臺風暴雨型土質滑坡演化過程研究*

沈 佳 董巖松 簡文彬② 羅金妹 李先忠 聶 聞

(①福州大學巖土工程與工程地質研究所， 福州 350116， 中國)(②福建省地質災害重點實驗室， 福州 350003， 中國)(③中化地質礦山總局福建地質勘查院， 福州 350013， 中國)(④中國科學院海西研究院泉州裝備制造研究所， 泉州 362200， 中國)

0 引 言

已有研究表明，降雨是導致滑坡發(fā)生的重要因素， 90%以上的滑坡與降雨有著密切關系(李聰?shù)龋?2016； Emanuel， 2005； Roger et al.， 2008)。

降雨型滑坡災害已經成為了各國地質災害中防治重點課題(鄭穎人等， 2010)。許多學者對降雨型滑坡進行了深入的研究，研究表明在短期高強度降雨之前若發(fā)生低強度降雨的情況下滑坡更易發(fā)生(Senthilkumar et al.， 2018)，有學者使用FlaIR模型對降雨與滑坡的關系進行建模，將滑坡運動與降雨特征聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)降雨對滑坡的影響破壞作用可以使用滑坡運動加速度來衡量(Pinom Ering et al.， 2020)； 關于滑坡演化過程，研究發(fā)現(xiàn)在滑坡的孕育和發(fā)展演化過程中，其運動累積位移-時間曲線可以明顯分為初始變形、勻速變形、加速變形3個不同階段(秦四清等， 2006； 許強等， 2008； 曾裕平， 2008)； 綜合遙感影像滑坡堆積體面積統(tǒng)計與滑坡體中部GPS監(jiān)測，可將滑坡發(fā)展階段分為4個階段(解明禮等， 2019)。閩東南地區(qū)滑坡規(guī)模小，數(shù)量多，同時閩東南地區(qū)受臺風暴雨侵擾嚴重，滑坡的孕育與演化涉及因素較多，如果單一地套用已有研究成果并不能提供較為準確的預警信息，因此亟需分析總結該地區(qū)臺風暴雨型滑坡的發(fā)育變形規(guī)律。

本文以福建省泉州市潯中鎮(zhèn)石山村坡殘積層土質滑坡為例，通過室內相似物理模型和數(shù)值模擬探尋不同降雨工況下土層含水率和坡體位移的變化規(guī)律，總結臺風暴雨型土質滑坡演化規(guī)律，為閩東南地區(qū)該類型滑坡的監(jiān)測、預警與防治提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

閩東南地區(qū)屬海洋性季風氣候，山地丘陵發(fā)育，降雨充沛， 7～9月多受熱帶氣旋影響，臺風暴雨頻發(fā)，其降雨具有持續(xù)時間長、強度大等特點，是觸發(fā)淺層土質滑坡的主要因素。本文選取泉州潯中鎮(zhèn)石山村石山滑坡作為研究對象，受臺風暴雨影響，該滑坡最早發(fā)生于2006年8月。石山滑坡主要由2層巖土體構成，上層坡殘積黏性土，呈灰黃色、硬塑狀態(tài)，結構松散，厚度約5～15m，越靠近山腳坡殘積土層越厚； 下層為凝灰?guī)r(J3n)。山體表層坡殘積土土層較厚，土質松散，滲透系數(shù)約為10-5～10-6； 邊坡坡度約28°～35°； 坡體上部有部分農田，匯水面積約8000 m2，地下水豐富?；缕矫婕捌拭嫒鐖D1、圖2所示(福建省地質環(huán)境監(jiān)測中心， 2009)。土層的物理力學參數(shù)如表1。

表1 物理力學參數(shù)Table1 Physical and mechanical parameters

圖1 石山滑坡平面圖Fig.1 Planar graph of Shishan Landslide

圖2 石山滑坡剖面圖Fig.2 Geological sectional drawing of Shishan landslide

2 臺風暴雨型滑坡演化過程模型試驗

2.1 試驗概況

為了進一步揭示臺風暴雨型滑坡的演化規(guī)律，本文依據相似理論進行滑坡的縮小尺寸模擬。臺風暴雨型土質滑坡室內物理模擬實驗裝置主要包括：模型槽、降雨模擬系統(tǒng)、測量系統(tǒng)及數(shù)據采集系統(tǒng)等。通過該模型裝置可以獲取模擬邊坡在降雨過程中的含水量以及位移隨時間的變化情況。

在本文室內物理模型設計中，根據尺寸以及野外勘察所得滑坡規(guī)模及巖土物理力學參數(shù)等因素設計相似比例為1︰100，即n=100。

圖3 物理模型試驗裝置樣圖Fig.3 Physical model test device

表2 原型材料與相似材料物理力學參數(shù)表Table2 Numerical calculation parameters

2.2 滑坡模型試驗演化過程分析

2.2.1 暴雨試驗含水率與位移變化分析(E1)

(1)坡體含水率變化過程：如圖4含水率時程曲線所示，在降雨期初期主要入滲模式為垂直入滲，坡腳和坡頂淺層含水率上升較快。

圖4 暴雨試驗含水率時程曲線(E1)Fig.4 Water content-time history curve in rainstorm test

隨著降雨發(fā)展中部產生拉張裂縫，雨水沿裂縫入滲導致坡體中部深層含水率也開始有所抬升。雨水隨中部裂縫運移至深層，滑動面貫通，坡體滑坡整體演化過程如圖5a， 圖5b，圖5c所示，分別對應含水率時程曲線中箭頭標識的時刻。

圖5 暴雨條件下滑坡演化過程(E1)Fig.5 Slope evolution process in rainstorm testa.初期入滲； b.中部裂縫； c.滑坡完成； d.側視圖

表3 物理模型降雨方案Table3 Rainfall scheme of physical model

(2)位移變化分析：通過以數(shù)字圖像處理及分析為基礎的數(shù)字照相量測軟件Photoinfor進行剖面變形數(shù)據采集及分析，以坡腳HS4水分計點位作位移曲線圖(圖6)，可發(fā)現(xiàn)在初期降雨過程中位移沒有明顯變化，隨著降雨入滲，坡腳出現(xiàn)積水(圖5a)，發(fā)生溜蝕滑塌，坡體中部產生明顯拉張裂縫(圖5b)，雨水沿裂縫入滲至坡體深層，形成貫通滑面，滑坡完成(圖5c)。位移可分為兩個階段，加速上升發(fā)展階段和急速擴展整體滑坡階段。該滑坡的破壞過程為：滑坡中部產生貫通裂縫，牽引滑坡深層滑動?；缕茐哪Ｊ綖闋恳綀A弧滑動，有明顯的臺階階地現(xiàn)象產生(圖5d)。

圖6 暴雨試驗邊坡位移-時間曲線(E1)Fig.6 Slope displacement-time curve in rainstorm test

2.2.2 雙峰暴雨試驗含水率與位移變化分析(E2)

(1)坡體含水率變化過程：如圖7所示，雙峰雨型降雨的坡體含水率變化具有明顯的梯度，初期坡頂和坡腳淺層主要受降雨的垂直入滲影響，降雨可以完全入滲，坡體含水率緩慢上升。后期暴雨時，因為前期降雨增大了坡體淺層的飽和度，坡腳含水率高于坡中及坡頂并首先達到飽和，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。隨著降雨進行坡腳出現(xiàn)溜塌，與此同時坡中部含水率明顯增長。中部裂縫產生，坡體開始滑動并逐漸擴展到整個坡體。滑坡整體演化過程如圖8a， 圖8b，圖8c， 圖8d所示，對應含水率時程曲線中箭頭所指的時刻。

圖7 雙峰暴雨試驗含水率時程曲線(E2)Fig.7 Water time history curve in double peak rainstorm test

(2)坡體位移分析：以HS4水分計點位作位移曲線圖(圖9)，從雙峰暴雨試驗坡體位移曲線可以看出在初期小雨強降雨情況下邊坡沒有產生滑動，位移增量沒有變化； 隨著降雨持續(xù)進行，坡腳飽和現(xiàn)象明顯，出現(xiàn)明顯的沖刷跡象，發(fā)生軟化(圖8b)，當雨強改變?yōu)楸┯昙墑e后，坡腳迅速發(fā)生較大面積的溜塌(圖8c)，裂縫擴展過程迅速。坡中拉張裂縫產生，位移開始增加且增速較快； 暴雨發(fā)生不久后坡體正面下錯明顯，坡體位移劇增，坡體整體滑動完成(圖8d)，滑坡破壞模式為牽引式圓弧滑動(圖8e)。

圖8 雙峰暴雨條件下滑坡演化過程(E2)Fig.8 Slope evolution process in double peak storm testa.初期入滲； b.坡腳軟化； c.坡腳溜塌； d.滑坡完成； e.側視圖

圖9 雙峰暴雨試驗邊坡位移-時間曲線(E2)Fig.9 Slope displacement-time curve in double-peak rainstorm test

2.2.3 物理模型滑坡破壞演化階段劃分

根據以上模型試驗破壞過程分析，結合滑坡水平位移曲線，分析總結得出滑坡破壞演化階段(圖10)：(1)壓縮沉降微變形階段：此階段坡體側部沒有明顯位移變化趨勢，曲線平直，幾乎不發(fā)生位移，主要以降雨入滲、坡面沖刷和坡腳土體軟化現(xiàn)象為主； (2)勻速變形階段：坡體中部表面有明顯裂縫產生，坡體有明顯下錯現(xiàn)象，位移勻速增長； (3)加速變形階段：坡體產生單級或多級變形跡象，坡體破壞速度迅速，位移激增，具有突發(fā)性，在位移曲線上有明顯拐點，在工況E2拐點位置更加明顯。

圖10 模型邊坡破壞演化階段Fig.10 Failure evolution of the model slope

3 臺風暴雨型滑坡演化過程數(shù)值模擬

3.1 滲流數(shù)值模型

3.1.1 模型參數(shù)

飽和-非飽和滲流分析基于Van Genuchten法，通過顆分試驗及參考類似的工程案例確定所需參數(shù)； 通過對原狀樣進行室內試驗得出巖土體強度參數(shù)，滑坡體各土層物理力學性質參數(shù)和彈塑性Mohr-Couloum本構參數(shù)見表1物理力學參數(shù)表。

3.1.2 建立數(shù)值模型

根據滑坡災害點實際地質情況，對該數(shù)值模型做了如下的設定：

(1)將邊坡地質模型設為3層，由上到下分別為：坡積層、殘積層以及最下層的強-中風化凝灰?guī)r層。

(2)通過對地質災害點地表位移監(jiān)測及勘察鉆孔資料綜合分析，滑坡滑動面大致位于坡殘積土層中，厚度大約為5～10m，該滑坡地下水位埋藏較深。用有限元數(shù)值模擬軟件進行滲流分析，模型網格劃分由四節(jié)點四邊形單元與三節(jié)點三邊形單元共同組成，加密表層坡積土網格，共7154個單元， 7068個節(jié)點，如圖11所示，其中虛線代表地下水位線。

圖11 有限元單元網格劃分Fig.11 Mesh generation of finite element elements

3.1.3 降雨方案

與物理模型試驗相同，本次數(shù)值模擬采用了兩種不同的雨型，對邊坡進行為期3天的模擬(董巖松， 2015)。雨型1：降雨為持續(xù)3天的暴雨雨強降雨； 雨型2：降雨雨強在前2天為中雨雨強，第3天將雨強設定為暴雨級別。雨強參數(shù)設置見表4。

表4 數(shù)值模擬降雨方案Table4 Rainfall scheme of numerical simulation

3.2 滑坡演化過程數(shù)值模擬演化結果

3.2.1 滑坡滲流演化過程分析

對數(shù)值邊坡進行降雨模擬，持續(xù)72小時，分析邊坡滲流、體積含水量變化情況，結果如下：

(1)E3工況滑坡滲流演化過程分析：降雨以垂直入滲為主，坡面體積含水量緩慢增加(圖12)。降雨72小時后，雨水持續(xù)入滲，坡面飽和度提高(圖13)，表層土層基本趨于飽和，土層內形成暫態(tài)飽和區(qū)，消散速率慢，因此在坡腳坡積土和殘積土層分界面露頭處出現(xiàn)小范圍滯水，在圖中由黑色箭頭指出滯水位置。

圖12 24h降雨后坡體體積含水量等勢線圖(E3)Fig.12 Equipotential map of slope water content after 24h rainfall

圖13 72h降雨后坡體體積含水量等勢線圖(E3)Fig.13 Equipotential map of slope water content after 72h rainfall

(2)E4工況滑坡滲流演化過程分析：初期降雨以垂直入滲為主，降雨雨強較小，土層含水率緩慢增大(圖14，圖15)，持續(xù)48小時一般強度強降雨后，表層土體含水量接近飽和。再經過24小時暴雨雨強降雨模擬后，由圖16可見，坡體表層基本達到飽和，地下水位上升，土層內出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，坡腳處土層分界露頭處出現(xiàn)較嚴重滯水現(xiàn)象，在圖中由黑色箭頭指出。

圖14 24h降雨后坡體體積含水量等勢線圖(E4)Fig.14 Equipotential map of slope water content after 24h rainfall

圖15 48h降雨后坡體體積含水量等勢線圖(E4)Fig.15 Equipotential map of slope water content after 48h rainfall

圖16 72h降雨后坡體體積含水量等勢線圖(E4)Fig.16 Equipotential map of slope water content after 72h rainfall

3.2.2 滑坡穩(wěn)定系數(shù)演化特征分析

將E3和E4工況滑坡穩(wěn)定系數(shù)演化過程對比分析(圖17)，可發(fā)現(xiàn)總體來說E4工況中穩(wěn)定系數(shù)下降幅度大。E3工況中降雨前期穩(wěn)定系數(shù)下降明顯，從1.197迅速下降到1.136，后期下降速率減緩，最終下降到1.125。說明隨著水分下滲使得邊坡穩(wěn)定系數(shù)不斷減小。而在E4工況中，前48小時穩(wěn)定性系數(shù)變化很小，只從1.197下降到1.189； 在降雨雨強增大為特大暴雨強度時，穩(wěn)定系數(shù)從1.189迅速下降至1.060，之后穩(wěn)定系數(shù)緩慢下降，最終降至1.042。該現(xiàn)象與降水前期降雨雨強小，雨水入滲較慢，對土體強度性質影響小，但長時間的降雨使得表層土體接近飽和，后期隨著雨強增大，大量雨水下滲，土體強度性質大幅度下降。

圖17 滑坡穩(wěn)定系數(shù)時效圖(E3與E4)Fig.17 Aging diagram of landslide stability coefficient

結合現(xiàn)實情況，可以發(fā)現(xiàn)對于臺風暴雨天氣，前期小雨的入滲推動了滑坡發(fā)展。雙峰暴雨的情況中邊坡更易失穩(wěn)且滑坡具有突發(fā)性，同時，需注意強降雨情況下穩(wěn)定系數(shù)始終保持下降態(tài)勢，在降雨雨強足夠大的情況下邊坡存在早期失穩(wěn)的可能。

3.2.3 滑坡演化階段劃分

在數(shù)值模擬邊坡坡體內定義3個位移監(jiān)測點，分別位于坡頂，坡中和坡腳。

(1)E3工況滑坡演化階段劃分：根據數(shù)值模擬監(jiān)測點位移數(shù)據分析(圖18)，總結為3個階段：①壓縮沉降微變形階段：降雨導致土體重量加重引起土體沉降微變形，穩(wěn)定性系數(shù)在模擬前期下降較慢，坡體存在一定的位移，但變形量微小，且持續(xù)時間較短。②勻速變形階段：位移勻速增長，曲線斜率基本不變。③加速變形階段：位移速度迅速增大，具有突發(fā)性。從位移曲線可以看出位移增速劇烈，變化幅度巨大。曲線趨勢總體呈非線性增長。

圖18 降雨工況E3滑坡演化階段Fig.18 The landslide evolution stages of rainfall condition E3

(2)E4工況滑坡演化階段劃分：根據數(shù)值模擬監(jiān)測點數(shù)據分析(圖19)，總結為3個階段：①壓縮沉降微變形階段：初期隨著降雨入滲土體飽和度緩慢增大，土體強度下降，坡體穩(wěn)定系數(shù)下降緩慢，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，水平位移不明顯； ②勻速變形階段：根據曲線可以看出水平位移呈勻速增長； ③加速變形階段：破壞速度迅速，具有突發(fā)性。該階段位移增速劇烈，變化幅度巨大，曲線呈非線性增長。

圖19 降雨工況4滑坡演化階段Fig.19 The landslide evolution stages of rainfall condition E4

(3)對比分析：工況3和工況4的滑坡演化都可以劃分為3個階段：①壓縮沉降微變形階段； ②勻速變形階段； ③加速變形階段。不同點在于，工況3中整個滑坡演化過程較連續(xù)； 而工況4中前期小雨強降雨過程中基本沒有發(fā)生位移，位移在暴雨開始時發(fā)生突變，滑坡的發(fā)生具有突發(fā)性且發(fā)展速度較快。

4 模型試驗與數(shù)值模擬結果對比分析

在上文中，模型試驗E1與數(shù)值模擬E3情況對應，模型試驗E2與數(shù)值模擬E4情況對應。

在暴雨雨強降雨情況下(E1和E3)，兩者的邊坡位移曲線都可以明顯分為3個階段，滑坡變形發(fā)展速度較快，穩(wěn)定系數(shù)持續(xù)下降。位移都以坡腳位移為主，證明了數(shù)值模擬具有較大可信度。

在雙峰暴雨雨強情況下(E2和E4)，兩種邊坡位移曲線同樣可以劃分為3個階段，與E1和E3揭示規(guī)律相同。需要注意的是，以30mm·d-1雨強降雨2天后，兩種模擬方式中土層含水率都得到了較大程度的增大但基本沒有出現(xiàn)位移； 在100mm·d-1降雨開始后，兩種模擬方式中位移曲線迅速增大； 位移變化對應穩(wěn)定系數(shù)變化曲線中穩(wěn)定系數(shù)在一開始基本不變化，后期發(fā)生驟降的過程。

綜上所述，模型試驗邊坡與數(shù)值模擬邊坡揭示規(guī)律大致相同。對于臺風暴雨型滑坡，其發(fā)展規(guī)律可以劃分為3個階段； 在暴雨情況下，滑坡的位移發(fā)展不是突變的，在今后的研究中可以通過加速度的變化情況進行預警，而雙峰暴雨情況中，滑坡的發(fā)生具有突變性，則需要運用到突變理論進一步研究其發(fā)展與預警方法。

5 結 論

本文通過邊坡物理模型與數(shù)值模擬，分析了兩種臺風暴雨工況下邊坡滲流和位移發(fā)展情況，獲得了以下結論：

(1)滲透性規(guī)律表明：初期降水以垂直入滲為主，在兩種模擬方式中坡腳位置均迅速飽和，土體內部形成暫態(tài)飽和區(qū)。在前期有小降雨的情況下，坡腳位置更易出現(xiàn)積水與沖蝕現(xiàn)象，對邊坡的安全性影響更大。

(2)穩(wěn)定系數(shù)變化曲線表明：兩種模擬方式揭示的規(guī)律相同，工況E1、E3反映持續(xù)暴雨情況下雨水入滲使得坡體穩(wěn)定性保持下降趨勢。在前期有小雨強降雨的E2、E4工況中，發(fā)生暴雨時坡體含水率較高，滲透系數(shù)大，土體強度大幅下降，最終穩(wěn)定系數(shù)相對于E1、E3工況更低，更加危險。

(3)滑坡變形演化規(guī)律表明：4種工況下邊坡變形過程較一致：在降雨影響下，坡腳土體結構性喪失、強度參數(shù)劇降，邊坡坡腳部分首先達到飽和，發(fā)生沖蝕變形； 隨時間發(fā)展，坡體中部產生拉張裂縫，滑坡體下錯，整體呈牽引式或圓弧形滑動。

(4)將臺風暴雨型滑坡演化過程歸納為3個階段：1)壓縮沉降微變形階段，該階段曲線變化平緩，基本不發(fā)生位移； 2)勻速變形階段，該階段位移勻速增長，位移速率不變； 3)加速變形階段，破壞速度迅速，具有突發(fā)性，曲線呈非線性。