基于诱发机理的降雨型滑坡预警研究——以花岗岩风化壳二元结构斜坡为例*

刘艳辉　刘丽楠

(①中国地质环境监测院(国土资源部地质灾害应急技术指导中心)　北京　100081)

(②中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室　北京　100029)



基于诱发机理的降雨型滑坡预警研究
——以花岗岩风化壳二元结构斜坡为例*

刘艳辉①②刘丽楠②

(①中国地质环境监测院(国土资源部地质灾害应急技术指导中心)北京100081)

(②中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室北京100029)

降雨型滑坡是我国主要的滑坡灾害类型，具有区域群集发生的特点，滑坡预警研究是防灾减灾的重要途径。传统的区域降雨型滑坡预报模型多采用统计结果建立降雨参数模型，对降雨诱发机理和斜坡失稳的力学机制考虑不足，预报可靠性和精度有限。本文以花岗岩风化壳地区某典型二元结构斜坡为原型，以实际勘查数据为基础，提取该斜坡结构特征，基于饱和-非饱和渗流理论，分析研究降雨入渗过程和斜坡失稳机制，建立典型斜坡的预警判据。①花岗岩风化壳地区典型二元结构斜坡为类土质斜坡，覆盖土层较厚，剖面上可分为两层，上层为坡积黏性土，土质松散，透水性强，下层为残积黏性土，土质相对致密，透水性较差。②采用不同降雨工况模拟分析降雨入渗过程。以50mm·d-1雨强为例，降雨持时30h以内时，降雨入渗主要集中在上层的坡积黏性土，斜坡前缘优先饱和，滑带开始出现积水现象；降雨持时40～50h时，斜坡表面降水持续入渗，在坡体后缘拉裂缝处，雨水沿着裂缝快速入渗坡体形成静水压力，增加坡体重量，增大下滑力，坡脚渗透路径短，最先饱和破坏，造成斜坡失稳。③监测斜坡不同部位(坡脚、中部、后缘)的孔隙水压力情况，随降雨入渗，斜坡土体孔隙水压力持续增大，由负趋近于零到大于零，斜坡土体由非饱和状态向饱和状态过渡，坡脚最先饱和，中部持续入渗，后缘土体饱和后，裂缝扩大致使大量雨水进入，使本已大量积水的滑带变形错动，斜坡失稳。④模拟分析得到斜坡失稳的不同降雨条件：中雨雨强(10mm·d-1)，历时约13d；大雨雨强(25mm·d-1)，历时约5d；暴雨雨强(50mm·d-1)，历时约2.2d；特大暴雨雨强(100mm·d-1)，历时约1.1d。在暴雨雨强时，降雨对该类斜坡的滞后作用约为5h。最后，建立了该类斜坡的临界降雨判据(I-D曲线)。

降雨型滑坡滑坡预警诱发机理花岗岩风化壳二元结构斜坡

0　引　言

中国是世界上滑坡分布最广、危害最严重的国家之一。滑坡灾害遍及全国山地丘陵区，已知数量近百万处之多，平均每年带来数百人死亡，数十亿元的经济损失。强降雨是诱发滑坡灾害的最重要因素之一，降雨型滑坡每年汛期往往群集发生，严重危害公民生命财产安全。在我国东南沿海地区，花岗岩风化壳广泛分布，岩体风化强烈、坡残积层发育、台风降雨和持续强降雨过程特征明显，该区域群发性降雨型滑坡群集发生，每年都会造成大量人员伤亡和财产损失，是降雨型滑坡预警的重点研究地区之一。

降雨型滑坡预警是防灾减灾的有效途径。国内外学者关于降雨型滑坡孕育规律、灾害预警等方面做了大量研究，多个国家和地区也开展了区域降雨型滑坡预警研究与服务(Cannon et al.，1985，Au et al.，1998，Aleotti，2004)，以刘传正研究员为首的研究团队开展了中国大陆的地质灾害气象预警研究与服务(刘传正等，2004，2009，2015)，并逐步推广到省级、市县级，实现业务化运行，在区域地质灾害预警和防灾减灾方面做出了重要探索。在四川雅安、云南新平、福建德化等典型地区，侯圣山等(2007)、温铭生等(2012)开展了专业监测预警研究，黄俊宝(2012)、林兴旺等(2014)针对东南沿海的花岗岩风化壳地区开展了典型滑坡监测预警、机理分析等。然而，传统的区域降雨型滑坡预警模型，多采用统计分析的方法建立临界降雨判据，对降雨诱发机理和斜坡失稳的力学机制考虑不足；在大量单体滑坡的机理研究中，又在提炼建立预警模型指导区域预警等方面存在不足。

本文以花岗岩风化壳地区某典型二元结构斜坡为原型，以实际勘查数据为基础，提取该斜坡结构特征，基于饱和-非饱和渗流理论，联合应用SLOPE/W和SEEP/W分析软件，分析研究降雨入渗过程和斜坡失稳机制，建立典型斜坡的预警判据。

1　典型斜坡特征与模型建立

1.1斜坡特征

东南沿海地区花岗岩风化壳广泛分布，坡残积层斜坡发育，是降雨型滑坡滑体的主要组成。其中，二元结构斜坡是最典型的斜坡类型之一，该类斜坡具有如下两个典型特点。

(1)斜坡物质类土质。花岗岩风化壳地区，原始斜坡节理发育，风化作用沿节理裂隙深入坡体，形成巨厚的花岗岩风化壳。风化壳的上部即为花岗岩的残坡积土，斜坡失稳时成为滑体主体。滑体物质类似于砂质黏性土，可以用研究土质滑坡的方法对其进行分析。

(2)剖面双层结构。斜坡覆盖土层较厚，剖面上具有明显界线，从上到下可分为两层，上层为坡积黏性土，土质松散，透水性强，易渗水，下层为残积黏性土，土质相对致密，不易渗水，透水性较差。

图1　某典型二元结构斜坡剖面图(据黄俊宝并修绘)Fig.1　Section of typical dual-structure slope

1.2模型建立

根据某典型二元结构斜坡实际勘查资料建立斜坡概化模型(图2)，斜坡坡高约120m，坡宽约350m。考虑到坡脚在0.6～0.8倍坡高范围内会对边坡稳定性有影响，为了提高软件模拟的准确性，将概化模型坡底宽度延长至约450m。初始地下水位深约为2m，图中蓝色虚线为初始地下水位线。斜坡剖面从上到下分别为坡积黏土、残积黏土、滑带、二长花岗岩。斜坡各层的水力参数(表1)。

表1　斜坡各层土体的水力参数

Table 1　Hydraulic parameters of soils

土层饱和渗透系数/m·h-1饱和体积含水率/%残余含水率/%C/kPaφ/(°)坡积黏土3×10-445.54.553017残积黏土1.5×10-443.54.356522滑带3×10-749.24.922011基岩———10027

边界条件：设置斜坡底面和侧面为不透水边界，设置斜坡表面为降雨入渗边界。选取4种持续降雨强度工况条件，分别为中雨(10mm·d-1)、大雨(25mm·d-1)、暴雨(50mm·d-1)、大暴雨(100mm·d-1)。

图2　斜坡剖面概化模型Fig.2　Generalized model of slope section

参数设置：结合实际，斜坡基岩部分全部在地下水位线以下，故设置其为饱和状态，基岩以上的土体设置为饱和-非饱和状态。通过实际试验测量参数来确定土水特征曲线，过程较繁琐且要求参数精度较高，本文计算中调用了软件自带的水土特征曲线。对计算中需要的饱和渗透系数、饱和体积含水率和残余含水率3个参数通过实测值计算获得，岩土体力学参数根据试验获取(表1)。

2　降雨入渗过程分析

2.1降雨入渗及强度理论

对自然斜坡而言，地表多处于非饱和状态，斜坡体内部同时存在饱和及非饱和状态，降雨入渗过程即为非饱和-饱和的转化过程。

根据Mohr-Coulomb破坏准则和Terzaghi有效应力原理，饱和土的抗剪强度：

其中，τ为破坏时破坏面上的剪应力；c′为有效黏聚力；φ′为有效内摩擦角；uw为孔隙水压力。

在非饱和土研究中，土体除固、液、气三相外，还有气-水接触面，共四相。非饱和土的抗剪强度：

其中，ua为孔隙中的气压；ua-uw为破坏时破坏面上的基质吸力，当气压为0时，吸力为负的孔隙水压力；φb为抗剪强度随基质吸力而增加的速率。

因此，从非饱和土分析可见，雨水入渗引起非饱和土中基质吸力的减小或丧失是降低边坡稳定性的主要原因，非饱和土中由于基质吸力的作用，抗剪强度相对较高，通常非饱和土的强度大于饱和土的强度。在降雨入渗的过程中，饱和带逐渐扩大，非饱和带逐渐减小，坡体土含水量增大，吸力会大幅下降，进而导致土体强度降低，斜坡失稳。

Richards(1931)指出，达西定律可用来描述非饱和土中水的运动，但渗透系数K不再是一个常数，而是关于体积含水率的函数。Fredlund et al.(1994)指出体积含水率与基质吸力的关系即为土水特征曲线。基于达西定律，可得二维饱和-非饱和的渗流控制方程为：

其中，kx，kz分别为x和z方向的渗透系数；h为某点测压管水头；S为源汇项，θ为含水率，t为时间。

渗流方程的定解条件包括初始条件和边界条件，初始条件即为给定某一特定时刻(通常为t=0)渗流区内各点水头值，边界条件分为定水头边界、定流量边界和混合边界3类。

孔隙水压力也称为静水压力被认为是降雨诱发滑坡的最主要机制。太沙基有效应力定律对孔隙水压力效应的阐述：“降雨期间或降雨之后斜坡岩土体内空隙水压力的升高使得潜在滑动面上的有效应力及抗剪强度降低，从而诱发滑坡”，可以有效地解释孔隙水压力在多种地质灾害发生过程中的致灾力学机理(黄润秋等，2005)。水会弱化岩土体的物理力学指标，改变岩土体的力学性质，增高孔隙水压力，降低有效应力，降低C、φ值，降低抗剪强度，斜坡失稳。

2.2降雨入渗过程模拟

基于饱和-非饱和渗流理论，联合应用SLOPE/W和SEEP/W分析软件，模拟研究斜坡内部降雨入渗过程。在本次模拟中通过初始水位线的设定给定初始水压力，在SEEP/W模拟降雨入渗中，降雨量小于土体表面入渗时，降雨将被土体完全吸收，采用定流量边界，当降雨强度超过土体入渗时，流量边界将会强行将多余降雨“推送”进土体，产生不合适的水压及渗流，故此时设定为定水头边界进行求解。以持续施加50mm·d-1降雨强度为例，分别监测10h、20h、30h、40h和50h持时的降水入渗情况(图3)，其中黑色箭头方向表示雨水入渗流动方向，箭头长度表示入渗量大小。

(1)降雨持时10h时，降雨沿两个方向入渗，一是“二元结构”斜坡的上层坡积土，二是下覆基岩和上覆土层的接触面，即滑带，且滑带处入渗量小于上层坡积土层，斜坡坡顶和坡脚处的入渗量大于中部。分析其原因，斜坡上层为渗透系数较大的坡积土，下层为渗透系数相对较小的残积黏土，在降雨的初期，地表土体由无水干燥状态变为有水湿润状态，此时入渗率大，地表土体吸水处于非饱和状态，降雨全部入渗土体内，随着降雨的持续，上层入渗量大于下层；滑带渗透系数小于上部土体，入渗相对缓慢。

(2)降雨持时20～30h时，降水入渗量明显减小。随着降雨持时的增加，降水入渗影响范围仍集中在斜坡二元结构的上层，且滑带处不断积水，斜坡坡顶入渗量逐渐减小，而坡脚依旧大量积水。

(3)降雨持时40～50h时，降水持续入渗，滑带持续积水。雨水通过坡的表面入渗和裂缝的优势入渗进入坡体内部。坡体后部存在拉裂缝，裂缝形成降雨入渗的优势通道，雨水沿裂缝迅速向坡内汇集，形成坡体的局部饱和带，静水压力不断积聚，增大坡体自重，加大下滑力，同时改变斜坡的应力场分布，在坡体后部给坡体土一个向临空面方向运动的推力。坡脚渗透路径较短，首先达到饱和，并在这一部位积聚，坡脚抗剪强度进一步降低，最先容易破坏。这一过程在下节“滑坡预警研究”的定量计算中得到验证，即在50mm·d-1降雨强度工况下，持续降雨52h后斜坡失稳。

图3　50mm·d-1持续雨强下降水入渗过程Fig.3　Infiltration process when rainfall intensity is 50mm·d-1a.降雨持时10h；b.降雨持时30h；c.降雨持时50h

2.3孔隙水压力变化分析

以50mm·d-1的降雨强度为例，在斜坡剖面上选取3个关键截面(斜坡后缘I截面、中部Ⅱ截面、坡脚Ⅲ截面(图4)，监测降雨和入渗过程中，斜坡不同位置不同深度孔隙水压力的变化情况。

图4　斜坡3个典型剖面位置Fig.4　Three typical profile positions of slope

随着降雨入渗，斜坡土体吸力减小，孔隙水压力增大(图5)，当土体的孔隙水压力由负趋近于零时，表示斜坡土体由非饱和状态向饱和状态过渡，3个典型截面的孔隙水压力随降雨持时的增加均成增大的趋势，原非饱和状态的土体向饱和状态过渡，原饱和状态的土体，随降水入渗也会形成一个正的压力水头，随降雨持续孔隙水压力持续增大。

由斜坡后缘I截面上不同深度处的孔隙水压力(图5a)变化可见，由于后缘拉裂缝的存在，降雨过程中，随着降水的迅速入渗，斜坡土体由非饱和状态迅速变为饱和状态，40h后截面上斜坡土体全部饱和，随降雨持续施加，土体便会发生变形以消散超静孔隙水压力，最终导致斜坡后缘土体优先破坏，产生更大的后缘裂缝，致使大量雨水进入，使本已大量积水的滑带发生滑动，造成斜坡失稳。

由斜坡中部Ⅱ截面上不同深度处的孔隙水压力(图5b)变化可见，随着降水持时增加，孔隙水压力逐渐增大，由于斜坡中部土层较厚，上层土体渗透系数大，下层土体渗透系数相对小，在垂直方向上降水入渗对下层土体以及滑带影响相对少，影响主要集中在上部土层，地下水位以上土体处于非饱和状态。

由斜坡前缘Ⅲ截面上不同深度处的孔隙水压力(图5c)变化可见，由于该截面接近地下水位线，无雨条件下，地下水位线以下斜坡土体处于饱和状态，地下水位线以上斜坡土体处于非饱和状态，随着降水持续并入渗，非饱和状态的土体逐步达到饱和，即斜坡坡脚处的雨水累计到一定程度完全饱和时，为消散超静孔隙水压力，斜坡土体发生变形，表现为坡脚有地下水涌出，坡脚处土体最先破坏。因此，斜坡的破坏形式总体上表现为后缘裂缝扩大，优先破坏，更多雨水入渗，滑带持续积水到逐步滑动，斜坡失稳。

图5　斜坡3个典型剖面上孔隙水压力随降雨持时的变化曲线Fig.5　Curve of pore water pressure in three typical profile positions a.斜坡后缘I截面；b.斜坡中部Ⅱ截面；c.斜坡前缘Ⅲ截面

3　滑坡预警研究

3.1基于降雨入渗过程的斜坡稳定性分析

联合应用SLOPE/W和SEEP/W分析软件，研究不同降雨工况作用下斜坡稳定性的变化。在SLOPE/W中建立模型、输入初始水头值及斜坡强度参数(表1)，将模型导入SEEP/W中，输入斜坡土体水力参数(表1)及降雨工况(即持续中雨(10mm·d-1)、大雨(25mm·d-1)、暴雨(50mm·d-1)、大暴雨(100mm·d-1))。设置计算水头的时间步，计算斜坡土体水力条件，然后在SLOPE/W模块中采用Morgenstern-Price法计算斜坡稳定性系数，计算结果(图6)。

图6　斜坡稳定性系数随雨强变化曲线Fig.6　Curve of stability coefficient with different rainfall intensity

由图6可见，不同降雨工况条件下，随着降雨持续，斜坡稳定性系数变化分缓慢下降和急速下降两个阶段。不同降雨工况这两个阶段持续的时间有所不同，总体来看，稳定系数缓慢下降阶段，小雨强持续时间长，大雨强持续时间短；稳定系数快速下降阶段，具有同样的规律。在快速下降阶段，大雨强工况条件下，下降速率更为剧烈，往往在1～2h内迅速下降，甚至突破0稳定系数，斜坡失稳；而在小雨强作用下，稳定系数快速下降阶段持续的时间也相对较长，快速下降阶段可持续60～70h。

3.2临界降雨判据

分析斜坡稳定性系数随时间变化规律，可得到不同降雨工况条件下斜坡失稳的临界值。当雨强为中雨(10mm·d-1)，降雨历时约320h(约13d)，斜坡失稳；雨强为大雨(25mm·d-1)，降雨历时约120h(5d)，斜坡失稳；雨强为暴雨(50mm·d-1)，降雨持时约为52h(2.2d)，斜坡失稳；雨强为特大暴雨(100mm·d-1)，降雨历时约26h(1.1d)，斜坡失稳。将导致斜坡失稳的临界降雨工况绘制在图6中，采用幂函数拟合，可得到斜坡失稳临界降雨判据曲线，拟合公式如下(拟合R方为0.999)：

I=105.24×D-0.908

其中，I为降雨强度(mm·d-1)；D为降雨历时(d)。

3.3降雨滞后作用分析

由上述计算可知，降雨强度为50mm·d-1的工况条件下，降雨持时约52h时(图5)，斜坡稳定性系数降低至1以下，斜坡失稳。为研究降雨对斜坡的滞后效应，在持续保持50mm·d-1雨强工况条件40h后停止降雨，分析记录不同时段斜坡安全系数，(图7)。由图7，初始状态下斜坡稳定性系数最大，随降雨持续，斜坡稳定性系数逐渐降低，停止降雨的40h时，稳定性持续下降，在45h时稳定性系数到达最低点，但降低的幅度速率较40h前有所减小，45h后稳定性系数又逐渐增加，120h内尚未回升至初始状态，回升速度相对较缓。分析其原因，持续降雨过程中，雨水入渗量持续增加，孔隙水压力增大，斜坡稳定性下降，停雨后短时间内，斜坡内部雨水入渗并未立刻停止，导致稳定性系数的持续下降，直至5h后，斜坡土体表面水分蒸发或径流，入渗补给停止，斜坡土体孔隙水压力逐渐降低，斜坡稳定性系数反降为升。因此，滑坡稳定性降低至最低点时间比降雨停止时间滞后约5h，即对于该类型斜坡，降雨对斜坡失稳的滞后作用约为5h。

图7　滑坡预警降雨判据曲线Fig.7　Criterion curve of early warning

图8　降雨对斜坡失稳的滞后作用Fig.8　Hysteresis curve of rainfall

4　结　论

以花岗岩风化壳地区某典型二元结构斜坡为原型，以实际勘查测试数据为基础，采用不同降雨工况分析模拟了降雨型滑坡降雨入渗过程和斜坡失稳机制，建立了典型斜坡的预警判据。

(1)典型斜坡的主要特点为类土质斜坡，覆盖土层较厚，剖面上可分为两层，上层为坡积黏性土，土质松散，透水性强，下层为残积黏性土，土质相对致密，透水性较差。

(2)持续降雨强度加载斜坡岩土体，分析入渗过程，监测斜坡不同部位(坡脚、中部、后缘)的孔隙水压力情况。随降雨入渗，斜坡土体孔隙水压力持续增大，由负趋近于零到大于零，斜坡土体由非饱和状态向饱和状态过渡。斜坡前缘坡脚优先饱和岩土体破坏，斜坡中部上层坡积黏性土持续入渗，滑带渗透性低而大量积水，斜坡后缘由于拉裂缝的存在，雨水大量入渗，拉裂缝逐渐扩大，最后形成动水压力，造成斜坡失稳。

(3)计算得到斜坡失稳的临界降雨工况条件。中雨雨强(10mm·d-1)，历时约13d；大雨雨强(25mm·d-1)，历时约5d；暴雨雨强(50mm·d-1)，历时约2.2d；特大暴雨雨强(100mm·d-1)，历时约1.1d。在暴雨雨强时，降雨对该类斜坡的滞后作用约为5h。最后，建立了该类斜坡的临界降雨判据(I-D曲线)。

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RAINFALL-INDUCED MECHANISM BASED EARLY WARNING MODEL FOR SLOPES OF DUALISTIC LAYERS IN WEATHERED GRANITIC AREA

LIU Yanhui①②LIU Linan②

(①China Institute of Geo-Environmental Monitoring(Technical Center for Geo-Hazards Emergency of MLR)，Beijing100081)

(②Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering，Institute of Geology and Geophysics，CAS，Beijing100029)

Rainfall-induced landslides are clustery，recorded by Chinese historic documents.Study of early-warning is a significant way to prevent and reduce damages.Conventional forecasting model is based on statistics of landslides，which is short of inducement mechanism and mechanical mechanism，with limited dependability and precision of forecasting.The typical landslide in weathered granitic crust area is studied in this paper.Based on simplified geological model and saturated-unsaturated seepage theory，the process of rainfall infiltration and instability mechanism is studied，then the warning criterion of typical slope is established.(1)Typical dual-structure slopes in weathered granite crust area are soil-like slopes and covering soil is thick.They are divided into two parts on profile.The upper part is collusive clay with loose soil and high permeability，while the lower part is residual clay with compactness soil and lower permeability.(2)Rainfall infiltration under several conditions are simulated.Taking rainfall intensity of 50mm·d-1for example，within 30 hours，most rain is in upper collusive clay，causing front edge of slope saturated and sliding zone hydropsy.From 40 to 50 hours，infiltration along with tension cracks around rear edge of slope is faster，and water in cracks may generate hydrostatic increasing weight of soil and sliding power.Meanwhile toe of slope saturates and breaks firstly.Then landslide occurs.(3)Porewater pressure increases continually from monitoring in three parts of slope(front，central and rear of slope).Namely slope soil transforms unsaturated to saturated.The toe of slope gets saturated first，central part under continual infiltration，and upper part saturation cause sliding zone deformation and sliding through hydrostatic pressure.(4)Durations needed when landslides occur under different rainfall conditions are：13 days with moderate rain(10mm·d-1)，5 days with heavy rain(25mm·d-1)，2.2 days with rainstorm(50mm·d-1)，and 1.1 days with extraordinary rainstorm(100mm·d-1).Duration of hysteresis is about 5 hours when rainstorm.Finally，critical rainfall criterion(I-D curve) of this kind of slopes is established．

Rainfall-induced landslides，Early warning of landslides，Inducing mechanism，Granite weathered crust，Dual-structure slopes

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.008

2015-08-06;

2016-01-03.

国家自然科学基金项目(41202217)，中国博士后科学基金项目(2012M520375)，国家科技支撑计划子课题(2015BAK10B021)，国家级地质环境监测与预报项目“全国地质灾害气象预警预报”(1212140501001-1)资助.

刘艳辉(1978-)，女，博士，高级工程师，主要从事地质灾害预警与防治、工程地质等方面的研究工作.Email: liuyh@mail.cigem.gov.cn

P642.22

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