滑坡灾害对人类社会的影响已成为一个不可忽视的环境难题, 其危害已成为仅次于地震的第二大自然灾害。滑坡是地质灾害中的主要类型, 全国290个县市地质灾害调查结果显示, 滑坡在地质灾害中所占比例最大达51%, 其主要诱发原因是暴雨, 暴雨诱发的滑坡占滑坡总数的90%。按动力成因, 滑坡可分为天然动力与人为动力两大类, 前者分为地震型、降雨型、汇水型等。大气降水是滑坡致灾的最主要外因。降水对滑坡的作用是一个动态过程, 大气降水注入滑体, 增加岩土的含水量、增大岩土体容重、软化岩土、降低岩土的抗剪强度, 降低了接触面的抗滑性质, 从而导致滑坡的发生^[1-6]。

基于降水强度和持续时间的监测, 确定区域诱发滑坡的经验阈值, 在世界许多地区得到应用, 如中国香港、日本、波罗黎哥、夏威夷和加利福尼亚北部等^①。1985—1995年, 美国地质调查局和美国国家气象局合作, 在加利福尼亚州旧金山湾地区, 通过该区域滑坡的深入研究, 建立了不同地段 (即不同地质环境) 降水量和滑坡发生的关系, 在此基础上开发和运行一套降水诱发滑坡的预警系统。殷坤龙等^[7]认为暴雨量的阈值问题随地区差别、滑坡类型差别等十分明显。李媛等^②分析了国内外滑坡与降水关系研究动态, 认为暴雨诱发滑坡在世界范围内是一个普遍现象, 以往重点一般是放在滑坡岩土性质的调查和机理分析上, 而对于诱发因素没有进行比较深入的研究和探索。李晓^[8]对重庆一带地质、地貌特点、降水侵蚀强度等进行研究, 分析了当地发生地表侵蚀或触发滑坡灾害的降水强度变化规律。杜榕恒^[9]对三峡地区1982年7月暴雨诱发的80多个典型滑坡研究, 得出了暴雨触发滑坡的临界降雨强度。周国兵等^[10]分析了重庆市山体滑坡与气象条件的关系, 建立了山体滑坡气象等级预报业务系统。

①周平根, 李媛.滑坡灾害预警准则及预测预报模型方法研究∥中国地质环境监测院.国土资源大调查项目专题报告, 2002.

②李媛, 朱晓冬, 杨冰.滑坡泥石流与降雨关系研究动态∥中国地质环境监测院.典型地区突发性地质灾害时空预警示范区建设进展材料 (之一), 2002: 16-28.

暴雨型滑坡灾害形成机理及预测理论研究中, 降水对滑坡稳定性影响研究、省级区域滑坡灾害易发区选择多个代表点进行系统监测、降水量入渗系数分析、降雨与滑坡体地下水位关系研究和滑坡滑动临界降水量的确定等综合研究报道较少。

本文所用资料包括通过试验获取的数据、监测点附近自动气象站的实时观测资料、江西省降水自记纸信息化后的逐小时历史资料, 以及2000年江西省地质环境调查资料。

试验研究的基本思路是在江西省范围内滑坡灾害易发区建立8个有代表性的滑坡灾害监测点 (包括1个重要监测点和7个一般监测点), 对各监测点地下水位、孔隙水压力、滑动带土应力以及滑坡体位移、降水量等进行实时监测, 利用监测数据和历史资料, 开展暴雨型滑坡灾害预测基础试验研究, 确定不同类型滑坡发生滑动的大气降水临界值, 为滑坡灾害预报预警提供科学依据。重要监测点为铜鼓县城郊林场何家洞滑坡, 一般监测点是德兴市双溪电站滑坡、黎川县厚村乡政府滑坡、金溪县气象局滑坡、万安县枧头镇石塘村滑坡、定南县岭北镇龙头村滑坡、修水县漫江乡沙溪村滑坡和莲花县金城大道滑坡。文中所提到的ZK1为沿滑坡主轴布设的1号钻孔, 深度一般10~20 m, 目的是取原状土样进行土壤物理特性分析, 以及安装孔隙水压力探头、应力盒、地下水位等监测仪器。ZK2为2号钻孔, 钻孔间距20~30 m, 其余类同。

8个监测点遍及全省各滑坡灾害发育块段, 均位于山坡坡度较大的中低山或丘陵区, 为滑坡灾害多发的岩土类型 (岩浆岩3个, 变质岩4个, 一般碎屑岩1个), 能较好地反映江西省滑坡灾害发育规律。各监测点在勘察时均采取了原状土样, 分析项目有:渗透系数、密度、比重、含水量、容重、孔隙比、液限、塑限、压缩系数等, 还进行了天然、饱和等两个不同含水量下的抗剪强度 (凝聚力、内摩擦角) 试验。各监测点均安装了孔隙水压力探头、应力盒、地下水位监测井3种监测设备。监测时间为2004年4月至年9月30日。有雨天07:00(北京时, 下同)、19:00各监测1次, 非雨天每天19:00监测1次。

通过大气降水与地下水位、滑坡体土壤孔隙水压力、滑坡土体应力、降水的入渗系数等响应关系, 分析由大气降水引起的滑坡稳定系数的变化, 得到滑坡达到临界不稳定状态时大气降水的域值。滑坡稳定系数按文献[11]的方法计算。

地下水位与大气降水呈正相关, 每次降雨过程对地下水位的影响因滑坡体性质而异。越接近地表, 地下水位变化与降水时间上一致性越强。表 1、表 2为铜鼓县新城区何家洞滑坡 (重要监测点) 两个钻孔的监测数据分析结果。从表 1可以看出, 滞后1 d的地下水位与降水量的相关系数为最大。从表 2可以看出, 滞后6~7 d地下水位与降水量相关系数为最大。图 1为ZK1和ZK2所监测到的大气降水和地下水位历时曲线图。其余7个监测点的地下水位波动一般滞后于降雨过程0.5~1 d。

表 1

表 1 ZK1孔的地下水位与降水量相关系数 Table 1 Relative coefficient between underground water level and precipitation in ZK1

表 1 ZK1孔的地下水位与降水量相关系数 Table 1 Relative coefficient between underground water level and precipitation in ZK1

表 2

表 2 ZK2孔的地下水位与降水量相关系数 Table 2 Relative coefficient between underground water level and precipitation in ZK2

表 2 ZK2孔的地下水位与降水量相关系数 Table 2 Relative coefficient between underground water level and precipitation in ZK2

图 1

图 1. 2004年ZK1(a) 和ZK2(b) 所监测到的大气降水和地下水位历时曲线图 Fig 1. Time curve of underground water level and precipitation in ZK1(a) and ZK2(b) in 2004

滑坡大气降水的入渗系数用下式计算^③ :

③万益民.江西省赣州市环境地质调查报告.南昌:江西省地质矿产局环境地质大队, 1984.

(1)

式 (1) 中, α为平均入渗系数; μ为给水度, 根据岩土体类型取经验数值; h₁是计算时段的起始水位值; h₂是计算时段的终结水位值; Δh为无降雨补给时地下水位平均下降速率; X是计算时段内的降水量; t _2-1是计算时段。

大气降水在松散土体内的入渗系数和土体组成、密实度有关, 还和人为扰动和植被发育程度有关, 一般介于0.1~0.16之间; 入渗系数与降水强度呈正相关。本次计算μ值根据岩土体类型参照《工程地质手册》取0.03, Δh值根据水位监测结果取值。计算结果表明, 入渗系数最大值出现在降水强度和累积降雨量均较大的2004年5月11—16日, 入渗系数最高达0.2, 图 2为2004年3月至7月铜鼓县新城区何家洞滑坡1号钻孔 (ZK1) 和2号钻孔 (ZK2) 入渗系数变化图。其余7个监测点的入渗系数在0.122~0.28之间, 其中入渗系数较大 (高于0.175) 与监测点滑坡体裂隙和植被十分茂密有关。本文计算大气降水的入渗系数主要用于模拟计算滑坡复活时的临界降雨量值。

图 2

图 2. 2004年3—7月铜鼓县何家洞滑坡大气降水渗系数的时间变化 Fig 2. Time changes of water penetrating coefficient in landslide body in Hejiadong, Tonggu County, Jiangxi Province from March to July in 2004

地下水在接受大气降水补给的同时, 也在不断地顺坡渗流至坡脚往外排泄, 当补给量大于排泄量, 地下水位升高; 当地下水补给量小于排泄量时, 地下水位下降。不同的地下水位, 地下水排泄速率不同。地下水位高, 排泄速率快, 地下水位低, 排泄速率减慢。当天降水对地下水的影响可在3~8 d以内消除。

孔隙水压力是反应滑坡土体水分饱和程度的重要指标, 研究表明, 在一次降水过程中, 随着降水量及强度的增加, 孔隙水压力值增大, 抗滑力下降, 滑坡体稳定性减小。图 3为重要监测点铜鼓县新城区何家洞滑坡3号钻孔 (ZK3) 所得到的数据曲线图, 可以看出, 地下水位以下的孔隙水压力与降水过程及强度有很好的一致性。其余7个试验点也得到相同的分析结果。试验结果表明, 包气带孔隙水压力一般小于7 kPa, 自3月至8月逐渐下降, 8月中下旬达最低值, 以后逐步回升, 在埋深6~7 m时, 孔隙水压力的下降趋势很小。

图 3

图 3. 2004年铜鼓ZK3孔地下水压力历时曲线图 Fig 3. Time curve of ZK3 underground water pressure in Tonggu County in 2004

对滑坡体应力采用振弦式传感器应力盒埋置在钻孔 (或人工探孔) 内, 应力盒埋置位置低于地下水时, 地下水压力必然对应力盒产生压力。定南县岭北镇龙头村和目2组滑坡应力盒所测压力历时曲线见图 4。可以看出, 埋深1.3 m压力值最小为7.65 kPa, 最大为14.5 kPa, 平均10.4 kPa; 埋深2.0 m (滑面) 压力值最小为15.7 kPa, 最大为19.9 kPa, 平均18.9 kPa, 表明应力盒受到了土应力挤压。据滑坡体表面位移监测结果, 滑坡体在4月24日发生了蠕动, 其位移达3 cm。其余7个监测点应力盒测定的压力值历时曲线与该应力盒所处位置的地下水压力值历时曲线几乎重合, 在监测阶段, 滑坡体内应力没有发生变化, 滑坡体未出现蠕动变形以及位移迹象, 如图 5为铜鼓县新城区何家洞滑坡1号钻孔所得到的数据曲线图。试验结果表明, 应力变化与滑坡体位移有较好的一致性, 应力监测是反映滑坡体是否发生蠕动和位移的较好指标。

图 4

图 4. 定南应力盒压应力历时曲线 Fig 4. Time curve of soil stress in the trail slope body in Dingnan County

图 5

图 5. 2004年铜鼓ZK1孔埋深6 m处应力盒测定压力与地下水压力对照图 Fig 5. Curve of soil stress and underground water level in 6 m depth under ZK1 in Tonggu County in 2004

滑坡稳定性系数计算公式及其所表达的力学意义指, 当滑坡稳定性系数K为1或接近1时, 滑坡体处于临界状态, 当K>1时, 滑坡体处于稳定状态, 当K < 1时, 滑坡体处于不稳定状态。表 3列出了在试验期间所得到的最小稳定性系数, 反映在试验期间监测点所处滑坡体稳定性的极端情况。

表 3

表 3 2004年监测期间稳定性系数最小值 Table 3 The minimum values of stability coefficient in eight trail ground in 2004

表 3 2004年监测期间稳定性系数最小值 Table 3 The minimum values of stability coefficient in eight trail ground in 2004

以铜鼓县新城区何家洞滑坡为例, 根据文献[11]的稳定系数计算公式, 得到逐日滑坡稳定系数。图 6为根据2004年5月1日至8月11日监测和试验资料计算的滑坡体稳定系数变化。图中柱状为日降水量, 曲线为逐日稳定系数值。结果表明, 在2004年5月16日滑体稳定系数为最小值, 此时正处在当年汛期累积降水量和持续时间最长的降水过程中。滑坡稳定系数与降水量有较好的负相关关系, 当降水量增大时, 滑坡稳定系数减小, 且略滞后于降水量的峰值, 各试验点在监测时间内稳定性系数的最小值见表 3。其中定南县岭北镇龙头村和目2组滑坡稳定性系数为0.97, 处于不稳定状态, 与应力、位移监测结果一致。分析认为, 形成定南监测点滑坡不稳定的成因是, 2004年4月24日, 受西南暖湿气流和冷空气共同影响, 江西省中南部出现了强降水天气, 其中定南4月24日09:00左右出现了1 h降水量达45 mm的强降水, 24 h降水达65 mm, 受其影响, 滑坡体呈现了不稳定状态。其余各监测点的最小稳定性系数K均大于1, 说明在试验期间, 除定南外, 其余7个监测点滑坡均处于稳定或接近稳定状态。

图 6

图 6. 2004年铜鼓监测点稳定系数波动曲线与降水量对照图 Fig 6. Curve changes of landslides stability coefficient and precipitation in Tonggu County in 2004

根据1年的监测试验, 对8个滑坡监测点稳定和不稳定临界状态进行模拟分析。模拟计算是根据试验监测结果, 监测点滑坡体地下水位年变幅较大, 但水力梯度变化较小, 其中3—5月水力梯度为0.267, 5—7月水力梯度为0.276, 两者相差甚小。因此, 滑坡体内地下水位线可以看成随大气降雨过程平行上涨。以铜鼓试验点为例, 监测过程中稳定系数最小为1.04, 此时ZK1孔的水位高程为355.45 m。模拟计算从ZK1孔地下水位高程354.55 m算起, 计算至356.65 m, 步长为0.1 m, 将滑坡体分为14个条块, 如图 7所示。当地下水位平行上涨0.1 m时, 按文献[11]计算公式, 计算每个条块容重的变化及相关参数, 最终得到滑坡体稳定系数, 计算结果见图 8。其余监测点计算结果略。

图 7

图 7. 铜鼓县监测点稳定计算分块示意图 Fig 7. Fourteen blocks divided in the slope body for calculating stability coefficient in Tonggu County trail ground

图 8

图 8. 铜鼓县监测点ZK1孔地下水位与滑坡稳定性关系图 Fig 8. Relationship between underground water level and landslide stability coefficient in ZK1 in Tonggu County

在其他因素一定的条件下, 地下水位升高, 滑坡稳定系数直线下降。当ZK1孔水位为356.05 m时, 滑坡稳定系数接近于1;当ZK1孔水位高于356.05 m时, 稳定系数小于1;当ZK1孔水位低于356.05 m时, 稳定系数大于1。结果表明:当地下水位为356.05 m时, 滑坡体处临界不稳定状态, 其结果用于计算促始滑坡复活的临界降水量。

促使滑坡复活的临界降水量计算的原理及方法是:根据地下水位与滑坡定性系统计算分析结果, 当降水量增加, 地下水位升高, 滑坡稳定性系数减小。大气降水进入滑坡体后, 一方面入渗到滑坡体内, 使滑坡体含水量增加, 地下水位上升; 另一方面, 地下水在接受大气降水补给的同时, 也在不断地顺坡渗流至坡脚往外排泄, 当补给量大于排泄量, 地下水位升高。本次试验得到了监测点滑坡体的排泄速率, 通过4.1节的计算结果确定, 当K≤1时的地下水位, 根据文中入渗系数计算公式, 当地下水位、补给量、给水度等均由监测试验和前期计算得到后, 可以反演出在各监测点K值达临界不稳定状态时的大气降水量, 即促使滑坡复活的临界降水量。

以铜鼓县新城区何家洞滑坡为例, 监测点5—7月平均地下水位较其他月份高, 且这段时间也为滑坡高发期, 因此, 以5—7月平均地下水位为初始值研究暴雨对地下水的影响及滑坡稳定性。根据4.1节计算结果、降水观测资料及式 (1), 计算结果为:在ZK1水位高程初始值为354.55 m, 则当日降水量达到170 mm、或2日累积降水量230 mm、或3日累积降水量达到290 mm时, 地下水位高程可达356.05 m, 此时的稳定系数为0.999, 滑坡有发生蠕动变形的可能。经计算, 8个试验点促使滑坡复活的临界降雨量值域范围在24 h 60~203 mm, 平均临界降水量值为24 h 143 mm, 此结果仅是根据2004年5—7月的监测数据得到。滑坡体发生滑动的降水临界值试验研究及模拟结果与作者根据115个滑坡个例通过日综合雨量的统计学分析有较好地一致性^[12], 临界雨量的试验分析结果略高于统计分析值。

森林覆盖对滑坡活动的影响非常复杂^[13]。植被对斜坡稳定性的影响一直是有争议的热点, 有正反两方面的作用^[14-15]。理论上, 树根能加固土壤, 增加土壤剪应力, 树根从土壤中吸收水分, 通过蒸散作用消耗部分土壤水分, 减小孔隙水压力。但Faruk Ocakoglu在对NW Turkey的一次滑坡观测表明, 滑坡区域植被的树根并没到达滑动面, 由此认为, 植被覆盖增加了滑体重量, 对滑坡稳定度有不利的影响。

应用30 m分辨率的美国陆地资源卫星遥感资料 (影像为1996年秋冬季共14景) 和1 : 25万数字化地理数据, 并用GPS在全省不同林区采集的1千余个定位点信息, 分析了江西省不同海拔高度、不同坡度森林植被的分布, 研究了不同植被条件下森林对大气降水的截留作用, 分析了江西省七大立地生态区生物量的分布, 应用简化的Pemman公式, 计算了近几年诱发江西省滑坡灾害的几次暴雨过程的蒸散量。分析结果认为, 植被覆盖程度高、生物量多和植被覆盖差、生物量低的中低山区都可能发生滑坡灾害。不同林冠对降水的截留作用减缓了降水对斜坡的冲刷, 但当降水强度超过50 mm时, 截留作用减小。植被覆盖对滑坡发生的影响主要取决于降水强度。同等地质环境条件下, 植被覆盖率低, 滑坡较易发生, 但当降水强度较大时, 特别是达到诱发滑坡灾害发生的临界值时, 植被对滑坡体的重力作用则更加重了滑坡的发生。但高森林覆盖区发生滑坡的雨量临界值大于森林覆盖率差的区域^[16]。

1) 试验研究进一步揭示了暴雨型滑坡灾害形成的机理:大气降水通过入渗作用到达滑坡体内, 暴雨使土体水分很快达到饱和, 造成孔隙水压力、地下水位上升, 增大土体应力, 减小土体抗剪力, 导致下滑力大于抗滑力, 影响滑坡体稳定性, 从而产生滑坡灾害。

2) 试验结果表明, 地下水位以上的土体层内孔隙水压力一般小于7 kPa, 峰值较降雨过程滞后0~2 d; 自3月至8月土体层内孔隙水压力逐渐下降。

3) 大气降水在松散土体内的入渗系数和土体组成、密实度有关, 还和人为扰动及植被发育程度有关。地下水位波动一般滞后于降雨过程0.5~1 d, 最长的滞后6~7 d。

4) 应力变化与滑坡体位移有较好的一致性, 应力监测是反映滑坡是否发生蠕动的较好指标。2004年4月24日, 定南县埋深1.3 m和埋深2.0 m (滑面) 压力最大值和最小值相差4.2~6.85 kPa, 表明应力盒受到了土应力挤压。据滑坡体表面位移监测结果表明, 滑体在4月24日发生了蠕动。

5) 滑坡稳定性系数随滑坡体地下水位上升几乎呈直线下降, 稳定系数与降水量反相关且有滞后性。根据大气降水与地下水位的相关性, 以及大气降水的入渗系数, 模拟计算了不同地下水位情况的滑坡稳定性系数, 得到了各监测点促使滑坡复活的雨量临界值, 为暴雨型滑坡灾害预报预警提供了依据。

6) 植被覆盖程度高、生物量多和植被覆盖差、生物量低的中低山区都可能发生滑坡灾害。不同林冠对降水的截留作用减缓了降水对斜坡的冲刷, 但当降水强度超过50 mm时, 截留作用减小。植被覆盖对滑坡发生的影响主要取决于降水强度。同等地质环境条件下, 植被覆盖率低, 滑坡较易发生, 但当降水强度较大时, 特别是达到诱发滑坡灾害发生的临界值时, 植被对滑坡体的重力作用则更加重了滑坡的发生。高森林覆盖区发生滑坡的雨量临界值大于森林覆盖率差的区域。

为进一步提高暴雨型滑坡灾害监测、预报预警技术与理论水平, 今后还需建立和完善滑坡灾害监测和信息传输系统, 开展多点监测试验, 实现大气降水、滑坡体水分动力过程、同期蒸发散量等因子的同步、自动、高时间分辨率的监测, 以期得到更为科学、更具代表性的结果。