李偉，李明，理繼紅，袁崇銘，宋京雷，張麗

1．江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京 210018；2．自然資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210018；3．河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京 210098

0 引言

殘坡積土質(zhì)滑坡是江蘇省典型的滑坡類型之一，在環(huán)太湖沿岸、宜溧低山丘陵區(qū)及連云港云臺(tái)山等地區(qū)廣泛分布。殘坡積土質(zhì)滑坡體物質(zhì)組成多為粉質(zhì)黏土或含碎石粉質(zhì)黏土，下伏則為巖質(zhì)坡體，呈上土下巖的二層結(jié)構(gòu)，在降雨后坡體往往沿著巖土分界面發(fā)生滑移[1]。

作為江蘇省殘坡積土質(zhì)滑坡最主要的誘發(fā)因素之一，降雨一直是滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警的研究重點(diǎn)[2--3]，相關(guān)研究也多基于滑坡與降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨過(guò)程等因素的統(tǒng)計(jì)關(guān)系來(lái)確定臨界降雨量[4--7]，其中Glade[8--9]建立的當(dāng)日降雨量模型、前期降雨量模型和前期土體含水狀態(tài)模型等臨界降雨量模型是最為傳統(tǒng)的方法之一。大量研究結(jié)果表明，當(dāng)日降雨量和前期累計(jì)降雨量對(duì)滑坡穩(wěn)定性都具有很大的影響，而且驅(qū)動(dòng)滑坡的有效降雨與實(shí)際降雨量往往并不相同[10--11]。以往研究中常用有效降雨量來(lái)反映當(dāng)日降雨量、前期降雨量對(duì)滑坡的影響[12]，該方法所需數(shù)據(jù)易獲取、計(jì)算簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)并在中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警應(yīng)用中取得了一定的效果。江蘇省自2013年以來(lái)就采用了基于前5日降雨量、預(yù)報(bào)雨量等指標(biāo)的有效降雨量模型來(lái)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)各區(qū)有效降雨系數(shù)進(jìn)行了賦值[13]，但其相關(guān)參數(shù)和預(yù)警判據(jù)的確定僅基于滑坡和降雨的區(qū)域統(tǒng)計(jì)關(guān)系而缺少針對(duì)滑坡要素的專業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。

筆者以江蘇省典型的雪浪山殘坡積土質(zhì)滑坡為例，在以往研究基礎(chǔ)上[14]開(kāi)展了針對(duì)巖土體形變、土壤含水率、孔隙水壓力和降雨量等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，旨在不斷修正傳統(tǒng)的有效降雨量模型和預(yù)警判據(jù)，以期進(jìn)一步提高此類殘坡積土質(zhì)滑坡預(yù)警預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，為下一步精細(xì)化監(jiān)測(cè)預(yù)警提供思路。

1 雪浪山滑坡概況

雪浪山滑坡位于無(wú)錫市濱湖區(qū)雪浪山東側(cè)，平面呈不規(guī)則喇叭狀，總體坡向90°～100°，滑坡體地勢(shì)西高東低，最大高差60 m?；麦w主軸長(zhǎng)約150 m，前緣寬約185 m，后緣寬約100 m，坡度20°～25°，厚度5～8 m，滑坡體總方量約12.5×104m3。野外調(diào)查和鉆探資料揭示，滑坡體巖性為含碎石粉質(zhì)黏土，碎石以砂巖為主，碎石含量為10%～50%，天然狀態(tài)下巖土體含水率一般在20%±，孔隙度大，結(jié)構(gòu)松散，鉆進(jìn)時(shí)漏水、漏漿嚴(yán)重。鉆孔揭露的滑床深度5.2～8.0 m，上陡下緩，巖性為泥盆系五通組石英砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖，產(chǎn)狀100°～110°∠20°～30°。滑坡體剪出口頂托導(dǎo)致滑坡體前緣景區(qū)道路瀝青路面隆起變形、排水溝開(kāi)裂，后緣和兩側(cè)邊界明顯并有鮮明擦痕，滑坡直接影響坡下道路、行人和游客安全(圖1)。

圖1 雪浪山滑坡全貌圖Fig.1 Full view of Xuelang Mountain landslide

本次研究中，在滑坡體主軸向上設(shè)置了表面位移、深部位移、土壤含水率、孔隙水壓力和降雨量等針對(duì)各要素的監(jiān)測(cè)點(diǎn)并積累了連續(xù)的、多要素的、同步的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖2)，針對(duì)性地獲取了雪浪山滑坡各要素的動(dòng)態(tài)變化特征。

圖2 滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Layout of landslide monitoring points

2 降雨量預(yù)警模型和判據(jù)

降雨對(duì)滑坡的影響主要體現(xiàn)在飽和滲流對(duì)巖土體孔隙水壓力的變化和非飽和滲流對(duì)巖土體含水量的變化兩個(gè)方面[15--18]。實(shí)際監(jiān)測(cè)證實(shí)，由于殘坡積土孔隙度大，排水條件好，坡體內(nèi)重力水可迅速排出，降雨過(guò)程中孔隙水壓力往往陡升陡降，孔隙水壓力對(duì)降雨影響敏感，因此孔隙水壓力驟變往往就是殘坡積土質(zhì)滑坡發(fā)生的激發(fā)因素。而土壤含水率則因入滲條件、排水條件、蒸發(fā)蒸騰條件(溫度、風(fēng)速和植被等)和基質(zhì)吸力等因素的綜合影響表現(xiàn)出明顯的滯后下降特征，其對(duì)滑坡的影響主要體現(xiàn)在土壤含水率升高導(dǎo)致的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的劣化方面(圖3)。

圖3 降雨、孔隙水壓力及坡體含水率動(dòng)態(tài)過(guò)程Fig.3 Dynamic process of rainfall, pore water pressure and soil moisture content

在前期降雨對(duì)滑坡影響的相關(guān)研究中[13,19--21]，不同地區(qū)前期降雨對(duì)滑坡影響時(shí)間跨度有5 d、10 d、15 d甚至60 d等不同情況。而雪浪山2018年、2019年汛期5個(gè)單次降雨過(guò)程的土壤含水率動(dòng)態(tài)(圖4)表明，單次降雨后土壤含水率在10 d后基本恢復(fù)至天然狀態(tài)(20%)，因此可以斷定雪浪山滑坡的前期降雨影響的時(shí)間跨度為10 d。

圖4 雪浪山滑坡5個(gè)單次降雨過(guò)程土壤含水率變化曲線Fig.4 Variation curves of soil moisture content in five single rainfall processes for Xuelang Mountain landslide

將每次降雨過(guò)程中各日土壤含水率與降雨首日土壤含水率的比值作為有效降雨系數(shù)α，用來(lái)表征每次降雨過(guò)程對(duì)滑坡的影響，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到有效降雨系數(shù)計(jì)算公式(圖5)。

圖5 雪浪山滑坡有效降雨系數(shù)擬合曲線Fig.5 Fitting curve of effective rainfall coefficient for Xuelang Mountain landslide

式中：Rc為有效降雨量；R0為當(dāng)日降雨量或預(yù)報(bào)降雨量；Ri為n日前降雨量；α為有效降雨系數(shù)；i為預(yù)警前經(jīng)過(guò)的天數(shù)。

據(jù)此得到前10 d各日有效降雨系數(shù)如表1所示。

據(jù)水文學(xué)產(chǎn)匯流理論[22]，當(dāng)降雨強(qiáng)度超過(guò)入滲系數(shù)(超滲產(chǎn)流)或雖然降雨強(qiáng)度小于入滲系數(shù)但邊坡含水量超過(guò)了坡面持水量甚至飽和(蓄滿產(chǎn)流)時(shí)， 超量的降雨會(huì)形成坡面徑流， 所以并不是所有降雨都能直接作用于滑坡，有效降雨量也不可能隨著實(shí)際降雨量增大而一直增大。江蘇省內(nèi)38個(gè)殘坡積碎石土滑坡實(shí)例的當(dāng)日降雨量頻次統(tǒng)計(jì)(圖6)表明：?jiǎn)稳战涤炅砍^(guò)50 mm之后，多數(shù)滑坡已經(jīng)發(fā)生，滑坡增加個(gè)數(shù)因此顯著減少，也意味著坡面巖土體趨于飽和，超過(guò)50 mm的降雨已轉(zhuǎn)化為坡面徑流甚至地下徑流，由此可將50 mm作為當(dāng)日降雨量的影響閾值，即當(dāng)日降雨量超過(guò)50 mm時(shí)，計(jì)算有效降雨量過(guò)程中當(dāng)日降雨量仍取50 mm。根據(jù)上述修正的有效降雨量模型和實(shí)測(cè)降雨過(guò)程即可確定38個(gè)滑坡實(shí)例的有效降雨量。

表1 雪浪山殘坡積土質(zhì)滑坡有效降雨系數(shù)

圖6 江蘇殘坡積土質(zhì)滑坡實(shí)例的當(dāng)日降雨量頻次統(tǒng)計(jì)Fig.6 Daily rainfall frequency statistics of eluvial soil landslides in Jiangsu

中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)一般劃分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)共5個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性很小、較小、較大、大、很大，實(shí)際操作過(guò)程中一級(jí)、二級(jí)不發(fā)布預(yù)報(bào)，三級(jí)為黃色預(yù)報(bào)，四級(jí)為橙色預(yù)警，五級(jí)為紅色警報(bào)[2]。借鑒溫銘生[21]在哀牢山區(qū)滑坡預(yù)警研究中滑坡預(yù)警與氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)的結(jié)合和江蘇省多年地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警經(jīng)驗(yàn)，將江蘇省降雨型滑坡預(yù)警等級(jí)定義為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)(黃色預(yù)報(bào))、四級(jí)(橙色預(yù)警)、五級(jí)(紅色警報(bào))，其對(duì)應(yīng)的滑坡發(fā)生頻率分別為0%、10%、30%、50%和80%。因此，依據(jù)38個(gè)殘坡積層滑坡實(shí)例與有效降雨量的頻次統(tǒng)計(jì)即可確定三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)的臨界有效降雨量，取整后分別為50 mm、80 mm和170 mm(圖7)。

圖7 江蘇殘坡積土質(zhì)滑坡與有效降雨量的頻次統(tǒng)計(jì)Fig.7 Frequency statistics of eluvial soil landslides and effective rainfall in Jiangsu

3 實(shí)例驗(yàn)證

為檢驗(yàn)修正模型和預(yù)警判據(jù)的適用性、實(shí)用性及可靠性，結(jié)合坡體位移和雨量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)修正的有效降雨量模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

坡體表面位移和降雨量的同步監(jiān)測(cè)(圖8)表明：雪浪山滑坡在2019年汛期出現(xiàn)了3次較大幅度的坡體位移變化且均發(fā)生于降雨期間。其中，2019年7月9日有效降雨量為70.5 mm，達(dá)三級(jí)預(yù)報(bào)，坡體位移量3.9 mm；2019年8月11日、9月6日有效降雨量分別為116.5 mm、130.96 mm，均達(dá)到四級(jí)預(yù)警，坡體位移量分別為8.3 mm、4.8 mm；其余時(shí)段有效降雨量均未達(dá)到預(yù)警(報(bào))值，坡體亦未發(fā)生明顯位移變化。

圖8 G1點(diǎn)位移與雨量對(duì)比曲線Fig.8 Comparison curves of G1 monitoring point’s displacement and rainfall

實(shí)證表明，修正的有效降雨量預(yù)警模型及判據(jù)基本符合雪浪山滑坡的實(shí)際情況，雖然不同地區(qū)的有效降雨系數(shù)、前期降雨量影響的時(shí)間跨度因入滲、排水、蒸發(fā)、徑流和巖土體結(jié)構(gòu)等條件的不同而有所差異，但考慮到江蘇省內(nèi)殘坡積土質(zhì)滑坡分布相對(duì)集中，特別是蘇南地區(qū)坡體巖性、結(jié)構(gòu)類似，對(duì)未開(kāi)展專業(yè)監(jiān)測(cè)的其他殘坡積土質(zhì)滑坡隱患點(diǎn)的滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警有重要參考意義。

4 結(jié)論

(1)監(jiān)測(cè)及研究表明，滑坡體孔隙水壓力對(duì)降雨的影響敏感，而土壤含水量則表現(xiàn)出明顯的滯后特征，前期降雨對(duì)雪浪山滑坡的影響時(shí)間跨度為10 d，據(jù)此擬合確定了每天的有效降雨系數(shù)并對(duì)傳統(tǒng)的有效降雨量模型進(jìn)行了修正，建立了適宜于雪浪山滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警的有效降雨量模型。

(2)通過(guò)對(duì)江蘇省38個(gè)殘坡積土質(zhì)滑坡實(shí)例的當(dāng)日降雨量和有效降雨量頻次統(tǒng)計(jì)，確定了前期單日降雨影響閾值為50 mm，并得到了雪浪山滑坡三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)預(yù)警的臨界有效降雨量分別為50 mm、80 mm、170 mm。2019年三次降雨過(guò)程驗(yàn)證表明，1次達(dá)到三級(jí)預(yù)報(bào)、2次達(dá)到四級(jí)預(yù)警，在此期間坡體均發(fā)生了明顯位移變形，符合實(shí)際情況，研究結(jié)果為江蘇省下一步精細(xì)化滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了了參考。