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滑坡与森林相互作用机制研究通过水槽实验探讨了颗粒尺寸、坡度和树间距的影响。细颗粒（沙）流动的沉积受归一化坡度和横向阻塞比控制，粗颗粒（砾石）则由两种堵塞机制主导：前沿沉积诱导堵塞和拱形诱导堵塞，后者仅在树间距小于三倍颗粒尺寸时发生。研究提出适用于不同颗粒尺寸的沉积-堵塞相图，为森林工程防护设计提供依据。
刘海明|安德烈亚·帕斯夸|汉娜·尼科尔斯|亚历山德罗·莱奥纳尔迪
谢菲尔德大学机械、航空航天与土木工程学院，英国谢菲尔德
摘要
森林在减缓滑坡扩散过程中发挥着重要作用，但这一作用尚未得到充分理解。森林通过提供机械阻力和消耗流动能量来发挥作用。尽管人们对这一现象的兴趣日益增加，现有模型仍将森林视为摩擦调节器或通用多孔障碍物，并且很大程度上忽略了颗粒大小对滑坡滞留和堵塞机制的控制作用。本研究通过使用不同颗粒材料的缩比水槽实验，实验性地探讨了颗粒大小、坡度角和树木间距对滑坡-森林相互作用的影响。结果表明，虽然森林可以降低流动速度，但沿树木方向可能会形成优先流动路径，从而导致流动侧面的能量消耗效果不佳。对于由沙子组成的细颗粒流动，沉积行为受归一化坡度角和横向堵塞比的影响；而对于由砾石组成的粗颗粒流动，沉积和滞留过程受两种不同的堵塞机制控制：前端沉积引起的堵塞和拱形效应引起的堵塞。前端沉积引起的堵塞在所有情况下都会发生，而拱形效应引起的堵塞仅在树木间距小于颗粒大小的三倍时才会出现。我们利用细颗粒和粗颗粒流动的相图来描述这些现象。这些相图为确定确保给定颗粒大小分布下发生堵塞所需的最小树木密度和坡度条件提供了直接判断依据。
引言
滑坡是全球山区最常见的地质灾害之一，对人类生命和基础设施构成严重威胁（Froude和Petley，2018）。预计在气候变化和森林砍伐的共同影响下，滑坡的频率和规模将会增加（Stoffel等人，2014；Nicoll，2016；Fidan等人，2024；Yanites等人，2025）。传统的工程措施（如刚性或柔性屏障）虽然能有效控制滑坡的扩散距离，但建造和维护成本较高，并可能对脆弱的山区环境造成破坏（Ng等人，2020；Zhang等人，2024；Pasqua等人，2025）。相比之下，森林提供了一种可持续的、基于自然的解决方案，既能减缓滑坡，又能带来多重生态效益。实地观察表明，森林可以通过作为天然物理屏障来抵抗滑坡的扩散（Booth等人，2020；Perzl等人，2021）。然而，关于滑坡与森林之间相互作用的具体机制仍知之甚少。深入理解这些机制对于开发可靠的模型以指导山区可持续坡度管理、灾害缓解和植树造林策略至关重要。
大量研究已经阐明了植被在滑坡发生前稳定斜坡的作用，强调了根系提供的水文效应和机械加固作用。近年来，人们越来越关注森林如何与流动滑坡相互作用并减缓其扩散速度。需要指出的是，在本文中，“滑坡”一词用于指代斜坡上的快速质量运动，“颗粒流动”指的是以干颗粒为主的流动，“碎屑流”特指含有大量水分的两种相流动。
Luong等人（2020）通过实验研究了滑坡的扩散动力学，模拟了滑坡作为颗粒流动撞击一系列刚性树体的情况。他们发现树木的存在会引发侧向扩散并降低流动速度。这种扩散和减速效应通过一个经验公式得到了量化，该公式考虑了坡度角、滑坡规模和树木间距的影响。Cui和Gray（2013）以及Khan等人（2020）分别研究了颗粒流动撞击单障碍物和双障碍物时的弓形冲击波形成及其相互作用。后来，Liang等人（2023）评估了弓形冲击波在颗粒流动撞击森林过程中的作用，并研究了树干直径、树木间距和森林布局对流动速度的影响。他们的研究表明，重叠的弓形冲击波可能会减弱或增强流动动量，这表明仅依赖修正后的基底摩擦力的经典模型（Benito等人，2012；Darbois Texier等人，2023）应谨慎应用。Choi（2025）进一步通过数值分析研究了树木破坏对颗粒流动-森林相互作用的影响，并强调了被卷入流动中的树木元素对流动速度的调节作用。这些近期研究使用圆柱形杆来模拟森林，类似于早期关于滑坡撞击和与人工障碍物相互作用的研究，但这些研究使用的障碍物行数较少（Choi等人，2014；Ng等人，2015）。
尽管最近在理解滑坡-森林相互作用机制方面取得了进展，但大多数研究仍使用与沙子相似的细颗粒来简化滑坡材料，从而忽略了颗粒大小的影响。然而，颗粒大小在控制滑坡移动性方面起着关键作用（Cagnoli，2024），并且通过改变流动内部的应力分布来影响滑坡对工程结构的冲击（Cui等人，2018）。对于缝隙型屏障（Choi等人，2016；Leonardi等人，2019；Goodwin和Choi，2020；Marchelli等人，2020；Piton等人，2022；Kong和Guan，2023），较小的缝隙开口与颗粒大小比例可以降低流量，甚至可能引发堵塞。这里的堵塞是指由于颗粒互锁和摩擦作用导致的从流动状态到静止状态的转变（To等人，2001；Jerolmack和Daniels，2019）。
在森林覆盖的地形中也会出现类似现象，改变的排放动力学和潜在的堵塞会显著影响含有粗颗粒的滑坡的移动性和滞留性。2023年7月英国苏格兰发生的滑坡实地观察就说明了这一现象。其中五次滑坡演变成了碎屑流，其中三次堵塞了道路。所有流动都先穿过森林区域，然后才倾泻到道路上。观察到块状颗粒在单个树木后方（图1a）甚至在多棵树木之间（图1b）大量堆积。树木密度的增加似乎通过促进堵塞作用增强了粗颗粒的沉积，这与料斗流中的物理过程类似（Nedderman，1992；To等人，2001）。因此，理解颗粒大小的影响对于评估森林在减缓滑坡方面的能力至关重要。
这些效应在实地很少被观察到，因为发生在森林中的小规模滑坡往往未被报告，这突显了在受控条件下进行物理建模的必要性。因此，本文旨在通过一系列受控水槽实验来研究颗粒大小对滑坡-森林相互作用的影响。本研究探讨了三个主要问题：首先，在哪些坡度角、树木密度和颗粒大小的组合下森林能够滞留或堵塞滑坡，而在哪些条件下它们无法做到这一点；其次，由细颗粒主导的流动和由粗颗粒主导的流动之间的滞留机制有何不同；第三，如何用简单的形式表达这些机制，以支持基于自然的缓解策略的设计和评估。为回答这些问题，我们提出了实验方案，以研究滑坡与森林相互作用时的冲击运动学、流动速度、滞留能力和堵塞行为。基于实验结果，我们提出了新的设计图谱，用于描述森林引起的滑坡堵塞现象，为分析滑坡-森林相互作用提供了科学基础和实际参考。
与以往关于滑坡-森林相互作用的研究（Benito等人，2012；Luong等人，2020；Liang等人，2023；Darbois Texier等人，2023；Choi，2025）类似，本研究也将滑坡材料视为干颗粒集合体。Iverson等人（2004）对小规模实验中的颗粒流动进行了尺度分析。他们发现，当流动是干燥的时，颗粒间流体和内聚力的影响可以忽略不计，因此尺度效应不明显。因此，本研究的结果可以直接应用于实际的干颗粒流动。在两相碎屑流中，固体相和流体相都会影响整体动力学（Iverson等人，2004）。然而，颗粒大小的分离通常会导致碎屑流前端和堤坝处粗颗粒的富集，这些区域的孔隙水压力较低（Johnson等人，2012）。在这些区域，摩擦和碰撞作用占主导地位，可以显著影响沉积过程，为流动体提供大部分抵抗应力。因此，干颗粒沉积过程可以为两相碎屑流的沉积行为提供有用的见解。
实验装置
图2展示了实验装置的示意图，包括一个刚性倾斜平面、一个由透明亚克力板制成的储存容器以及一个铝制收集箱。倾斜平面由一个铝制框架支撑，可以调节不同的坡度角度。倾斜平面的宽度为600毫米，长度为900毫米，两侧装有亚克力侧壁以限制流动。为了减少基底滑动，使用了P120粒度的砂纸进行表面处理
观察到的冲击运动学
图3展示了滑坡与森林相互作用时的典型冲击运动学，使用高速摄像机记录下来。森林模型安装在一个倾斜角度为32°的斜坡上，树木间距为60毫米，滑坡材料分别为沙子（图3a）、4毫米砾石（图3b）和7毫米砾石（图3c）。通过开源MATLAB软件PIVlab（Thielicke，2014）进行粒子图像测速（PIV）分析，将流动速度矢量叠加在捕获的图像上
结论
本研究通过实验研究了滑坡与森林之间的相互作用机制，重点关注颗粒大小、树木间距和坡度角对滑坡移动性、沉积和滞留的影响。提出了新的相图来描述森林对细颗粒（沙子）和粗颗粒（砾石）材料沉积的影响，并通过实验结果进行了验证。主要发现总结如下：
树木间距和流动惯性共同决定了滑坡的起始
作者贡献声明
刘海明：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，软件开发，数据分析，概念化。安德烈亚·帕斯夸：撰写 – 审稿与编辑，资源提供，方法论研究，实验设计。汉娜·尼科尔斯：撰写 – 审稿与编辑，资源提供，方法论研究。亚历山德罗·莱奥纳尔迪：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，资源协调，资金获取，数据分析，概念化。
利益冲突声明
亚历山德罗·莱奥纳尔迪表示获得了英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）的财政支持。作为该论文的合著者，他担任选定的特刊的客座编辑之一。鉴于这种潜在的利益冲突，我们恳请将论文分配给另一位未参与该论文撰写的编辑。
鉴于其客座编辑的身份，他在同行评审过程中没有参与
致谢
本工作得到了英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）的财政支持，项目编号为UKRI179，项目名为“根植韧性：森林作为滑坡扩散的物理屏障”。作者们感谢Aaron Benson先生在收集初步数据方面提供的帮助。
