基于現(xiàn)場監(jiān)測的氣象水文及滑坡響應分析

楊賜陸

（泉州市洪水預警報中心，福建 泉州 362018）

地質災害對人民的生產生活造成了極大影響，尤其以滑坡災害最為嚴重，而滑坡災害主要發(fā)生在降雨條件下。對降雨條件下，對土體氣象水文和滑坡響應進行研究是防止地質災害發(fā)生及發(fā)出災害預警的基礎。

綜合以上分析，對于降雨條件下坡體氣象水文及滑坡響應的監(jiān)測及機理研究是至關重要的。目前，專家學者在這方面的研究取得較為豐碩的研究成果：支墨墨［1］采用不同種方法獲得了多種水文地質資料，分析了不同種氣象條件下的坡體水位變化、坡體穩(wěn)定性，并對滑坡預警進行研究；Hu X等［2］運用衛(wèi)星系統(tǒng)對哥倫比亞某滑坡帶進行分析，闡述了該區(qū)域滑坡機理及影響因素；許建聰?shù)龋?］運用理論分析了降雨對碎石土邊坡穩(wěn)定性的影響，研究結果表明降雨是碎石土邊坡失穩(wěn)及滑坡產生的主要原因；吳火珍等［4］利用理論分析及模型模擬試驗相結合的方法，分析了降雨作用下裂縫、坡體土層、地形構造等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響；高連通等［5］研究了坡體水文及滑坡響應的主要影響因素為降雨強度及降雨持續(xù)時間；楊文東［6］分析了降雨條件下邊坡失穩(wěn)的主要影響因素及各因素對邊坡穩(wěn)定性的影響機理；劉金龍等［7］分析了降雨在土體中的不同入滲路徑對邊坡穩(wěn)定性的影響，以及分析了裂隙對滑坡產生的機理；銀曉鵬［8］分析得出了降雨條件下邊坡穩(wěn)定性與土體飽和度與土體含水量的關系。

基于前人對降雨條件下土體氣象水文和滑坡響應的研究，本研究采用現(xiàn)場監(jiān)測的研究方法，對泉州市某區(qū)域氣象水文進行現(xiàn)場監(jiān)測，對滑坡水文響應及滲流機理、坡體體積含水量、土體水文響應速度及地下水位的變化規(guī)律進行研究。

1 工程概況

本研究以泉州市水文地質資料為研究背景，對泉州市某區(qū)域氣象水文進行現(xiàn)場監(jiān)測，分析研究降雨對周邊環(huán)境的影響機理。泉州市是一個降雨分布不均的城市，降雨呈現(xiàn)沿海地區(qū)降雨豐沛，內陸地區(qū)降雨稀少的現(xiàn)象，對氣象水文的研究有利于城市的發(fā)展。對某區(qū)域監(jiān)測點布置如圖1，監(jiān)測點主要沿著地質情況較差的剖面布置，由于該區(qū)域降雨量入滲土體較淺，因而在地面以下3.0，2.5，3.0，2.0，3.0，1.0，0.8，0.5m布置水分計、滲壓計、張力計、水位計等檢測設備。

圖1 監(jiān)測點布置

2 滑坡水文響應及滲流機理

根據圖1中監(jiān)測點的布置情況，對數(shù)據進行收集整理后，分析氣象水文及滑坡響應。

2.1 降雨量及溫濕度分布

根據圖2、圖3中的數(shù)據，該年度的降雨量主要集中在5，6，7，9月，該時間段降雨量占據全年的80%，其中，降雨量最大的兩天分別是6月18日和7月3日，降雨量分別為141.4，110.2mm，達到大暴雨級別，易產生滑坡等地質災害。對于溫濕度的變化，3—11月中溫度較高的是7，8月，且溫度與降雨量呈反比例關系，濕度與降雨量呈正比例關系。原因在于，降雨導致溫度降低，空氣濕度增大，但濕度總體變化范圍不大，空氣濕度平均保持在80%左右，空氣濕度較大。

圖2 3—11月降雨量分布

圖3 3—11月降雨量及溫濕度統(tǒng)計

2.2 坡體體積含水量分布

坡體體積含水率與降雨量關系如圖4，對坡體體積含水率隨降雨量的變化圖進行分析可得到以下幾點。

圖4 坡體體積含水率與降雨量的關系

2.2.1 降雨量、持續(xù)時間與土層影響范圍的關系

降雨量越大，降雨持續(xù)時間越長，降雨影響土層的深度越深，對于地面表層土，幾乎每次降雨都會被影響，且隨著降雨強度改變時，表層土的響應速度最快，且變化幅度相較于深層土較大，當降雨強度較小且持續(xù)時間較短時，深層土基本不受影響。如整個10月份，降雨量較小且降雨不連續(xù)，坡腳范圍區(qū)域只有0.2m深度范圍內存在降雨響應，而0.2m以下幾乎沒有響應；而對于降雨量較大或連續(xù)降雨，降雨的響應范圍會明顯加深，使得降雨入滲到土體更深的土層，以9月中下旬為例，降雨持續(xù)了7d，且降雨強度較大，9月20日降雨甚至達到25mm/d，在該種降雨的影響下，坡腳范圍區(qū)域1.0m深度范圍內均存在降雨響應。

2.2.2 飽和與非飽和分區(qū)

土體飽和度的計算公式為：

式中 n為土體飽和度；n為土體孔隙率；θw為土體體積含水量；e為土體孔隙比。

由實驗測得該區(qū)域土體的孔隙比為0.66，該區(qū)域飽和土體與非飽和土體體積含水量分界線為40%，將該區(qū)域的各土層的飽和度進行分類得到結果如表1。

表1 各土層的飽和度進行分類

續(xù)表1

由表1可得，對于坡頂區(qū)域地下1.0m以上深度，土體天然體積含水量均保持在40%以下，天然含水量為40%時，對應土體已達到液限標準，同時40%土體含水量為土體飽和與不飽和的分界線，由于降雨入滲的作用，使得原天然含水量均保持在40%以下的土體含水量增大到40%以上，使得土體變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，但隨著降雨的停止，水分隨之蒸發(fā)，進而土體含水量又降至40%以下，從而使該區(qū)域土體在飽和與非飽和之間變換。而地下2.0m及以下深度其天然含水量均大于40%，無論是否降雨，土體均處于飽和狀態(tài)。對于坡腳位置，地下0.8m以上深度，土體天然體積含水量均保持在40%以下，由于降雨入滲的作用，使得原天然含水量均保持在40%以下的土體含水量增大到40%以上，使得土體變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，但隨著降雨的停止，水分隨之蒸發(fā)，土體含水量又降至40%以下，從而使得該區(qū)域土體在飽和與非飽和之間變換。而地下1.0m及以下深度其天然含水量均大于40%，無論是否降雨，土體均處于飽和狀態(tài)。

2.3 降雨條件下土體水文響應速度分析

以2018年9月14日該天的降雨情況對土體水文響應速度進行分析。

2.3.1 坡頂區(qū)域

坡頂位置土體體積含水率及水文響應速度變化如圖5，坡頂區(qū)域0.2m和0.8m土層水文響應速度最快，0.2m和0.5m深度土體含水量受降雨影響較小，隨著不斷的降雨，該深度范圍的土體含水量均保持在40%以下，始終處于非飽和狀態(tài)。而0.8m土體和1.0m土體的含水量變化量均大于0.2m和0.5m，對比0.8m和1.0m土體的含水量變化開始時間，即土體水文響應開始時間，0.8m和1.0m開始于9：45和11：05左右，而0.2m和0.5m開始于10：05和12：30左右，綜合比較，0.8m和1.0m水文響應速度比0.2m和0.5m水文響應速度稍快。原因在于：該位置坡體發(fā)生過滑坡，且坡頂位置存在大量的裂縫，進而降雨隨著裂縫深入土體內部0.8m深度范圍的土體，再向下入滲進入1.0m的土體；而坡頂覆蓋有較為茂密的雜草樹木，在降雨剛開始的一段時間內，植被阻擋了部分降雨的入滲，因而0.2m和0.5m深度的表層土較深層土水文響應速度較慢。

圖5 坡頂位置土體體積含水率及水文響應速度變化

2.3.2 坡腳區(qū)域

坡腳位置土體體積含水率及水文響應速度變化如圖6，坡腳區(qū)域0.2m和0.8m表層土層水文響應速度最快，由于坡腳位置的表層土體為滑坡堆積土，該土體的特征為空隙較大、土質疏松，在降雨條件下，土體體積含水量變化速度很快，在很短的時間內，該部分土體體積含水量即達到峰值，峰值大小主要受降雨強度及持續(xù)時間的影響，在地面以下0.2m范圍的土體，在降雨后0.5h內，該部分的土體體積含水量即達到峰值，隨后隨著降雨強度的減小，該區(qū)域的土體體積含水量不斷降低，即表層土對降雨作用較為敏感，出現(xiàn)含水量突升突降的現(xiàn)象。土體埋深越深，其土體體積含水量隨降雨作用變化速度較小，水文響應速度較慢，以0.2，0.5，0.8m土體進行對比分析，0.2m土體在7：30左右產生含水率變化的水文響應，0.5m土體在7：50產生含水率變化的水文響應，而0.8m土體在9：20才產生含水率變化的水文響應，即表層最先響應，較深層次之，深層最慢的變化規(guī)律，這與降雨在土體中的入滲規(guī)律是相符的。

圖6 坡腳位置土體體積含水率及水文響應速度變化

2.4 地下水位變化規(guī)律

對坡頂及坡腳位置進行鉆孔測量并布設水位計，監(jiān)測坡頂48.5m深度和坡腳15.5m深度的孔隙水壓力變化，以6月10日—7月25日的監(jiān)測數(shù)據為研究對象，監(jiān)測到的孔隙水壓力隨時間變化的數(shù)據如圖7。分析圖中的數(shù)據，坡頂位置48.5m深度處的孔隙水壓力在該時間范圍內逐漸遞減，7月25日時孔隙水壓力最小，地下水位為12.1m，而坡腳位置15.5m深度處的孔隙水壓力在該時間范圍內沒有發(fā)生明顯變化，基本保持在15.5m左右。結合地下圖層分布，坡頂和坡腳的水位埋深均較深，均保持在基巖以下，坡體穩(wěn)定性較好。

圖7 坡頂和坡腳孔隙水壓力隨時間變化

3 結語

本研究以泉州市某區(qū)域氣象水文隨時間變化進行現(xiàn)場監(jiān)測，分析了降雨對周邊土體環(huán)境的影響及機理，主要結論如下：

（1）周圍環(huán)境濕度整體上與降雨量呈正比例關系，與溫度呈反比例的關系。

（2）對于表層土，天然狀態(tài)下為非飽和狀態(tài)，由于降雨作用變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)；對于深層土，天然狀態(tài)下和降雨條件下均為飽和狀態(tài)。

（3）對于坡頂區(qū)域，表層土（0.2m和0.5m）水文響應較慢，含水率變化幅度較小，較深層土 （0.8m和1.0m）水文響應較快，含水率變化幅度較大；對于坡腳區(qū)域對于坡頂區(qū)域，表層土（0.2m和0.5m）水文響應較快，含水率變化幅度較大，較深層土 （0.8m和1.0m）水文響應較慢，含水率變化幅度較小。

（4）坡頂和坡腳的水位埋深均較深，處于基巖以下，坡體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。