許英姿，范皓然，陳立華，趙艷林，李岳順

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧530004;2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧530004)

0 引 言

梧州是廣西滑坡災(zāi)害高發(fā)地區(qū)，2005 ～2012 年間所發(fā)生的滑坡數(shù)量為152 次，占全區(qū)滑坡總量的18.19%［1］。梧州雨量充沛，屬?gòu)V西暴雨集中多發(fā)區(qū)，2006 年6 月8 日的特大暴雨日降雨量達(dá)到300 mm，降雨當(dāng)天多處發(fā)生滑坡，造成大量的人員財(cái)產(chǎn)損失，降雨成為誘發(fā)梧州地區(qū)滑坡的主要因素。因此，有必要開展梧州地區(qū)滑坡與降雨之間關(guān)系的研究，為該地區(qū)滑坡災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)。

目前降雨誘發(fā)滑坡的研究主要集中在兩個(gè)方面:其一是對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的滑坡運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析的方法，找出滑坡與降雨之間的關(guān)系，并通過回歸分析得到誘發(fā)滑坡的臨界降雨量值，運(yùn)用該臨界雨量值來對(duì)區(qū)域性滑坡災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)［2-6］;其二是對(duì)單體滑坡，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析的手段進(jìn)行機(jī)理研究，研究降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響［7-9］。區(qū)域范圍的滑坡研究表明，不同地區(qū)滑坡的發(fā)生與降雨的關(guān)系不盡相同［2-6］。本次研究根據(jù)梧州2005 ～2012 年間的滑坡及降雨資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究梧州滑坡與降雨量、滑坡與降雨時(shí)間、滑坡與降雨類型之間的關(guān)系，探討梧州滑坡災(zāi)害的特點(diǎn)，為廣西滑坡預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建立提供指標(biāo)參數(shù)。

1 梧州滑坡災(zāi)害類型和規(guī)模

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，梧州市2005 ～2012 年的152 場(chǎng)滑坡中，按滑坡規(guī)模統(tǒng)計(jì)小型滑坡為150 次，中型滑坡2 次，小型滑坡占98.68%，滑坡類型全部為土質(zhì)滑坡。

梧州地處廣西東部，處于兩廣邊界上，呈四周高、中間低的地貌形態(tài)，且丘陵地貌占梧州總面積的80%。梧州的地層主要是由分布于市區(qū)內(nèi)的寒武系黃洞口組上段砂、頁巖和侵入巖，分布于東華山和歐村地區(qū)的第三系礫、砂巖，分布于桂江、西江兩岸的第四系洪沖積粘土等組成。

梧州巖土類型主要是花崗巖、中厚層狀的砂巖、粉砂巖、頁巖和泥巖?；◢弾r天然狀態(tài)下強(qiáng)度較高，抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)166 MPa，但風(fēng)化作用較強(qiáng)烈，地表幾乎全都是強(qiáng)風(fēng)化層，有許多的原生和次生結(jié)構(gòu)面，在降雨的作用下，雨水首先浸潤(rùn)這些軟弱結(jié)構(gòu)面，使得邊坡容易發(fā)生滑動(dòng)。砂巖、粉砂巖、頁巖和泥巖的強(qiáng)度較高，巖層中夾雜有軟弱的巖層，在雨水的浸潤(rùn)作用下，容易軟化。

梧州地表還覆蓋較厚的松散第四系殘坡積土?；◢弾r殘坡積土是花崗巖在物理化學(xué)風(fēng)化作用下，形成的風(fēng)化殘積物，土中富含長(zhǎng)石、石英、云母等成分，其中長(zhǎng)石和石英具有一定的節(jié)理面，使得邊坡表面的殘坡積土層具有很多天然的軟弱面，不利于邊坡穩(wěn)定。此外花崗巖殘坡積土中還有一些可溶于水的游離氧化物，使得它具有遇水軟化的特性，在降雨的作用下，土體的強(qiáng)度下降明顯，使得花崗巖殘坡積土覆蓋的邊坡更容易發(fā)生滑坡。

綜合梧州的地形地貌和巖性特點(diǎn)可見，梧州市地表巖石風(fēng)化作用強(qiáng)烈，巖石的風(fēng)化裂隙多，遇水易軟化，且地表的第四系殘坡積土層分布較廣，土體強(qiáng)度較低，在降雨的作用下，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性不利，梧州地區(qū)的降雨容易誘發(fā)淺層土質(zhì)滑坡。

2 梧州市滑坡與降雨的相關(guān)性分析

2.1 滑坡與降雨量的關(guān)系

梧州市是廣西雨量最充沛的地區(qū)之一，多年平均降雨量在1 450.7 ～1 749.9 mm，降雨時(shí)間分布不均勻，降雨主要集中在4 ～9 月份，4 ～9 月份的降雨量占全年降雨量的77.4%。如圖1 所示，6 月份是梧州降雨量最多的月份，也是滑坡特別多的月份，可見梧州的滑坡災(zāi)害與降雨具有很好的相關(guān)性。

圖1 梧州月降雨量和滑坡分布Fig.1 Wuzhou landslide and rainfall distribution

2.2 滑坡與降雨類型的關(guān)系

滑坡與降雨類型有密切關(guān)系，對(duì)于降雨誘發(fā)型滑坡來說，不同的降雨類型對(duì)滑坡的誘發(fā)過程不一樣。國(guó)家氣象局把降雨分為小雨(日降雨量小于10 mm)、中雨(日降雨量在10 ～24.9 mm)、大雨(日降雨量在25 ～49.9 mm)和暴雨(日降雨量大于50 mm)等4 類。統(tǒng)計(jì)2005 ～2012 年梧州不同降雨類型所觸發(fā)的滑坡數(shù)量如表1 所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，梧州所有降雨型滑坡中，80.92%的滑坡是由暴雨誘發(fā)的。由此可見，當(dāng)降雨量達(dá)到暴雨級(jí)別的時(shí)候，滑坡會(huì)大量的發(fā)生，梧州市滑坡與暴雨有很大的相關(guān)性。

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)2005 ～2012 年梧州的暴雨頻次如圖2 所示，梧州市共發(fā)生過39 次暴雨，年均暴雨次數(shù)為4.9 次，而暴雨集中在每年的6 月份，多達(dá)12 次，與滑坡的高發(fā)時(shí)間正好重合，說明6 月份梧州市的暴雨頻次高，降雨量大，容易誘發(fā)滑坡，梧州市的滑坡與暴雨具有一定的相關(guān)關(guān)系。

表1 不同降雨類型下的梧州滑坡次數(shù)Tab.1 Landslide frequency under different rainfall in Wuzhou

圖2 梧州市暴雨頻次逐月分布圖Fig.2 Rainstorm frequency distribution in Wuzhou

2.3 滑坡與降雨天數(shù)的關(guān)系

對(duì)于連續(xù)性降雨來說，降雨的當(dāng)天并不一定發(fā)生滑坡。隨著降雨時(shí)間的增加，雨水的入滲，坡體自重增大，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)下降，產(chǎn)生滑坡。許多學(xué)者都關(guān)注滑坡與降雨天數(shù)的相關(guān)性研究，發(fā)現(xiàn)不同的地區(qū)地質(zhì)條件不同，滑坡與降雨天數(shù)的相關(guān)關(guān)系各有不同，因此就梧州而言，滑坡與降雨天數(shù)的相關(guān)關(guān)系要結(jié)合梧州地區(qū)的實(shí)際情況來具體分析。本次研究根據(jù)2005 ～2012 年間廣西國(guó)土資源局提供的梧州市的歷史滑坡數(shù)量和中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供降雨數(shù)據(jù)，采用Person 簡(jiǎn)單相關(guān)分析，研究梧州市的滑坡地質(zhì)災(zāi)害與降雨天數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系r:

式中，r 為相關(guān)性系數(shù);x 為歷史滑坡數(shù)量，xi為x 的第i 個(gè)值，為x 的平均值;y 為降雨天數(shù)，yi為y 的第i 個(gè)值，y 為y 的平均值。

由于梧州市的降雨多為短時(shí)的大中型降雨和暴雨，降雨持續(xù)時(shí)間主要在10 d 左右，因此選取前期降雨天數(shù)為滑坡發(fā)生當(dāng)天至滑坡發(fā)生前第9 天，共10 d 來分析。以降雨當(dāng)天發(fā)生滑坡條件的編號(hào)為0，滑坡前一天有降雨的條件編號(hào)為1，如此類推統(tǒng)計(jì)前期累計(jì)降雨天數(shù)與滑坡的相關(guān)性，累計(jì)降雨統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。結(jié)果表明滑坡發(fā)生當(dāng)天和前一天的降雨相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.971 和0.915，相關(guān)性較大，說明梧州滑坡主要與滑坡發(fā)生當(dāng)天和前一天的降雨具有顯著的相關(guān)性。由此還可以認(rèn)為梧州市的滑坡主要是由暴雨誘發(fā)的。

表2 梧州市滑坡與前期降雨天數(shù)的相關(guān)關(guān)系Tab.2 The relationship between landslides and their antecedent precipitation days in Wuzhou

3 梧州市滑坡臨界雨量值確定

滑坡臨界雨量值表示的是當(dāng)降雨量達(dá)到這個(gè)臨界值的時(shí)候，滑坡發(fā)生的概率會(huì)明顯的增大。降雨的過程中，雨水受各種外界因素的影響并不會(huì)全部滲入土體中，所以臨界降雨量并不能簡(jiǎn)單的把降雨量累加起來，而是一次連續(xù)降雨過程中對(duì)邊坡的滑動(dòng)起到“促進(jìn)”作用的降雨量，即有效降雨量。Glade［10］提出了日降雨量模型、前期降雨量模型和前期土體含水狀態(tài)模型等三種有效降雨量計(jì)算模型，前期降雨量模型適用于滑坡發(fā)生前期有連續(xù)性降雨的情況，在滑坡災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)的應(yīng)用上比較成功，本次研究前期降雨資料齊全，適合采用前期降雨量模型對(duì)梧州市滑坡地質(zhì)災(zāi)害的臨界雨量值進(jìn)行計(jì)算。前期有效降雨量模型公式［11］為:

式中Rc為有效降雨量，R0為滑坡發(fā)生當(dāng)天降雨量，Ri為滑坡發(fā)生前第i 天降雨量，n 為所考慮的前期降雨天數(shù)，α 為有效降雨系數(shù)，一般取為0.8。

梧州市的滑坡災(zāi)害與滑坡發(fā)生前兩天的降雨量呈最大的相關(guān)性，結(jié)合前人的研究成果可以得出梧州市的有效降雨量模型為:

根據(jù)式(3)計(jì)算出每一場(chǎng)滑坡所對(duì)應(yīng)的有效降雨量值，從而確定滑坡數(shù)量與有效降雨量關(guān)系。梧州滑坡與累計(jì)有效降雨量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

從圖3 中可以看出，在累計(jì)有效降雨量達(dá)到300 mm 之前，滑坡數(shù)量基本上隨著有效降雨量呈線性增長(zhǎng)，而當(dāng)累計(jì)有效降雨量達(dá)到300 mm 之后，滑坡數(shù)量出現(xiàn)一個(gè)明顯的跳躍階段，說明滑坡數(shù)量突然劇增，可以確定誘發(fā)梧州地區(qū)滑坡災(zāi)害的臨界降雨量為300 mm。

假設(shè)連續(xù)兩天的降雨強(qiáng)度相等，即R0=R1，且累計(jì)有效降雨量為臨界降雨量300 mm 時(shí)，可得R0=R1=166.67 mm/d，降雨強(qiáng)度166.67 mm/d即為梧州市滑坡災(zāi)害的臨界雨強(qiáng)。

為了便于計(jì)算及安全考慮，取誘發(fā)梧州市滑坡災(zāi)害的臨界雨強(qiáng)為150 mm/d，即:

綜上所述，根據(jù)有效降雨量模型確定出誘發(fā)梧州地區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的臨界雨量值為300 mm，臨界降雨強(qiáng)度為150 mm/d。

圖3 累計(jì)有效降雨量和滑坡次數(shù)的關(guān)系Fig.3 Cumulative effective the relationship between the number of rainfall and landslides

4 梧州臨界降雨閾值的驗(yàn)證

本文以梧州龍母廟邊坡為例，運(yùn)用Geo-studio 巖土分析軟件，采用數(shù)值模擬的方法研究不同降雨強(qiáng)度下持續(xù)降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而驗(yàn)證梧州臨界降雨閾值。

首先運(yùn)用Seep/W 模塊，計(jì)算龍母廟邊坡在臨界降雨的作用下的孔隙水壓力，并把孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Slope/E 中，運(yùn)用Slope/E 中的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法，計(jì)算邊坡的最危險(xiǎn)滑面，通過整個(gè)降雨過程的邊坡滲流變化情況和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化來研究降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，整個(gè)分析過程如圖4 所示。

圖4 龍母廟邊坡數(shù)值模擬分析流程圖Fig.4 Flow chart of numerical simulation analysis of Longmu Temple slope

龍母廟邊坡位于桂江東岸，由一個(gè)溝谷形坡和一個(gè)扇形坡組成，斜坡自然坡角35°～45°;在斜坡的不同區(qū)段其坡角有一定的變化，總體呈現(xiàn)坡腳、坡頂坡度陡，中間區(qū)段坡度緩的特點(diǎn);山腳桂林路標(biāo)高為20.10 m，山頂標(biāo)高119.24 m，相對(duì)高差99.14 m。山頂為西竺園古庵，斜坡中部為大量民房，斜坡山腳為桂林路及梧州市重點(diǎn)寺廟龍母廟，龍母廟邊坡剖面圖如圖5 所示。

圖5 龍母廟邊坡剖面圖Fig.5 Longmu Temple slope section

由剖面圖5 可見，龍母廟邊坡有3 個(gè)明顯坡段，其中下面兩段較陡的坡體已經(jīng)治理過，最上面坡體尚未治理，屬地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)。各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表3 所示。

表3 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)表Tab.3 The geotechnical layer physical mechanics parameter

考慮降雨入滲影響，設(shè)置50、100、150 mm/d三種不同降雨強(qiáng)度工況，模擬持續(xù)降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的變化，模擬結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 可見，隨著降雨時(shí)間的增加，不同降雨強(qiáng)度作用下的邊坡穩(wěn)定性均呈逐漸下降的趨勢(shì)，但是下降的速率有所不同，相同的降雨時(shí)間下，降雨強(qiáng)度越大，穩(wěn)定性降低越快，說明雨強(qiáng)愈大雨水的滲透作用愈強(qiáng)，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響越大。模擬結(jié)果顯示150 mm/d的降雨強(qiáng)度持續(xù)作用48 h 后穩(wěn)定性系數(shù)降低到1.0 以下，表明邊坡失穩(wěn)，這個(gè)結(jié)果驗(yàn)證了梧州臨界降雨強(qiáng)度為150 mm/d、持續(xù)2 d易發(fā)滑坡，說明前一節(jié)確定的臨界降雨閾值是正確的。

圖6 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨時(shí)間變化圖Fig.6 Slope stability coefficient variation over time

對(duì)比雨強(qiáng)50 mm/d 和100 mm/d 的兩種情況，可以發(fā)現(xiàn)100 mm/d 雨強(qiáng)持續(xù)作用邊坡72 h 后、50 mm/d雨強(qiáng)持續(xù)作用邊坡120 h 后穩(wěn)定性系數(shù)降低到1.0 以下，邊坡失穩(wěn)，說明雖然雨強(qiáng)較小，但長(zhǎng)時(shí)間的降雨也可能誘發(fā)滑坡。

根據(jù)梧州的降雨特點(diǎn)判定梧州的臨界雨強(qiáng)可取為150 mm/d。

5 結(jié) 語

①梧州屬于丘陵山谷地貌，地表出露多為第四系坡殘積土，土質(zhì)松散，在降雨的作用下，會(huì)發(fā)生小型的淺層土質(zhì)滑坡;

②梧州的滑坡集中發(fā)生在每年6 月份，降雨主要集中在5 ～9 月份，暴雨頻次和暴雨強(qiáng)度在每年的6 月份達(dá)到最大值，梧州市的滑坡地質(zhì)災(zāi)害與暴雨呈正相關(guān)性;

③梧州滑坡災(zāi)害基本發(fā)生在暴雨發(fā)生的當(dāng)天或者暴雨發(fā)生的第二天;

④梧州滑坡災(zāi)害的臨界有效雨量為連續(xù)兩日累計(jì)有效降雨量為300 mm，臨界雨強(qiáng)為150 mm/d。

［1］ 周錫廣，許景鋮，魯嘉，等.梧州長(zhǎng)洲島竹灣段3 號(hào)滑坡勘測(cè)與治理［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，31(1):71-74.

［2］ 謝劍明，劉禮領(lǐng)，殷坤龍.浙江省滑坡災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)的降雨閥值研究［J］.地質(zhì)科技情報(bào)，2003，22(4):101-105.

［3］ 張桂榮，殷坤龍.區(qū)域滑坡空間預(yù)測(cè)方法研究及結(jié)果分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(23):4297-4302.

［4］ 高華喜，殷坤龍.降雨與滑坡災(zāi)害相關(guān)性分析及預(yù)警預(yù)報(bào)閾值之探討［J］.巖土力學(xué)，2007，28(5):1055-1060.

［5］ 張珍，李世海，馬力.重慶地區(qū)滑坡與降雨關(guān)系的概率分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(17):3185-3191.

［6］ 陳劍，楊志法，李曉.三峽庫(kù)區(qū)滑坡發(fā)生的概率與降水條件的關(guān)系［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(7):2052-2056.

［7］ 夏元友，張亮亮.考慮降雨入滲影響的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析［J］.公路交通科技，2009，26(10):27-32.

［8］ 闕云，胡昌斌，姚曉琴.降雨入滲下殘積土坡失穩(wěn)因素的敏感程度分析［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，34(4):469-473.

［9］ 童龍?jiān)?，?jiǎn)文星.考慮降雨入滲過程的非飽和邊坡穩(wěn)定性分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(11):84-89.

［10］GLADE T.Modeling landslide-triggering rainfalls in different regions of New Zealand—the soil water status model［J］.Zeitschrift fur Geomorphologie，2000，122(2):63-84.

［11］殷坤龍，朱良峰.滑坡災(zāi)害空間區(qū)劃及GIS 應(yīng)用研究［J］.地學(xué)前緣，2001，8(2):279-283.