基于现场监测的气象水文及滑坡响应分析

杨赐陆

（泉州市洪水预警报中心，福建 泉州 362018）

地质灾害对人民的生产生活造成了极大影响，尤其以滑坡灾害最为严重，而滑坡灾害主要发生在降雨条件下。对降雨条件下，对土体气象水文和滑坡响应进行研究是防止地质灾害发生及发出灾害预警的基础。

综合以上分析，对于降雨条件下坡体气象水文及滑坡响应的监测及机理研究是至关重要的。目前，专家学者在这方面的研究取得较为丰硕的研究成果：支墨墨［1］采用不同种方法获得了多种水文地质资料，分析了不同种气象条件下的坡体水位变化、坡体稳定性，并对滑坡预警进行研究；Hu X等［2］运用卫星系统对哥伦比亚某滑坡带进行分析，阐述了该区域滑坡机理及影响因素；许建聪等［3］运用理论分析了降雨对碎石土边坡稳定性的影响，研究结果表明降雨是碎石土边坡失稳及滑坡产生的主要原因；吴火珍等［4］利用理论分析及模型模拟试验相结合的方法，分析了降雨作用下裂缝、坡体土层、地形构造等因素对边坡稳定性的影响；高连通等［5］研究了坡体水文及滑坡响应的主要影响因素为降雨强度及降雨持续时间；杨文东［6］分析了降雨条件下边坡失稳的主要影响因素及各因素对边坡稳定性的影响机理；刘金龙等［7］分析了降雨在土体中的不同入渗路径对边坡稳定性的影响，以及分析了裂隙对滑坡产生的机理；银晓鹏［8］分析得出了降雨条件下边坡稳定性与土体饱和度与土体含水量的关系。

基于前人对降雨条件下土体气象水文和滑坡响应的研究，本研究采用现场监测的研究方法，对泉州市某区域气象水文进行现场监测，对滑坡水文响应及渗流机理、坡体体积含水量、土体水文响应速度及地下水位的变化规律进行研究。

1 工程概况

本研究以泉州市水文地质资料为研究背景，对泉州市某区域气象水文进行现场监测，分析研究降雨对周边环境的影响机理。泉州市是一个降雨分布不均的城市，降雨呈现沿海地区降雨丰沛，内陆地区降雨稀少的现象，对气象水文的研究有利于城市的发展。对某区域监测点布置如图1，监测点主要沿着地质情况较差的剖面布置，由于该区域降雨量入渗土体较浅，因而在地面以下3.0，2.5，3.0，2.0，3.0，1.0，0.8，0.5m布置水分计、渗压计、张力计、水位计等检测设备。

图1 监测点布置

2 滑坡水文响应及渗流机理

根据图1中监测点的布置情况，对数据进行收集整理后，分析气象水文及滑坡响应。

2.1 降雨量及温湿度分布

根据图2、图3中的数据，该年度的降雨量主要集中在5，6，7，9月，该时间段降雨量占据全年的80%，其中，降雨量最大的两天分别是6月18日和7月3日，降雨量分别为141.4，110.2mm，达到大暴雨级别，易产生滑坡等地质灾害。对于温湿度的变化，3—11月中温度较高的是7，8月，且温度与降雨量呈反比例关系，湿度与降雨量呈正比例关系。原因在于，降雨导致温度降低，空气湿度增大，但湿度总体变化范围不大，空气湿度平均保持在80%左右，空气湿度较大。

图2 3—11月降雨量分布

图3 3—11月降雨量及温湿度统计

2.2 坡体体积含水量分布

坡体体积含水率与降雨量关系如图4，对坡体体积含水率随降雨量的变化图进行分析可得到以下几点。

图4 坡体体积含水率与降雨量的关系

2.2.1 降雨量、持续时间与土层影响范围的关系

降雨量越大，降雨持续时间越长，降雨影响土层的深度越深，对于地面表层土，几乎每次降雨都会被影响，且随着降雨强度改变时，表层土的响应速度最快，且变化幅度相较于深层土较大，当降雨强度较小且持续时间较短时，深层土基本不受影响。如整个10月份，降雨量较小且降雨不连续，坡脚范围区域只有0.2m深度范围内存在降雨响应，而0.2m以下几乎没有响应；而对于降雨量较大或连续降雨，降雨的响应范围会明显加深，使得降雨入渗到土体更深的土层，以9月中下旬为例，降雨持续了7d，且降雨强度较大，9月20日降雨甚至达到25mm/d，在该种降雨的影响下，坡脚范围区域1.0m深度范围内均存在降雨响应。

2.2.2 饱和与非饱和分区

土体饱和度的计算公式为：

式中 n为土体饱和度；n为土体孔隙率；θw为土体体积含水量；e为土体孔隙比。

由实验测得该区域土体的孔隙比为0.66，该区域饱和土体与非饱和土体体积含水量分界线为40%，将该区域的各土层的饱和度进行分类得到结果如表1。

表1 各土层的饱和度进行分类

续表1

由表1可得，对于坡顶区域地下1.0m以上深度，土体天然体积含水量均保持在40%以下，天然含水量为40%时，对应土体已达到液限标准，同时40%土体含水量为土体饱和与不饱和的分界线，由于降雨入渗的作用，使得原天然含水量均保持在40%以下的土体含水量增大到40%以上，使得土体变为饱和状态，但随着降雨的停止，水分随之蒸发，进而土体含水量又降至40%以下，从而使该区域土体在饱和与非饱和之间变换。而地下2.0m及以下深度其天然含水量均大于40%，无论是否降雨，土体均处于饱和状态。对于坡脚位置，地下0.8m以上深度，土体天然体积含水量均保持在40%以下，由于降雨入渗的作用，使得原天然含水量均保持在40%以下的土体含水量增大到40%以上，使得土体变为饱和状态，但随着降雨的停止，水分随之蒸发，土体含水量又降至40%以下，从而使得该区域土体在饱和与非饱和之间变换。而地下1.0m及以下深度其天然含水量均大于40%，无论是否降雨，土体均处于饱和状态。

2.3 降雨条件下土体水文响应速度分析

以2018年9月14日该天的降雨情况对土体水文响应速度进行分析。

2.3.1 坡顶区域

坡顶位置土体体积含水率及水文响应速度变化如图5，坡顶区域0.2m和0.8m土层水文响应速度最快，0.2m和0.5m深度土体含水量受降雨影响较小，随着不断的降雨，该深度范围的土体含水量均保持在40%以下，始终处于非饱和状态。而0.8m土体和1.0m土体的含水量变化量均大于0.2m和0.5m，对比0.8m和1.0m土体的含水量变化开始时间，即土体水文响应开始时间，0.8m和1.0m开始于9：45和11：05左右，而0.2m和0.5m开始于10：05和12：30左右，综合比较，0.8m和1.0m水文响应速度比0.2m和0.5m水文响应速度稍快。原因在于：该位置坡体发生过滑坡，且坡顶位置存在大量的裂缝，进而降雨随着裂缝深入土体内部0.8m深度范围的土体，再向下入渗进入1.0m的土体；而坡顶覆盖有较为茂密的杂草树木，在降雨刚开始的一段时间内，植被阻挡了部分降雨的入渗，因而0.2m和0.5m深度的表层土较深层土水文响应速度较慢。

图5 坡顶位置土体体积含水率及水文响应速度变化

2.3.2 坡脚区域

坡脚位置土体体积含水率及水文响应速度变化如图6，坡脚区域0.2m和0.8m表层土层水文响应速度最快，由于坡脚位置的表层土体为滑坡堆积土，该土体的特征为空隙较大、土质疏松，在降雨条件下，土体体积含水量变化速度很快，在很短的时间内，该部分土体体积含水量即达到峰值，峰值大小主要受降雨强度及持续时间的影响，在地面以下0.2m范围的土体，在降雨后0.5h内，该部分的土体体积含水量即达到峰值，随后随着降雨强度的减小，该区域的土体体积含水量不断降低，即表层土对降雨作用较为敏感，出现含水量突升突降的现象。土体埋深越深，其土体体积含水量随降雨作用变化速度较小，水文响应速度较慢，以0.2，0.5，0.8m土体进行对比分析，0.2m土体在7：30左右产生含水率变化的水文响应，0.5m土体在7：50产生含水率变化的水文响应，而0.8m土体在9：20才产生含水率变化的水文响应，即表层最先响应，较深层次之，深层最慢的变化规律，这与降雨在土体中的入渗规律是相符的。

图6 坡脚位置土体体积含水率及水文响应速度变化

2.4 地下水位变化规律

对坡顶及坡脚位置进行钻孔测量并布设水位计，监测坡顶48.5m深度和坡脚15.5m深度的孔隙水压力变化，以6月10日—7月25日的监测数据为研究对象，监测到的孔隙水压力随时间变化的数据如图7。分析图中的数据，坡顶位置48.5m深度处的孔隙水压力在该时间范围内逐渐递减，7月25日时孔隙水压力最小，地下水位为12.1m，而坡脚位置15.5m深度处的孔隙水压力在该时间范围内没有发生明显变化，基本保持在15.5m左右。结合地下图层分布，坡顶和坡脚的水位埋深均较深，均保持在基岩以下，坡体稳定性较好。

图7 坡顶和坡脚孔隙水压力随时间变化

3 结语

本研究以泉州市某区域气象水文随时间变化进行现场监测，分析了降雨对周边土体环境的影响及机理，主要结论如下：

（1）周围环境湿度整体上与降雨量呈正比例关系，与温度呈反比例的关系。

（2）对于表层土，天然状态下为非饱和状态，由于降雨作用变为饱和状态；对于深层土，天然状态下和降雨条件下均为饱和状态。

（3）对于坡顶区域，表层土（0.2m和0.5m）水文响应较慢，含水率变化幅度较小，较深层土 （0.8m和1.0m）水文响应较快，含水率变化幅度较大；对于坡脚区域对于坡顶区域，表层土（0.2m和0.5m）水文响应较快，含水率变化幅度较大，较深层土 （0.8m和1.0m）水文响应较慢，含水率变化幅度较小。

（4）坡顶和坡脚的水位埋深均较深，处于基岩以下，坡体处于较为稳定的状态。