廖彬秀，戴福初，閔 弘，王明龍，許 沖

(1.中國水電顧問集團中南勘測設計研究院，湖南 長沙 410014；2.中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029；3.中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北 武漢 430071；4.中國地震局地質研究所，活動構造與火山重點實驗室，北京 100029)

降雨是山體滑坡的主要誘發(fā)因素之一，深入了解邊坡在降雨條件下的水文響應過程及其變形機制是降雨滑坡預測預報的基礎。以深圳為例，2002年9月18日13:40，在連降暴雨的影響下，梅林關口羊寶地山一填土邊坡發(fā)生破壞，約2.5×104m3的松散填土在坡下近水平地面高速運動了140m，造成半山坳違法搭建窩棚倒塌，十余間窩棚被泥土掩埋，5人死亡，31人受傷［1］。2008年6月29日2:25，連降特大暴雨致使龍崗區(qū)布吉街道轄區(qū)一石場內發(fā)生山體滑坡，造成3人死亡。同日6:30，該轄區(qū)內又發(fā)生一起山體滑坡，導致2棟住宅樓整體破損，1人死亡，4人失蹤。

降雨誘發(fā)滑坡水文過程大致可分為兩種:一種是深層滑坡，降雨造成地下水位上升，孔隙水壓力增加所致；另一種是淺層滑坡，降雨入滲導致邊坡土體基質吸力降低，土體抗剪強度下降所致［2～10］。本文以深圳南嶺大龍山邊坡為例，采用滲壓計、固定式測斜儀、水分計、張力計和雨量計等監(jiān)測儀器對降雨量、坡體地下水、坡體內部變形、土體含水量、基質吸力及降雨強度等進行自動監(jiān)測，分析了邊坡水文響應與變形過程。

1 大龍山邊坡概況

大龍山邊坡位于深圳市東西干道與布瀾路交叉口的西北側，南灣街道南嶺大龍山石材交易市場南側240m，為人工切方形成的巖土質混合邊坡，圖1為其地質主剖面圖。坡底標高80.6～84.1m，坡頂標高87.1～117.8m。該邊坡在地貌形態(tài)上整體呈凹形，坡長約190m，坡高8～34m，坡度45～65°。開挖坡面裸露，西側坡面有小型坍塌。該邊坡曾發(fā)生過大面積的滑坡，滑坡體堆積在坡腳。邊坡南側有一變形裂縫，于早期形成在坡殘積土和強風化的泥質粉砂巖層中，位于坡體上方靠右側。坡腳部分坡段為漿砌石擋墻和排水溝，墻高約1.8m，排水溝寬1.0m，深1.0m。坡頂植被發(fā)育，坡體上有3條縱向排水溝和1條截水溝，大部分排水溝已破壞或堵塞。

邊坡中下部地層為強—微風化的侏羅系(J2tnb)泥質巖、石英砂巖，坡頂為坡殘積土層。根據區(qū)域地質圖，有2條小斷層與坡體斜交，地質構造條件較復雜。地下水類型為孔隙水和基巖裂隙水，含水層為坡殘積土和強風化泥質巖、石英砂巖，坡腳未見地下水出露，但在坡體外南側坡腳常年有地下水流出。地表降水入滲，對邊坡穩(wěn)定性影響較大。

圖1 深圳大龍山邊坡主剖面圖Fig.1 Main profile of Dalongshan slope，Shenzhen City

2 儀器布置

大龍山邊坡監(jiān)測系統(tǒng)安裝于2008年8月。監(jiān)測布置共設3個斷面(圖2)，監(jiān)測系統(tǒng)包括10個滲壓孔、5個測斜孔、12支張力計、12支水分計。降雨量采用翻斗式自動雨量計進行測讀，其分辨率為0.2mm，量程為160cm。滲壓計為Geokon公司生產的振弦式滲壓計。為了控制整個邊坡地下水的動態(tài)特征，滲壓計埋設于3個剖面上，埋深為32.6m、35.6m、35m、25m的 P1(ZK1)、P2(ZK4)、P3(ZK7)、P4(ZK10)位于中間主剖面上；埋深為 37.8m、39.15m、32m和 36.6m、39.8m、41m 的 P8(ZK12)、P9(ZK14)、P10(ZK16)和P5(ZK19)、P6(ZK22)、P7(ZK23)分別位于兩側輔剖面上。邊坡深部變形采用Geokon雙向和單向固定式測斜儀，IN1(ZK2)、IN2(ZK5)、IN3(ZK8)布置于主坡面以監(jiān)控邊坡的整體變形；IN4(ZK24)用于監(jiān)測邊坡東側的淺層滑移變形；IN5(ZK17)用于監(jiān)測南側由貫通性裂縫形成的變形區(qū)的變形和穩(wěn)定狀態(tài)。IN1、IN2為單向位移監(jiān)測，IN3、IN4、IN5采用雙向位移監(jiān)測，傳感器埋深如圖3所示。

圖2 大龍山邊坡監(jiān)測布置圖Fig.2 Layout of monitoring instrumentation of the slope

圖3 測斜埋設示意圖Fig.3 Depth of in-place inclinometer sensors

邊坡淺部土體中的基質吸力采用Jetfill張力計及Geokon張力傳感器進行監(jiān)測，土體中的含水率采用Delta-T型水分計進行監(jiān)測。水分計和張力計位于監(jiān)測點TIM1、T2M2、T3M3處，基本位于主剖面的3個小平臺上，分別在深度0.5m、1.0m、2.0m、3.0m處設計成對埋設，編號及埋深如圖4所示。

所有傳感器均采用DataTaker DT615數采儀進行數據自動采集，數據采集間隔為15min，并用GPRS進行數據的無線傳輸。整個系統(tǒng)利用太陽能供電。

圖4 張力計和水分計編號及埋深Fig.4 Depth and coding of tensiometers and moisture probes

3 降雨條件下邊坡的水文響應分析

3.1 降雨入滲過程分析

由于篇幅所限，主要針對2009年4月13日～2009年6月3日期間的監(jiān)測數據進行分析。圖5為M1、M2、M3測得的體積含水量與降雨量的關系。

從圖5(a)可以看出:(1)淺層體積含水量降雨響應最為迅速，深層體積含水量的變化會有所滯后。2009年3月5日在首次監(jiān)測到日降雨量為39.8mm/d時，0.5m深度處的體積含水量對降雨迅速反應，1m深度處的體積含水量對降雨的反應比0.5m深度處滯后兩天，且體積含水量增加的幅度也較小，而2m和2.8m深度處的體積含水量基本未發(fā)生變化。

(2)當降雨強度達到一定限度時，0.5m深度內的體積含水量變化過程線呈鋸齒狀形態(tài)，入滲前鋒到達時體積含水量急劇增加，前鋒過后快速回落至一定值，隨后開始慢慢下降，其中降雨后的回落值大于降雨開始前的體積含水量值。這反映了在無積水情況下，邊坡淺部土體難以維持飽和狀態(tài)，土中水在重力作用下迅速下移。

(3)1m深度處的體積含水量變化過程線在較強日降雨量的情況下呈波浪和鋸齒狀前進。2009年4月16日之前，體積含水量呈波浪狀向前，降雨后只是以一坡度增加，增加到一定值后，開始緩慢下降，說明在一定的降雨強度下，降雨入滲到1m深度處需要一定的時間。2009年4月16日，降雨量為59.4mm/d，2009年4月18日，降雨量為52.4mm/d，在間隔1天、2次超過50mm/d降雨情況下，體積含水量在18日急劇增加，增加幅度較大，從39.59%上升到62.19%，然后迅速回落到一定值后開始慢慢下降。2009年4月25日，下降至54.54%，在當日雨量為54.2mm/d的情況下，滯后2天后體積含水量又急劇上升到56.77%，降雨過后，開始慢慢往下降，一直持續(xù)至2009年5月23日，期間降雨甚少。2009年5月23日，日降雨量為110mm/d，2009年5月24日，日降雨量為123.6mm/d，體積含水量在2009年5月 24日急劇增加到60.02%，并迅速回落至56.78%后開始緩慢下降。在隨后的2個月里，由于日降雨量不大，入滲至1m深度處的體積含水量下移至更深處，其體積含水量一直處于下降階段。

(4)日降雨量越大，影響深度越大。2m深度處的體積含水量在日降雨強度不大的情況下，基本保持不增加的狀態(tài)。在2009年4月23日、24日較強降雨量的條件下于5月25日開始上升，在30日達到最大值40%，其后以幅度非常小的速度下降。

從圖5(b)可以看出:(1)在2m深度內，體積含水量在強降雨期間急劇增加，其變化過程線呈鋸齒狀。

(2)隨著深度的增加，降雨響應過程延遲。0.5m深度處體積含水量對降雨的響應最為迅速敏感，降雨入滲需要時間，因此1m深度處體積含水量的響應滯后于0.5m深度處，2.05m深度處的體積含水量的降雨響應滯后于1m深度處。

(3)0.5m處體積含水量在單次雨強大于39.8 mm/d時，響應峰值一般在54%左右，說明淺層粘土0.5m深度處的體積含水量在54%左右處于飽和狀態(tài)。

(4)2009年5月23日，日降雨量為110mm/d，24日，日降雨量為123.6mm/d，在連續(xù)2次較大單次降雨強度下，2.92m深度處的體積含水量開始響應，并迅速回落，雨水入滲后使其穩(wěn)定值高于降雨前的初始體積含水量值。

圖5 監(jiān)測點M1、M2、M3體積含水量與降雨量關系曲線Fig.5 Variation in volumetric water content with rainfall at M1，M2 and M3

從圖5(c)可以看出:(1)在較大單次降雨強度下，0.5m處體積含水量變化曲線表現(xiàn)為急劇升高，并迅速回落，隨著深度增加，響應過程延遲。

(2)2009年4月13日降雨強度為55.8mm/d時，2.80m深度處體積含水量在降雨停止后2天開始慢慢上升，在隨后1個月內，出現(xiàn)過幾次較大降雨強度，都處于階梯狀上升趨勢中。2009年4月25日至5月23日期間，由于降雨甚少，體積含水量變化曲線一直處于緩慢減少趨勢中。5月23日，日降雨量為110mm/d，24日，日降雨量為123.6mm/d，在連續(xù)2次較大單次降雨強度下，體積含水量變化曲線表現(xiàn)為急劇升高至尖銳峰值，隨之又以較大速率下降至穩(wěn)定狀態(tài)，到5月30日，緩慢下降穩(wěn)定趨勢沒有受到較大降雨量和累積雨量較大的影響。

綜上所述:(1)不同深度體積含水量不同；(2)降雨入滲條件下淺層體積含水量首先被影響，淺層體積含水量的響應快于深層。隨著深度的增加，不同深度體積含水量的響應會逐漸滯后；(3)降雨入滲條件下淺層體積含水量的變化大于深層，最大變化往往出現(xiàn)在地表附近；(4)日降雨強度越大，降雨入滲影響的體積含水量的深度越大；(5)同一深度下，日降雨量越大，體積含水量的變化越大；(6)土體體積含水量曲線以鋸齒狀發(fā)展，表明土體體積含水量不僅受降雨量的影響，也受土體中水分蒸發(fā)的影響。對比M1、M2和M3位置處的體積含水量曲線，M1處深度為2m處的體積含水量對2009年5月23日之前的幾次降雨無響應，可能是因為M1處位于邊坡頂部較高的位置，雨水沿邊坡面徑流發(fā)揮很大作用，影響了降雨入滲量；(7)不同深度處體積含水量對降雨入滲的響應不僅受日降雨量的影響，同時也受前幾次累積降雨量的影響。

圖6為2009年4月13日～2009年6月3日期間土體基質吸力與降雨量隨時間的變化關系。

從圖6(a)可以看出:(1)在單次較大降雨條件下，0.5m處的基質吸力在0～10kPa，淺層易發(fā)生滑坡。

(2)淺層基質吸力的變化比深層快。在2009年4月16～25日降雨條件下，0.5m和1m深度處的基質吸力迅速減小，降雨停止后吸力又慢慢增加。2m深度處的基質吸力下降的時間在2009年4月16日降雨停止后的1～2天，變化滯后，同時降雨停止后基質吸力又慢慢增加時也會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。2.8m深度處的基質吸力在降雨停止后一直保持微量減少變化的趨勢。這是因為深度相對較深時，降雨入滲至此是一個相對緩慢連續(xù)的過程。5月23日，日降雨量為110mm/d，24日，日降雨量為123.6mm/d，在連續(xù)2次較大單次降雨強度下，0.5m處的基質吸力迅速減小，1m處相對0.5m處基質吸力迅速減小的速度相對滯后，2m處相對1m處的基質吸力亦如此，較大降雨后基質吸力又慢慢增加，2.8m處的基質吸力變化甚微，這些結果均表明降雨入滲淺層基質吸力迅速減少甚至消失，易于淺層滑坡發(fā)生。

(3)2009年4月26日～5月21日累積雨量小于10mm的干旱期里，淺層基質吸力與深層基質吸力相當。在其余降雨較多的時期，淺層基質吸力小于深層基質吸力。反映了長期干旱淺層土體受植被根系及蒸騰作用的影響，水分蒸發(fā)，淺表層(0.5～1.0m)土層處于失水狀況相當階段，基質吸力相當。

從圖6(b)可以看出:(1)干旱時期，淺層基質吸力大于深層基質吸力。2009年4月26日～5月21日累積雨量小于10mm的干旱期里，0.5m處基質吸力一直增加，最大接近至50kPa，2.05m處基質吸力也處于一直增加狀態(tài)中，最大值超過30kPa，2.96m處基質吸力處于比較平緩的狀態(tài)中，變化較小。

圖6 T1、T2、T3處基質吸力與降雨量的關系曲線Fig.6 Variation in matric suction with rainfall at T1，T2 and T3

(2)在2009年5月底至6月降雨較多的時期，淺層基質吸力小于深層基質吸力。2009年5月23日，日降雨量為110mm/d，24日，日降雨量為123.6mm/d，在連續(xù)2次較大單次降雨強度下，0.5m處基質吸力迅速響應，且接近飽和狀態(tài)。隨后，2.05m和2.96m處的基質吸力也迅速減少。在隨后不斷降雨的情況下，0.5m處的基質吸力都及時敏銳地響應，基本保持5kPa左右。2次較大降雨停止后2.05m和2.96m處基質吸力一直處于下降階段。

從圖6(c)可以看出:(1)日降雨量越大，基質吸力變化越大。(2)降雨入滲條件下，1.0m處的基質吸力響應較2.0m處的快。

綜上所述:(1)不同深度處基質吸力不同；(2)降雨入滲條件下淺層基質吸力迅速減少，響應明顯先于深層。隨著深度的增加，不同深度基質吸力的響應會有不同程度的滯后，這也表明基質吸力變化與降雨具有相對應的關系，且存在時間滯后，深層土體基質吸力的影響需要有充分的滲透時間。(3)因淺層土體體積含水量受植被蒸發(fā)的作用影響較大，干旱時期，淺層基質吸力大于深層的基質吸力。雨季深層基質吸力大于淺層的基質吸力。(4)隨著時間的變化，不同深度基質吸力的變化不同，淺層基質吸力的變化大于深層。降雨入滲過程中大龍山淺層土體基質吸力可快速減弱，體積含水量增加，尤其是土體淺部(3m以內的土體)的基質吸力很小，抗剪強度相應降低，發(fā)生淺層滑坡的可能性較大。

3.2 地下水位變化分析

圖7 孔隙水壓力、降雨量隨時間變化關系Fig.7 Variation in pore water pressure with rainfall

圖7為2009年4月13日～6月3日孔隙水壓力變化曲線。由于滲壓計P1、P3傳感器讀數處于異常狀態(tài)，監(jiān)測到的數據不穩(wěn)定，故在此未給予討論?？梢钥闯觯?月18日(降雨量52.4mm/d)和4月24日(降雨量54.2mm/d)及5月23日、24日(降雨量分別為110mm/d，123.6mm/d)連續(xù)降雨的情況下，滲壓計P4的孔隙水壓力均表現(xiàn)為較強烈的響應，且日降雨量越大，孔隙水壓力的變化量也越大，在降雨停止后達到某一穩(wěn)定值所需要的時間也越長。其余滲壓計的埋深均超過30m，孔隙水壓力變化曲線基本未受到當時降雨量的影響，地下水位基本不變。

滲壓計P4因其埋深較淺(25m)，且位于坡腳處，該處表層屬于滑坡堆積體，土體相對松散，滲透系數大。2008年12月30日滲壓計P4初始時地下水位埋深約6m(圖8)。當遇較大降雨時，該處土體孔隙水壓力急劇增加。其余滲壓計地下水位埋藏較深，當降雨入滲時，由于坡度在45～65°，坡頂植被發(fā)育，一部分雨水徑流而走，一部分雨水因為植物蒸騰作用蒸發(fā)，導致其對降雨響應十分不敏感，地下水位基本不變。

圖8 主剖面初始所測水位線Fig.8 Initial groundwater level measured from readings

圖9 固定式測斜儀測得變形Fig.9 Displacements measured from in-place inclinometers

4 邊坡變形分析

圖9為主剖面測斜IN1、IN2和IN3的累積位移曲線，可以看出，坡體最大聚變點在2.6m處，具有明顯的滑動面，且2.6m以上，越接近地面，累積位移越大。測斜IN1累積位移最大接近4mm，測斜IN2累積位移接近7.5mm，測斜IN3A向累積位移接近10mm。在約5m處和7m處有第二、第三個斜坡變形集中點，但變形都較3m處要小，因此淺層滑坡的可能性最大。測斜IN3B方向斜坡變形主要在5.5m處，位移變形很小。隨著時間的延續(xù)，累積位移變形增大的趨勢并不明顯。就目前情況來說，山體邊坡處于穩(wěn)定狀況。

5 結論

(1)通過對大龍山邊坡水文過程和邊坡內部位移的變形監(jiān)測表明，TIM1、T2M2、T3M3位置點地形、坡度及2m內土質基質吸力的變化趨勢基本保持一致。

(2)降雨入滲時，邊坡淺層0.5m、1m處的基質吸力和體積含水量對降雨入滲的響應十分敏感，日降雨量越大，影響深度越深，影響程度也越強。

(3)在2次較大日降雨量的條件下，深層基質吸力大于淺層基質吸力，淺層遭到破壞的可能性大。

(4)2次降雨事件之間的干燥期，由于長期干旱，植物的蒸騰作用導致水分的蒸發(fā)，2m內平均體積含水量降低，基質吸力增加，蒸騰作用對其變化影響很大。

(5)邊坡內部最大位移變形發(fā)生在3m深度內，在長期較大降雨的條件下，淺層滑坡的可能性較大。

(6)坡腳(滑坡堆積體處)滲壓計P4對降雨響應敏感，當日降雨量較大時，雨水入滲后瞬態(tài)孔隙水壓力迅速增加，長期降雨條件下，此處也有可能再出現(xiàn)局部小破壞，其余滲壓計在降雨入滲后地下水位變化小。

(7)根據目前邊坡自動監(jiān)測后的數據分析，大龍山邊坡整體上處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

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