降雨对广西梧州滑坡灾害的影响分析

许英姿，范皓然，陈立华，赵艳林，李岳顺

(1.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁530004;2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西 南宁530004)

0 引 言

梧州是广西滑坡灾害高发地区，2005 ～2012 年间所发生的滑坡数量为152 次，占全区滑坡总量的18.19%［1］。梧州雨量充沛，属广西暴雨集中多发区，2006 年6 月8 日的特大暴雨日降雨量达到300 mm，降雨当天多处发生滑坡，造成大量的人员财产损失，降雨成为诱发梧州地区滑坡的主要因素。因此，有必要开展梧州地区滑坡与降雨之间关系的研究，为该地区滑坡灾害的预警预报提供理论依据。

目前降雨诱发滑坡的研究主要集中在两个方面:其一是对区域范围内的滑坡运用统计分析的方法，找出滑坡与降雨之间的关系，并通过回归分析得到诱发滑坡的临界降雨量值，运用该临界雨量值来对区域性滑坡灾害进行预警预报［2-6］;其二是对单体滑坡，通过实验和数值分析的手段进行机理研究，研究降雨入渗对边坡稳定性的影响［7-9］。区域范围的滑坡研究表明，不同地区滑坡的发生与降雨的关系不尽相同［2-6］。本次研究根据梧州2005 ～2012 年间的滑坡及降雨资料进行统计分析，研究梧州滑坡与降雨量、滑坡与降雨时间、滑坡与降雨类型之间的关系，探讨梧州滑坡灾害的特点，为广西滑坡预警预报系统的建立提供指标参数。

1 梧州滑坡灾害类型和规模

经统计，梧州市2005 ～2012 年的152 场滑坡中，按滑坡规模统计小型滑坡为150 次，中型滑坡2 次，小型滑坡占98.68%，滑坡类型全部为土质滑坡。

梧州地处广西东部，处于两广边界上，呈四周高、中间低的地貌形态，且丘陵地貌占梧州总面积的80%。梧州的地层主要是由分布于市区内的寒武系黄洞口组上段砂、页岩和侵入岩，分布于东华山和欧村地区的第三系砾、砂岩，分布于桂江、西江两岸的第四系洪冲积粘土等组成。

梧州岩土类型主要是花岗岩、中厚层状的砂岩、粉砂岩、页岩和泥岩。花岗岩天然状态下强度较高，抗压强度最高可达166 MPa，但风化作用较强烈，地表几乎全都是强风化层，有许多的原生和次生结构面，在降雨的作用下，雨水首先浸润这些软弱结构面，使得边坡容易发生滑动。砂岩、粉砂岩、页岩和泥岩的强度较高，岩层中夹杂有软弱的岩层，在雨水的浸润作用下，容易软化。

梧州地表还覆盖较厚的松散第四系残坡积土。花岗岩残坡积土是花岗岩在物理化学风化作用下，形成的风化残积物，土中富含长石、石英、云母等成分，其中长石和石英具有一定的节理面，使得边坡表面的残坡积土层具有很多天然的软弱面，不利于边坡稳定。此外花岗岩残坡积土中还有一些可溶于水的游离氧化物，使得它具有遇水软化的特性，在降雨的作用下，土体的强度下降明显，使得花岗岩残坡积土覆盖的边坡更容易发生滑坡。

综合梧州的地形地貌和岩性特点可见，梧州市地表岩石风化作用强烈，岩石的风化裂隙多，遇水易软化，且地表的第四系残坡积土层分布较广，土体强度较低，在降雨的作用下，对边坡的稳定性不利，梧州地区的降雨容易诱发浅层土质滑坡。

2 梧州市滑坡与降雨的相关性分析

2.1 滑坡与降雨量的关系

梧州市是广西雨量最充沛的地区之一，多年平均降雨量在1 450.7 ～1 749.9 mm，降雨时间分布不均匀，降雨主要集中在4 ～9 月份，4 ～9 月份的降雨量占全年降雨量的77.4%。如图1 所示，6 月份是梧州降雨量最多的月份，也是滑坡特别多的月份，可见梧州的滑坡灾害与降雨具有很好的相关性。

图1 梧州月降雨量和滑坡分布Fig.1 Wuzhou landslide and rainfall distribution

2.2 滑坡与降雨类型的关系

滑坡与降雨类型有密切关系，对于降雨诱发型滑坡来说，不同的降雨类型对滑坡的诱发过程不一样。国家气象局把降雨分为小雨(日降雨量小于10 mm)、中雨(日降雨量在10 ～24.9 mm)、大雨(日降雨量在25 ～49.9 mm)和暴雨(日降雨量大于50 mm)等4 类。统计2005 ～2012 年梧州不同降雨类型所触发的滑坡数量如表1 所示。统计结果表明，梧州所有降雨型滑坡中，80.92%的滑坡是由暴雨诱发的。由此可见，当降雨量达到暴雨级别的时候，滑坡会大量的发生，梧州市滑坡与暴雨有很大的相关性。

进一步统计2005 ～2012 年梧州的暴雨频次如图2 所示，梧州市共发生过39 次暴雨，年均暴雨次数为4.9 次，而暴雨集中在每年的6 月份，多达12 次，与滑坡的高发时间正好重合，说明6 月份梧州市的暴雨频次高，降雨量大，容易诱发滑坡，梧州市的滑坡与暴雨具有一定的相关关系。

表1 不同降雨类型下的梧州滑坡次数Tab.1 Landslide frequency under different rainfall in Wuzhou

图2 梧州市暴雨频次逐月分布图Fig.2 Rainstorm frequency distribution in Wuzhou

2.3 滑坡与降雨天数的关系

对于连续性降雨来说，降雨的当天并不一定发生滑坡。随着降雨时间的增加，雨水的入渗，坡体自重增大，抗剪强度指标下降，产生滑坡。许多学者都关注滑坡与降雨天数的相关性研究，发现不同的地区地质条件不同，滑坡与降雨天数的相关关系各有不同，因此就梧州而言，滑坡与降雨天数的相关关系要结合梧州地区的实际情况来具体分析。本次研究根据2005 ～2012 年间广西国土资源局提供的梧州市的历史滑坡数量和中国气象科学数据共享服务网提供降雨数据，采用Person 简单相关分析，研究梧州市的滑坡地质灾害与降雨天数之间的相关关系r:

式中，r 为相关性系数;x 为历史滑坡数量，xi为x 的第i 个值，为x 的平均值;y 为降雨天数，yi为y 的第i 个值，y 为y 的平均值。

由于梧州市的降雨多为短时的大中型降雨和暴雨，降雨持续时间主要在10 d 左右，因此选取前期降雨天数为滑坡发生当天至滑坡发生前第9 天，共10 d 来分析。以降雨当天发生滑坡条件的编号为0，滑坡前一天有降雨的条件编号为1，如此类推统计前期累计降雨天数与滑坡的相关性，累计降雨统计结果如表2 所示。结果表明滑坡发生当天和前一天的降雨相关系数分别达到0.971 和0.915，相关性较大，说明梧州滑坡主要与滑坡发生当天和前一天的降雨具有显著的相关性。由此还可以认为梧州市的滑坡主要是由暴雨诱发的。

表2 梧州市滑坡与前期降雨天数的相关关系Tab.2 The relationship between landslides and their antecedent precipitation days in Wuzhou

3 梧州市滑坡临界雨量值确定

滑坡临界雨量值表示的是当降雨量达到这个临界值的时候，滑坡发生的概率会明显的增大。降雨的过程中，雨水受各种外界因素的影响并不会全部渗入土体中，所以临界降雨量并不能简单的把降雨量累加起来，而是一次连续降雨过程中对边坡的滑动起到“促进”作用的降雨量，即有效降雨量。Glade［10］提出了日降雨量模型、前期降雨量模型和前期土体含水状态模型等三种有效降雨量计算模型，前期降雨量模型适用于滑坡发生前期有连续性降雨的情况，在滑坡灾害预警预报的应用上比较成功，本次研究前期降雨资料齐全，适合采用前期降雨量模型对梧州市滑坡地质灾害的临界雨量值进行计算。前期有效降雨量模型公式［11］为:

式中Rc为有效降雨量，R0为滑坡发生当天降雨量，Ri为滑坡发生前第i 天降雨量，n 为所考虑的前期降雨天数，α 为有效降雨系数，一般取为0.8。

梧州市的滑坡灾害与滑坡发生前两天的降雨量呈最大的相关性，结合前人的研究成果可以得出梧州市的有效降雨量模型为:

根据式(3)计算出每一场滑坡所对应的有效降雨量值，从而确定滑坡数量与有效降雨量关系。梧州滑坡与累计有效降雨量的统计计算结果如图3 所示。

从图3 中可以看出，在累计有效降雨量达到300 mm 之前，滑坡数量基本上随着有效降雨量呈线性增长，而当累计有效降雨量达到300 mm 之后，滑坡数量出现一个明显的跳跃阶段，说明滑坡数量突然剧增，可以确定诱发梧州地区滑坡灾害的临界降雨量为300 mm。

假设连续两天的降雨强度相等，即R0=R1，且累计有效降雨量为临界降雨量300 mm 时，可得R0=R1=166.67 mm/d，降雨强度166.67 mm/d即为梧州市滑坡灾害的临界雨强。

为了便于计算及安全考虑，取诱发梧州市滑坡灾害的临界雨强为150 mm/d，即:

综上所述，根据有效降雨量模型确定出诱发梧州地区滑坡地质灾害的临界雨量值为300 mm，临界降雨强度为150 mm/d。

图3 累计有效降雨量和滑坡次数的关系Fig.3 Cumulative effective the relationship between the number of rainfall and landslides

4 梧州临界降雨阈值的验证

本文以梧州龙母庙边坡为例，运用Geo-studio 岩土分析软件，采用数值模拟的方法研究不同降雨强度下持续降雨对边坡稳定性的影响，进而验证梧州临界降雨阈值。

首先运用Seep/W 模块，计算龙母庙边坡在临界降雨的作用下的孔隙水压力，并把孔隙水压力计算结果导入Slope/E 中，运用Slope/E 中的边坡稳定性计算方法，计算边坡的最危险滑面，通过整个降雨过程的边坡渗流变化情况和边坡稳定性系数的变化来研究降雨对边坡稳定性的影响规律，整个分析过程如图4 所示。

图4 龙母庙边坡数值模拟分析流程图Fig.4 Flow chart of numerical simulation analysis of Longmu Temple slope

龙母庙边坡位于桂江东岸，由一个沟谷形坡和一个扇形坡组成，斜坡自然坡角35°～45°;在斜坡的不同区段其坡角有一定的变化，总体呈现坡脚、坡顶坡度陡，中间区段坡度缓的特点;山脚桂林路标高为20.10 m，山顶标高119.24 m，相对高差99.14 m。山顶为西竺园古庵，斜坡中部为大量民房，斜坡山脚为桂林路及梧州市重点寺庙龙母庙，龙母庙边坡剖面图如图5 所示。

图5 龙母庙边坡剖面图Fig.5 Longmu Temple slope section

由剖面图5 可见，龙母庙边坡有3 个明显坡段，其中下面两段较陡的坡体已经治理过，最上面坡体尚未治理，属地质灾害隐患点。各土层的物理力学参数如表3 所示。

表3 各岩土层物理力学参数表Tab.3 The geotechnical layer physical mechanics parameter

考虑降雨入渗影响，设置50、100、150 mm/d三种不同降雨强度工况，模拟持续降雨条件下边坡稳定性的变化，模拟结果如图6 所示。

由图6 可见，随着降雨时间的增加，不同降雨强度作用下的边坡稳定性均呈逐渐下降的趋势，但是下降的速率有所不同，相同的降雨时间下，降雨强度越大，稳定性降低越快，说明雨强愈大雨水的渗透作用愈强，对边坡的稳定性影响越大。模拟结果显示150 mm/d的降雨强度持续作用48 h 后稳定性系数降低到1.0 以下，表明边坡失稳，这个结果验证了梧州临界降雨强度为150 mm/d、持续2 d易发滑坡，说明前一节确定的临界降雨阈值是正确的。

图6 边坡稳定性系数随时间变化图Fig.6 Slope stability coefficient variation over time

对比雨强50 mm/d 和100 mm/d 的两种情况，可以发现100 mm/d 雨强持续作用边坡72 h 后、50 mm/d雨强持续作用边坡120 h 后稳定性系数降低到1.0 以下，边坡失稳，说明虽然雨强较小，但长时间的降雨也可能诱发滑坡。

根据梧州的降雨特点判定梧州的临界雨强可取为150 mm/d。

5 结 语

①梧州属于丘陵山谷地貌，地表出露多为第四系坡残积土，土质松散，在降雨的作用下，会发生小型的浅层土质滑坡;

②梧州的滑坡集中发生在每年6 月份，降雨主要集中在5 ～9 月份，暴雨频次和暴雨强度在每年的6 月份达到最大值，梧州市的滑坡地质灾害与暴雨呈正相关性;

③梧州滑坡灾害基本发生在暴雨发生的当天或者暴雨发生的第二天;

④梧州滑坡灾害的临界有效雨量为连续两日累计有效降雨量为300 mm，临界雨强为150 mm/d。

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