强降雨作用下边 (滑)坡稳定性分析及预警技术研究

朱志铭，周凯睿，谭春洪，边菁生，魏 源，邹祖银

(四川农业大学城乡建设学院，四川都江堰 611830)

强降雨是导致边 (滑)坡失稳的常见因素［1～2］。全国290个县市地质灾害调查结果显示，暴雨诱发的滑坡占滑坡总数的90%［3］。特别是在“5.12”汶川震后灾区，因地震引发崩塌、滑坡而产生的大量松散固体物质仍残留于山体上，在强降雨条件下极易诱发次生地质灾害。本文以四川汉源二蛮山滑坡为例，利用实验室三轴试验仪等仪器得出滑坡土体的相关参数［4］并结合ArcGIS开发“降雨-滑坡”新控件，输入相关属性数据进行分析处理，得出直观的灾害预测图。研究成果可为震后连续降雨工况下边坡安全性评价与边 (滑)坡预警技术的发展与工程运用提供可靠新依据。

1 二蛮山地质概况及力学参数实验

1.1 地质概况

二蛮山为一单斜山体，西南侧槽状沟谷呈“V”型展开。山体主要由二叠系峨眉山玄武岩 (P e)和二叠系梁山组—阳新组 (P l+y)灰岩构成。该区地震基本烈度Ⅶ度 (0.15 g)。

1.2 水文条件

沟谷宽约700 m，从源头至沟口堆积扇顶部长约1476 m，汇水面积约1.3 km2。该区以夜间阵雨和暴雨为主，孔隙潜水赋存于堆积层)和崩坡积层)土壤，碎石土土层，地下水位受季节影响大，保水性较差，水量大。

1.3 力学参数实验

本次研究采集了二蛮山滑坡土样 (含黏土碎石等)，最大粒径5 mm，并研究了2 d累积降雨情况下不同含水率滑带土的强度参数，岩层物理力学参数表见表1。含水率W与土体的τf-σ、粘聚力c、摩擦角φ的关系分别见图1—图3。

表1 岩层物理力学参数Table1 Physical and mechanical parameters of rocks

图1 不同含水率条件下τf-σ关系Fig.1 Relationship betweenτf andσ different moisture content test

图2 含水率W对粘聚力c的影响Fig.2 Moisture content on the influence of the friction Angle

图3 含水率W对摩擦角φ的影响Fig.3 Effects of moisture content of cohesive force

图1 —图3表明:土的粘聚力 (c)和摩擦角 (φ)随含水率的增加而迅速减小，从而降低了土的抗剪强度。

2 强度折减法计算结果分析

2.1 安全系数计算

本文根据研究区不同岩土层情况将滑坡坡体划分为2个结构面 (见图4)，分别为P l+y/P e 305°∠40°(图4中紫色部分)和P e/上覆土150°∠80°(图4中红色部分)，同时考虑φ和c双折减 (配套折减)系数［5］，即:

其中:A1——内摩擦角φ的折减系数;R1——粘聚力c的折减系数。

图4 结构面Fig.4 Structural plane

将折减后的c1和φ1代入如下的安全系数计算公式［6］即得安全系数。

其中:pi——第i条土孔隙水压力，kPa;c1——折减粘聚力，kPa;αi——第 i条土计算倾角，(°);△Hi——第 i条土水平推力，kPa;Vi——第 i条土铅直力，kPa;φ1i——第 i条土折减摩擦角，(°);li——第i条土厚度，m。

2.2 计算结果及安全性评价

本文以50 mm/d雨强为标准，同时考虑剪切模量、体积模量等参数的软化和入渗饱水加载作用［7］，对φ和c分别进行0.44、0.58、0.76倍折减，并计算安全系数。

当0折减时，安全系数约为1.78，即F0＞1，坡体稳定;0.44倍折减时，安全系数F1为1.19，仍然大于1，但已较折减前降低了36.05%;0.58倍折减时，安全系数F2为1.02，亦即约等于1，较折减前降低了46.53%，降雨量稍增立即引发滑坡;当对φ和c进行0.76倍折减时，安全系数F3为0.84，较折减前降低了51.26%，安全系数小于1，安全储备为0，边坡失稳滑坡。由此可知，随着降雨量的增加，岩土强度参数c、φ快速衰减，安全系数也随之递减，边坡渐趋失稳。

3 基于ArcGIS的边 (滑)坡稳定性分析控件

本文根据边 (滑)坡地质灾害以及GIS软件的特点，选择内置的VBA(Visual Basic for Application)为开发工具，开发了基于ArcGIS的边 (滑)坡稳定性分析插件。该插件本质上可以看成是边 (滑)坡稳定分析模型与GIS集成进行边坡安全系数计算的扩展模块。图5为Visual Basic开发界面。

图5 VB开发界面Fig.5 The development of interface

3.1 系统界面设计

系统主界面如图6所示，各模块数据库连接端口说明见表1。在ArcGIS软件工具栏上增加了一个“”模块 (稳定性分析插件)，输入、输出界面符合日常使用习惯，可操作性强。

图6 操作主界面Fig.6 Main Operating interface

表1 模块数据库连接端口说明Table 1 Module database

稳定性分析插件核心操作步骤:①数据输入 (汉源县连续2天降雨，累计降雨量达163 mm［8～9］);②参数设置 (调整坡度、坡向);③数据分析，主要有单因子分析 (见图7)和多因子耦合分析 (见图8);④数据输出，得出灾害区划图。

3.2 稳定性分析

本文主要对诱发滑坡的降雨量进行单因子分析，然后耦合其他次要因子 (坡度、坡向等，假设为定值)，最终分析得到安全系数曲线 (见图9)。

3.3 分析结果与滑坡实际情况对比

基于“模糊集合论”理论，将诱发滑坡的因子抽象成数学模型并量化，即可用函数定量计算［10］，将模型与GIS相结合，建立基础属性数据库，设置滑坡的预测参数，计算出潜在危险系数，再利用ArcGIS的重分类功能得出研究区域危险区划评价图 (见图10)。

图7 坡度单因子分析结果Fig.7 Single factor analysis

图8 简单2因子 (坡度+降雨量)耦合分析结果Fig.8 Coupled superposition analysis

图9 安全系数随时间变化曲线Fig.9 Safety coefficient changing with time curve

图10 危险性评价图Fig.10 Picture of risk assessment

由以上分析可知，随着坡体含水量的增加，坡体孔隙水压力也增加，土基质吸力迅速减小，土体抗剪能力衰减加快，原来的稳定区 (现场滑坡滑动前的滑坡体，见图11)很快转化为高危滑坡区 (现场滑坡的滑坡体启动区，见图12)，安全系数迅速递减 (由F0=1.78减小至F3=0.84)，最终失稳滑坡。

图11 实际滑坡前的滑坡体Fig.11 Before the actual landslide

图12 实际滑坡过程图Fig.12 Actual landslide process diagram

4 结论与建议

通过ArcGIS开发新控件，分析处理得出的安全系数曲线图与实际几何计算得出的滑坡安全系数分析结果进行对比，灾害区域滑坡概率吻合度较高，这为量化研究降雨滑坡机理分析提供了基础。

GIS软件具有强大的空间数据处理和管理能力，能实现边坡数据存储与管理，边坡的三维建模与可视化，但缺乏有力的数值分析与计算能力，不具有其他专业软件 (如 ANSYS、FLAC等)进行边坡稳定评估的功能，系统集成为解决GIS分析功能不足提供了较好方案。GIS与ANSYS、FLAC等软件如何实现数据共享也是一个有重要意义的研究内容。

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