陳洪凱，魏 來，譚 玲

(重慶交通大學巖土工程研究所，重慶400074)

滑坡災害對人類社會的影響已成為一個不可忽視的環(huán)境難題，其危害已經成為僅次于地震災害的第二大自然災害［1］?；碌漠a生和降雨有著緊密地聯(lián)系，降雨可以降低巖土體自身的物理性能，改變斜坡周邊的地下水條件，并成為斜坡最終發(fā)生失穩(wěn)破壞的觸發(fā)因素。國內外學者針對降雨誘發(fā)滑坡之間的關系做了大量研究，降雨誘發(fā)滑坡閾值的概念首先由Caine［2］提出來。之后人們發(fā)現(xiàn)這種基于客觀統(tǒng)計事件得出的經驗型降雨閾值可以作為預測滑坡災害的判據(jù)，并且所需滑坡數(shù)據(jù)可由觀測直接得到。隨著降雨誘發(fā)滑坡預警系統(tǒng)在各國的建立，降雨閾值的研究發(fā)展相當迅速，許多國家對降雨強度和持續(xù)時間進行監(jiān)測以確定區(qū)域誘發(fā)滑坡的經驗閾值，如香港、日本、波羅黎哥、夏威夷和加利福尼亞北部等［3］。

所謂誘發(fā)滑坡的降雨閾值，也稱為臨界降雨，可以理解為降雨導致斜坡發(fā)生破壞的臨界值，其下限是斜坡沒有變形破壞，瀕臨破壞;上限是斜坡已經發(fā)生變形破壞。一些學者［4-7］從降雨入滲、水文水力條件和邊坡巖土體失穩(wěn)機理上著手推導公式，分析得出基于滑坡過程模型［8］的物理性降雨閾值。而經驗(統(tǒng)計)性降雨閾值包括不需要嚴格的數(shù)學推導和物理規(guī)律，是一種基于宏觀滑坡區(qū)域和降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計模型，且數(shù)據(jù)客觀易得，因此經驗性降雨閾值發(fā)展較為成熟。筆者對經驗性降雨閾值的研究現(xiàn)狀進行分類總結，并對各種經驗性閾值加以評述，指出了存在的問題，針對這些問題提出自己的建議和展望，以期為降雨誘發(fā)滑坡的預測預報判據(jù)選擇問題提供科學指導，起到防災減災的效果。

1 降雨型滑坡降雨閾值分類研究

1.1 4種經驗性降雨閾值

國外一些研究［8-10］認為是對誘發(fā)滑坡的歷史降雨事件進行統(tǒng)計，將其降雨強度、歷時條件描繪在笛卡爾坐標、半對數(shù)坐標或者雙對數(shù)坐標中，再運用相關統(tǒng)計分析軟件(例如 WinBUGS、excel等)擬合出這些數(shù)據(jù)點的下限百分水平線，這條冪指數(shù)曲線或者線性線就是降雨強度-歷時關系曲線，也稱為經驗性下限降雨閾值，可以用來作為滑坡啟動的降雨判據(jù)。同樣的方法可以得到累積降雨量-歷時關系曲線和累積降雨量-降雨強度關系曲線。誘發(fā)滑坡的降雨閾值也可由統(tǒng)計相應降雨事件的降雨量直接得到。

Guzzetti，等［8］在其研究中提到通過分析大量獨立的降雨誘發(fā)滑坡事件，可以分別得到4種不同的閾值統(tǒng)計關系;①降雨強度-歷時關系閾值;②累積降雨量-歷時關系閾值;③累積降雨量-降雨強度關系閾值;④基于降雨誘發(fā)滑坡的總降雨量閾值。

在幾種關系閾值中，降雨強度-歷時關系閾值在世界各地降雨預報中使用頻率最高，可用式(1)表示:

式中:I為誘發(fā)滑坡降雨事件降雨強度，短歷時取峰值降雨強度，長歷時取平均值，mm/h;D為誘發(fā)滑坡的降雨事件歷時，h;α，β為統(tǒng)計參數(shù);c≥0。

累積降雨量-歷時關系閾值可用式(2)表示:

式中:E為累積降雨量，mm;D，α，β，c意義單位同上。

同理，累積降雨量-降雨強度關系閾值公式只需用平均降雨強度I代替式(2)中的降雨歷時D:

將國內外具有代表性國家和地區(qū)的上述3種降雨閾值分類總結匯總，結果見表 1［2，8-9，11-20］。

表1 世界不同國家地區(qū)誘發(fā)滑坡降雨閾值統(tǒng)計關系Table 1 The statistical relationship of rainfall threshold in different countries and regions

由表1中降雨強度-歷時表達式可知，相同統(tǒng)計關系的降雨閾值在不同國家和地區(qū)相差很大，這和當?shù)貧庀髼l件，水文地質環(huán)境地貌因素，人類活動等外部因素相關。再者由于數(shù)據(jù)精度和具體地區(qū)觀測設備等基礎設施的差異，導致一些參數(shù)精度和表達式的區(qū)別。降雨歷時D條件范圍的跨度各異，文獻［2］中降雨強度閾值可以精確到0.167 h，跨度接近500 h;日本四國島只可精確到24 h。

3種閾值中，降雨強度-歷時、累積降雨量-降雨強度閾值呈遞減關系，而累積雨量-歷時閾值呈遞增關系。這表明隨著降雨時間的持續(xù)，誘發(fā)滑坡的平均雨強逐漸降低，總累積雨量增加。

式(3)中c的意義是長歷時降雨閾值的逼近值，表明在一些統(tǒng)計中［14］誘發(fā)滑坡的降雨強度閾值隨著降雨時間的增長而降低，最后趨近于常數(shù)c。一次長歷時的降雨誘發(fā)滑坡事件中，其歷時越長，降雨總量變化越小，平均降雨強度越接近。

表1 中適用于世界范圍［2，9，17］的滑坡降雨閾值是學者選取世界上不同具有代表性的獨立地區(qū)降雨誘發(fā)滑坡事件進行統(tǒng)計分析得出，是一個概括性的總結;適用于地區(qū)范圍［11-13，15-16，20］的降雨閾值一般選取具有相同氣候水文地質條件地區(qū)的降雨滑坡數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計得出，其適用于此特定區(qū)域;而適用于當?shù)胤秶慕涤觊撝担?4，18-19］一般選取范圍較小的一個或幾個降雨滑坡資料進行統(tǒng)計得出，適用范圍小但其預報精度高。

為了解決不同地區(qū)由于其特殊地質氣候等因素所造成的降雨閾值不可比較分析相互應用的問題，一些學者［8-9，21-23］將誘發(fā)滑坡降雨事件中的降雨強度做歸一化、標準化處理，并定義為IMAP，其意義為誘發(fā)滑坡降雨強度占年平均降雨量(Mean Annual Precipitation)的比重;一些學者［8-9］采用 IRDN歸一化降雨強度，其意義為誘發(fā)滑坡降雨事件中的降雨強度占年降雨日數(shù)平均降雨量(Rainy-Day Normal)的比重。

如Aleotti，等［22］對意大利西北部地區(qū)的淺層滑坡研究中得出降雨強度-歷時閾值:

式中:IMAP為歸一化降雨強度，h-1;2＜D＜150。

在一次誘發(fā)滑坡的降雨事件中，達到某一降雨量將會誘發(fā)滑坡，超過一定的降雨量滑坡會大量產生。一些學者對降雨滑坡事件進行統(tǒng)計分析，直接得出某區(qū)域滑坡產生或大量產生的降雨量閾值，前者有時稱作滑坡啟動閾值。降雨量閾值分為10 min降雨量、時降雨量、日降雨量、前期累積降雨量、總累積降雨量、一次降雨占年平均降雨量(MAP)的比重等。

Mark，等［24］通過對當?shù)亟邓突沦Y料進行分析，認為當前期雨量≥300 mm，暴雨量≥250 mm，即短時內的降雨量大于年平均降雨量的30%時，滑坡將大規(guī)模發(fā)生。Brand，等［25］通過對香港滑坡案例的研究指出，滑坡的降雨強度閾值可能是70 mm/h，若日降雨量低于100 mm，則不大可能誘發(fā)滑坡;日降雨量高于200 mm時，將會有大量滑坡產生。王蘭生［26］通過對1981年和1982年在四川盆地地區(qū)發(fā)生大面積的暴雨誘發(fā)滑坡的統(tǒng)計資料得出，滑坡發(fā)生在降雨強度閾值大約是200 mm/d。張學年，等［27］通過對云陽、奉節(jié)地區(qū)滑坡與降雨強度研究，認為誘發(fā)滑坡復活的臨界降雨強度為140～150 mm/d。國內外一些地區(qū)降雨量閾值歸納總結結果見表2［28-34］。

表2 國內外降雨誘發(fā)滑坡閾值判據(jù)Table 2 The threshold criterion of domestic and foreign rainfall-induced landslides

由表2可知，不同地區(qū)由于客觀因素的制約其誘發(fā)滑坡閾值普遍不同，因此要得到某一地區(qū)的降雨閾值，必須充分考慮其氣象水文地質地貌等因素。

同一地區(qū)滑坡累積降雨量閾值以三峽庫區(qū)湖北段230個滑坡個例，統(tǒng)計滑坡前10 d累積降雨量，得出滑坡前累積降雨量與滑坡發(fā)生的概率，見圖 1［35］。

圖1 前10 d累積降雨量與滑坡概率的關系Fig.1 Relations between 10 d cumulative rainfall and landslide probability

由圖1可知前10 d累積降雨量越大，滑坡發(fā)生的概率越高，當累積降雨量達到192 mm時，滑坡概率幾乎達到了100%。可見累積降雨量在一些地區(qū)也對滑坡具有控制作用，同一地區(qū)降雨閾值誘發(fā)滑坡的發(fā)生概率隨著降雨量的增加普遍增高。

1.2 考慮前期降雨的降雨閾值

前期降雨可以使斜坡巖土體中含水量增加，地下水位線升高，孔隙水壓力增加，從而斜坡的穩(wěn)定性降低，此時在外界的誘發(fā)因素如降雨、地震或人為因素都可以誘發(fā)滑坡。

Cardinali，等［36］指出在意大利中部地區(qū)，當 3 月的累積降雨量超過590 mm或者4月累積雨量超過700 mm時，滑坡發(fā)生的可能性大大增加。上例可知在一些地區(qū)前期降雨累積雨量對滑坡的發(fā)生起作用，但是一些地區(qū)滑坡發(fā)生需要有前期降雨和短時降雨強度相結合，兩者之間有著復雜的耦合關系，這都取決于具體地區(qū)的具體客觀條件，目前有一部分學者已經對此作出研究。

Lumb［37］對香港地區(qū)近20年來的滑坡降雨資料統(tǒng)計分析得出滑坡的發(fā)生主要由日降雨量和滑坡發(fā)生前15 d累積降雨量有關。當滑坡前15 d累積降雨超過50 mm，并且日降雨量大于50 mm時將會誘發(fā)少量滑坡;當滑坡前15 d累積降雨量超過200 mm，日降雨量大于100 mm，將會誘發(fā)大量滑坡;當前15 d累積雨量超過350 mm，并且日降雨量大于100 m，則將會帶來整個區(qū)域性的嚴重災害。

De Vita［8］認為意大利南部地區(qū)滑坡前60 d降雨和日降雨量都對其有影響，當考慮發(fā)生滑坡的前1～19 d之間任意的前期降雨時，滑坡的啟動日降雨量隨著前期降雨量的增加而遞減;如果考慮更長的前期降雨，滑坡啟動日降雨量會先減少，隨后維持在50 mm的水平。

也有一些學者對于前期降雨在誘發(fā)滑坡降雨閾值的作用方面持懷疑態(tài)度。在文獻［25］中，作者指出如果香港地區(qū)降雨過程中有較高的降雨強度，則前期降雨量的影響相當微弱，滑坡的發(fā)生同降雨強度具有很好的同步關系。Corominas［38］則認為淺層滑坡主要取決與覆蓋層土體的孔隙率和滲透性，前期降雨對其影響不明顯。前期降雨對滑坡作用不明顯的地區(qū)，其所能達到的最高降雨強度較大，如熱帶地區(qū)，或者在易發(fā)生淺層滑坡的地區(qū)。

考慮前期降雨對滑坡降雨閾值的影響，其時間跨度的選擇是一個難題，目前常用的前期降雨有前3 d、前5 d、前 10 d、前 15 d。Pasuto and silvano［39］針對其所在地區(qū)對1～120 d前期降雨都做了相關研究，結果發(fā)現(xiàn)前15 d的降雨對發(fā)生滑坡相關性最好。

1.3 不同降雨型式對誘發(fā)滑坡降雨閾值影響

在某些地區(qū)，前期降雨雨量雖然相差不大，但降雨的不同型式往往會使最終誘發(fā)滑坡產生的降雨閾值不同。對于同一類型的滑坡來說，比較均勻的強降雨雖然整體降雨量很大，但不能使滑坡產生破壞，此類滑坡的啟動關鍵需要達到一定的降雨強度。例如黃臘石滑坡，1991年6月30日降雨156 mm，未引起滑坡異常;而1991年8月6日降雨133.6 mm時形成崩塌、滑坡、泥石流20余處［40］。后來調查發(fā)現(xiàn)，雖然后者總降雨量比較少，但是最高降雨強度達到了75 mm/h。

對于不同前期降雨型式對誘發(fā)滑坡降雨閾值的影響，有學者［41-44］已經開始著手研究，并取得一些進展。在文獻［41，43］中，作者將具有相同降雨總量的不同的前期降雨型式概化為具有代表性的4種不同的類型，分別是平均型、遞減型、遞增型、中鋒型，如圖2。

圖2 4種不同的降雨類型Fig.2 Four different types of rainfall

結果顯示，4種不同類型前期降雨作用下，降雨入滲和孔隙水壓力的變化是不同的。遞減型的前期降雨形式需要最大的激發(fā)雨量閾值，其次是中鋒型，再次是平均型，最后是遞增型［41，43］。

而不同的降雨類型對不同種類的土質作用不同［42］。相同前期降雨量情況下，高滲透率的土在遞減型降雨作用下其安全系數(shù)下降最快;低滲透率的土則對遞增型降雨更為敏感。

在一定地區(qū)影響降雨閾值的因素不僅和降雨量，降雨強度，持續(xù)時間有關，降雨型式也會對其降雨閾值產生影響，具體不同的地質條件對不同的降雨型式敏感性不同。

1.4 降雨誘發(fā)不同類型滑坡閾值關系

一般滑坡按其巖土性質組成不同可分為堆積土、堆填土、黏土、黃土、破碎巖石和基巖型滑坡，按滑動面深度也可分為淺層滑坡(小于6 m)和中厚層滑坡(6～50 m)，按滑坡體積可分為小、中、大、巨型滑坡［45］。引起不同滑坡所需的降雨閾值一般有所差異。我國西南地區(qū)滑坡大部分為堆積層滑坡和基巖滑坡，下面針對這幾種類型滑坡和降雨閾值的關系進行探討。

由表3和表4可見，對于相同類型的滑坡，大規(guī)?；乱话闼栎^大累積降雨量和降雨強度;而對于規(guī)模差別不大的不同類型滑坡，基巖類滑坡一般比堆積層滑坡所需更大的累積雨量和降雨強度。

不同地質條件的地區(qū)發(fā)生的滑坡災害的降雨閾值往往是不相同的，三峽庫區(qū)就是一個很好的例子。三峽庫區(qū)東西狹長，橫跨兩個不同的地質環(huán)境，其間大致以奉節(jié)為界，西部大部分為低山丘陵，巖性為泥巖砂巖;而東部則屬于碳酸鹽巖組成的侵蝕高山峽谷區(qū)。陳劍，等［48］通過對東西兩地區(qū)的降雨滑坡資料進行統(tǒng)計，以24 h降雨強度作為誘發(fā)滑坡的變量因子，最終得出兩地區(qū)不同降雨條件下的滑坡發(fā)生概率。

杜榮恒，等［47］對三峽地區(qū)降雨滑坡資料進行整理得出引起不同類型滑坡的閾值，見表4。

表3 不同類型滑坡和降雨量表［46-47］Table 3 Different types of landslide and rainfall［46-47］

表4 暴雨觸發(fā)滑坡的臨界降雨強度［47］Table 4 Rainfall intensity of rainstorm triggered landslides［47］

對于均質土邊坡和基巖型邊坡來說，短歷時的強降雨是誘發(fā)滑坡，特別是淺層滑坡的主要因素。林鴻州，等［49］指出高強度降雨較易使邊坡產生流滑破壞且沖蝕現(xiàn)象較為明顯;而低雨強長歷時的降雨較易使邊坡深層土體的孔隙水壓力增加，因此較易產生滑動型破壞且滑坡體的規(guī)模也較大。這是因為短時的強降雨可以使淺層土體迅速達到飽和狀態(tài)，孔隙水壓力升高，基質吸力下降，抗剪強度下降，加上外界雨水的擾動，很容易產生超孔隙水壓力，從而使土體產生流滑破壞。

Sugiyama，等［50］通過對鐵路沿線邊坡滑坡的研究，指出滑坡應分為淺層滑坡和深層滑坡，并提出臨界降雨參數(shù)公式Rmrn，其中R表示總降雨量，r表示時雨量，m，n為其中參數(shù)。并由此公式對112個案例進行分析，結果顯示對于淺層滑坡，m=0.2，n=0.9;深層滑坡m=0.4，n=0.2。由此可見，時雨量對淺層滑坡影響顯著，總累積雨量則對深層滑坡影響顯著。

針對不同地質條件誘發(fā)滑坡降雨閾值的差異，在強降雨作用下，由于降雨量在短時內可以累積到相當大值，當遇到親水性好，滲透力強的第四系松散堆積層時，便可誘發(fā)巨大的地質災害;若巖土體滲透系數(shù)較小的巖土體，由于短時內的降雨能夠產生大量地表徑流，徑流產生沖刷力，還可對巖土體造成沖蝕，破壞巖土體的穩(wěn)定結構，從而造成崩塌、滑坡、泥石流等地質災害;特別是對于裂隙充水承壓型斜坡來說，由于短歷時的強降雨可以迅速充滿巖土體裂縫，使之產生很高的承壓水壓力，因此此類型滑坡多發(fā)生在降雨強度最大的時段，其降雨強度閾值也較大。

2 討論

2.1 經驗性降雨閾值存在的問題

通過上面的論述，可以看出經驗性降雨閾值的產生發(fā)展和已取得的成果，但是其問題也很突出，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

1)受客觀統(tǒng)計資料影響較大。在資料缺失的地區(qū)，或者資料統(tǒng)計不完整，精度不夠，存在較大誤差的地區(qū)，最終的閾值會受到很大影響，以至于不可用以預測預報。再者發(fā)生山體滑坡區(qū)域往往距雨量站較遠，或者由于高程氣候原因滑坡發(fā)生區(qū)往往較雨量站海拔高，兩者降雨強度差別較大，由此統(tǒng)計的降雨閾值適用性較差。

2)降雨強度的選擇問題。降雨強度-歷時關系是經驗性閾值統(tǒng)計的基礎，但是上述一些基于平均降雨強度的統(tǒng)計存在較大誤差，忽略了峰值降雨強度對滑坡的激發(fā)作用。

3)地區(qū)性限制明顯。基于一個單體滑坡、一組滑坡或者一個地區(qū)滑坡降雨數(shù)據(jù)得出的閾值，往往對另外的滑坡，即使是鄰近地區(qū)都有一定限制，應用誤差很明顯。

4)如何進行前期降雨時間選擇。如前文所述，針對不同的地質條件和氣象客觀條件統(tǒng)計一次滑坡事件的前期降雨時間，其如何選擇是一難題。

5)前期降雨型式的考慮。在對降雨量閾值進行統(tǒng)計時，未考慮降雨型式的影響。

6)降雨、滑坡的周期性對降雨閾值的影響。在一些研究成果中已表明降雨的周期性會帶來滑坡發(fā)生的周期性，并且滑坡本身發(fā)生也具有周期性［46］，這些都會影響誘發(fā)滑坡降雨閾值的選擇。

2.2 經驗性降雨閾值的展望

要想解決經驗性降雨閾值存在的問題，使之更加客觀精確，更好的用來為滑坡的預報預測，應從下列幾個方面著手:

1)經驗性降雨閾值應同滑坡產生機理密切結合

以上分析可見，經驗性降雨閾值存在很多問題，有些問題產生的本因就是未考慮斜坡失穩(wěn)，巖土體與雨水，地下水，外界環(huán)境作用的機理。例如長時段降雨條件下考慮前期降雨的耗散問題。因此應根據(jù)滑坡產生的機理對經驗模型進行科學修正。

2)經驗性降雨閾值應同環(huán)境地質背景緊密結合

筆者已經針對不同類型滑坡的經驗性降雨閾值進行探討，不同的地質環(huán)境其降雨閾值相差較大，要想進行精細化區(qū)域的滑坡預測預報，就必須充分了解該區(qū)域環(huán)境地質，并以此為基礎選取代表性的降雨滑坡資料進行統(tǒng)計分析。

3)完善降雨滑坡監(jiān)測機制、靈活選取經驗性降雨閾值

為了使降雨滑坡統(tǒng)計資料更加客觀可靠，應不斷開發(fā)完善降雨滑坡監(jiān)測機制，降雨量精確插值技術等。前文對經驗性降雨閾值的類型進行敘述，但有些地區(qū)的實際情況復雜，這時應考慮將不同的經驗性降雨閾值比較遴選，或者加以綜合運用。例如發(fā)展出更加適合本地區(qū)的氣候降雨指標等，使之更加符合客觀因素。

3 結論

1)經驗性降雨閾值已在各國降雨誘發(fā)滑坡災害預測預報中發(fā)揮了巨大作用。筆者回顧了國內外經驗性降雨閾值的發(fā)展，將其分類總結，并結合滑坡產生機理加以評述，以期為滑坡預警研究進一步發(fā)展提供的理論依據(jù)。

2)前期降雨量、前期降雨時間、前期降雨型式在不同的地區(qū)對降雨閾值的影響不同，不同的滑坡類型其降雨閾值也有很大差別。在不同的地區(qū)應該充分考慮其環(huán)境地質因素，考慮前期降雨，這能令降雨閾值更加精確。

3)筆者基于國內外經驗性降雨閾值研究現(xiàn)狀，討論了經驗性降雨閾值目前存在的6點問題，針對問題給出建議:①經驗性降雨閾值應同滑坡產生機理密切結合;②經驗性降雨閾值應同環(huán)境地質背景緊密結合;③完善降雨滑坡監(jiān)測機制、靈活選取經驗性降雨閾值。

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