齊 信, 劉廣寧， 黃波林， 王世昌， 黃長生

(中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心, 湖北 武漢 430205)

降雨入滲作用下秭歸向斜核部南段斜坡穩(wěn)定性評價

齊 信, 劉廣寧， 黃波林， 王世昌， 黃長生

(中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心, 湖北 武漢 430205)

[目的] 開展降雨條件下湖北省秭歸縣向斜核部斜坡穩(wěn)定性評價研究,為政府部門減災(zāi)防災(zāi)工程提供科學支持,為滑坡災(zāi)害的預測和管理提供科學依據(jù)。[方法] 以耦合了地下水動力學的TRIGRS無限斜坡穩(wěn)定性計算模型為基礎(chǔ),詳細介紹了斜坡穩(wěn)定性評價的數(shù)據(jù)處理過程以及參數(shù)選取方法。[結(jié)果] 發(fā)生斜坡失穩(wěn)的區(qū)域多位于松散土體中等厚—較厚，地形坡度中等的區(qū)域,尤其是土層厚度在7—10 m，地形坡度在20°～30°范圍內(nèi)為斜坡失穩(wěn)高發(fā)區(qū)。[結(jié)論] 在土層厚度和地形地貌的雙重控制下,短歷時強降雨入滲作用導致孔隙水壓力增大,這些區(qū)域的斜坡土體極易發(fā)生滑動,為滑坡危險性較高的多發(fā)區(qū)域。斜坡穩(wěn)定性評價結(jié)果和滑坡實際分布吻合程度較高,在一定程度上反映出降雨誘發(fā)滑坡空間分布關(guān)系和分布規(guī)律。

TRIGRS模型; 斜坡穩(wěn)定性評價; 瞬態(tài)滲透模型; 秭歸向斜盆地

文獻參數(shù)： 齊信, 劉廣寧， 黃波林， 等.降雨入滲作用下秭歸向斜核部南段斜坡穩(wěn)定性評價[J].水土保持通報，2017,37(3)：97-101.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.017； Qi Xin, Liu Guangning, Huang Bolin, et al. Slope stability evaluation of southern section of Zigui syncline core under rainfall infiltration[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：97-101.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.017

中國是世界上崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家之一，斜坡是地質(zhì)災(zāi)害孕育的載體。影響斜坡失穩(wěn)大體上分為內(nèi)在固有因素和外在誘發(fā)因素。內(nèi)在固有因素是斜坡自身發(fā)育的屬性，包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、物質(zhì)組成、斜坡結(jié)構(gòu)、土體類型、密實度、親水性等。外在誘發(fā)因素是指斜坡失穩(wěn)的誘發(fā)因素，包括地震、降雨、人類工程活動等。其中，降雨是斜坡失穩(wěn)發(fā)生和發(fā)展的最重要因素之一[1]。降雨誘發(fā)的滑坡占滑坡總數(shù)的90%[2]。這是因為在降雨條件下，地表水下滲和地下水徑流導致地下水位上升，增大了斜坡巖土體飽和程度和孔隙水壓力，巖土體力學參數(shù)強度降低，當斜坡巖土體的下滑力大于抗滑力時，就會引起斜坡土體失穩(wěn)。

長期以來，國內(nèi)外學者一直重視研究斜坡失穩(wěn)與降雨的關(guān)系，以期找到合理的降雨型斜坡失穩(wěn)預測預報方法和防治措施。目前針對降雨誘發(fā)斜坡失穩(wěn)規(guī)律的研究主要分為兩個方面：一是數(shù)理統(tǒng)計的半定量研究方法；二是基于水力物理模型的定量研究方法。前者針對降雨與滑坡發(fā)生的規(guī)律分析，多進行易發(fā)性、危險性、風險性和降雨閥值的研究[2]。后者多在無限斜坡穩(wěn)定性計算模型的基礎(chǔ)之上，充分考慮降雨入滲及地下水變化對斜坡穩(wěn)定性的影響。國內(nèi)外學者已經(jīng)提出多種降雨入滲誘發(fā)斜坡失穩(wěn)的物理模型。如：Dietrich[3]的SHALSTAB模型，Pack[4]建立了SINMAP模型，Baum的TRIGRS模型[5-6]，Tarolli等[7]提出QD-SLaM模型，蘭恒星等[8]提出的改進SINMAP模型。

降雨入滲作用下建立的物理模型是評價降雨誘發(fā)斜坡失穩(wěn)最有效的方法，但是，由于每種物理模型都有一定的邊界條件下提出的，因此每種模型都有一定的適用條件和適用范圍。本文的研究區(qū)位于三峽地區(qū)秭歸向斜盆地，秭歸向斜盆地兩翼地層均呈順向坡特征，類似于無限斜坡模型，且順層斜坡上發(fā)育較厚強風化層、崩坡積層、滑坡堆積層、殘坡積層等巖土體，在降雨、滲流作用下，松散巖土體極易沿著斜坡面發(fā)生滑動失穩(wěn)造成災(zāi)害。TRIGRS模型是耦合了地下水動力學的無限斜坡穩(wěn)定性計算模型，等同于降雨持續(xù)作用下，滑坡土體沿著滑動面滑動，因此，該區(qū)評價方法適宜于利用瞬態(tài)降雨入滲斜坡穩(wěn)定性計算TRIGRS模型。本文擬以三峽地區(qū)秭歸向斜核部的歸州河干流為例，開展降雨條件下秭歸向斜核部斜坡穩(wěn)定性評價研究，以期為政府部門減災(zāi)防災(zāi)工程提供科學支持，為滑坡災(zāi)害的預測和管理提供科學依據(jù)。

1 TRIGRS計算模型

(1)

式中：Fs——安全系數(shù)；γs——土的容重(kN/m3)；γw——地下水的容重(kN/m3)；c′——有效黏聚力(kPa)；ψ′——有效內(nèi)摩擦角(°)。

短歷時強降雨過程中，地表水下滲和地下水徑流導致地下水位上升，松散土體力學參數(shù)強度降低，地下水壓力水頭發(fā)生變化，淺表層土體達到近飽和狀態(tài)，在此采用有透水邊界的水文模型進行計算(公式2)。

(2)

式中：Z——朝下的縱向方向坐標，Z=z/cosδ； δ——坡角(°)； z——垂直坡面向下的方向地表以下厚度(m)； InZ——第n個時間內(nèi)給定的表面通量的強度，D1=D0/cos2δ； D0——飽和水力擴散系數(shù)(m2/s)； ψ——地下水壓力水頭； t——時間(s)； tn——指第n個降雨強度階段對應(yīng)的時間； N——時間段的總數(shù)目； d——穩(wěn)態(tài)的地下水深度(m)；β=cos2δ-(IZLT/Ks)； IZLT——初始表面通量； Ks——垂向飽和滲透系數(shù)(m/s)； H(t-tn)——Heaviside階梯函數(shù)；ierfc(η)——高斯補誤差函數(shù)一次積分值，定義為：

(3)

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)參數(shù)

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于三峽地區(qū)秭歸向斜盆地核部，屬于長江一級支流歸州河流域。秭歸向斜盆地形成始于晚三疊世，秭歸向斜構(gòu)成秭歸盆地的主體褶皺。主要出露中生代侏羅紀地層，發(fā)育良好，分布廣泛，構(gòu)成秭歸盆地的主體部分。斜坡評價區(qū)縱長約8.9km，橫寬約4km，總面積為35.60km2。按照10m×10m的柵格大小劃分為890行，400列，總共356 000個柵格。

2.2 計算數(shù)據(jù)及主要參數(shù)

TRIGRS評價模型涉及的參數(shù)比較多，包括地形地貌、海拔高度、地形坡度、土層厚度、降雨參數(shù)、巖土力學參數(shù)及水文參數(shù)。

展望未來，盡管由特朗普政府在全球挑起的貿(mào)易摩擦對美國經(jīng)濟所產(chǎn)生的各方面影響尚需時日才可體現(xiàn)，但考慮到其國內(nèi)大規(guī)模減稅政策的推行，美國經(jīng)濟短期內(nèi)仍可能維持一個較高的增速。據(jù)此，課題組假定美國今明兩年經(jīng)濟增速為2.9%和2.8%，略高于IMF預測值；而歐元區(qū)方面，貿(mào)易沖突波及歐元區(qū)、英國“硬脫歐”風險猶存、意大利民粹政府的激進預算案加劇了債務(wù)風險，諸多因素令歐元區(qū)增長前景蒙上不確定性。據(jù)此，課題組假定歐元區(qū)今明兩年經(jīng)濟增速為2.2%和1.7%，略低于IMF預測值。

2.2.1 海拔高度 海拔高度是斜坡穩(wěn)定性評價重要因子，也是地下水和降雨徑流路徑的決定因子。應(yīng)用1∶5萬地形圖數(shù)據(jù)在ARCGIS生成數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)，即可得到海拔高度數(shù)據(jù)。該區(qū)海拔高度范圍為0～877.5m，最高峰位于歸州河與長江交叉口西部。

2.2.2 地形坡度 地形坡度是斜坡穩(wěn)定性的重要影響因子之一，一般地形坡度越大，越不利于斜坡的穩(wěn)定。但是如果坡度太大，比如大于50°，斜坡因土層太薄而幾乎不會有滑坡發(fā)生；如果坡度小于10°，斜坡土體因坡度太小而重力驅(qū)動力不足而很少發(fā)生滑動[9]。一般認為地形坡度在20°～45°較為適宜。地形坡度提取于數(shù)字高程模型(DEM)。研究區(qū)地形坡度值范圍為0°～88.7°。研究區(qū)南西和北東部位地形坡度較陡，平均坡度大于60°。

2.2.3 斜坡土層厚度 斜坡土層厚度為斜坡穩(wěn)定性評價的物質(zhì)基礎(chǔ)，TRIGRS模型的本質(zhì)就是判斷斜坡土體的穩(wěn)定性。研究區(qū)出露土體主要為崩坡積、滑坡堆積、殘坡積等碎石土體。通過槽探、收集鉆孔數(shù)據(jù)、土體剖面露頭、野外調(diào)查等手段采集土體厚度數(shù)據(jù)400余點，采用克里金(kriging)插值法對數(shù)據(jù)點進行內(nèi)插，得出斜坡土體厚度分區(qū)圖。研究區(qū)內(nèi)土體厚度范圍為0.1～12.9m，多分布于歸州河兩岸緩傾角斜坡坡體上。

2.2.4 降雨參數(shù) 降雨是誘發(fā)斜坡失穩(wěn)的一個十分重要的觸發(fā)因素和動力來源[10]，因此是斜坡穩(wěn)定性評價的重要因子。2014年9月2日秭歸發(fā)生一起強降雨事件，此次強降雨誘發(fā)大量的滑坡發(fā)生。因此，本次采用該次平均強降雨參數(shù)計算該區(qū)的斜坡穩(wěn)定性。根據(jù)降雨觀測資料，2014年9月2日降雨量達到96.5mm。

2.2.5 巖土力學和水文參數(shù) 由于研究區(qū)較大，包含不同的巖土體類型及地形地貌環(huán)境，為簡化數(shù)據(jù)處理難度，采用歸并處理程序，總體將研究區(qū)劃分成2個區(qū)域，分別為：分區(qū)1—崩塌、滑坡堆積區(qū)；分區(qū)2—基巖上覆殘坡積區(qū)，基巖全風化、強風化區(qū)。模型所涉及的主要巖土力學參數(shù)和水文參數(shù)包括黏聚力(c)、內(nèi)摩擦角(ψ)、容重(γs)、水力擴散系數(shù)(D0)，飽和土體滲透系數(shù)(Ks)等。巖土力學參數(shù)和水文參數(shù)的獲?。和ㄟ^室內(nèi)試驗，采用非飽和土水動力學參數(shù)取值的經(jīng)驗公式〔公式(3)和公式(4)〕[11-14]，并結(jié)合前人在該地區(qū)的試驗研究獲得。研究區(qū)的巖土體力學和水文主要參數(shù)如表1所示。

D0=200Ks

(4)

IZLT=0.01Ks

(5)

表1 研究區(qū)巖土力學和水文參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 評價結(jié)果分析

通過上述數(shù)據(jù)處理以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置，即可開始斜坡穩(wěn)定性評價。首先，建立dem.asc，slope.asc，zmax.asc，zones.asc等柵格ASC數(shù)據(jù)文件；其次，根據(jù)表1參數(shù)，修改tr_in.txt文件中相對應(yīng)參數(shù)值；最后，運行TRIGRS模擬計算模塊，即完成斜坡穩(wěn)定性評價工作。TRIGRS 模型只對每個柵格單元體單獨進行穩(wěn)定系數(shù)計算，未考慮各柵格單元體之間力的作用，導致計算結(jié)果偏小。但是，對于地質(zhì)災(zāi)害評價而言，較保守的評價是可以接受的。為了更好的表達降雨不同階段斜坡失穩(wěn)與降雨持續(xù)時間的關(guān)系，按照平均降雨量，分別進行1，6，12，24 h 4個時間階段斜坡失穩(wěn)個數(shù)對比分析。

根據(jù)計算結(jié)果，1 h后，有882個柵格單元穩(wěn)定系數(shù)小于1，發(fā)生失穩(wěn)的柵格數(shù)量占總體柵格數(shù)量的0.25%；6 h后，1 036個柵格單元穩(wěn)定系數(shù)小于1，發(fā)生失穩(wěn)的柵格數(shù)量占總體柵格數(shù)量的0.29%；12 h后，1 356個柵格單元穩(wěn)定系數(shù)小于1，發(fā)生失穩(wěn)的柵格數(shù)量占總體柵格數(shù)量的0.38%；24 h后，1 682個柵格單元穩(wěn)定系數(shù)小于1，發(fā)生失穩(wěn)的柵格數(shù)量占總體柵格數(shù)量的0.47%。計算結(jié)果表明： ① 降雨1 h后，不穩(wěn)定柵格單元失穩(wěn)個數(shù)最多，這是因為在降雨初期，潛在不穩(wěn)定或欠穩(wěn)定斜坡極易在降雨作用下失穩(wěn)，而隨著時間的持續(xù)，潛在不穩(wěn)定或欠穩(wěn)定斜坡個數(shù)減少，失穩(wěn)增量速率會隨之不斷降低； ② 隨著降雨時間的持續(xù)，不穩(wěn)定斜坡土體單元總量不斷增多，24 h后不穩(wěn)定斜坡單元數(shù)量是1 h后不穩(wěn)定斜坡單元數(shù)量的近2倍，且柵格單元個數(shù)(N)與降雨時間(T)呈指數(shù)關(guān)系(圖1)，相關(guān)性指數(shù)為0.991 6，具有較好的相關(guān)性。

圖1 不同降雨階段不穩(wěn)定斜坡單元數(shù)量統(tǒng)計

3.2 斜坡穩(wěn)定性控制條件影響分析

地形坡度與土層厚度是斜坡穩(wěn)定性評價重要的參數(shù)，開展斜坡失穩(wěn)概率與地形坡度和土層厚度關(guān)系曲線圖對比顯示，發(fā)生斜坡失穩(wěn)的區(qū)域，多位于土體中等厚—較厚、地形坡度中等的區(qū)域。一般來說，土體是滑坡發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，研究區(qū)內(nèi)土層厚度在5—11 m范圍內(nèi)是滑坡發(fā)生的高易發(fā)區(qū)，尤其土層厚度在7—10 m范圍內(nèi)斜坡單元失穩(wěn)概率達到總數(shù)的88.2%(圖2)；地形坡度中等的區(qū)域是斜坡易于失穩(wěn)的區(qū)域，是因為地形坡度太大，土體難于在斜坡上累積，斜坡因土層太薄而幾乎不會有滑坡發(fā)生。如果地形坡度太小，斜坡土體因坡度太小而重力驅(qū)動力不足而很少發(fā)生滑動，研究區(qū)內(nèi)地形坡度在15°～40°較為適宜，尤其是地形坡度在20°～30°范圍內(nèi)斜坡單元失穩(wěn)概率達到總數(shù)的81.3%(圖3)。因此，在土層厚度和地形地貌的雙重控制下，尤其是土層厚度在7—10 m、地形坡度在20°～30°范圍內(nèi)的斜坡土體極易發(fā)生滑動，為危險性較高區(qū)域。

圖2 土層厚度與斜坡單元失穩(wěn)概率

圖3 地形坡度與斜坡單元失穩(wěn)概率

3.3 評價結(jié)果驗證

為了進一步對評價結(jié)果可靠性進行驗證，搜集到該區(qū)2014年9月2日因強降雨誘發(fā)的滑坡分布。在9月2日降雨作用下，研究區(qū)內(nèi)共發(fā)生滑坡8處，滑坡分布總面積約0.46 km2。通過TRIGRS 模型穩(wěn)定性計算，24 h后，發(fā)生斜坡失穩(wěn)單元總面積為0.67 km2。開展滑坡分布與TRIGRS 斜坡穩(wěn)定性計算分區(qū)評價圖疊加分析，對比結(jié)果顯示：滑坡分布圖與斜坡失穩(wěn)危險性較高區(qū)域具有較高重疊區(qū)，發(fā)生斜坡單元失穩(wěn)面積的71%均發(fā)生在8個滑坡范圍內(nèi)。針對該區(qū)8個滑坡，當?shù)貒辆忠呀?jīng)建立滑坡監(jiān)測預警、群測群防體系，而分布于8個滑坡外易發(fā)生斜坡單元失穩(wěn)29%面積，是地方政府和國土部門下一步開展地質(zhì)災(zāi)害防治、監(jiān)測預警、群測群防體系的重點。因此，基于TRIGRS評價模型的方法適合于降雨誘發(fā)斜坡穩(wěn)定性評價，得出的斜坡穩(wěn)定性計算分區(qū)評價圖，在一定程度上反映研究區(qū)降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害空間分布關(guān)系和分布規(guī)律，為地方政府和國土部門的地質(zhì)災(zāi)害防治、監(jiān)測預警、群測群防體系建設(shè)提供科學依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1) 本研究采用瞬態(tài)降雨入滲斜坡穩(wěn)定性計算模型，以三峽地區(qū)秭歸向斜核部的歸州河干流為例，開展降雨條件下秭歸向斜核部土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性評價研究。應(yīng)用一種可考慮不同降雨強度的大區(qū)域性斜坡穩(wěn)定性評價方法，該方法以柵格個體為評價計算單元，統(tǒng)計在一定降雨期內(nèi)各斜坡柵格單元體失穩(wěn)的概率，繼而獲得區(qū)域上淺層滑坡危險性分區(qū)。

(2) 斜坡穩(wěn)定性計算結(jié)果顯示，發(fā)生斜坡失穩(wěn)的區(qū)域，多位于松散土體中厚—較厚，地形坡度中等的區(qū)域，在土層厚度和地形地貌的雙重控制下，土層厚度在7—10 m、地形坡度在20°～30°范圍內(nèi)的這些區(qū)域的斜坡土體極易發(fā)生滑動，為危險性較高區(qū)域。

(3) 本文計算所需要的巖土力學及水文參數(shù)是實驗室測試和前人研究成果而獲得，數(shù)據(jù)具有一定的代表性和可靠性。計算的分區(qū)評價圖與野外滑坡填圖對比分析，斜坡穩(wěn)定性評價結(jié)果和實際吻合程度較高，發(fā)生斜坡失穩(wěn)面積的71%均發(fā)生在降雨后災(zāi)害應(yīng)急填圖圈閉的8個滑坡范圍內(nèi)。

(4) 基于TRIGRS評價模型的方法適合于降雨誘發(fā)的淺層土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性評價，得出的斜坡穩(wěn)定性計算分區(qū)評價圖，在一定程度上反映研究區(qū)的降雨誘發(fā)土質(zhì)滑坡災(zāi)害空間分布關(guān)系和分布規(guī)律，為地方政府和國土部門的地質(zhì)災(zāi)害防治、監(jiān)測預警、群測群防體系建設(shè)提供科學依據(jù)。

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Slope Stability Evaluation of Southern Section of Zigui Syncline Core Under Rainfall Infiltration

QI Xin, LIU Guangning, HUANG Bolin, WANG Shichang, HUANG Changsheng

(WuhanGeologicalSurveyCenter,ChinaGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430205,China)

[Objective] The main stream of synclinal basin core in Zigui County of Hubei Province was selected as an case study area, and the slope stability evaluation under transient rainfall infiltration was carried out to provided scientific support for disaster prevention and mitigation projects of government departments, and to provide scientific basis for landslide hazard prediction and management. [Methods] Based on TRIGRS infinite slope stability calculation model coupled with groundwater dynamics, the data processing procedure and parameter selection methods of the slope stability evaluation tool was introduced in detail. [Results] Slope instability mainly located in the region with loose soil having medium thick or thicker layer, and medium slope, especially in the region having soil thickness of 7 to 10 m, and terrain slope ranged 20° to 30°, where were high incidence areas of slope instability. [Conclusion] Under the synergic effects of soil layer thickness and topography, short-duration but heavy rainfall can lead to the increase of pore-water pressure, where slope sliding happen easily, which was determined as landslide high risk area. The slope stability evaluation results were in good agreement with the actual distribution of landslides, and it can reflect the spatial distribution of rainfall-induced landslides to some extent.

TRIGRS model; slope stability evaluation; transient infiltration model; Zigui synclinal basin

2017-02-07

2017-03-03

國家自然科學基金項目“基于水波動力學的水庫崩塌滑坡涌浪研究”(41372321); 中國地質(zhì)調(diào)查局災(zāi)害預警項目(12120114079301); 水工環(huán)調(diào)查項目(DD20160257)

齊信(1983—),男(漢族),河南省永城市,碩士,工程師,主要從事災(zāi)害地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)的調(diào)查與研究工作。E-mail:qx_cdut@126.com。

A

1000-288X(2017)03-0097-05

P642.22