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

JournalofEngineeringGeology工程地质学报10〇4-9665/2〇16/24(4)-0542_08DOI：10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.008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)摘要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，分析研究降雨人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人渗过程。以SOmn^cT1雨强为例，降雨持时30h以内时，降雨人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，斜坡表面降水持续人渗，在坡体后缘拉裂缝处，雨水沿着裂缝快速人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，随降雨人渗，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,中部持续人渗，后缘土体饱和后,裂缝扩大致使大量雨水进人，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（lOmn^cT1)，历时约13d;大雨雨强历时约5d;暴雨雨强(50_*(^),历时约2.2d;特大暴雨雨强（lOOmn^tT1),历时约1.Id。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(/-Z)曲线）。关键词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中图分类号:P642.22文献标识码:ARAINFALL-INDUCEDMECHANISMBASEDEARLYWARNINGMODELFORSLOPESOFDUALISTICLAYERSINWEATHEREDGRANITICAREALIUYanhui®®LIULinan®((X)ChinaInstituteofGeo-EnvironmentalMonitoring{TechnicalCenterforGeo-HazardsEmergencyofMLR),Beijing100081)(②KeyLaboratoryofShaleGasandGeoengineering，InstituteofGeologyandGeophysics，CAS，Beijing100029)AbstractRainfall-inducedlandslidesareclustery,recordedbyChinesehistoricdocuments.Studyofearly-warningisasignificantwaytopreventandreducedamages.Conventionalforecastingmodelisbasedonstatisticsof*收稿日期：2015-08-06;收到修改稿日期：2016-01-03.基金项目：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.第一作者简介：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:[e-mail]24(4)刘艳辉等：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543landslides,whichisshortofinducementmechanismandmechanicalmechanism,withlimiteddependabilityandprecisionofforecasting.Thetypicallandslideinweatheredgraniticcrustareaisstudiedinthispaper.Basedonsimplifiedgeologicalmodelandsaturated-unsaturatedseepagetheory,theprocessofrainfallinfiltrationandinstabilitymechanismisstudied,thenthewarningcriterionoftypicalslopeisestablished.(1)Typicaldual­structureslopesinweatheredgranitecrustareaaresoil-likeslopesandcoveringsoilisthick.Theyaredividedintotwopartsonprofile.Theupperpartiscollusiveclaywithloosesoilandhighpermeability,whilethelowerpartisresidualclaywithcompactnesssoilandlowerpermeability.(2)Rainfallinfiltrationunderseveralconditionsaresimulated.Takingrainfallintensityof50mm*d1forexample,within30hours,mostrainisinuppercollusiveclay,causingfrontedgeofslopesaturatedandslidingzonehydropsy.From40to50hours,infiltrationalongwithtensioncracksaroundrearedgeofslopeisfaster,andwaterincracksmaygeneratehydrostaticincreasingweightofsoilandslidingpower.Meanwhiletoeofslopesaturatesandbreaksfirstly.Thenlandslideoccurs.(3)Porewaterpressureincreasescontinuallyfrommonitoringinthreepartsofslope(front,centralandrearofslope).Namelyslopesoiltransformsunsaturatedtosaturated.Thetoeofslopegetssaturatedfirst,centralpartundercontinualinfiltration,andupperpartsaturationcauseslidingzonedeformationandslidingthroughhydrostaticpressure.(4)Durationsneededwhenlandslidesoccurunderdifferentrainfallconditionsare:13dayswithmoderaterain(10mm*d1),5dayswithheavyrain(25mm•d1),2.2dayswithrainstorm(50mm•d1),and1.1dayswithextraordinaryrainstorm(100mm•d1).Durationofhysteresisisabout5hourswhenrainstorm.Finally,criticalrainfallcriterion(I~Dcurve)ofthiskindofslopesisestablished.KeywordsRainfall-inducedlandslides,Earlywarningoflandslides,Inducingmechanism,Graniteweatheredcrust,Dual-structureslopes〇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'0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（Cannonetal.，1985,Auetal.,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SL0PE/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544JowmaZ工程地质学报2016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.1Sectionoftypicaldual-structureslope1.2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Table1Hydraulicparametersofsoils土层饱和渗