降雨监测论文参考文献

黄波林1陈小婷1,2张业明1金维群1

(1宜昌地质矿产研究所，湖北宜昌，443000;2成都理工大学，四川成都，610059）

【摘要】白家堡滑坡地处三峡库区、秭归县境香溪河右岸入长江口附近。监测数据表明，2004年该滑坡处于相对稳定—变形—相对稳定的变化中，且滑坡汛期运动量明显大于非汛期的滑动量。本文建立了白家堡滑坡的工程地质模型，通过有限单元法模拟该滑坡因降雨入渗而引起的地下水动力场，计算滑坡在水库回水至135m水位时、不同降雨强度及持续时间条件下的稳定系数。研究结果表明当降雨持续3天时，该滑坡处于临界平衡状态；此时滑坡体内因雨水渗入而产生的地下水流向与滑动面基本一致；暂态地下水水位明显随降雨持续时间上升，滑坡的安全系数随之下降。每次降雨强度及持续时间的不同，是造成该滑坡运动位移变化的主要原因。

【关键词】白家堡滑坡监测数据降雨地下水流动数值模拟稳定性系数

1引言

降雨对滑坡的作用是一个动态过程，它与降雨强度、持续时间、土体渗透性等有密切关系[1]。三峡库区地表浅层土多为非饱和粘土，气候变化对其力学性质有很大的影响。雨水入渗使土体含水量增加，饱和度增大；持续降雨还可引起地下水水位上升，或在相对隔水层以上出现暂时性地下水——上层滞水。两者均将引起土体抗剪强度大幅下降[2]。

三峡地区滑坡灾害具有发生频率高、分布范围广、损失严重等特点，其主要的诱发因素就是降雨。最严重的滑坡事件为2003年6月强降雨后发生的千将坪滑坡，证实死亡人员为21人，直接经济损失达5735万元以上。在2003年6～7月的这次连续的强降雨过后，库区香溪河白家堡滑坡也发生了剧烈变形。

研究降雨诱发滑坡机制具有重要意义，对滑坡灾害的预防和预测具有重要的前瞻作用。本文从2003～2004年白家堡滑坡的监测数据分析入手，主要研究降雨对滑坡变形及稳定性的作用和影响。

2降雨对白家堡滑坡的影响

白家堡滑坡概述

白家堡滑坡位于湖北省秭归县向家店村二组、香溪河右岸入长江口附近，为一深层土质滑坡。滑坡地处鄂西构造侵蚀中低山区，属亚热带季风气候区，雨量丰沛，四季分明。年平均降雨量为；降雨多集中在5～9月，占全年平均降雨的。

滑坡在地貌上呈近北东向舌形凹地，纵长约700m，前缘横宽约500m，中上部宽约260m，复建的秭（归）—兴（山）公路横穿滑坡中上部。滑体地形坡度上陡下缓，上部为耕地和柑橘林，中下部为居民区。滑坡总面积万m2，最厚约110m，平均厚约58m，滑坡物质总体积万m3。滑坡后缘与基岩接触，呈圈椅状地形，后缘高程约260m；复建的秭兴公路以下为一缓坡平台，平台向前突出形成鼓丘地形，鼓丘以下前缘坡度15°～20°，前缘高程为70m左右；滑坡南以冲沟为界，北以山脊为界（图1）。

图1白家堡滑坡工程地质平面图及三维立体图

滑坡所在地区地质构造复杂，出露基岩为侏罗系香溪组（J1x）薄至中厚层状泥岩、粉砂岩夹炭质页岩，表层风化强烈[3]。

白家堡滑坡的工程地质模型

地表调查显示，白家堡滑坡前缘主要以紫红色粘性土夹少量砂岩块石为主，其物质来源于侏罗系香溪组（J1x）层位。滑坡鼓丘一带为源于J1x的灰黄色粉砂岩夹紫红色粉砂质泥岩构成的碎裂石，其原岩构造保持较好。滑坡后部主要为碎石土，粘土呈可塑—硬塑状，碎石成分为主，少量紫红色和灰绿色泥岩，碎石含量50～60%，结构松散至中密。

据钻孔揭露，滑体物质主要为褐色、黄绿色、紫红色粘土，碎石含量10%左右，碎石多为泥岩、粉砂岩，碎石粒径～10cm。其容重一般为20～22kN/m3，抗剪强度一般为40～90kPa，内摩擦角一般为16～23°。滑坡中后部钻孔揭示，在深约30m处可见层厚约的紫红色粘土夹少量碎石滑带土。碎石含量小于5%，碎石粒径～1cm，碎石成分复杂，主要为黄绿色泥质粉砂岩，见轻微揉皱现象。这表明该滑坡较深层已具有滑动迹象。滑带土容重一般为20～22 kN/m3，抗剪强度一般为30～70kPa，内摩擦角一般为11°～18°。

白家堡滑坡地形呈较封闭的洼地和圈椅状，利于地下水的补给和富集。由于滑体物质（含水介质）的不均一性，地下水的赋存多为上层滞水和潜水，与外界因素——降雨、地表水入渗、库水位变化等有密切关系；斜坡具有季节性充水的特点。崩滑堆积物的渗透系数一般为～，而滑带土的渗透系数为。因此滑床为相对隔水层，这一组合控制着滑坡地下水的补给、径流和排泄[4]。

工程地质模型是工程地质条件的抽象和概括，既不失真又不拘泥于一点一滴，从本质上把握要素的地位与作用[5,6]。白家堡滑坡的工程地质模型（图2）正是基于此而建立的，不脱离实际，又较好地抓住了岩土体变形破坏的关键。模型的物质由残坡积物、滑体、滑带及基岩组成；控制滑坡变形的物质条件是滑带；控制滑坡变形的动力因素是库水位和降雨。白家堡滑坡模型的建立有利于滑坡各方面的研究[7]。

图2135m水位——降雨条件下的白家堡滑坡工程地质模型

1.侏罗系香溪组基岩；2.残坡积物；3.滑带土；4.滑体粘土；5.水体；6.暂态地下水观测断面；7.雨水入渗

降雨与白家堡滑坡变形的关系

为了监测滑坡的位移变形特征及其稳定状态，在滑坡前缘、中部和后缘布置了孔内深部位移测斜监测仪和地表监测墩。2004年7月深部位移测斜仪监测孔内测斜管被剪断后，又在滑体内及边界处布置了伸缩计等监测设备（见图1）。

据2004年监测数据分析（图3）：滑坡呈整体运动[3]，具有两层滑带，在ZK1处深度分别为和;2004年7月，滑坡变形将倾斜管剪断后，采用伸缩计监测（图4）。其中BJB-1位于滑坡后缘，可监测滑坡运动的绝对位移；其他伸缩计位于滑体内部，可监测滑坡体内各处的相对位移。从8月到9月除BJB-1变形较大外，其他基本处于微变中，这也说明滑体处于整体运动中；9月后伸缩计数据表明滑坡均处于微变中。

图3ZK1深部位移曲线

图4伸缩计变形曲线

由图5可见，2004年1月～6月，滑坡地表的变形曲线基本为一直线，而6～9月的直线的斜率明显大于前6个月，9月后斜率又开始变缓。因此该滑坡在2004年可以分为3个阶段：1月～5月为相对稳定期，6～8月为变形剧烈期，9月～12月又回复到相对稳定期。与之对应的逐月降雨曲线显示，1～5月降雨量较小，且呈逐月上升状态；5～9月降雨量大而基本持平稳状态，9月后降雨量迅速下降。因此，从整体上看，在汛期，白家堡滑坡运动量明显大于非汛期的滑动量；虽然两者并不完全存在一致性，但这应该是因为滑坡体灾害系统具有一定的协调与自组织功能和滑坡的发生与降雨有一定的滞后关系[8,9]。因此降雨对白家堡滑坡稳定性的影响是毋庸置疑的。

图5地表监测墩 A2在2004年的变形与降雨的相关曲线

3降雨而产生的地下水流动数值分析

水文地质学家和土壤学家对非饱和渗流问题的研究已有悠久历史，水在非饱和土中的渗流也服从达西定律。在土坡稳定性分析中，当地下水埋藏较浅时，非饱和区土壤水运动和饱和区的地下水运动是相互联系的，此时将两者统一起来研究比较方便，即所谓饱和—非饱和流动问题。在此情况下，根据达西定律及地下水水流均衡原理，可以得到描述滑坡剖面二维饱和—非饱和流动问题的动力学模型：

地质灾害调查与监测技术方法论文集

式中：h为水头，k为渗透系数，S为比储水系数。

非饱和渗流问题的边界条件可能有多种形式。例如，在边界上给定含水量、给定水头或给定渗流速度等。本文主要研究降雨引起的暂态渗流场，故在斜坡暴露边界给定入渗速度（纽曼Neuman边界），底部为第一类边界（不透水边界），两侧均为第二类边界（给定水头边界）[10]。由于滑坡体表面一般是不规则的坡型区域，潜水面作为上边界是随时间而变化的。在剖面二维潜水水流问题的模拟过程中，采用三角形单元有限元法进行水文地质模型的单元剖分。笔者根据滑坡体土层结构、渗透系数等水文地质参数以及大气降雨补给入渗强度等因素、条件，开展白家堡滑坡地下水作用的数值模拟。

以全年平均降雨量1028mm为降雨强度基准，模拟分析在无降雨及持续降雨时间日数为1天、2天、3天、4天、5天、6天、8天、10天后的条件下，地下水位和地下水流动状况（见图6）。起初，地下水流向与滑坡滑动方向不一致，地下水位变动不大。当降雨持续1天后，非饱和土的地下水主要受降雨入渗补给的影响，以垂向运移为主，降雨形成的地下水水位等值线与坡体倾向比较一致；随着降雨的持续，地下水流向由垂向逐渐变化发展为与滑动面倾向一致的方向，降雨持续2天时，水流方向与滑动面倾向趋于一致；当降雨持续3天后，地下水流向已与滑动面倾向基本一致，尤其在滑体底部出现潜水流。通过暂态地下水观测断面发现，若降雨持续发生，地下水的暂态水位将持续上升。

4基于降雨条件的滑坡稳定性分析

通过有限元地下水数值模拟，得到边坡的渗流场及各个节点的渗透力；将渗透力作为边坡稳定计算中的外载[11]，采用摩根斯坦—普赖斯法（Morgenstern-Price）求其整体和局部稳定系数（Fs）。整体稳定性采用块体折线搜索其最危险滑动面，局部稳定性采用圆弧法搜索其最危险滑动面。

当观测断面地下水水位埋深 H′＞36m时，滑坡处于稳定状态，但是安全储备不高；当观测断面水位埋深 H′＝h0=36m时（持续降雨3天），滑坡处于极限平衡状态；当观测断面水位埋深H′＝33～35m时，滑坡整体处于极限平衡状态，局部发生变形；当观测断面水位埋深 H′＜33m时，滑坡整体处于不稳定状态。

图6持续降雨后地下水等值线及水流矢量图

通过暂态地下水观测断面可以发现，由于地下水水位明显随降雨持续时间上升，滑坡整体和局部的稳定系数也随之下降：连续降雨前8天，观测断面整体最危险滑动面在92～95m之间；观测断面局部最危险滑动面在69～73m之间。这一现象与ZK1出现的两层滑动带是相匹配的。连续降雨后，滑坡浅层出现变形现象，这与降雨10天后最危险滑动面较浅相对应（见表1）。

表1降雨持续时间与滑坡稳定性表

在自然界中，降雨是随机的，滑坡的地下水水位是随降雨的渗入而变动的，因而滑坡整体稳定性也是动态变化的。当地下水位埋深 H′＜h。时，则滑坡的Fs＜1，滑坡开始变形发生位移；当地下水位埋深 H′＞h。时，则滑坡的Fs＞1，滑坡又重新回到稳定状态。

由于这种波动可能造成滑坡位移速度的变化，这正是白家堡滑坡呈相对稳定—变形—相对稳定这一韵律变化的深层次原因。白家堡滑坡的这种变形现象，应当看作是滑坡体在外界条件（主要是降雨）影响下发展旋回过程中的一种外在表现[12]。

5结论

根据监测数据分析发现，白家堡滑坡变化韵律与降雨时间有一定的对应关系，汛期滑坡物质运动量明显大于非汛期的运动量。

建立白家堡滑坡的工程地质模型，分析了降雨对滑坡地下水渗流场及稳定性的影响。

（1）研究结果表明：当降雨持续3天时，该滑坡处于临界平衡状态。此时滑坡体内因雨水渗入而产生的地下水流向与滑动面基本一致，在滑体底部出现潜水流。

（2）暂态地下水水位明显随降雨持续时间上涨，滑坡的安全系数随之下降。

（3）白家堡滑坡呈现相对稳定—变形—相对稳定这一韵律变化规律，其基本原因是由于降雨所引起的地下水的变动。

参考文献

[1]姚海林，郑少河，李文斌等.降雨入渗对非饱和膨胀土边坡稳定性影响的参数研究[J].岩石力学与工程学报，2002,21(7）:1034～1039

[2]林鲁生，蒋刚.考虑降雨入渗影响的边坡稳定性分析方法探讨[J].武汉大学学报（工学版），2001,34(1）:42～44

[3]陈小婷，黄波林.香溪河流域白家堡滑坡变形监测初步分析[J].华南地质与矿产，2004,（2）:55～58

[4]周平根.滑坡的水文地质结构类型[J].中国地质灾害与防治学报，1998,（9）（增刊）：207～213

[5]晏鄂川，刘广润.试论滑坡基本地质模型[J].工程地质学报，2004,12(1）:21～24

[6]许兵.论工程地质模型[J].工程地质学报，1997,5(3）:199～204

[7] situ rainfall infiltration studies at a hillside in Hubei Province, China[J].Engineering Geology,2000,57:31～38

[8]邢建民.堆积层滑坡与降雨关系浅析[J].长江职工大学学报，1999,16(3）:51～52

[9]林孝松，郭跃.滑坡与降雨的耦合关系研究[J].灾害学，2001,16(2）:87～92

[10]李同斌，邹立芝.地下水动力学[M].长春：吉林大学出版社，1995:146～162

[11]王永平，刘红星.引入渗透力对边坡稳定性的分析[J].人民长江，2002,33(6）:19～27

[12]陈善雄，陈守义.考虑降雨的非饱和土边坡稳定系分析方法[J].岩土力学，2001,22(4）:447～450