降雨条件下边坡水文响应及其变形过程分析——以深圳大龙山边坡为例

廖彬秀，戴福初，闵 弘，王明龙，许 冲

(1.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014；2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029；3.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071；4.中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京 100029)

降雨是山体滑坡的主要诱发因素之一，深入了解边坡在降雨条件下的水文响应过程及其变形机制是降雨滑坡预测预报的基础。以深圳为例，2002年9月18日13:40，在连降暴雨的影响下，梅林关口羊宝地山一填土边坡发生破坏，约2.5×104m3的松散填土在坡下近水平地面高速运动了140m，造成半山坳违法搭建窝棚倒塌，十余间窝棚被泥土掩埋，5人死亡，31人受伤［1］。2008年6月29日2:25，连降特大暴雨致使龙岗区布吉街道辖区一石场内发生山体滑坡，造成3人死亡。同日6:30，该辖区内又发生一起山体滑坡，导致2栋住宅楼整体破损，1人死亡，4人失踪。

降雨诱发滑坡水文过程大致可分为两种:一种是深层滑坡，降雨造成地下水位上升，孔隙水压力增加所致；另一种是浅层滑坡，降雨入渗导致边坡土体基质吸力降低，土体抗剪强度下降所致［2～10］。本文以深圳南岭大龙山边坡为例，采用渗压计、固定式测斜仪、水分计、张力计和雨量计等监测仪器对降雨量、坡体地下水、坡体内部变形、土体含水量、基质吸力及降雨强度等进行自动监测，分析了边坡水文响应与变形过程。

1 大龙山边坡概况

大龙山边坡位于深圳市东西干道与布澜路交叉口的西北侧，南湾街道南岭大龙山石材交易市场南侧240m，为人工切方形成的岩土质混合边坡，图1为其地质主剖面图。坡底标高80.6～84.1m，坡顶标高87.1～117.8m。该边坡在地貌形态上整体呈凹形，坡长约190m，坡高8～34m，坡度45～65°。开挖坡面裸露，西侧坡面有小型坍塌。该边坡曾发生过大面积的滑坡，滑坡体堆积在坡脚。边坡南侧有一变形裂缝，于早期形成在坡残积土和强风化的泥质粉砂岩层中，位于坡体上方靠右侧。坡脚部分坡段为浆砌石挡墙和排水沟，墙高约1.8m，排水沟宽1.0m，深1.0m。坡顶植被发育，坡体上有3条纵向排水沟和1条截水沟，大部分排水沟已破坏或堵塞。

边坡中下部地层为强—微风化的侏罗系(J2tnb)泥质岩、石英砂岩，坡顶为坡残积土层。根据区域地质图，有2条小断层与坡体斜交，地质构造条件较复杂。地下水类型为孔隙水和基岩裂隙水，含水层为坡残积土和强风化泥质岩、石英砂岩，坡脚未见地下水出露，但在坡体外南侧坡脚常年有地下水流出。地表降水入渗，对边坡稳定性影响较大。

图1 深圳大龙山边坡主剖面图Fig.1 Main profile of Dalongshan slope，Shenzhen City

2 仪器布置

大龙山边坡监测系统安装于2008年8月。监测布置共设3个断面(图2)，监测系统包括10个渗压孔、5个测斜孔、12支张力计、12支水分计。降雨量采用翻斗式自动雨量计进行测读，其分辨率为0.2mm，量程为160cm。渗压计为Geokon公司生产的振弦式渗压计。为了控制整个边坡地下水的动态特征，渗压计埋设于3个剖面上，埋深为32.6m、35.6m、35m、25m的 P1(ZK1)、P2(ZK4)、P3(ZK7)、P4(ZK10)位于中间主剖面上；埋深为 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)分别位于两侧辅剖面上。边坡深部变形采用Geokon双向和单向固定式测斜仪，IN1(ZK2)、IN2(ZK5)、IN3(ZK8)布置于主坡面以监控边坡的整体变形；IN4(ZK24)用于监测边坡东侧的浅层滑移变形；IN5(ZK17)用于监测南侧由贯通性裂缝形成的变形区的变形和稳定状态。IN1、IN2为单向位移监测，IN3、IN4、IN5采用双向位移监测，传感器埋深如图3所示。

图2 大龙山边坡监测布置图Fig.2 Layout of monitoring instrumentation of the slope

图3 测斜埋设示意图Fig.3 Depth of in-place inclinometer sensors

边坡浅部土体中的基质吸力采用Jetfill张力计及Geokon张力传感器进行监测，土体中的含水率采用Delta-T型水分计进行监测。水分计和张力计位于监测点TIM1、T2M2、T3M3处，基本位于主剖面的3个小平台上，分别在深度0.5m、1.0m、2.0m、3.0m处设计成对埋设，编号及埋深如图4所示。

所有传感器均采用DataTaker DT615数采仪进行数据自动采集，数据采集间隔为15min，并用GPRS进行数据的无线传输。整个系统利用太阳能供电。

图4 张力计和水分计编号及埋深Fig.4 Depth and coding of tensiometers and moisture probes

3 降雨条件下边坡的水文响应分析

3.1 降雨入渗过程分析

由于篇幅所限，主要针对2009年4月13日～2009年6月3日期间的监测数据进行分析。图5为M1、M2、M3测得的体积含水量与降雨量的关系。

从图5(a)可以看出:(1)浅层体积含水量降雨响应最为迅速，深层体积含水量的变化会有所滞后。2009年3月5日在首次监测到日降雨量为39.8mm/d时，0.5m深度处的体积含水量对降雨迅速反应，1m深度处的体积含水量对降雨的反应比0.5m深度处滞后两天，且体积含水量增加的幅度也较小，而2m和2.8m深度处的体积含水量基本未发生变化。

(2)当降雨强度达到一定限度时，0.5m深度内的体积含水量变化过程线呈锯齿状形态，入渗前锋到达时体积含水量急剧增加，前锋过后快速回落至一定值，随后开始慢慢下降，其中降雨后的回落值大于降雨开始前的体积含水量值。这反映了在无积水情况下，边坡浅部土体难以维持饱和状态，土中水在重力作用下迅速下移。

(3)1m深度处的体积含水量变化过程线在较强日降雨量的情况下呈波浪和锯齿状前进。2009年4月16日之前，体积含水量呈波浪状向前，降雨后只是以一坡度增加，增加到一定值后，开始缓慢下降，说明在一定的降雨强度下，降雨入渗到1m深度处需要一定的时间。2009年4月16日，降雨量为59.4mm/d，2009年4月18日，降雨量为52.4mm/d，在间隔1天、2次超过50mm/d降雨情况下，体积含水量在18日急剧增加，增加幅度较大，从39.59%上升到62.19%，然后迅速回落到一定值后开始慢慢下降。2009年4月25日，下降至54.54%，在当日雨量为54.2mm/d的情况下，滞后2天后体积含水量又急剧上升到56.77%，降雨过后，开始慢慢往下降，一直持续至2009年5月23日，期间降雨甚少。2009年5月23日，日降雨量为110mm/d，2009年5月24日，日降雨量为123.6mm/d，体积含水量在2009年5月 24日急剧增加到60.02%，并迅速回落至56.78%后开始缓慢下降。在随后的2个月里，由于日降雨量不大，入渗至1m深度处的体积含水量下移至更深处，其体积含水量一直处于下降阶段。

(4)日降雨量越大，影响深度越大。2m深度处的体积含水量在日降雨强度不大的情况下，基本保持不增加的状态。在2009年4月23日、24日较强降雨量的条件下于5月25日开始上升，在30日达到最大值40%，其后以幅度非常小的速度下降。

从图5(b)可以看出:(1)在2m深度内，体积含水量在强降雨期间急剧增加，其变化过程线呈锯齿状。

(2)随着深度的增加，降雨响应过程延迟。0.5m深度处体积含水量对降雨的响应最为迅速敏感，降雨入渗需要时间，因此1m深度处体积含水量的响应滞后于0.5m深度处，2.05m深度处的体积含水量的降雨响应滞后于1m深度处。

(3)0.5m处体积含水量在单次雨强大于39.8 mm/d时，响应峰值一般在54%左右，说明浅层粘土0.5m深度处的体积含水量在54%左右处于饱和状态。

(4)2009年5月23日，日降雨量为110mm/d，24日，日降雨量为123.6mm/d，在连续2次较大单次降雨强度下，2.92m深度处的体积含水量开始响应，并迅速回落，雨水入渗后使其稳定值高于降雨前的初始体积含水量值。

图5 监测点M1、M2、M3体积含水量与降雨量关系曲线Fig.5 Variation in volumetric water content with rainfall at M1，M2 and M3

从图5(c)可以看出:(1)在较大单次降雨强度下，0.5m处体积含水量变化曲线表现为急剧升高，并迅速回落，随着深度增加，响应过程延迟。

(2)2009年4月13日降雨强度为55.8mm/d时，2.80m深度处体积含水量在降雨停止后2天开始慢慢上升，在随后1个月内，出现过几次较大降雨强度，都处于阶梯状上升趋势中。2009年4月25日至5月23日期间，由于降雨甚少，体积含水量变化曲线一直处于缓慢减少趋势中。5月23日，日降雨量为110mm/d，24日，日降雨量为123.6mm/d，在连续2次较大单次降雨强度下，体积含水量变化曲线表现为急剧升高至尖锐峰值，随之又以较大速率下降至稳定状态，到5月30日，缓慢下降稳定趋势没有受到较大降雨量和累积雨量较大的影响。

综上所述:(1)不同深度体积含水量不同；(2)降雨入渗条件下浅层体积含水量首先被影响，浅层体积含水量的响应快于深层。随着深度的增加，不同深度体积含水量的响应会逐渐滞后；(3)降雨入渗条件下浅层体积含水量的变化大于深层，最大变化往往出现在地表附近；(4)日降雨强度越大，降雨入渗影响的体积含水量的深度越大；(5)同一深度下，日降雨量越大，体积含水量的变化越大；(6)土体体积含水量曲线以锯齿状发展，表明土体体积含水量不仅受降雨量的影响，也受土体中水分蒸发的影响。对比M1、M2和M3位置处的体积含水量曲线，M1处深度为2m处的体积含水量对2009年5月23日之前的几次降雨无响应，可能是因为M1处位于边坡顶部较高的位置，雨水沿边坡面径流发挥很大作用，影响了降雨入渗量；(7)不同深度处体积含水量对降雨入渗的响应不仅受日降雨量的影响，同时也受前几次累积降雨量的影响。

图6为2009年4月13日～2009年6月3日期间土体基质吸力与降雨量随时间的变化关系。

从图6(a)可以看出:(1)在单次较大降雨条件下，0.5m处的基质吸力在0～10kPa，浅层易发生滑坡。

(2)浅层基质吸力的变化比深层快。在2009年4月16～25日降雨条件下，0.5m和1m深度处的基质吸力迅速减小，降雨停止后吸力又慢慢增加。2m深度处的基质吸力下降的时间在2009年4月16日降雨停止后的1～2天，变化滞后，同时降雨停止后基质吸力又慢慢增加时也会出现滞后现象。2.8m深度处的基质吸力在降雨停止后一直保持微量减少变化的趋势。这是因为深度相对较深时，降雨入渗至此是一个相对缓慢连续的过程。5月23日，日降雨量为110mm/d，24日，日降雨量为123.6mm/d，在连续2次较大单次降雨强度下，0.5m处的基质吸力迅速减小，1m处相对0.5m处基质吸力迅速减小的速度相对滞后，2m处相对1m处的基质吸力亦如此，较大降雨后基质吸力又慢慢增加，2.8m处的基质吸力变化甚微，这些结果均表明降雨入渗浅层基质吸力迅速减少甚至消失，易于浅层滑坡发生。

(3)2009年4月26日～5月21日累积雨量小于10mm的干旱期里，浅层基质吸力与深层基质吸力相当。在其余降雨较多的时期，浅层基质吸力小于深层基质吸力。反映了长期干旱浅层土体受植被根系及蒸腾作用的影响，水分蒸发，浅表层(0.5～1.0m)土层处于失水状况相当阶段，基质吸力相当。

从图6(b)可以看出:(1)干旱时期，浅层基质吸力大于深层基质吸力。2009年4月26日～5月21日累积雨量小于10mm的干旱期里，0.5m处基质吸力一直增加，最大接近至50kPa，2.05m处基质吸力也处于一直增加状态中，最大值超过30kPa，2.96m处基质吸力处于比较平缓的状态中，变化较小。

图6 T1、T2、T3处基质吸力与降雨量的关系曲线Fig.6 Variation in matric suction with rainfall at T1，T2 and T3

(2)在2009年5月底至6月降雨较多的时期，浅层基质吸力小于深层基质吸力。2009年5月23日，日降雨量为110mm/d，24日，日降雨量为123.6mm/d，在连续2次较大单次降雨强度下，0.5m处基质吸力迅速响应，且接近饱和状态。随后，2.05m和2.96m处的基质吸力也迅速减少。在随后不断降雨的情况下，0.5m处的基质吸力都及时敏锐地响应，基本保持5kPa左右。2次较大降雨停止后2.05m和2.96m处基质吸力一直处于下降阶段。

从图6(c)可以看出:(1)日降雨量越大，基质吸力变化越大。(2)降雨入渗条件下，1.0m处的基质吸力响应较2.0m处的快。

综上所述:(1)不同深度处基质吸力不同；(2)降雨入渗条件下浅层基质吸力迅速减少，响应明显先于深层。随着深度的增加，不同深度基质吸力的响应会有不同程度的滞后，这也表明基质吸力变化与降雨具有相对应的关系，且存在时间滞后，深层土体基质吸力的影响需要有充分的渗透时间。(3)因浅层土体体积含水量受植被蒸发的作用影响较大，干旱时期，浅层基质吸力大于深层的基质吸力。雨季深层基质吸力大于浅层的基质吸力。(4)随着时间的变化，不同深度基质吸力的变化不同，浅层基质吸力的变化大于深层。降雨入渗过程中大龙山浅层土体基质吸力可快速减弱，体积含水量增加，尤其是土体浅部(3m以内的土体)的基质吸力很小，抗剪强度相应降低，发生浅层滑坡的可能性较大。

3.2 地下水位变化分析

图7 孔隙水压力、降雨量随时间变化关系Fig.7 Variation in pore water pressure with rainfall

图7为2009年4月13日～6月3日孔隙水压力变化曲线。由于渗压计P1、P3传感器读数处于异常状态，监测到的数据不稳定，故在此未给予讨论。可以看出，4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(降雨量分别为110mm/d，123.6mm/d)连续降雨的情况下，渗压计P4的孔隙水压力均表现为较强烈的响应，且日降雨量越大，孔隙水压力的变化量也越大，在降雨停止后达到某一稳定值所需要的时间也越长。其余渗压计的埋深均超过30m，孔隙水压力变化曲线基本未受到当时降雨量的影响，地下水位基本不变。

渗压计P4因其埋深较浅(25m)，且位于坡脚处，该处表层属于滑坡堆积体，土体相对松散，渗透系数大。2008年12月30日渗压计P4初始时地下水位埋深约6m(图8)。当遇较大降雨时，该处土体孔隙水压力急剧增加。其余渗压计地下水位埋藏较深，当降雨入渗时，由于坡度在45～65°，坡顶植被发育，一部分雨水径流而走，一部分雨水因为植物蒸腾作用蒸发，导致其对降雨响应十分不敏感，地下水位基本不变。

图8 主剖面初始所测水位线Fig.8 Initial groundwater level measured from readings

图9 固定式测斜仪测得变形Fig.9 Displacements measured from in-place inclinometers

4 边坡变形分析

图9为主剖面测斜IN1、IN2和IN3的累积位移曲线，可以看出，坡体最大聚变点在2.6m处，具有明显的滑动面，且2.6m以上，越接近地面，累积位移越大。测斜IN1累积位移最大接近4mm，测斜IN2累积位移接近7.5mm，测斜IN3A向累积位移接近10mm。在约5m处和7m处有第二、第三个斜坡变形集中点，但变形都较3m处要小，因此浅层滑坡的可能性最大。测斜IN3B方向斜坡变形主要在5.5m处，位移变形很小。随着时间的延续，累积位移变形增大的趋势并不明显。就目前情况来说，山体边坡处于稳定状况。

5 结论

(1)通过对大龙山边坡水文过程和边坡内部位移的变形监测表明，TIM1、T2M2、T3M3位置点地形、坡度及2m内土质基质吸力的变化趋势基本保持一致。

(2)降雨入渗时，边坡浅层0.5m、1m处的基质吸力和体积含水量对降雨入渗的响应十分敏感，日降雨量越大，影响深度越深，影响程度也越强。

(3)在2次较大日降雨量的条件下，深层基质吸力大于浅层基质吸力，浅层遭到破坏的可能性大。

(4)2次降雨事件之间的干燥期，由于长期干旱，植物的蒸腾作用导致水分的蒸发，2m内平均体积含水量降低，基质吸力增加，蒸腾作用对其变化影响很大。

(5)边坡内部最大位移变形发生在3m深度内，在长期较大降雨的条件下，浅层滑坡的可能性较大。

(6)坡脚(滑坡堆积体处)渗压计P4对降雨响应敏感，当日降雨量较大时，雨水入渗后瞬态孔隙水压力迅速增加，长期降雨条件下，此处也有可能再出现局部小破坏，其余渗压计在降雨入渗后地下水位变化小。

(7)根据目前边坡自动监测后的数据分析，大龙山边坡整体上处于较稳定状态。

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