48个月内腐烂严重，导致根系数量急剧减少。图3总结出，对于同一直径下的根系，火灾后的根系极限抗拉力会有所下降，其下降幅度随火后时间的增加而增加，证明根系的腐烂会导致根系强度的降低，且根系腐烂程度随火后时间的增加而增加。

图2 火灾前后苏格兰松根系数量变化

图3 不同火后时间下根系直径-根系抗拉力关系曲线

3 浅层滑坡型火后泥石流案例及起动机理分析

3.1 研究区概况

凉山州位于四川省西南方向，横断山的东北缘，地势西高东低，地形地貌复杂。凉山州森林覆盖率为43%，是四川省3大林区之一(李佳， 2019)。凉山州的年降水量为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(胡尧， 2015)，每年的11月～次年的4月降雨量极少，导致凉山州在该季节内气候干燥，温度偏高。由于凉山州境内覆盖大面积的原始森林，且地形条件复杂，交通不便，干燥的空气遇上雷击事件极易引发大规模的森林火灾。近年来，凉山州境内森林大火呈现上升趋势，由森林火灾导致的火后泥石流事件也更加频繁(图4)。2010年2月16日，位于木里县后所乡的依罗村发生森林火灾，过火面积约为50hm2，过火区域植被燃烧殆尽，仅剩下一些死亡的树木保留在土中。2019年6月，距离发生火灾9年后，曾经的火烧迹地发生小型滑坡并在随后的降雨中产生小型泥石流。经调查，火烧迹地的浅层滑坡为泥石流的起动提供了物源，为典型的浅层滑坡型火后泥石流事件，其发生条件主要与浅层滑坡相关。因此，本研究着重分析火烧迹地浅层滑坡的起动因素，来探究浅层滑坡型火后泥石流的起动机理。由图5可知，火后浅层滑坡的滑动面穿过根系，根系和土体被纵向剪断。另外，滑动面出露的根系已经完全腐烂，根系在土体中腐烂中空后出现空管现象(图5)，中空的根系不但能进一步加大大孔隙优先流的概率(Jiang et al.，2018； Jørgensen et al.，2019)，还破坏了根土复合体整体的结构性，使得根土复合体强度降低。为了查明火烧迹地发生滑坡的原因，本研究还根据凉山州历年火灾灾情数据选取火后3年的火烧迹地(木里县宁朗乡)及未火烧区域作为对照，对比根系数量、根系极限抗拉力及根土复合体强度随时间的变化规律，以解释此次火后滑坡的发生机理。

图4 研究区地理位置图(a)； 研究区数字高程图(b)； 宁朗乡火后现场图(c)； 后所乡火后现场图(d)

图5 依罗村火后浅层滑坡-泥石流

3.2 野外调查及室内试验

3.2.1 边坡剖面开挖与根系数量统计

根据火烧严重程度分类标准(Keeley， 2009； Gordillo-Rivero et al.，2014)，腐殖质层烧毁严重且树木被烧焦的区域为重度火烧区。为确保植物根系由于火灾的高温灼烧而死亡腐烂，本研究选取火烧后3年和火烧后9年的重度火烧区及未火烧区域内胸径为15cm的马尾松作为研究对象。以选取的马尾松为圆心，半径1.5m为开挖半径，开挖深度为80cm进行剖面开挖，按根系直径分为0.5～1mm、1～2mm、2～5mm、5～10mm以及>10mm 5种径级，统计开挖深度范围内的根系数量。统计数量后，对出露根系进行采集，并放入15%酒精中保存以防止变质(Vergani et al.，2014)，对火后时间为3年、9年及健康根系分别封装，并做好标注，带回实验室。

3.2.2 不同火后时间的单根拉伸测试

对采集的根系进行筛选，选取形态笔直的根系，截取其5cm长的根段在微机控制电子万能试验机(型号CMT6104，量程10kN，精度为1%)上进行拉伸测试，根系直径是根据在断裂点两端用游标卡尺量测后取平均值得到。为了避免根系在拉伸过程中由于应力集中而断裂，对每一个根系进行了特殊的处理，在根的两端用有机材料进行包裹，再用夹具以10mm·min-1的速率进行拉伸测试(Bischetti et al.，2016)。拉伸测试后，选择断裂点在根系中间的数据为有效数据，而在夹具附近断裂的数据为无效数据(避免其由于应力集中而断裂)。本研究对健康根系， 3年火烧历史及9年火烧历史的根系进行了260组拉伸测试，其中有效数据共计191组，无效数据69组，将有效数据按火后时间分类并进行统计分析。

3.2.3 火后根系土体强度随火后时间演变规律

为了探究火后植被根系的腐烂是否会导致根系土抗剪强度的降低，确定火后滑坡的机理，本研究制作不同火后时间下根系土的重塑土样品，其中未被火烧的健康根系作为对照组，进行室内三轴固结不排水试验，以厘清根系腐烂对根土复合体抗剪强度的影响随火后时间的演变规律。试样高度为30cm，直径为15cm，每个样品中加入10g根系，根系取至不同火后时间的火烧迹地，选取直径约为5mm的根系，土体分5层击实，在每层土击实过程中，水平放上根系以及竖直方向插入根系，最终使根系交叉分布，配置好根土复合体剪切试样(嵇晓雷等， 2016)。样品干密度为1.45g·cm-3，配置试样时含水率为15%。考虑3种不同围压应力(100 kPa、150 kPa和200 kPa)，探究不同火后时间下的根系对土体抗剪强度贡献的变化。

3.2.4 火后不同时间下坡体稳定性计算

经调查，由于火烧后根系经历长时间的腐烂，已失去原有的固土能力，导致浅层滑坡的滑动面贯穿根系区域(图5)。对于火后不同时间下的坡体稳定性分析，本研究根据后所乡依罗村的浅层滑坡实测剖面，统计滑坡体的实测坡度及滑动面深度并考虑火后不同时间下的根系土剪切试验结果，进行分析。对现场滑动面(图5a)随机选取12个不同位置的坡度进行测量，其坡度范围在28.7°～41.3°，平均值为38.6°(n=12)。对滑动面随机选取9个不同位置，测量滑动面深度(图5d)，其深度范围为0.85～1.5m，平均深度为1.31m(n=9)。基于饱和土的无限边坡理论，并考虑根系的加筋效应对根土复合体抗剪强度的贡献，根据Hales et al. (2017)提出的公式，计算不同火烧时间后坡体的稳定性系数。其计算表达式如式1：

(1)

式中：c′为根系土的有效黏聚力(kPa)；φ′为根系土有效内摩擦角(°)；γ和γw分别为干土和湿土的重度(g·cm-3)；m为土壤深度和地下水位深度之间的比率；β为坡体的平均坡度(°)；z是滑动面深度(m)。

计算过程中，假设降雨条件下，整个根系土层达到饱和状态，水位线和坡面持平，坡度选取该浅层滑坡实测坡度的平均值38.6°，滑动面深度选取该浅层滑坡滑动面的平均深度1.31m，土体干密度为1.45g·cm-3，g取9.8m·s-2。根据不同火后时间下的根土复合体的有效抗剪强度指标计算坡体稳定性。

3.3 结果分析

3.3.1 根系剖面及根系数量

火后土层结构及成分如图6所示。由图可知，火灾后的坡面土层结构从上到下主要包括灰烬层、烧焦的腐殖质层及土层。灰烬层主要是火灾中的地上植被燃烧形成的灰烬所组成； 而烧焦的腐殖质层主要是由于火灾时的高温使地下有机质燃烧分解并最终附着在土层表面，形成的“块状层”(Certini， 2005)。表部覆盖层基本组成成分主要包括灰烬、土壤、烧焦的树枝以及腐烂的根系。

图6 火烧区域坡体土层结构及组成成分

对未被火烧、火烧后3年及火烧后9年的根系进行剖面开挖，使根系出露。各剖面根系结构特征及根系分布情况如图7所示。对于未被火烧的健康根系，细根数量较多，且分布于整个土层中； 对于火后3年的根系结构，可以明显看出细根数量相比于未被火烧的树木有所降低，且细根在土层中分布不均匀，这与细根的腐烂有关； 对于火烧后9年的树木，根系结构已经完全被破坏，细根几乎已经消失，且粗根的腐烂程度也非常严重，导致根系中空，土层中出现了大孔隙。说明根系腐烂是一个缓慢的过程，火后的初期，细根由于和土壤接触面积更大，导致先于粗根腐烂； 而在发生火灾的较长时间后，粗根也最终会腐烂，导致坡体失稳。

图7 火后不同时间下根系结构特征

对未被火烧，火烧之后3年、9年的松树根系生物量统计如图8。

图8 未火烧松树、火烧后3年及火烧9年松树不同径级根系数量

由图8可知，对于径级为0.5～1mm的根系，相比于健康的松树根系，火后3年内数量减少到健康根系的28%，而到火后9年时， 0.5～1mm的根系已经完全消失； 对于径级为1～2mm的根系，相比于健康的松树，火后3年的松树根系数量减少到健康根系的39%，该径级火后9年的根系数量也已经完全消失； 对于径级为2～5mm的根系数量，火后3年略有降低，降低幅度约为17%，而火后9年时，该径级下的根系已经完全消失。对于5～10mm径级的根系数量，相比于健康的松树，火后3年的变化不明显，而火后9年的根系数量下降至健康根系数量的一半； 对于大于10mm的根系，3种火烧历史的根系数量变化不明显。说明火后根系腐烂是一个循序渐进的过程，细根由于直径较小，其比表面积更大，因此在相同环境条件下，比粗根更先腐烂，因此会导致细根(<5mm)数量在火后3年和9年内大幅度减少，而相对较粗的根系(>10mm)数量减少不明显。

对于根系总量，火烧后3年及9年的根系总量相比于未被火烧的根系总量有大幅下降。火烧后根系总量随火烧后时间的关系如式2：

N=210e-0.29t

(2)

式中：N为根系总量；t为火烧后的时间。

3.3.2 根系极限抗拉力

对不同直径下火后3年、9年后的松树根系及健康根系进行拉伸测试，根系断裂时的力为根系极限抗拉力。根系极限抗拉力随根系直径的变化如图9所示。由图9可知，其值随直径的增加而增加，整体呈幂函数上升。对比火后9年，火后3年及健康根系的极限抗拉力，其值随火后时间的增加而显著降低，这和根系数量随火后时间的增加而降低的趋势相对应，再次证明火后根系的腐烂不但会导致根系数量的衰减，更会导致根系本身强度的降低。

图9 健康根系、火烧后3年及火烧后9年根系极限抗拉力-直径关系

为了说明火灾后根系极限抗拉力随腐烂时间的变化规律，我们对不同径级下的根系计算出平均极限抗拉力，并拟合出不同径级下的根系极限抗拉力与腐烂时间的变化关系(图10)。

图10 根系极限抗拉力随火烧后时间的变化关系

由图10可知，尽管不同径级的根系极限抗拉力不同，但均随火烧后时间的增加而降低。对于相同时间下的根系极限抗拉力，其值随直径的增加而增加。到火烧后的第9年时，直径小于5mm的根系已经完全丧失拉力，仅有直径大于5mm的根系维持较低水平的极限抗拉力。这说明根系腐烂随火后时间的增加而加剧，导致根系本身的力学性质发生恶化。

3.3.3 不同火后时间下根土复合体强度

由不同火后时间下的根土复合体三轴剪切试验结果(图11)可以看出，对于相同火后时间下的样品，其极限破坏应力随着围压的升高而增大； 在同一围压条件下，相比于素土，健康的根土复合体的极限破坏应力有较大的提升，说明根系能够有效提高土体的抗剪强度。根据不同火后时间下根土复合体的主应力差-轴向应变曲线，可以得到相应的黏聚力和内摩擦角。将根土复合体相对于素土提升的那一部分黏聚力视为根系引起的黏聚力，其大小表征了根系对土体强度的贡献程度。

图11 不同火后时间下的根土复合体主应力差-轴向应变曲线

不同火后时间下的根系强度贡献如表2所示，由表2可知，根系引起的黏聚力随火后时间的增加而显著降低，其变化规律和根系数量及根系极限抗拉力随火后时间的变化规律相似，说明三者之间有相互联系。随火后时间的推移，根系逐渐腐烂导致其加筋作用逐渐削弱，失去对土体的加筋作用，使得根土复合体整体的抗剪强度都随着火后时间的增长而降低，根系土体强度的降低，是火后滑坡起动至关重要的原因。

表2 素土、未被火烧根系土、火烧后3年根系土及火烧后9年根系土抗剪强度参数

3.3.4 研究区域坡体稳定性计算

根据根土复合体固结不排水三轴试验可得到不同火后时间下的根土复合体的有效抗剪强度参数，其值如表3。

表3 不同火后时间下根土复合体有效抗剪强度参数

基于无限边坡理论，根据后所乡依罗村的浅层滑坡实测坡度及滑动面深度，并考虑火后不同时间下的根系土抗剪强度参数，火后不同时间下的边坡稳定性系数计算结果如图12。

图12 不同火后时间的覆被边坡稳定性系数

由计算结果可知，未被火烧的健康根系能够显著地提升边坡稳定性，但火灾后的根系强度会逐渐衰减，导致固土效应也逐渐削弱，导致的最终结果是在火后9年的边坡稳定性分析中，其边坡稳定性系数小于1，诱发了此次后所乡边坡失稳事件，这和实际情况相符。从时间尺度上分析可知，火后的前几年，边坡稳定性会有所降低，但由于根系还未腐烂完全，因此仍然具有一定的强度，能对边坡起到加固作用，边坡未发生失稳； 但在火灾较长时间后，随着根系腐烂程度的加重，根系已经失去了对土体的加筋作用，导致边坡稳定性降低，最终诱发火后滑坡事件。

火灾发生后，在根系腐烂过程中，导致边坡稳定性逐渐降低，边坡稳定性系数随火灾后时间的关系可由式3表示：

FOS=3.40e-0.14t

(3)

式中：FOS为边坡稳定性系数；t为火灾后时间。

4 结论及展望

通过文献调研，以及对凉山州火烧迹地浅层滑坡型火后泥石流形成过程中起动模式的研究，得出以下结论：

火灾发生较长时间后，由于植被死亡，失去生理作用，会导致根系逐渐腐烂。根系腐烂的过程会引起根系数量的减少，且不同直径的根系腐烂速度对火后时间的敏感性不同。在相同的火后时间下，细根会先于粗根腐烂，火灾后的3年，细根数量大幅减少，到了火后第9年，细根已经完全消失，而仅保留下粗根。这是由于细根与土体接触面积更大，腐烂速率更快，导致细根优先于粗根腐烂。根系的极限抗拉力表征了根系能够提供的最大拉力。对于相同火后时间的根系，其极限抗拉力随直径的增加而增加，但对相同直径的根系，其极限抗拉力随火后时间的增加而迅速降低，反映了火后植被死亡导致根系腐烂而造成根系强度削弱。根土复合体的抗剪强度相比于素土有所提升，说明根系能够对土体有显著的加筋作用，然而，这种加筋作用同样会随着火后时间的增加而降低，导致覆被边坡的坡体稳定性降低，引发火后滑坡-泥石流的概率也会随火后时间的增加而增加。另外，观察火烧9年后的火烧迹地浅层滑坡可以发现大量腐烂的根系。根系腐烂会导致根系内部中空，使土体内部形成中空管道，在强降雨条件下，雨水更容易沿着中空根系入渗到土体内部，形成大孔隙优先流现象，导致土体饱和度上升，土体强度降低，引发火后滑坡。因此，火后滑坡是由于火后根系腐烂造成土体力学及水文特性的改变，引起根土复合体强度而引发的边坡失效问题。

关于火后泥石流起动机理的研究，目前存在一些不足和研究难点。针对火后泥石流起动机理的研究，未来的工作可以集中在以下几方面：(1)浅层滑坡型火后泥石流暴发规模的影响因素。(2)火后泥石流的发生频率随火后时间的演变规律。(3)关于火后坡面的降雨-入渗-表面径流及产汇流的数值模拟。