降雨入滲作用下秭歸向斜核部南段斜坡穩定性評價

齊 信, 劉廣寧， 黃波林， 王世昌， 黃長生

(中國地質調查局 武漢地質調查中心, 湖北 武漢 430205)

降雨入滲作用下秭歸向斜核部南段斜坡穩定性評價

齊 信, 劉廣寧， 黃波林， 王世昌， 黃長生

(中國地質調查局 武漢地質調查中心, 湖北 武漢 430205)

[目的] 開展降雨條件下湖北省秭歸縣向斜核部斜坡穩定性評價研究,為政府部門減災防災工程提供科學支持,為滑坡災害的預測和管理提供科學依據。[方法] 以耦合了地下水動力學的TRIGRS無限斜坡穩定性計算模型為基礎,詳細介紹了斜坡穩定性評價的數據處理過程以及參數選取方法。[結果] 發生斜坡失穩的區域多位于松散土體中等厚—較厚，地形坡度中等的區域,尤其是土層厚度在7—10 m，地形坡度在20°～30°范圍內為斜坡失穩高發區。[結論] 在土層厚度和地形地貌的雙重控制下,短歷時強降雨入滲作用導致孔隙水壓力增大,這些區域的斜坡土體極易發生滑動,為滑坡危險性較高的多發區域。斜坡穩定性評價結果和滑坡實際分布吻合程度較高,在一定程度上反映出降雨誘發滑坡空間分布關系和分布規律。

TRIGRS模型; 斜坡穩定性評價; 瞬態滲透模型; 秭歸向斜盆地

文獻參數： 齊信, 劉廣寧， 黃波林， 等.降雨入滲作用下秭歸向斜核部南段斜坡穩定性評價[J].水土保持通報，2017,37(3)：97-101.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.017； Qi Xin, Liu Guangning, Huang Bolin, et al. Slope stability evaluation of southern section of Zigui syncline core under rainfall infiltration[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：97-101.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.017

中國是世界上崩塌、滑坡、泥石流等地質災害多發的國家之一，斜坡是地質災害孕育的載體。影響斜坡失穩大體上分為內在固有因素和外在誘發因素。內在固有因素是斜坡自身發育的屬性，包括地形地貌、地層巖性、地質構造、物質組成、斜坡結構、土體類型、密實度、親水性等。外在誘發因素是指斜坡失穩的誘發因素，包括地震、降雨、人類工程活動等。其中，降雨是斜坡失穩發生和發展的最重要因素之一[1]。降雨誘發的滑坡占滑坡總數的90%[2]。這是因為在降雨條件下，地表水下滲和地下水徑流導致地下水位上升，增大了斜坡巖土體飽和程度和孔隙水壓力，巖土體力學參數強度降低，當斜坡巖土體的下滑力大于抗滑力時，就會引起斜坡土體失穩。

長期以來，國內外學者一直重視研究斜坡失穩與降雨的關系，以期找到合理的降雨型斜坡失穩預測預報方法和防治措施。目前針對降雨誘發斜坡失穩規律的研究主要分為兩個方面：一是數理統計的半定量研究方法；二是基于水力物理模型的定量研究方法。前者針對降雨與滑坡發生的規律分析，多進行易發性、危險性、風險性和降雨閥值的研究[2]。后者多在無限斜坡穩定性計算模型的基礎之上，充分考慮降雨入滲及地下水變化對斜坡穩定性的影響。國內外學者已經提出多種降雨入滲誘發斜坡失穩的物理模型。如：Dietrich[3]的SHALSTAB模型，Pack[4]建立了SINMAP模型，Baum的TRIGRS模型[5-6]，Tarolli等[7]提出QD-SLaM模型，蘭恒星等[8]提出的改進SINMAP模型。

降雨入滲作用下建立的物理模型是評價降雨誘發斜坡失穩最有效的方法，但是，由于每種物理模型都有一定的邊界條件下提出的，因此每種模型都有一定的適用條件和適用范圍。本文的研究區位于三峽地區秭歸向斜盆地，秭歸向斜盆地兩翼地層均呈順向坡特征，類似于無限斜坡模型，且順層斜坡上發育較厚強風化層、崩坡積層、滑坡堆積層、殘坡積層等巖土體，在降雨、滲流作用下，松散巖土體極易沿著斜坡面發生滑動失穩造成災害。TRIGRS模型是耦合了地下水動力學的無限斜坡穩定性計算模型，等同于降雨持續作用下，滑坡土體沿著滑動面滑動，因此，該區評價方法適宜于利用瞬態降雨入滲斜坡穩定性計算TRIGRS模型。本文擬以三峽地區秭歸向斜核部的歸州河干流為例，開展降雨條件下秭歸向斜核部斜坡穩定性評價研究，以期為政府部門減災防災工程提供科學支持，為滑坡災害的預測和管理提供科學依據。

1 TRIGRS計算模型

(1)

式中：Fs——安全系數；γs——土的容重(kN/m3)；γw——地下水的容重(kN/m3)；c′——有效黏聚力(kPa)；ψ′——有效內摩擦角(°)。

短歷時強降雨過程中，地表水下滲和地下水徑流導致地下水位上升，松散土體力學參數強度降低，地下水壓力水頭發生變化，淺表層土體達到近飽和狀態，在此采用有透水邊界的水文模型進行計算(公式2)。

(2)

式中：Z——朝下的縱向方向坐標，Z=z/cosδ； δ——坡角(°)； z——垂直坡面向下的方向地表以下厚度(m)； InZ——第n個時間內給定的表面通量的強度，D1=D0/cos2δ； D0——飽和水力擴散系數(m2/s)； ψ——地下水壓力水頭； t——時間(s)； tn——指第n個降雨強度階段對應的時間； N——時間段的總數目； d——穩態的地下水深度(m)；β=cos2δ-(IZLT/Ks)； IZLT——初始表面通量； Ks——垂向飽和滲透系數(m/s)； H(t-tn)——Heaviside階梯函數；ierfc(η)——高斯補誤差函數一次積分值，定義為：

(3)

2 研究區概況及數據參數

2.1 研究區概況

研究區位于三峽地區秭歸向斜盆地核部，屬于長江一級支流歸州河流域。秭歸向斜盆地形成始于晚三疊世，秭歸向斜構成秭歸盆地的主體褶皺。主要出露中生代侏羅紀地層，發育良好，分布廣泛，構成秭歸盆地的主體部分。斜坡評價區縱長約8.9km，橫寬約4km，總面積為35.60km2。按照10m×10m的柵格大小劃分為890行，400列，總共356 000個柵格。

2.2 計算數據及主要參數

TRIGRS評價模型涉及的參數比較多，包括地形地貌、海拔高度、地形坡度、土層厚度、降雨參數、巖土力學參數及水文參數。

展望未來，盡管由特朗普政府在全球挑起的貿易摩擦對美國經濟所產生的各方面影響尚需時日才可體現，但考慮到其國內大規模減稅政策的推行，美國經濟短期內仍可能維持一個較高的增速。據此，課題組假定美國今明兩年經濟增速為2.9%和2.8%，略高于IMF預測值；而歐元區方面，貿易沖突波及歐元區、英國“硬脫歐”風險猶存、意大利民粹政府的激進預算案加劇了債務風險，諸多因素令歐元區增長前景蒙上不確定性。據此，課題組假定歐元區今明兩年經濟增速為2.2%和1.7%，略低于IMF預測值。

2.2.1 海拔高度 海拔高度是斜坡穩定性評價重要因子，也是地下水和降雨徑流路徑的決定因子。應用1∶5萬地形圖數據在ARCGIS生成數字高程模型DEM數據，即可得到海拔高度數據。該區海拔高度范圍為0～877.5m，最高峰位于歸州河與長江交叉口西部。

2.2.2 地形坡度 地形坡度是斜坡穩定性的重要影響因子之一，一般地形坡度越大，越不利于斜坡的穩定。但是如果坡度太大，比如大于50°，斜坡因土層太薄而幾乎不會有滑坡發生；如果坡度小于10°，斜坡土體因坡度太小而重力驅動力不足而很少發生滑動[9]。一般認為地形坡度在20°～45°較為適宜。地形坡度提取于數字高程模型(DEM)。研究區地形坡度值范圍為0°～88.7°。研究區南西和北東部位地形坡度較陡，平均坡度大于60°。

2.2.3 斜坡土層厚度 斜坡土層厚度為斜坡穩定性評價的物質基礎，TRIGRS模型的本質就是判斷斜坡土體的穩定性。研究區出露土體主要為崩坡積、滑坡堆積、殘坡積等碎石土體。通過槽探、收集鉆孔數據、土體剖面露頭、野外調查等手段采集土體厚度數據400余點，采用克里金(kriging)插值法對數據點進行內插，得出斜坡土體厚度分區圖。研究區內土體厚度范圍為0.1～12.9m，多分布于歸州河兩岸緩傾角斜坡坡體上。

2.2.4 降雨參數 降雨是誘發斜坡失穩的一個十分重要的觸發因素和動力來源[10]，因此是斜坡穩定性評價的重要因子。2014年9月2日秭歸發生一起強降雨事件，此次強降雨誘發大量的滑坡發生。因此，本次采用該次平均強降雨參數計算該區的斜坡穩定性。根據降雨觀測資料，2014年9月2日降雨量達到96.5mm。

2.2.5 巖土力學和水文參數 由于研究區較大，包含不同的巖土體類型及地形地貌環境，為簡化數據處理難度，采用歸并處理程序，總體將研究區劃分成2個區域，分別為：分區1—崩塌、滑坡堆積區；分區2—基巖上覆殘坡積區，基巖全風化、強風化區。模型所涉及的主要巖土力學參數和水文參數包括黏聚力(c)、內摩擦角(ψ)、容重(γs)、水力擴散系數(D0)，飽和土體滲透系數(Ks)等。巖土力學參數和水文參數的獲取：通過室內試驗，采用非飽和土水動力學參數取值的經驗公式〔公式(3)和公式(4)〕[11-14]，并結合前人在該地區的試驗研究獲得。研究區的巖土體力學和水文主要參數如表1所示。

D0=200Ks

(4)

IZLT=0.01Ks

(5)

表1 研究區巖土力學和水文參數

3 結果與分析

3.1 評價結果分析

通過上述數據處理以及相關參數設置，即可開始斜坡穩定性評價。首先，建立dem.asc，slope.asc，zmax.asc，zones.asc等柵格ASC數據文件；其次，根據表1參數，修改tr_in.txt文件中相對應參數值；最后，運行TRIGRS模擬計算模塊，即完成斜坡穩定性評價工作。TRIGRS 模型只對每個柵格單元體單獨進行穩定系數計算，未考慮各柵格單元體之間力的作用，導致計算結果偏小。但是，對于地質災害評價而言，較保守的評價是可以接受的。為了更好的表達降雨不同階段斜坡失穩與降雨持續時間的關系，按照平均降雨量，分別進行1，6，12，24 h 4個時間階段斜坡失穩個數對比分析。

根據計算結果，1 h后，有882個柵格單元穩定系數小于1，發生失穩的柵格數量占總體柵格數量的0.25%；6 h后，1 036個柵格單元穩定系數小于1，發生失穩的柵格數量占總體柵格數量的0.29%；12 h后，1 356個柵格單元穩定系數小于1，發生失穩的柵格數量占總體柵格數量的0.38%；24 h后，1 682個柵格單元穩定系數小于1，發生失穩的柵格數量占總體柵格數量的0.47%。計算結果表明： ① 降雨1 h后，不穩定柵格單元失穩個數最多，這是因為在降雨初期，潛在不穩定或欠穩定斜坡極易在降雨作用下失穩，而隨著時間的持續，潛在不穩定或欠穩定斜坡個數減少，失穩增量速率會隨之不斷降低； ② 隨著降雨時間的持續，不穩定斜坡土體單元總量不斷增多，24 h后不穩定斜坡單元數量是1 h后不穩定斜坡單元數量的近2倍，且柵格單元個數(N)與降雨時間(T)呈指數關系(圖1)，相關性指數為0.991 6，具有較好的相關性。

圖1 不同降雨階段不穩定斜坡單元數量統計

3.2 斜坡穩定性控制條件影響分析

地形坡度與土層厚度是斜坡穩定性評價重要的參數，開展斜坡失穩概率與地形坡度和土層厚度關系曲線圖對比顯示，發生斜坡失穩的區域，多位于土體中等厚—較厚、地形坡度中等的區域。一般來說，土體是滑坡發生的物質基礎，研究區內土層厚度在5—11 m范圍內是滑坡發生的高易發區，尤其土層厚度在7—10 m范圍內斜坡單元失穩概率達到總數的88.2%(圖2)；地形坡度中等的區域是斜坡易于失穩的區域，是因為地形坡度太大，土體難于在斜坡上累積，斜坡因土層太薄而幾乎不會有滑坡發生。如果地形坡度太小，斜坡土體因坡度太小而重力驅動力不足而很少發生滑動，研究區內地形坡度在15°～40°較為適宜，尤其是地形坡度在20°～30°范圍內斜坡單元失穩概率達到總數的81.3%(圖3)。因此，在土層厚度和地形地貌的雙重控制下，尤其是土層厚度在7—10 m、地形坡度在20°～30°范圍內的斜坡土體極易發生滑動，為危險性較高區域。

圖2 土層厚度與斜坡單元失穩概率

圖3 地形坡度與斜坡單元失穩概率

3.3 評價結果驗證

為了進一步對評價結果可靠性進行驗證，搜集到該區2014年9月2日因強降雨誘發的滑坡分布。在9月2日降雨作用下，研究區內共發生滑坡8處，滑坡分布總面積約0.46 km2。通過TRIGRS 模型穩定性計算，24 h后，發生斜坡失穩單元總面積為0.67 km2。開展滑坡分布與TRIGRS 斜坡穩定性計算分區評價圖疊加分析，對比結果顯示：滑坡分布圖與斜坡失穩危險性較高區域具有較高重疊區，發生斜坡單元失穩面積的71%均發生在8個滑坡范圍內。針對該區8個滑坡，當地國土局已經建立滑坡監測預警、群測群防體系，而分布于8個滑坡外易發生斜坡單元失穩29%面積，是地方政府和國土部門下一步開展地質災害防治、監測預警、群測群防體系的重點。因此，基于TRIGRS評價模型的方法適合于降雨誘發斜坡穩定性評價，得出的斜坡穩定性計算分區評價圖，在一定程度上反映研究區降雨誘發滑坡災害空間分布關系和分布規律，為地方政府和國土部門的地質災害防治、監測預警、群測群防體系建設提供科學依據。

4 結 論

(1) 本研究采用瞬態降雨入滲斜坡穩定性計算模型，以三峽地區秭歸向斜核部的歸州河干流為例，開展降雨條件下秭歸向斜核部土質斜坡穩定性評價研究。應用一種可考慮不同降雨強度的大區域性斜坡穩定性評價方法，該方法以柵格個體為評價計算單元，統計在一定降雨期內各斜坡柵格單元體失穩的概率，繼而獲得區域上淺層滑坡危險性分區。

(2) 斜坡穩定性計算結果顯示，發生斜坡失穩的區域，多位于松散土體中厚—較厚，地形坡度中等的區域，在土層厚度和地形地貌的雙重控制下，土層厚度在7—10 m、地形坡度在20°～30°范圍內的這些區域的斜坡土體極易發生滑動，為危險性較高區域。

(3) 本文計算所需要的巖土力學及水文參數是實驗室測試和前人研究成果而獲得，數據具有一定的代表性和可靠性。計算的分區評價圖與野外滑坡填圖對比分析，斜坡穩定性評價結果和實際吻合程度較高，發生斜坡失穩面積的71%均發生在降雨后災害應急填圖圈閉的8個滑坡范圍內。

(4) 基于TRIGRS評價模型的方法適合于降雨誘發的淺層土質斜坡穩定性評價，得出的斜坡穩定性計算分區評價圖，在一定程度上反映研究區的降雨誘發土質滑坡災害空間分布關系和分布規律，為地方政府和國土部門的地質災害防治、監測預警、群測群防體系建設提供科學依據。

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Slope Stability Evaluation of Southern Section of Zigui Syncline Core Under Rainfall Infiltration

QI Xin, LIU Guangning, HUANG Bolin, WANG Shichang, HUANG Changsheng

(WuhanGeologicalSurveyCenter,ChinaGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430205,China)

[Objective] The main stream of synclinal basin core in Zigui County of Hubei Province was selected as an case study area, and the slope stability evaluation under transient rainfall infiltration was carried out to provided scientific support for disaster prevention and mitigation projects of government departments, and to provide scientific basis for landslide hazard prediction and management. [Methods] Based on TRIGRS infinite slope stability calculation model coupled with groundwater dynamics, the data processing procedure and parameter selection methods of the slope stability evaluation tool was introduced in detail. [Results] Slope instability mainly located in the region with loose soil having medium thick or thicker layer, and medium slope, especially in the region having soil thickness of 7 to 10 m, and terrain slope ranged 20° to 30°, where were high incidence areas of slope instability. [Conclusion] Under the synergic effects of soil layer thickness and topography, short-duration but heavy rainfall can lead to the increase of pore-water pressure, where slope sliding happen easily, which was determined as landslide high risk area. The slope stability evaluation results were in good agreement with the actual distribution of landslides, and it can reflect the spatial distribution of rainfall-induced landslides to some extent.

TRIGRS model; slope stability evaluation; transient infiltration model; Zigui synclinal basin

2017-02-07

2017-03-03

國家自然科學基金項目“基于水波動力學的水庫崩塌滑坡涌浪研究”(41372321); 中國地質調查局災害預警項目(12120114079301); 水工環調查項目(DD20160257)

齊信(1983—),男(漢族),河南省永城市,碩士,工程師,主要從事災害地質、工程地質、環境地質的調查與研究工作。E-mail:qx_cdut@126.com。

A

1000-288X(2017)03-0097-05

P642.22