含板状根边坡入渗特征与失稳机理的降雨离心模型

Rainfall Centrifuge Model for Infiltration Characteristics and Instability Mechanisms of Slopes with Plank Roots

摘要

目的 强降雨引发的中国山地群发性浅层滑坡事件频发，且多位于植被覆被山区，严重威胁公共基础设施和人类活动安全。然而，目前对根系结构与蒸腾作用影响边坡失稳的机理认识尚不充分，以及根系在降雨过程中的失稳特征、渗流特征、土压力参数之间的协同作用不明确。 方法 针对中国云南麻栗坡县的板状根型树种在边坡中作用机制不明的问题，采用降雨离心模型试验装置，模拟5次连续间歇降雨作用下含板状根边坡的失稳破坏过程，重点分析含板状根边坡的失稳演化特征，并探究蒸腾作用对坡内水分运移路径的影响。通过建立坡内含水率、土压力、失稳特征参数之间的关系，揭示含板状根边坡的失稳演化机制。 结果 经历5次间歇降雨作用后，含板状根边坡的坡面滑塌范围超过90%，最大破坏深度达到板状根深的2.89倍，仅坡面左侧局部区域仍保持原始形态。而在降雨入渗过程中，蒸腾作用在含板状根边坡坡表形成以根系为中心的低含水率区，其形态随降雨阶段的进行由“水杯状”逐渐演化为“半椭圆状”和“三角形”。5次降雨结束后，边坡低含水率区完全消失。同时，土压力变化主要受上覆土体体积含水率变化影响，在坡表土体达到先增后减的动态波动时，土压力受坡内水量变化呈现阶段性“升-降-升”的特征。 结论 研究结果可为山区含板状根的生态护坡工程设计与实施提供宝贵参考。

Abstract

Objective Shallow landslides caused by heavy rainfall occur frequently in the mountainous areas of China， particularly in areas with vegetation cover， posing a serious threat to the safety of public infrastructure and human activities. However， the mechanisms by which root structure and transpiration affect slope instability are still not fully understood， and the synergistic effects between root instability characteristics， seepage characteristics， and soil pressure parameters during rainfall remain unclear. Methods To address the unclear mechanisms of tree species with plank roots on slopes in Malipo County， Yunnan Province， this study employed a rainfall centrifuge model test system to simulate the instability and failure process of a slope with plank roots subjected to five intermittent rainfall events. The instability evolution characteristics of the slope with plank roots were analyzed， and the impact of transpiration on water migration paths within the slope was investigated. By establishing relationships between water content， soil pressure， and instability characteristic parameters within the slope， the instability evolution mechanisms of the slope with plank roots were revealed. Results After five intermittent rainfall events， more than 90% of the slope surface with plank roots collapsed， and the maximum failure depth reached 2.89 times the plank root depth. Only a local area on the left side of the slope surface retained its original morphology. During the rainfall infiltration process， transpiration led to the formation of a low-water-content zone centered on the root system on the surface of the slope with plank roots. The shape of this zone evolved gradually from a "cup-shaped" pattern to "semi-elliptical" and "triangular" patterns as the rainfall stages progressed. After the five rainfall events， the low-water-content zone on the slope completely disappeared. Meanwhile， changes in soil pressure were primarily affected by changes in the volumetric water content of the overlying soil. When the soil on the slope surface experienced a dynamic fluctuation characterized by first increasing and then decreasing， the soil pressure exhibited a phased "increase-decrease-increase" pattern in response to the changes in water content within the slope. Conclusion The findings of this study can provide valuable references for the design and implementation of ecological slope protection projects with plank roots in mountainous areas.

Graphical abstract

关键词

离心模型试验 / 根系形态 / 失稳演化特征 / 渗流路径 / 降雨

Key words

centrifuge model test / root morphology / instability evolution characteristics / seepage path / rainfall

在中国南部地区由降雨诱发的滑坡事件中，通过实地调查和航空摄影监测发现，这些浅层滑坡大多发生在植被茂密的山坡区域。如2024年6月16日闽粤赣边区极端强降雨诱发的群发滑坡^［1］、2024年7月26日台风“格美”诱发的湖南资兴大规模滑坡灾害^［2］。这些滑坡灾害直接威胁数百万居民的生命安全，并造成重大经济损失。深入探究极端降雨事件下植被覆盖边坡的失稳机制，对预防和减轻边坡失稳具有重大意义。

根系固土护坡的机制主要涵盖植物水文效应和根系力学效应2个方面^［3-5］。在力学加固方面，植物根系的拉伸强度及根-土界面摩擦有助于约束土体，阻止剪切破坏的发生^［6］。同时，根系与土体相互作用形成根-土复合体，进而增强含根土体的抗剪强度，提高深层土体的抗滑力^［7-8］。在水文方面，根系利用蒸腾作用调整坡内渗流环境，降低坡内孔隙水压力，在降雨时抵消一部分入渗水所造成的孔压，以此提高边坡稳定安全系数^［9-11］。然而，目前关于根系影响边坡稳定的研究多分别侧重于力学或水文单一方面，缺乏对根系结构与蒸腾作用耦合机制下的边坡失稳机理的深入探讨。

天然条件下边坡植被-降雨相互作用过程十分复杂，因此离心机模型试验成为重要的研究手段。通过在小型物理模型中重建原型应力水平，可深入观察植被根系和土体在降雨条件下的水文响应与失稳模式^［12］。SONNENBERG等^［13］较早地采用离心模型试验，研究坡内水位变化引发的柳树枝加固边坡的破坏行为发现，含根边坡的失稳模式从素坡的渐进式块体破坏转变为整体块体滑动破坏。KAMCHOOM等^［14］采用离心模型试验模拟强降雨条件下黏土砂坡的失稳行为，探究活杆的水力加固效果。PRASETYANINGTIYAS等^［15］运用离心模型试验研究强降雨条件下香根草（天然根）对边坡稳定性的水力贡献，从微观角度验证根系与土颗粒缠绕机制。

然而，中国西南部山林中广泛生长着杉木、松树等树种，草木和灌木根系对边坡稳定的贡献微乎其微。相比之下，山林中广泛分布的树木根系更能提供实质性的加固^［16］。同时不同根系形态的树根对边坡的机械加固和水文效应存在差异。NG等^［17-18］使用醋酸纤维素材料制作直根、心形根、板状根3种人工根系，通过离心模型试验测量根系蒸腾作用对边坡孔隙水压力影响发现，心形根支撑的边坡在根深范围内保持着最高吸力使得边坡安全系数最大。而板状根由于深度相对较浅，在降雨过程中吸力消散，坡内孔隙水压力增加显著。SONG等^［19］在草本植物覆盖的坡面上开展降雨试验，对比研究均匀型、倒三角型和纺锤形3种含草根边坡的颗粒轨迹和滑动面特征，从微观尺度分析根形态变化和单根在坡面临界破坏时接触力的实时变化。然而，关于根系加固边坡的失稳演化特征研究十分匮乏，导致难以从渗流、应力与形变协同演化的多尺度视角，揭示不同根系类型的固坡机制差异。

本文采用降雨离心模型试验装置，系统分析云南林地山区典型含板状根系边坡在降雨作用下的失稳破坏过程。试验全程监测边坡失稳形态变化、体积含水率及应力应变等参数的动态响应。引入坡面崩滑失稳区面积比（a_f ）和坡体崩滑深度比（d_f ）2个特征指标，定量描述边坡的失稳演化特征。结合边坡入渗速率、体积含水率变化，揭示间歇降雨过程中坡内水分运移路径和分布规律。进一步融合含板状根边坡在入渗-应力-失稳特征的响应规律，阐明含板状根边坡在间歇降雨作用下的失稳演化机制。

1 离心机建模和测试程序

1.1 现场原型工点条件

本研究工点位于中国云南省麻栗坡县猛硐乡（22°50′~22°56′N，104°38′~104°46′E）（图1）。该区域地形以山地为主，大部分边坡被中国冷杉覆盖。边坡表层土体由全风化花岗岩组成，并夹杂着厚度1~5 m的黏土砂层。在2018年9月2日的降雨滑坡事件中，猛硐乡日降雨量峰值达229.6 mm，对应约五十年一遇的重现期。

对研究区域中冷杉覆被边坡的坡面进行开挖取样。取样点土样主要由砂粒和粉粒组成，属粉土质砂土。土样黏聚力为9.8~14.6 kPa，内摩擦角分布在22°~29°。在饱和条件下，土体黏聚力显著降低，而内摩擦角变化较小。

1.2 降雨离心模型试验装置及相似比

常规物理模型难以复现原型边坡的真实应力水平，使得根系-土体相互作用机理难以真实体现。而离心机可以提供高重力场，使缩尺模型内部产生与原型完全一致的应力，保证边坡失稳过程中土体开裂、水分运移、根系阻滑等物理现象的力学相似性。试验采用西南交通大学TLJ-2型土工离心试验机，离心模型试验的模型箱内边界尺寸为长×宽×高为0.8 m×0.6 m×0.6 m。

图2为含根边坡降雨离心模型试验装置的工作原理与组成。该装置主要由模型箱、降雨系统和人工根蒸腾吸力系统组成。降雨系统由雾化组件和流量控制组件共同构成。雾化喷头组件包括9个喷头和3根撑杆。流量控制组件由容量20 L的水箱、高压泵、稳压罐、电磁阀以及流量计组成。通过调节水流流速控制降雨强度，并借助流量积算仪反馈水流的累积流量和瞬时流量，保证降雨强度的稳定。为避免坡面径流水分在坡脚处累积，模型底部安装厚20 mm的铝合金架空底板。

人工根系的蒸腾吸力装置由高进气值陶土头、单向阀、小型储水罐（3 L）及真空泵等主要部件构成。人工根端部采用具备只透水不透气特性的高进气值陶土材料。利用真空泵施加0.098 MPa负压，从而在高进气值陶土头表面产生压差，实现根系的蒸腾作用。

结合离心机模型箱尺寸，并参照已有研究对模型相似比N的取值^［12-19］，本模型试验相似比N取15。原型边坡尺寸为12 m×9 m×6.15 m，换算模型尺寸为800 mm×600 mm×410 mm（长×宽×高）。表1总结了模型和原型尺度中相关的缩放定律。本研究的几何、密度、应力比尺关系为：

C_{\mathrm{l}}=l_m/l_p=\mathrm{1}/N（1）

C_{\mathrm{\rho }}={\rho }_m/{\rho }_p=\mathrm{1}（2）

C_{\mathrm{\sigma }}={\sigma }_m/{\sigma }_p=C_{\mathrm{\rho }}{C}_g{C}_{\mathrm{l}}=\mathrm{1}（3）

式中：C_l为几何比尺；C\mathrm{\rho }为密度比尺；C_σ为应力比尺。

1.3 人工根系制作及土壤类型

研究区现场树种主要是中国冷杉，板状根是其中主要的根型之一。板状根以较粗壮的水平根为主，同时伴有细小竖向根，其扎根深度相对较浅。板状根的概化模型见图3。板状根加固深度30 mm，加固半径30.7 mm。根系材料选用聚酰胺（PA），聚酰胺的抗拉强度（σ_b ）为44.05 MPa，弹性模量（E）为175.99 MPa，对应原型根的抗拉强度区间10~155 MPa^［20］。图4统计本试验与已有研究^［21-23］人工板状根的RAR分布（根横截面积与穿过根部的土体面积的比值），验证本研究板状根设计的合理性。

采用标准砂与伊利石粉8∶2比例混合制作试验用土，本次试验配制土为粉土质砂（GB/T 50145—2007）^［24］。土体的初始体积含水率为8.7%，干密度为1.68 g/cm³，黏聚力为9.83 kPa，内摩擦角为28.12°。

1.4 传感器布置与加载流程

图5为降雨条件下含根边坡离心模型的尺寸及传感器布置。模型采用从下往上分层填筑，模型从下往上分为10层，最底层厚度50 mm，其余9层每层厚度为40 mm，总高度为410 mm。坡表共布置12根人工根，按照正六边形分布。人工根共布置4行，每行3根，水平向间距为171.4 mm。

模型内安装9个体积含水率传感器，按照距离坡面的远近，将传感器分别布置在坡表（H1、H6、H7、H9、H10）、坡内（H3）、坡后（H4）及坡底（H2）部位，用于研究坡内不同位置的体积含水率分布。架空层底部安装P1，用于计算坡面径流和坡内渗流出的水量。考虑滑面可能存在位置，在坡内沿竖向布置2列土压力盒，用于监测坡内上覆应力的变化，反演失稳特征。在坡内设置1条应变监测条带，用于分析边坡不同深度的弯曲应变。在坡面和侧面安装了GoPro运动相机和无线网络摄像机，全程记录斜坡表面和侧面的裂缝扩展、崩滑失稳区及堆积区的规模等特征。

离心机试验分3个阶段进行，降雨加载流程见图6。在第1阶段，将离心机运行至15 g加速度，使离心机保持转速稳定运转1 h，以此对模型进行初始固结和应力平衡。在此期间不开启降雨系统和蒸腾系统，模型仅靠坡体内部毛细管吸力保持稳定。第2阶段，开启蒸腾吸力装置和降雨系统，进入5次间歇降雨过程（阶段Ⅰ~阶段Ⅴ），整个过程持续6.25 h。第3阶段，停止离心机运转，拆模并测量形变特征参数等。

其中，间歇降雨过程分为阶段Ⅰ~阶段Ⅴ 5个阶段，每个阶段持续75 min，用于模拟西南山区60 d的雨季情况。降雨过程中，先将降雨系统运行15 min（Ⅰ₁~Ⅴ₁），并设定降雨强度为1.52 mm/min。以此模拟R₂₄=145.92 mm的大暴雨雨强和持续2.34 d的原型工况。之后，关闭降雨系统1 h（Ⅰ₂~Ⅴ₂），模拟原型9.5 d的坡内入渗过程。降雨强度有效性验证见图7。

在每个降雨阶段，板状根的蒸腾吸力时间为45 min/h，采用开启真空泵25 min（O₁），关闭5 min（C₁），再开启20 min（O₂），再关闭10 min（C₂）的真空泵启停流程。

2 离心模型试验成果分析

2.1 含根边坡失稳演化特征

边坡变形监测与模型试验中常关注坡面失稳特征及滑面位置^［25-27］。为定量描述边坡失稳破坏程度，本研究定义2个失稳特征指标：坡面崩滑失稳区面积比（a_f ）、坡体崩滑深度比（d_f ）。a_f 定义为坡面失稳区面积（a_i ）与坡面总面积（a₀）之比；d_f 定义为边坡滑塌最大深度（d_i ）与根深（d₀）之比。

由图8、图9可知，在降雨初期（t=3 900 s），雨水在坡面形成径流，坡面土体强度降低发生局部剥落。当t=4 500 s时，阶段Ⅰ降雨结束，边坡坡面0.67~0.91 L_x 位置处发展多条竖向和水平拉裂缝。此过程中，坡表剥落区逐渐向坡顶、坡后方向延伸，坡顶形成倒三角形的坍塌。此时，边坡的最大破坏深度达55 mm（1.84 d₀），第2行人工根（R₂₁~R₂₃）和第1行左边人工根（R₁₁~R₁₂）从坡面脱落。

进入阶段Ⅱ（t=8 700 s），坡面左部0.17 L_x 处形成侵蚀沟，宽度约17 mm。此时边坡坡面崩滑失稳区面积比（a_f ）超过80%，仅坡面左部（≤0.2 L_x ）及右下角（0.68~0.93 L_x，0.07~0.54 L_y ）保留部分原始形态。当t=9 000 s时，阶段Ⅱ的降雨结束，仅坡面左缘（≤0.16 L_x ）维持原始坡面形态。此时坡顶累积沉降约24 mm，坡脚堆积体积占比约13%。之后在阶段Ⅲ~Ⅴ，边坡未出现更大范围的破坏。

图10为阶段Ⅰ~Ⅲ降雨过程中边坡模型的失稳特征参数（a_f 、d_f ）随累积降雨量的变化特征。由图10可知，崩滑失稳区面积比（a_f ）、崩滑深度比（d_f ）随累积降雨量的增加呈现增速先快后慢的阶段性增长特征。在降雨初期（累积降雨量<4 500 mL），2个失稳特征指标迅速增长，此时超过60%的坡面发生侵蚀剥落，破坏深度逐渐超过根系加固深度（d_f >1.5）。在阶段Ⅱ（累积降雨量在4 500~9 000 mL），失稳特征指标增速开始减缓。在此阶段，坡面失稳区域超过80%。边坡的失稳滑塌区主要向坡内延伸，破坏深度逐渐达到根深的2.7倍。进入阶段Ⅲ（降雨量超过9 000 mL），2个特征指标增长趋于平稳状态。至阶段Ⅲ结束时，边坡的a_f 、d_f 分别为92.4%、2.89。

根系形成的网状结构能限制裂缝的延伸和贯通，阻止破坏深度、范围的进一步扩大，因此边坡仍保留部分未破坏的原始坡面。所以板状根虽然加固深度浅，但由于加固范围更广，覆盖较多浅层滑动面区域，直接增加滑动面的抗剪阻力^［28］。

2.2 含根边坡渗流路径

结合降雨量及边坡底部的储水量，反向计算坡内降雨入渗水量的体积。由图11a可知，在各个阶段的降雨期间（Ⅰ₁~Ⅴ₁）入渗水量呈快速上升趋势。而在各个阶段的降雨间歇期间（Ⅰ₂~Ⅴ₂），坡内入渗水量先快速下降再缓慢降低。以阶段Ⅳ为例，每个阶段的入渗水量由初始上升水量（V₁）、快速下降水量）（V₂）和最终的缓慢下降水量（V₃）组成。利用入渗水量体积（V）除以对应的渗流时间（t），得到边坡的入渗速率（v_t ）。

图11b为边坡的入渗速率（v_t ）随时间（t）的变化。由图11b可知，从阶段Ⅰ₁~Ⅴ₁，边坡的入渗速率（v_t ）呈现阶段性降低。在降雨Ⅰ₁期间，边坡的v_t 值最高，可达4.6 mL/s。相比Ⅰ₁期间，在降雨Ⅱ₁期间，v_t 快速降低1.6 mL/s。至Ⅲ₁~Ⅳ₁期间，边坡的v_t 降低速率逐渐减缓，基本保持在2.0 mL/s。

在降雨间歇期间（Ⅰ₂~Ⅴ₂），此时降雨已停止，而坡体底部的储水量却逐渐增加，说明坡内的水分逐渐向坡外渗流，使得v_t 表现为负值。在各降雨阶段的间歇期初期，边坡的v_t 值均较高，在Ⅰ₂期间边坡的v_t 最高达-4.3 mL/s。进入降雨间歇期100 s后，边坡v_t 迅速下降。至降雨间歇期的后期，边坡v_t 稳定在-0.1 mL/s。因为在降雨间歇期的初期，水分通过坡内颗粒孔隙结构快速排出。而在降雨间歇期的后期，坡内水分主要受土壤吸附力和毛细力束缚，渗出速率减缓^［29］。

不同降雨阶段模型边坡的体积含水率（w_v ）的时程变化曲线见图12。边坡在降雨前（t=3 600 s）的体积含水率（w_v ）分布在7.5%~8.7%。H6、H3测点位于坡内同一高度，其中H6测点距坡表80 mm、H3测点距坡表140 mm。在阶段Ⅰ~阶段Ⅱ中期，边坡坡表（H6）的w_v 缓慢增加，在阶段Ⅱ后期坡表w_v 略微下降。在阶段Ⅲ~Ⅴ，坡表体积含水率呈现出在降雨期间增长、在间歇期下降的响应特征。而坡内（H3）的w_v 在阶段Ⅰ~Ⅱ表现出缓慢增加的规律，在阶段Ⅱ结束时w_v 接近12%。在阶段Ⅲ~Ⅴ坡内（H3）的w_v 响应规律与坡表（H6）一致。与坡表、坡内w_v 响应规律不同，阶段Ⅰ降雨开始后，边坡坡后、坡底（H4、H2）的w_v 缓慢增长到阶段Ⅴ。试验结束后，边坡坡底w_v 值最大，可达18.2%。

图13为不同降雨阶段模型边坡的体积含水率分布云图。由图13a可知，在阶段Ⅰ（t=3 600 s），随坡高增加，边坡体积含水率（w_v ）呈递减的分布特征，w_v 均低于9 %。进入阶段Ⅱ（t=8 100 s），边坡的w_v 均值较阶段Ⅰ提升约2%。由图13b可知，在此阶段，坡内形成以坡脚、坡肩及坡后竖向边界为外轮廓的“水杯”形低含水区域（w_v ≤9.5%）。将w_v ≤9.5%的低含水率区深度定义为d_w，该阶段中边坡的d_w 为285 mm（9.5 d₀ ）。进入阶段Ⅲ（t=12 600 s），边坡中上部的水分逐渐向坡底运移，坡底区域的w_v 最大值超过13%（图13c）。在边坡第2、3行根系（R₂₁~R₂₃、R₃₁~R₃₃）周围形成“半椭圆”状的低含水率区，d_w 为42 mm（1.4 d₀）。由图13d可知，至阶段Ⅳ（t=17 100 s），边坡坡底的w_v 达到16%。此时边坡在第3行根（R₃₁~R₃₃）的根深内形成“三角形”的低含水率区，此时d_w 值约24 mm（0.8 d₀）。

降雨初期，边坡坡表w_v 值较低，水分主要以毛细水的形态存在。此阶段根系蒸腾作用可以直接从土体中排出水分，影响范围可以延伸至根系以外的区域。因此，边坡内部形成以根系为中心、向根周扩展的低含水率影响区。然而，随着降雨的持续，水分不断下渗和积累，坡内w_v 持续增加，土体逐渐向饱和状态过渡。此时，土壤中的空气被排出，基质势趋近于零，毛管力作用基本消失。在这种状态下，根系蒸腾吸水虽然可以产生低水势，但其影响根区外水分的能力显著减弱。此阶段，坡内的水分运移主要受制于整体的压力梯度和土壤的饱和导水率，而非根系局部的吸水点。所以根系加固区内与根区外部的含水率差值逐渐减小，低含水率区范围逐渐向坡表收缩^［30-31］。

2.3 入渗-变形-失稳演化协同作用

图14为边坡内部竖向应变条带上不同测点的弯曲应变随时间变化特征。由图14可知，在阶段Ⅰ~Ⅴ，边坡上部测点（B5）的弯曲应变（ε_b ）呈现缓慢增长-陡增-不变的增长特征。在阶段Ⅰ前期，边坡上部的ε_b 缓慢增加至-920 με。而阶段Ⅱ上部ε_b 陡降至-2 580 με后不再发生变化。边坡上部测点B4的ε_b 在阶段Ⅰ前期快速下降至-2 000 με，在阶段Ⅰ后期稳定。在阶段Ⅱ~Ⅳ，边坡中部ε_b 一直保持较高的增长速率。阶段Ⅳ结束后，中部ε_b 达到-7 035 με，由于受降雨影响边坡坡面土体逐渐剥落，上部弯曲应变逐渐增大。在阶段Ⅱ降雨期间，前2行根系脱落，坡面失稳面积比（a_f ）逐渐超过80%，边坡上部弯曲应变出现陡增。此过程中失稳破坏面破坏深度已经越过B5测点，并继续向坡内发展。

而边坡下部B1、B2测点的ε_b 增长可分为在阶段Ⅰ缓慢增加、在阶段Ⅱ~Ⅳ趋于稳定2个阶段。值得注意的是，越靠近坡底，ε_b 增长量越小。

图15为板状根边坡H6测点的体积含水率（w_v ）、S2测点土压力（σ_p ）及坡表失稳特征参数（a_f ）曲线随降雨时间t变化曲线。由图14可知，边坡中H6测点w_v 在阶段Ⅰ缓慢增长，在阶段Ⅱ~Ⅴ呈现先增加后降低的特征。S2测点土压力σ_p 在阶段Ⅰ先升后降，在阶段Ⅱ~Ⅴ各阶段表现为先增后减再增的变化特征。

在阶段Ⅰ的降雨期间，边坡坡表失稳剥落，坡面失稳面积比a_f 逐渐扩展超过60%。但降雨入渗引起的土压力上升量超过失稳剥落引起的土压力下降，所以S2测点的σ_p 逐渐上升。在降雨间歇期（点B~D），T4边坡a_f 未发生改变，至阶段Ⅰ降雨结束后（点B）σ_p 为80.6 kPa。在降雨间歇期（点B~D），边坡内雨水逐渐向坡外渗流，σ_p 下降8.9 kPa。

在阶段Ⅱ~Ⅴ的降雨期间（点D~E、F~G），H6测点w_v 增长是造成S2测点σ_p 增大的主因。这期间H6测点w_v 增幅为0.5%~2.4%，S2测点σ_p 增幅为0.9~7.5 kPa。在阶段Ⅱ~Ⅴ的间歇期间（例点E~F、G~J），H6测点w_v 先增大后减小，对应S2测点σ_p 先减后增。因为在各降雨阶段的间隙期初期（点G~H），坡表水分继续向H6测点入渗，这使其w_v 继续上升。这期间H6测点周围形成高饱和区，此时w_v 超过12%，S2测点上部土体的有效重度降低，其上覆荷载减小，S2测点σ_p 出现短暂下降。而在降雨间歇期的后期（点H~J），H6测点w_v 下降，其下部土体有效重度增大，σ_p 逐渐增长。

但值得注意的是，在阶段Ⅲ~Ⅴ期间σ_p 虽然在波动，但各阶段开始时和试验结束时的σ_p 呈现下降趋势。可能是因为在阶段Ⅱ土体结构遭受严重破坏、土颗粒间的胶结作用减弱的情况下，板状根对土体的加固作用基本失效。同时板状根加固深度较浅，蒸腾作用范围有限，对深层土体水分运移影响较小，使得边坡无法及时排除内部水分，导致测得的土压力下降。

3 讨 论

在间歇性强降雨作用下，板状根边坡呈以浅层滑塌为先导、向深部渐进扩展的失稳模式。降雨初期，雨水入渗导致土体孔隙水压力升高、有效应力降低，表层粉土质砂迅速软化发生剥落。然而，板状根的蒸腾作用中和部分降雨，且根系与周围土体形成根土复合体，在一定程度抑制坡表破坏的进一步发展。但随着降雨的持续进行，失稳破坏逐渐向坡内延伸。坡顶拉裂、侵蚀沟依次出现，滑塌深度迅速超越板状根的浅层加固范围，滑塌面在根网未覆盖的区域逐渐贯通。至降雨后期，板状根脱落导致蒸腾作用失效，间歇降雨作用下坡表的暂态饱和带反复出现，土压力随之呈现“上升-下降-上升”的循环变化，边坡进入“松动-压实-再松动”的渐进疲劳状态。

根据已有研究^［32］可知，直根凭借其垂直深扎的特性，在增强土体抗拉强度及锚固深层土壤方面表现突出，尤其适用于潜在深层滑移面的边坡稳定。心型根则以其多级侧根构成的网状结构，在浅中层土体中提供较为均匀的分散应力及较强的蒸腾吸力作用，增强土体整体性^［33-34］。相比之下，板状根因其水平延伸的形态，在近地表处形成水平阻隔作用的复合加固体系，其加固机制更侧重于抵抗表层土体的滑移与侵蚀^［35-36］。这种形态优势使得板状根树种特别适用于表层土壤松散、易发生浅层滑坡或水土流失严重的生态脆弱区。实际应用中，单一根系形态难以覆盖复杂边坡需求。可针对性引入板状根树种，与深根性树种形成立体防护网络，从而在更大范围内提升生态系统的稳定性和抗干扰能力。

4 结 论

1）间歇降雨作用下，板状根加固边坡失稳主要发生在前2个降雨阶段。5个降雨阶段结束后，边坡的崩滑失稳区面积比（a_f ）、坡体崩滑深度比（d_f ）分别为92.4%、2.89。

2）在降雨入渗过程中，板状根加固边坡坡表形成以根为中心、并向根周扩展的低含水率区（w_v ≤9.5%）。随着降雨阶段的进行，低含水率区由“水杯形”向“半椭圆形”和“三角形”转变。

3）在间歇降雨作用下，板状根边坡坡内土压力响应呈现的阶段性增减特征。在阶段Ⅰ，土体较干燥，雨水逐渐填充土体孔隙，边坡土压力呈现出在降雨期间上升、在降雨间歇期下降的规律。在阶段Ⅱ~Ⅴ，坡表土体逐渐湿润，坡表体积含水率达到先增后减的动态波动。此过程，土压力受坡内水位浮动表现“上升-下降-上升”的循环变化。且由于坡内水分无法及时排除，浮重度增加，坡内土压力整体呈下降趋势。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2024YFC3012701)