长阳山区降雨型土质滑坡模型研究

李伟

摘要：长阳县土质滑坡频发，受勘查资金和专业技术人员的限制，滑坡调查评价工作滞后。论文对历年发生的152处土质滑坡统计分析，选取影响区内滑坡稳定性的4个主要因素，在鄂西山区I-D曲线研究基础上，以其中相对稳定的因子为常量，累计有效降雨量为变量，考虑地形坡度的条件下，进行函数模拟，建立起适合长阳县的降雨型土质滑坡的模型。选取2个典型土质滑坡，采用定性评估和FLAC3D软件定量计算，验证模型的可行性。降雨型土质滑坡模型成果简单易操作，可为当地防灾减灾工作提供一定的依据。

关键词：土质滑坡；影响因素；降雨阈值；线性关系

引言

土质滑坡的稳定性评价是滑坡野外调查中的一项重要内容，通过对滑坡体发育特征的识别，判定影响滑坡稳定性的各种因素，预测滑坡的发展趋势及危害性，为防灾减灾工作提供依据。在土质滑坡的稳定性判别过程中，主要有定性和定量两种方法。定量评估方法是通过计算方法得出滑坡的稳定系数，以此为依据来确定滑坡的稳定程度。目前滑坡稳定性计算的方法种类繁多，主流的方法可以分为三大类：概率法、极限平衡法、数值分析法。其中，极限平衡法是根据滑体或者滑体分块的静力平衡原理和摩尔一库仑准则分析滑坡各种破坏模式下的受力状态，以及滑体上的抗滑力和下滑力之间的定量关系来评价滑坡的稳定性，该方法是工程上最常见、最成熟的定量计算方法。长阳县部分大中型土质滑坡均通过滑坡勘查，测试各类力学参数，采用极限平衡法求解滑坡体的稳定系数。

极限平衡法以各类力学参数、滑面特征，滑体形态规模为基础，这就必然要求对滑坡体进行地质灾害勘查，各类岩土体力学测试，投入大量的勘查费用。但统计情况显示，长阳县土质滑坡数量较多，规模以中小型为主，财政资金有限的情况下，政府部门不可能投入大量的资金对中小型土质滑坡进行勘查，故在土质滑坡的稳定性评估中，多采用定性评价，方法有工程地质类比法、历史成因法等。定性评估是在土质滑坡地面地质测绘的基础上，通过查阅历史资料、调查访问，对影响滑坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对己变形地质体的成因及演化史进行分析，从而给出被评价滑坡稳定性状况及可能发展趋势的定性的解释，从宏观上定性分析滑坡的稳定性。定性评估方法的优点是可以对滑坡稳定状况及发展趋势快速做出评价，并节约了大量的勘查资金。但土质滑坡的影响因素和发育特征千差万别，表现特征也存在较大的不确定性，而评估过程中也受到技术人员本身能力和经验的影响，评估结论的精确度不高。

为解决中小型土质滑坡勘查、监测费用昂贵，而定性评估精度不高的问题，国内外用统计学的方法，实时和预报降雨预测滑坡成为一条可行且有效的途径。目前国际上基于统计方法建立的降雨阀值大多采用I-D曲线，I（mm/h）为降雨强度，D（h）为降雨持时。在长阳县所在鄂西地区，Brunetti等人通过国家气象科学数据共享网和湖北常规气象自动站网收集了2007年度30多条降雨诱发单体或区域性滑坡记录，并收集整理了滑坡发生时的降雨资料，尝试性地建立起该地区的I-D曲线。鄂西地区的I-D曲线为当地的滑坡预测评估工作提供一种新的方法，但由于缺乏足够多的滑坡和降雨数据，方法的可靠性有待进一步提高。另则，鄂西山区范围大，其影响土质滑坡稳定性的因素众多，特别是地形坡度也是影响滑坡稳定性的重要因素，仅仅考虑降雨阀值与滑坡稳定性关联性，来预测整个鄂西地区范围内的滑坡稳定性，其准确性有待进一步提高，I-D曲线尚有改进的余地。

1.研究背景及思路

1.1研究背景

由于鄂西山区I-D曲线样本数量的局限性，用该曲线预测长阳县的土质滑坡，其精度不能达到滑坡预测预报的有效标准。在长阳县土质滑坡的预报工作中，一般采用滑坡动态监测的手段及专业技术人员定性评估方法。动态监测需要一定的仪器设备和科学方法，其成果与监测人员的认知水平及责任心正相关，而滑坡产生破坏性的形变往往集中在短时间内，最连续的暴雨过程中很难提前做出快速科学的响应措施。土质滑坡的定性评估结论的准确性与技术人员的经验能力有很大的关联，而在高素质专业人员缺乏的山区县，专业人员的定性评估仅仅能用于危害较严重的滑坡。

长阳县众多的土质滑坡地质灾害，动态监测及定性评估，特别是近年来大型滑坡的勘查工作，为降雨型滑坡模型的研究提供了大量的基础资料。在概述长阳县土质滑坡发育特征，初步分析土质滑坡的诱发机制的基础上，选择具有代表性的样本，对鄂西山区I-D曲线模型做出改进，建立起适合长阳县范围的土质滑坡模型。

1.2研究思路

土质滑坡的稳定，受各类诱发因子的影响。根据基礎资料分析，影响长阳山区土质滑坡稳定性的因素主要有4个，分别为地形坡度、土体类型、人类活动，大气降雨。其中，地形坡度相对稳定，如无火山、地震、地质灾害的情况下不易发生变化；长阳山区土质滑坡所在的斜坡，土体类型以残坡积层为主，物质成分较单一，以碎块石、卵石、粘土、崩塌堆积物为主，其比例变化较小，^类活动为土地耕种，不会改变残坡积层对物质成分，即岩土体性质相对稳定；长阳山区地质环境相对恶劣，工商业及城乡建设程度低，当地农民以耕种为主，人类活动主要人类以耕种为主，其次有房屋地基开挖，乡村公路修建等，总体来说，人类活动不频繁，破坏能力有限，近几年也趋于相对稳定。在4大因子中，唯水文因素具有不可控性，特别是大气降雨，作为长阳山区土质滑坡的主要诱发因素，主要从力学方面影响滑坡的稳定性。土质滑坡的稳定受4个主要因素的影响，在某个时间段内，通常情况下，地形地貌条件、岩土体、人类活动相对稳定，为一常量参数，而水文因素特别是诱导山区土质滑坡的大气降雨，在短时间变化程度相对较大，因此大气降雨可作为4大影响因子中的唯一变量。以其中相对稳定的因子为常量，大气降雨为变量，通过统计长阳山区历史上土质滑坡的的相关信息，通过曲线和函数的拟合，确定其中的函数关系，建立模型，验证拟合函数的可靠性。

2.降雨型土质滑坡模型研究

2.1参数选择

模型中主要的变量为地形坡度角x和滑坡整体变形破坏之前的累计降雨量（连续）y，其参数求取方法如下。

（1）地形坡度角x

根据滑坡的形态特征，确定滑坡的边界。调取长阳县1：1万的地形图，将滑坡的范围按其坐标套至地形图。地形坡度角与地形图等高线的疏密程度相关。在地形图上读取滑坡体的相对高差（h），并量取滑坡体前缘至后缘的平面距离，与比例尺换算为滑坡体长度（s），由tan_x=h/s计算出滑坡体的平均坡度角x。部分滑坡体经过实际测量，地形坡度角x为实际测量值。

（2）累计降雨量（连续）y

建模前调取滑坡体最近的水文站（雨量站）的降雨数据。考虑多数滑坡体变形破坏时间多处于降雨过程中，累计降雨量应取变形破坏时的实时降雨量。由于强烈降雨过程中滑坡体变形破坏被监测发现存在一定的时间间隔，但考虑到本次样本数量众多，统计过程中的延时不对模型的精度构成重大影响。

2.2数据样本选择

（1）样本数据来源

研究收集了监测统计数据的长阳土质滑坡152处，在强降雨的影响下，152处滑坡均有不同程度的变形破坏。

（2）样本数据选取原则

在数据选取上，主要从土质滑坡的赋存位置环境、影响因子、诱导因素、滑坡体的稳定性及破坏程度等方面考虑。样本选择具有代表性，并有降雨记录的滑坡。以下为样本选择的前提条件，同时也为模型所适用的范围。

①滑坡远离城镇，地形切割较深，滑体一般位于斜坡中下部，地表为厚度相对较大的残坡积层，人类活动以农耕为主，2年内无修建公路，房屋地基开挖，人类活动影响小。

②斜坡上原有的植被大多已经因毁林开荒遭到破坏，残坡积层直接裸露地表，在大气降雨时容易受到冲刷，地表水向下渗透能使土体达到饱和状态。

③滑坡体所在的斜坡，整体坡度角变化小，局部偶有坡度变化，滑坡体整体坡度平稳。

④滑坡体前缘不涉水，在无大气降雨的情况下基本稳定，无明显变形破坏迹象。

（3）样本临界值的确定

根据建模需要，结合长阳山区土质滑坡的基本特征，选择人类活动影响较小，物质成分较单一的土质滑坡中，为斜坡的地形坡度、大气降雨量设置了临界值，即地形坡度为20°～48°（地形坡度小于20°的土质斜坡在强降雨中相对稳定，地形坡度大于48°的土质斜坡在强降雨条件下多发生崩塌）；降雨量为35mm～205mm（35mm条件下未发生土质滑坡变形破坏的地质灾害，205mm为长阳山区百年一遇的最大降雨量）。

2.3拟合函数

对样本进行统计分析，求取降水量和坡度的线性关系。根据坐标图显示，降水量随坡度的增加递减，通过线性拟合得到线性曲线及表达式：

根据降雨量和坡度之间的函数曲线，计算可求得各地形坡度下的降雨量阀值如表1。在滑坡地形坡度确定的情况，可以根据气象预报的降雨量来预测土质滑坡的稳定性，为防灾减灾工作提供一定的依据。

3.模型验证

为证明降雨型土质滑坡模型的普遍性及可靠性，研究工作选取了2个典型土质滑坡进行定性评价及定量计算两种方法。其中，定性评价采用野外地质调查，定量计算选用FLAC3D软件进行数值模拟，开展降雨条件下的稳定性计算，以分析降雨量对边坡稳定性的影响及边坡失稳机理。

3.1姚家岭滑坡

（1）定性评估

姚家岭滑坡位于长阳县渔峡口镇龙坪村一组，滑坡体为近似平直形的斜坡，平均坡度21°，主要物质成分为第四系残坡积层。滑坡体曾在20世纪80年代活动过，后一直保持相对稳定状态，本次復活出现于2016年7月19日大强度的暴雨之后。本次滑坡复活迹象主要表现为：滑坡体坡肩出现密集的弧形裂缝，以横向的拉张裂缝为主，最大的裂缝长约50m，缝宽0.12m，可见深度0.6m。局部高陡边坡发生土质崩塌，方量一般在10m³～50m³，规模较小。其他部位未发现明显变形迹象。定性评估认为，目前滑坡活动的范围主要集中于滑坡体后缘坡肩附近，滑坡体前缘未发现明显变化，滑体两侧未发现与主滑方向同向的剪切裂缝，目前姚家岭滑坡处于蠕滑阶段。鉴于姚家岭滑坡近期活动是受强力降雨的影响，在降雨结束10日后，滑体已无明显活动迹象，滑坡已进入稳定阶段，在外部条件未发生变化的情况下，滑坡无继续发展的危险。

（2）定量计算

根据地质剖面图建立数值模型，并划分网格。地质资料显示，姚家岭滑坡滑体主要为第四纪残坡积土，基岩为志留系砂页岩，根据经验类比确定其参数值如表2。

利用FLAC3D软件，计算过程约束数值模型的下边界和左右边界，设置模拟降雨的渗流参数，计算持续均匀降雨条件下，不同阶段边坡的变形失稳过程及相应的安全系数。

从结果中可以看出，随着降雨时间的增加，边坡浅层土体位移不断增大，边坡逐渐变形失稳。在降雨0h～24h的阶段，浅部小部分残坡积土层位移增大至1m，表现为局部失稳，此时安全系数为1.208；降雨48h时，由于降雨入渗导致土层强度参数下降，土层整体开始变形，位移均大于1m，此时安全系数为1.051；降雨120h后，土层位移进一步增大，最大位移达6m，最大位移出现于土体中上部，中上部土体沿土岩分界面逐渐推动下部土体，使边坡出现整体性失稳，此时安全系数为0.985。

（3）验证分析

根据姚家岭滑坡应急调查报告，本轮强降雨从2016年7月17日开始，至7月20日结束。据附近水文站记录，4天累计降雨量达到175mm。在整个降雨及雨后数日内，滑坡整体趋于稳定，局部有崩塌和滑动迹象。定量计算成果显示，随着降雨的持续，滑坡稳定性系数降低，第5日安全系数为0.985，已经接近欠稳定状态。在降雨量模型中，21°斜坡所对应的降雨阀值为180mm，即累计降雨量超过180mm滑坡趋于不稳定。定性分析、定量计算与降雨量模型成果基本一致。

3.2槽坊滑坡

（1）定性评价

槽坊滑坡位于渔峡口镇板凳坳村四组，滑坡体为一外凸形的斜坡，地形坡度为32°，滑体物质成分为第四系残坡积层。槽坊滑坡体无活动的历史，近50多年来保持相对稳定状态，本次活动出现于2016年7月4日大强度的暴雨之后。本次滑坡活动主要表现为：滑坡体坡肩出现横向的拉张大裂缝，裂缝长约150m，缝宽0.2m，深度大于4m，根据坡肩的监测数据显示，雨后8日内，滑体整体下滑5.2m。在滑坡体中后部及滑坡体周边，发生多处土质崩塌，方量最大约120m³。在滑坡体的前缘，发现多条无规则的地面裂缝。

根据滑坡发育特征显示，目前整体已出现滑动的迹象，后缘推动和前缘牵引的因素均存在，故为一混合式滑坡。根据滑坡的发生、发展演化过程，目前槽坊滑坡处于滑动阶段，受斜坡中应力集中和分异的速度以及外力作用强度的影响，滑坡滑动的速率会不断增加。

（2）定量计算

根据地质剖面图建立数值模型，并划分网格，槽坊滑坡滑体主要为第四纪残坡积土，基岩为志留系砂页岩，根据经验类比确定其参数值与姚家岭滑坡取同一值。

计算过程约束数值模型的下边界和左右边界，设置模拟降雨的渗流参数，计算持续均匀降雨条件下，不同阶段边坡的变形失稳过程及相应的安全系数。结果显示，随着降雨时间的增加，边坡表层土体位移不断增大，在降雨初期边坡中部位移较大，表现为局部变形；在降雨48h时，土体最大位移出现在坡脚，达到1.6m，土体出现整体滑动，此时安全系数为1.058；降雨72h，边坡浅层土体饱和，地表水向深部土体渗流，深部土体含水率升高，强度明显降低，开始产生沿层面的滑动，位移1m左右，表层土体位移达到2.5m，此时安全系数为0.834，整体失稳，由于雨水的冲刷作用，坡脚土体位移较大，先产生失稳破坏，上部土体再逐渐产生滑动；降雨120h，边坡土体位移进一步增加，最大位移达到6m，变形量及变形速率进一步增大。

（3）验证分析

根据槽坊滑坡应急调查报告，本轮强降雨从2016年7月12日开始，至7月14日结束，然后又遭遇7月17日开始的一轮强降雨。据附近水文站记录，7月13日，即降雨第2日的累计降雨达到88mm，滑坡体开始出现各种不稳定迹象，7.月14日开始出现整体滑动。定量计算成果显示，随着降雨的持续，滑坡稳定性系数降低，第2日安全系数为1.058，已经趋近欠稳定状态，随着降雨持续，第3日变为不稳定。在降雨量模型中，32°斜坡所对应的降雨阀值为93mm，即累计降雨量超过93mm滑坡趋于不稳定。定性分析、定量计算与降雨量模型成果基本一致。

3.3小结

姚家岭和槽坊2个典型土质滑坡体的定性评估和定量计算的结果与降雨量模型计算成果基本保持一致，从而证实了降雨型土质滑坡模型在预测降雨过程中土质滑坡体的稳定性具有一定的可行性。

4.降雨型土质模型评价

长阳山区降雨型土质滑坡模型以鄂西山区I-D曲线为基础，选择长阳县土质滑坡为研究对象，并扩大了样本数据，共收集了历年来发生的152处土质滑坡为基础数据，通过野外调查、实测、资料收集等手段，在统计分析的基础上，选取符合条件的50個样本，进行函数拟合，最终建立起长阳山区降雨型土质滑坡模型。

与鄂西山区I-D曲线相比，模型将影响因素相似的土质滑坡作为研究的前提条件，研究的区域范围较小，样本数量大且具有代表性，并根据长阳县土质滑坡的特殊性，将滑坡体的地形坡度也作为一常量参数引入至模型中。模型的适用范围虽然受到了限制，但其科学性、精确性得到了大幅度的提高。论文选择2个典型滑坡，利用FLAC3D软件定量计算的结果验证了模型的可靠性；与长阳县土质滑坡常用的定性评估方法相比，提高了其判别方法的稳定性。考虑长阳县土质滑坡以中小型为主，缺乏相关参数数据，而研究滑坡发生的概率是一个复杂的过程，模型未概率问题对研究，滑坡评价中可以从安全系数储备来进行弥补。

降雨型土质滑坡模型对专业人员的诉求降低，当地监测人员可直观根据滑坡体的地形坡度，在滑坡降雨量临界值对照表中查阅出滑坡发生变形破坏的降雨量临界值，即可根据气象部门预报的降雨量作出地质灾害预报；与定量评估方法相比，模型不需要对计算所需要的各种参数进行求证，可直观地对滑坡体的稳定程度作出判别。总而言之，长阳山区降雨型土质滑坡模型在判定滑坡稳定性的程度较鄂西山区I-D曲线有了大幅度的提高，减少了滑坡体勘查、监测费用，其方法简单有效。

长阳山区降雨型土质滑坡模型为当地地质灾害预报提供了一种可行的方法，但在土质滑坡的实际评估中，由于滑坡体性质特征的千差万别，除去主要4大影响因子之外，还存在其他次要的影响因子，且极限条件下滑坡体发生滑动与否还存在一定的概率问题，故对土质滑坡体的稳定性评估，也可能出现一定的误差。滑坡体的变形破坏，会危害当地村民的财产安全，甚至危及村民生命，故对滑坡体的稳定性评价应采取谨慎的态度。在对滑坡体稳定性预测评估中，运用模型的同时，应紧守其前提条件及临界值，其计算成果应与滑坡体降雨中的动态特征、群测群防成果一同运用，同时，按照土质滑坡体的定性定量评估原则，为滑坡体稳定性储备合理的安全系数。