長陽山區降雨型土質滑坡模型研究

李偉

摘要：長陽縣土質滑坡頻發，受勘查資金和專業技術人員的限制，滑坡調查評價工作滯后。論文對歷年發生的152處土質滑坡統計分析，選取影響區內滑坡穩定性的4個主要因素，在鄂西山區I-D曲線研究基礎上，以其中相對穩定的因子為常量，累計有效降雨量為變量，考慮地形坡度的條件下，進行函數模擬，建立起適合長陽縣的降雨型土質滑坡的模型。選取2個典型土質滑坡，采用定性評估和FLAC3D軟件定量計算，驗證模型的可行性。降雨型土質滑坡模型成果簡單易操作，可為當地防災減災工作提供一定的依據。

關鍵詞：土質滑坡；影響因素；降雨閾值；線性關系

引言

土質滑坡的穩定性評價是滑坡野外調查中的一項重要內容，通過對滑坡體發育特征的識別，判定影響滑坡穩定性的各種因素，預測滑坡的發展趨勢及危害性，為防災減災工作提供依據。在土質滑坡的穩定性判別過程中，主要有定性和定量兩種方法。定量評估方法是通過計算方法得出滑坡的穩定系數，以此為依據來確定滑坡的穩定程度。目前滑坡穩定性計算的方法種類繁多，主流的方法可以分為三大類：概率法、極限平衡法、數值分析法。其中，極限平衡法是根據滑體或者滑體分塊的靜力平衡原理和摩爾一庫侖準則分析滑坡各種破壞模式下的受力狀態，以及滑體上的抗滑力和下滑力之間的定量關系來評價滑坡的穩定性，該方法是工程上最常見、最成熟的定量計算方法。長陽縣部分大中型土質滑坡均通過滑坡勘查，測試各類力學參數，采用極限平衡法求解滑坡體的穩定系數。

極限平衡法以各類力學參數、滑面特征，滑體形態規模為基礎，這就必然要求對滑坡體進行地質災害勘查，各類巖土體力學測試，投入大量的勘查費用。但統計情況顯示，長陽縣土質滑坡數量較多，規模以中小型為主，財政資金有限的情況下，政府部門不可能投入大量的資金對中小型土質滑坡進行勘查，故在土質滑坡的穩定性評估中，多采用定性評價，方法有工程地質類比法、歷史成因法等。定性評估是在土質滑坡地面地質測繪的基礎上，通過查閱歷史資料、調查訪問，對影響滑坡穩定性的主要因素、可能的變形破壞方式及失穩的力學機制等的分析，對己變形地質體的成因及演化史進行分析，從而給出被評價滑坡穩定性狀況及可能發展趨勢的定性的解釋，從宏觀上定性分析滑坡的穩定性。定性評估方法的優點是可以對滑坡穩定狀況及發展趨勢快速做出評價，并節約了大量的勘查資金。但土質滑坡的影響因素和發育特征千差萬別，表現特征也存在較大的不確定性，而評估過程中也受到技術人員本身能力和經驗的影響，評估結論的精確度不高。

為解決中小型土質滑坡勘查、監測費用昂貴，而定性評估精度不高的問題，國內外用統計學的方法，實時和預報降雨預測滑坡成為一條可行且有效的途徑。目前國際上基于統計方法建立的降雨閥值大多采用I-D曲線，I（mm/h）為降雨強度，D（h）為降雨持時。在長陽縣所在鄂西地區，Brunetti等人通過國家氣象科學數據共享網和湖北常規氣象自動站網收集了2007年度30多條降雨誘發單體或區域性滑坡記錄，并收集整理了滑坡發生時的降雨資料，嘗試性地建立起該地區的I-D曲線。鄂西地區的I-D曲線為當地的滑坡預測評估工作提供一種新的方法，但由于缺乏足夠多的滑坡和降雨數據，方法的可靠性有待進一步提高。另則，鄂西山區范圍大，其影響土質滑坡穩定性的因素眾多，特別是地形坡度也是影響滑坡穩定性的重要因素，僅僅考慮降雨閥值與滑坡穩定性關聯性，來預測整個鄂西地區范圍內的滑坡穩定性，其準確性有待進一步提高，I-D曲線尚有改進的余地。

1.研究背景及思路

1.1研究背景

由于鄂西山區I-D曲線樣本數量的局限性，用該曲線預測長陽縣的土質滑坡，其精度不能達到滑坡預測預報的有效標準。在長陽縣土質滑坡的預報工作中，一般采用滑坡動態監測的手段及專業技術人員定性評估方法。動態監測需要一定的儀器設備和科學方法，其成果與監測人員的認知水平及責任心正相關，而滑坡產生破壞性的形變往往集中在短時間內，最連續的暴雨過程中很難提前做出快速科學的響應措施。土質滑坡的定性評估結論的準確性與技術人員的經驗能力有很大的關聯，而在高素質專業人員缺乏的山區縣，專業人員的定性評估僅僅能用于危害較嚴重的滑坡。

長陽縣眾多的土質滑坡地質災害，動態監測及定性評估，特別是近年來大型滑坡的勘查工作，為降雨型滑坡模型的研究提供了大量的基礎資料。在概述長陽縣土質滑坡發育特征，初步分析土質滑坡的誘發機制的基礎上，選擇具有代表性的樣本，對鄂西山區I-D曲線模型做出改進，建立起適合長陽縣范圍的土質滑坡模型。

1.2研究思路

土質滑坡的穩定，受各類誘發因子的影響。根據基礎資料分析，影響長陽山區土質滑坡穩定性的因素主要有4個，分別為地形坡度、土體類型、人類活動，大氣降雨。其中，地形坡度相對穩定，如無火山、地震、地質災害的情況下不易發生變化；長陽山區土質滑坡所在的斜坡，土體類型以殘坡積層為主，物質成分較單一，以碎塊石、卵石、粘土、崩塌堆積物為主，其比例變化較小，^類活動為土地耕種，不會改變殘坡積層對物質成分，即巖土體性質相對穩定；長陽山區地質環境相對惡劣，工商業及城鄉建設程度低，當地農民以耕種為主，人類活動主要人類以耕種為主，其次有房屋地基開挖，鄉村公路修建等，總體來說，人類活動不頻繁，破壞能力有限，近幾年也趨于相對穩定。在4大因子中，唯水文因素具有不可控性，特別是大氣降雨，作為長陽山區土質滑坡的主要誘發因素，主要從力學方面影響滑坡的穩定性。土質滑坡的穩定受4個主要因素的影響，在某個時間段內，通常情況下，地形地貌條件、巖土體、人類活動相對穩定，為一常量參數，而水文因素特別是誘導山區土質滑坡的大氣降雨，在短時間變化程度相對較大，因此大氣降雨可作為4大影響因子中的唯一變量。以其中相對穩定的因子為常量，大氣降雨為變量，通過統計長陽山區歷史上土質滑坡的的相關信息，通過曲線和函數的擬合，確定其中的函數關系，建立模型，驗證擬合函數的可靠性。

2.降雨型土質滑坡模型研究

2.1參數選擇

模型中主要的變量為地形坡度角x和滑坡整體變形破壞之前的累計降雨量（連續）y，其參數求取方法如下。

（1）地形坡度角x

根據滑坡的形態特征，確定滑坡的邊界。調取長陽縣1：1萬的地形圖，將滑坡的范圍按其坐標套至地形圖。地形坡度角與地形圖等高線的疏密程度相關。在地形圖上讀取滑坡體的相對高差（h），并量取滑坡體前緣至后緣的平面距離，與比例尺換算為滑坡體長度（s），由tan_x=h/s計算出滑坡體的平均坡度角x。部分滑坡體經過實際測量，地形坡度角x為實際測量值。

（2）累計降雨量（連續）y

建模前調取滑坡體最近的水文站（雨量站）的降雨數據。考慮多數滑坡體變形破壞時間多處于降雨過程中，累計降雨量應取變形破壞時的實時降雨量。由于強烈降雨過程中滑坡體變形破壞被監測發現存在一定的時間間隔，但考慮到本次樣本數量眾多，統計過程中的延時不對模型的精度構成重大影響。

2.2數據樣本選擇

（1）樣本數據來源

研究收集了監測統計數據的長陽土質滑坡152處，在強降雨的影響下，152處滑坡均有不同程度的變形破壞。

（2）樣本數據選取原則

在數據選取上，主要從土質滑坡的賦存位置環境、影響因子、誘導因素、滑坡體的穩定性及破壞程度等方面考慮。樣本選擇具有代表性，并有降雨記錄的滑坡。以下為樣本選擇的前提條件，同時也為模型所適用的范圍。

①滑坡遠離城鎮，地形切割較深，滑體一般位于斜坡中下部，地表為厚度相對較大的殘坡積層，人類活動以農耕為主，2年內無修建公路，房屋地基開挖，人類活動影響小。

②斜坡上原有的植被大多已經因毀林開荒遭到破壞，殘坡積層直接裸露地表，在大氣降雨時容易受到沖刷，地表水向下滲透能使土體達到飽和狀態。

③滑坡體所在的斜坡，整體坡度角變化小，局部偶有坡度變化，滑坡體整體坡度平穩。

④滑坡體前緣不涉水，在無大氣降雨的情況下基本穩定，無明顯變形破壞跡象。

（3）樣本臨界值的確定

根據建模需要，結合長陽山區土質滑坡的基本特征，選擇人類活動影響較小，物質成分較單一的土質滑坡中，為斜坡的地形坡度、大氣降雨量設置了臨界值，即地形坡度為20°～48°（地形坡度小于20°的土質斜坡在強降雨中相對穩定，地形坡度大于48°的土質斜坡在強降雨條件下多發生崩塌）；降雨量為35mm～205mm（35mm條件下未發生土質滑坡變形破壞的地質災害，205mm為長陽山區百年一遇的最大降雨量）。

2.3擬合函數

對樣本進行統計分析，求取降水量和坡度的線性關系。根據坐標圖顯示，降水量隨坡度的增加遞減，通過線性擬合得到線性曲線及表達式：

根據降雨量和坡度之間的函數曲線，計算可求得各地形坡度下的降雨量閥值如表1。在滑坡地形坡度確定的情況，可以根據氣象預報的降雨量來預測土質滑坡的穩定性，為防災減災工作提供一定的依據。

3.模型驗證

為證明降雨型土質滑坡模型的普遍性及可靠性，研究工作選取了2個典型土質滑坡進行定性評價及定量計算兩種方法。其中，定性評價采用野外地質調查，定量計算選用FLAC3D軟件進行數值模擬，開展降雨條件下的穩定性計算，以分析降雨量對邊坡穩定性的影響及邊坡失穩機理。

3.1姚家嶺滑坡

（1）定性評估

姚家嶺滑坡位于長陽縣漁峽口鎮龍坪村一組，滑坡體為近似平直形的斜坡，平均坡度21°，主要物質成分為第四系殘坡積層。滑坡體曾在20世紀80年代活動過，后一直保持相對穩定狀態，本次復活出現于2016年7月19日大強度的暴雨之后。本次滑坡復活跡象主要表現為：滑坡體坡肩出現密集的弧形裂縫，以橫向的拉張裂縫為主，最大的裂縫長約50m，縫寬0.12m，可見深度0.6m。局部高陡邊坡發生土質崩塌，方量一般在10m³～50m³，規模較小。其他部位未發現明顯變形跡象。定性評估認為，目前滑坡活動的范圍主要集中于滑坡體后緣坡肩附近，滑坡體前緣未發現明顯變化，滑體兩側未發現與主滑方向同向的剪切裂縫，目前姚家嶺滑坡處于蠕滑階段。鑒于姚家嶺滑坡近期活動是受強力降雨的影響，在降雨結束10日后，滑體已無明顯活動跡象，滑坡已進入穩定階段，在外部條件未發生變化的情況下，滑坡無繼續發展的危險。

（2）定量計算

根據地質剖面圖建立數值模型，并劃分網格。地質資料顯示，姚家嶺滑坡滑體主要為第四紀殘坡積土，基巖為志留系砂頁巖，根據經驗類比確定其參數值如表2。

利用FLAC3D軟件，計算過程約束數值模型的下邊界和左右邊界，設置模擬降雨的滲流參數，計算持續均勻降雨條件下，不同階段邊坡的變形失穩過程及相應的安全系數。

從結果中可以看出，隨著降雨時間的增加，邊坡淺層土體位移不斷增大，邊坡逐漸變形失穩。在降雨0h～24h的階段，淺部小部分殘坡積土層位移增大至1m，表現為局部失穩，此時安全系數為1.208；降雨48h時，由于降雨入滲導致土層強度參數下降，土層整體開始變形，位移均大于1m，此時安全系數為1.051；降雨120h后，土層位移進一步增大，最大位移達6m，最大位移出現于土體中上部，中上部土體沿土巖分界面逐漸推動下部土體，使邊坡出現整體性失穩，此時安全系數為0.985。

（3）驗證分析

根據姚家嶺滑坡應急調查報告，本輪強降雨從2016年7月17日開始，至7月20日結束。據附近水文站記錄，4天累計降雨量達到175mm。在整個降雨及雨后數日內，滑坡整體趨于穩定，局部有崩塌和滑動跡象。定量計算成果顯示，隨著降雨的持續，滑坡穩定性系數降低，第5日安全系數為0.985，已經接近欠穩定狀態。在降雨量模型中，21°斜坡所對應的降雨閥值為180mm，即累計降雨量超過180mm滑坡趨于不穩定。定性分析、定量計算與降雨量模型成果基本一致。

3.2槽坊滑坡

（1）定性評價

槽坊滑坡位于漁峽口鎮板凳坳村四組，滑坡體為一外凸形的斜坡，地形坡度為32°，滑體物質成分為第四系殘坡積層。槽坊滑坡體無活動的歷史，近50多年來保持相對穩定狀態，本次活動出現于2016年7月4日大強度的暴雨之后。本次滑坡活動主要表現為：滑坡體坡肩出現橫向的拉張大裂縫，裂縫長約150m，縫寬0.2m，深度大于4m，根據坡肩的監測數據顯示，雨后8日內，滑體整體下滑5.2m。在滑坡體中后部及滑坡體周邊，發生多處土質崩塌，方量最大約120m³。在滑坡體的前緣，發現多條無規則的地面裂縫。

根據滑坡發育特征顯示，目前整體已出現滑動的跡象，后緣推動和前緣牽引的因素均存在，故為一混合式滑坡。根據滑坡的發生、發展演化過程，目前槽坊滑坡處于滑動階段，受斜坡中應力集中和分異的速度以及外力作用強度的影響，滑坡滑動的速率會不斷增加。

（2）定量計算

根據地質剖面圖建立數值模型，并劃分網格，槽坊滑坡滑體主要為第四紀殘坡積土，基巖為志留系砂頁巖，根據經驗類比確定其參數值與姚家嶺滑坡取同一值。

計算過程約束數值模型的下邊界和左右邊界，設置模擬降雨的滲流參數，計算持續均勻降雨條件下，不同階段邊坡的變形失穩過程及相應的安全系數。結果顯示，隨著降雨時間的增加，邊坡表層土體位移不斷增大，在降雨初期邊坡中部位移較大，表現為局部變形；在降雨48h時，土體最大位移出現在坡腳，達到1.6m，土體出現整體滑動，此時安全系數為1.058；降雨72h，邊坡淺層土體飽和，地表水向深部土體滲流，深部土體含水率升高，強度明顯降低，開始產生沿層面的滑動，位移1m左右，表層土體位移達到2.5m，此時安全系數為0.834，整體失穩，由于雨水的沖刷作用，坡腳土體位移較大，先產生失穩破壞，上部土體再逐漸產生滑動；降雨120h，邊坡土體位移進一步增加，最大位移達到6m，變形量及變形速率進一步增大。

（3）驗證分析

根據槽坊滑坡應急調查報告，本輪強降雨從2016年7月12日開始，至7月14日結束，然后又遭遇7月17日開始的一輪強降雨。據附近水文站記錄，7月13日，即降雨第2日的累計降雨達到88mm，滑坡體開始出現各種不穩定跡象，7.月14日開始出現整體滑動。定量計算成果顯示，隨著降雨的持續，滑坡穩定性系數降低，第2日安全系數為1.058，已經趨近欠穩定狀態，隨著降雨持續，第3日變為不穩定。在降雨量模型中，32°斜坡所對應的降雨閥值為93mm，即累計降雨量超過93mm滑坡趨于不穩定。定性分析、定量計算與降雨量模型成果基本一致。

3.3小結

姚家嶺和槽坊2個典型土質滑坡體的定性評估和定量計算的結果與降雨量模型計算成果基本保持一致，從而證實了降雨型土質滑坡模型在預測降雨過程中土質滑坡體的穩定性具有一定的可行性。

4.降雨型土質模型評價

長陽山區降雨型土質滑坡模型以鄂西山區I-D曲線為基礎，選擇長陽縣土質滑坡為研究對象，并擴大了樣本數據，共收集了歷年來發生的152處土質滑坡為基礎數據，通過野外調查、實測、資料收集等手段，在統計分析的基礎上，選取符合條件的50個樣本，進行函數擬合，最終建立起長陽山區降雨型土質滑坡模型。

與鄂西山區I-D曲線相比，模型將影響因素相似的土質滑坡作為研究的前提條件，研究的區域范圍較小，樣本數量大且具有代表性，并根據長陽縣土質滑坡的特殊性，將滑坡體的地形坡度也作為一常量參數引入至模型中。模型的適用范圍雖然受到了限制，但其科學性、精確性得到了大幅度的提高。論文選擇2個典型滑坡，利用FLAC3D軟件定量計算的結果驗證了模型的可靠性；與長陽縣土質滑坡常用的定性評估方法相比，提高了其判別方法的穩定性。考慮長陽縣土質滑坡以中小型為主，缺乏相關參數數據，而研究滑坡發生的概率是一個復雜的過程，模型未概率問題對研究，滑坡評價中可以從安全系數儲備來進行彌補。

降雨型土質滑坡模型對專業人員的訴求降低，當地監測人員可直觀根據滑坡體的地形坡度，在滑坡降雨量臨界值對照表中查閱出滑坡發生變形破壞的降雨量臨界值，即可根據氣象部門預報的降雨量作出地質災害預報；與定量評估方法相比，模型不需要對計算所需要的各種參數進行求證，可直觀地對滑坡體的穩定程度作出判別。總而言之，長陽山區降雨型土質滑坡模型在判定滑坡穩定性的程度較鄂西山區I-D曲線有了大幅度的提高，減少了滑坡體勘查、監測費用，其方法簡單有效。

長陽山區降雨型土質滑坡模型為當地地質災害預報提供了一種可行的方法，但在土質滑坡的實際評估中，由于滑坡體性質特征的千差萬別，除去主要4大影響因子之外，還存在其他次要的影響因子，且極限條件下滑坡體發生滑動與否還存在一定的概率問題，故對土質滑坡體的穩定性評估，也可能出現一定的誤差。滑坡體的變形破壞，會危害當地村民的財產安全，甚至危及村民生命，故對滑坡體的穩定性評價應采取謹慎的態度。在對滑坡體穩定性預測評估中，運用模型的同時，應緊守其前提條件及臨界值，其計算成果應與滑坡體降雨中的動態特征、群測群防成果一同運用，同時，按照土質滑坡體的定性定量評估原則，為滑坡體穩定性儲備合理的安全系數。