台风暴雨型土质滑坡演化过程研究*

沈 佳 董岩松 简文彬② 罗金妹 李先忠 聂 闻

(①福州大学岩土工程与工程地质研究所， 福州 350116， 中国)(②福建省地质灾害重点实验室， 福州 350003， 中国)(③中化地质矿山总局福建地质勘查院， 福州 350013， 中国)(④中国科学院海西研究院泉州装备制造研究所， 泉州 362200， 中国)

0 引 言

已有研究表明，降雨是导致滑坡发生的重要因素， 90%以上的滑坡与降雨有着密切关系(李聪等， 2016； Emanuel， 2005； Roger et al.， 2008)。

降雨型滑坡灾害已经成为了各国地质灾害中防治重点课题(郑颖人等， 2010)。许多学者对降雨型滑坡进行了深入的研究，研究表明在短期高强度降雨之前若发生低强度降雨的情况下滑坡更易发生(Senthilkumar et al.， 2018)，有学者使用FlaIR模型对降雨与滑坡的关系进行建模，将滑坡运动与降雨特征联系起来，发现降雨对滑坡的影响破坏作用可以使用滑坡运动加速度来衡量(Pinom Ering et al.， 2020)； 关于滑坡演化过程，研究发现在滑坡的孕育和发展演化过程中，其运动累积位移-时间曲线可以明显分为初始变形、匀速变形、加速变形3个不同阶段(秦四清等， 2006； 许强等， 2008； 曾裕平， 2008)； 综合遥感影像滑坡堆积体面积统计与滑坡体中部GPS监测，可将滑坡发展阶段分为4个阶段(解明礼等， 2019)。闽东南地区滑坡规模小，数量多，同时闽东南地区受台风暴雨侵扰严重，滑坡的孕育与演化涉及因素较多，如果单一地套用已有研究成果并不能提供较为准确的预警信息，因此亟需分析总结该地区台风暴雨型滑坡的发育变形规律。

本文以福建省泉州市浔中镇石山村坡残积层土质滑坡为例，通过室内相似物理模型和数值模拟探寻不同降雨工况下土层含水率和坡体位移的变化规律，总结台风暴雨型土质滑坡演化规律，为闽东南地区该类型滑坡的监测、预警与防治提供理论依据。

1 研究区概况

闽东南地区属海洋性季风气候，山地丘陵发育，降雨充沛， 7～9月多受热带气旋影响，台风暴雨频发，其降雨具有持续时间长、强度大等特点，是触发浅层土质滑坡的主要因素。本文选取泉州浔中镇石山村石山滑坡作为研究对象，受台风暴雨影响，该滑坡最早发生于2006年8月。石山滑坡主要由2层岩土体构成，上层坡残积黏性土，呈灰黄色、硬塑状态，结构松散，厚度约5～15m，越靠近山脚坡残积土层越厚； 下层为凝灰岩(J3n)。山体表层坡残积土土层较厚，土质松散，渗透系数约为10-5～10-6； 边坡坡度约28°～35°； 坡体上部有部分农田，汇水面积约8000 m2，地下水丰富。滑坡平面及剖面如图1、图2所示(福建省地质环境监测中心， 2009)。土层的物理力学参数如表1。

表1 物理力学参数Table1 Physical and mechanical parameters

图1 石山滑坡平面图Fig.1 Planar graph of Shishan Landslide

图2 石山滑坡剖面图Fig.2 Geological sectional drawing of Shishan landslide

2 台风暴雨型滑坡演化过程模型试验

2.1 试验概况

为了进一步揭示台风暴雨型滑坡的演化规律，本文依据相似理论进行滑坡的缩小尺寸模拟。台风暴雨型土质滑坡室内物理模拟实验装置主要包括：模型槽、降雨模拟系统、测量系统及数据采集系统等。通过该模型装置可以获取模拟边坡在降雨过程中的含水量以及位移随时间的变化情况。

在本文室内物理模型设计中，根据尺寸以及野外勘察所得滑坡规模及岩土物理力学参数等因素设计相似比例为1︰100，即n=100。

图3 物理模型试验装置样图Fig.3 Physical model test device

表2 原型材料与相似材料物理力学参数表Table2 Numerical calculation parameters

2.2 滑坡模型试验演化过程分析

2.2.1 暴雨试验含水率与位移变化分析(E1)

(1)坡体含水率变化过程：如图4含水率时程曲线所示，在降雨期初期主要入渗模式为垂直入渗，坡脚和坡顶浅层含水率上升较快。

图4 暴雨试验含水率时程曲线(E1)Fig.4 Water content-time history curve in rainstorm test

随着降雨发展中部产生拉张裂缝，雨水沿裂缝入渗导致坡体中部深层含水率也开始有所抬升。雨水随中部裂缝运移至深层，滑动面贯通，坡体滑坡整体演化过程如图5a， 图5b，图5c所示，分别对应含水率时程曲线中箭头标识的时刻。

图5 暴雨条件下滑坡演化过程(E1)Fig.5 Slope evolution process in rainstorm testa.初期入渗； b.中部裂缝； c.滑坡完成； d.侧视图

表3 物理模型降雨方案Table3 Rainfall scheme of physical model

(2)位移变化分析：通过以数字图像处理及分析为基础的数字照相量测软件Photoinfor进行剖面变形数据采集及分析，以坡脚HS4水分计点位作位移曲线图(图6)，可发现在初期降雨过程中位移没有明显变化，随着降雨入渗，坡脚出现积水(图5a)，发生溜蚀滑塌，坡体中部产生明显拉张裂缝(图5b)，雨水沿裂缝入渗至坡体深层，形成贯通滑面，滑坡完成(图5c)。位移可分为两个阶段，加速上升发展阶段和急速扩展整体滑坡阶段。该滑坡的破坏过程为：滑坡中部产生贯通裂缝，牵引滑坡深层滑动。滑坡破坏模式为牵引式圆弧滑动，有明显的台阶阶地现象产生(图5d)。

图6 暴雨试验边坡位移-时间曲线(E1)Fig.6 Slope displacement-time curve in rainstorm test

2.2.2 双峰暴雨试验含水率与位移变化分析(E2)

(1)坡体含水率变化过程：如图7所示，双峰雨型降雨的坡体含水率变化具有明显的梯度，初期坡顶和坡脚浅层主要受降雨的垂直入渗影响，降雨可以完全入渗，坡体含水率缓慢上升。后期暴雨时，因为前期降雨增大了坡体浅层的饱和度，坡脚含水率高于坡中及坡顶并首先达到饱和，出现软化现象。随着降雨进行坡脚出现溜塌，与此同时坡中部含水率明显增长。中部裂缝产生，坡体开始滑动并逐渐扩展到整个坡体。滑坡整体演化过程如图8a， 图8b，图8c， 图8d所示，对应含水率时程曲线中箭头所指的时刻。

图7 双峰暴雨试验含水率时程曲线(E2)Fig.7 Water time history curve in double peak rainstorm test

(2)坡体位移分析：以HS4水分计点位作位移曲线图(图9)，从双峰暴雨试验坡体位移曲线可以看出在初期小雨强降雨情况下边坡没有产生滑动，位移增量没有变化； 随着降雨持续进行，坡脚饱和现象明显，出现明显的冲刷迹象，发生软化(图8b)，当雨强改变为暴雨级别后，坡脚迅速发生较大面积的溜塌(图8c)，裂缝扩展过程迅速。坡中拉张裂缝产生，位移开始增加且增速较快； 暴雨发生不久后坡体正面下错明显，坡体位移剧增，坡体整体滑动完成(图8d)，滑坡破坏模式为牵引式圆弧滑动(图8e)。

图8 双峰暴雨条件下滑坡演化过程(E2)Fig.8 Slope evolution process in double peak storm testa.初期入渗； b.坡脚软化； c.坡脚溜塌； d.滑坡完成； e.侧视图

图9 双峰暴雨试验边坡位移-时间曲线(E2)Fig.9 Slope displacement-time curve in double-peak rainstorm test

2.2.3 物理模型滑坡破坏演化阶段划分

根据以上模型试验破坏过程分析，结合滑坡水平位移曲线，分析总结得出滑坡破坏演化阶段(图10)：(1)压缩沉降微变形阶段：此阶段坡体侧部没有明显位移变化趋势，曲线平直，几乎不发生位移，主要以降雨入渗、坡面冲刷和坡脚土体软化现象为主； (2)匀速变形阶段：坡体中部表面有明显裂缝产生，坡体有明显下错现象，位移匀速增长； (3)加速变形阶段：坡体产生单级或多级变形迹象，坡体破坏速度迅速，位移激增，具有突发性，在位移曲线上有明显拐点，在工况E2拐点位置更加明显。

图10 模型边坡破坏演化阶段Fig.10 Failure evolution of the model slope

3 台风暴雨型滑坡演化过程数值模拟

3.1 渗流数值模型

3.1.1 模型参数

饱和-非饱和渗流分析基于Van Genuchten法，通过颗分试验及参考类似的工程案例确定所需参数； 通过对原状样进行室内试验得出岩土体强度参数，滑坡体各土层物理力学性质参数和弹塑性Mohr-Couloum本构参数见表1物理力学参数表。

3.1.2 建立数值模型

根据滑坡灾害点实际地质情况，对该数值模型做了如下的设定：

(1)将边坡地质模型设为3层，由上到下分别为：坡积层、残积层以及最下层的强-中风化凝灰岩层。

(2)通过对地质灾害点地表位移监测及勘察钻孔资料综合分析，滑坡滑动面大致位于坡残积土层中，厚度大约为5～10m，该滑坡地下水位埋藏较深。用有限元数值模拟软件进行渗流分析，模型网格划分由四节点四边形单元与三节点三边形单元共同组成，加密表层坡积土网格，共7154个单元， 7068个节点，如图11所示，其中虚线代表地下水位线。

图11 有限元单元网格划分Fig.11 Mesh generation of finite element elements

3.1.3 降雨方案

与物理模型试验相同，本次数值模拟采用了两种不同的雨型，对边坡进行为期3天的模拟(董岩松， 2015)。雨型1：降雨为持续3天的暴雨雨强降雨； 雨型2：降雨雨强在前2天为中雨雨强，第3天将雨强设定为暴雨级别。雨强参数设置见表4。

表4 数值模拟降雨方案Table4 Rainfall scheme of numerical simulation

3.2 滑坡演化过程数值模拟演化结果

3.2.1 滑坡渗流演化过程分析

对数值边坡进行降雨模拟，持续72小时，分析边坡渗流、体积含水量变化情况，结果如下：

(1)E3工况滑坡渗流演化过程分析：降雨以垂直入渗为主，坡面体积含水量缓慢增加(图12)。降雨72小时后，雨水持续入渗，坡面饱和度提高(图13)，表层土层基本趋于饱和，土层内形成暂态饱和区，消散速率慢，因此在坡脚坡积土和残积土层分界面露头处出现小范围滞水，在图中由黑色箭头指出滞水位置。

图12 24h降雨后坡体体积含水量等势线图(E3)Fig.12 Equipotential map of slope water content after 24h rainfall

图13 72h降雨后坡体体积含水量等势线图(E3)Fig.13 Equipotential map of slope water content after 72h rainfall

(2)E4工况滑坡渗流演化过程分析：初期降雨以垂直入渗为主，降雨雨强较小，土层含水率缓慢增大(图14，图15)，持续48小时一般强度强降雨后，表层土体含水量接近饱和。再经过24小时暴雨雨强降雨模拟后，由图16可见，坡体表层基本达到饱和，地下水位上升，土层内出现暂态饱和区，坡脚处土层分界露头处出现较严重滞水现象，在图中由黑色箭头指出。

图14 24h降雨后坡体体积含水量等势线图(E4)Fig.14 Equipotential map of slope water content after 24h rainfall

图15 48h降雨后坡体体积含水量等势线图(E4)Fig.15 Equipotential map of slope water content after 48h rainfall

图16 72h降雨后坡体体积含水量等势线图(E4)Fig.16 Equipotential map of slope water content after 72h rainfall

3.2.2 滑坡稳定系数演化特征分析

将E3和E4工况滑坡稳定系数演化过程对比分析(图17)，可发现总体来说E4工况中稳定系数下降幅度大。E3工况中降雨前期稳定系数下降明显，从1.197迅速下降到1.136，后期下降速率减缓，最终下降到1.125。说明随着水分下渗使得边坡稳定系数不断减小。而在E4工况中，前48小时稳定性系数变化很小，只从1.197下降到1.189； 在降雨雨强增大为特大暴雨强度时，稳定系数从1.189迅速下降至1.060，之后稳定系数缓慢下降，最终降至1.042。该现象与降水前期降雨雨强小，雨水入渗较慢，对土体强度性质影响小，但长时间的降雨使得表层土体接近饱和，后期随着雨强增大，大量雨水下渗，土体强度性质大幅度下降。

图17 滑坡稳定系数时效图(E3与E4)Fig.17 Aging diagram of landslide stability coefficient

结合现实情况，可以发现对于台风暴雨天气，前期小雨的入渗推动了滑坡发展。双峰暴雨的情况中边坡更易失稳且滑坡具有突发性，同时，需注意强降雨情况下稳定系数始终保持下降态势，在降雨雨强足够大的情况下边坡存在早期失稳的可能。

3.2.3 滑坡演化阶段划分

在数值模拟边坡坡体内定义3个位移监测点，分别位于坡顶，坡中和坡脚。

(1)E3工况滑坡演化阶段划分：根据数值模拟监测点位移数据分析(图18)，总结为3个阶段：①压缩沉降微变形阶段：降雨导致土体重量加重引起土体沉降微变形，稳定性系数在模拟前期下降较慢，坡体存在一定的位移，但变形量微小，且持续时间较短。②匀速变形阶段：位移匀速增长，曲线斜率基本不变。③加速变形阶段：位移速度迅速增大，具有突发性。从位移曲线可以看出位移增速剧烈，变化幅度巨大。曲线趋势总体呈非线性增长。

图18 降雨工况E3滑坡演化阶段Fig.18 The landslide evolution stages of rainfall condition E3

(2)E4工况滑坡演化阶段划分：根据数值模拟监测点数据分析(图19)，总结为3个阶段：①压缩沉降微变形阶段：初期随着降雨入渗土体饱和度缓慢增大，土体强度下降，坡体稳定系数下降缓慢，基本处于稳定状态，水平位移不明显； ②匀速变形阶段：根据曲线可以看出水平位移呈匀速增长； ③加速变形阶段：破坏速度迅速，具有突发性。该阶段位移增速剧烈，变化幅度巨大，曲线呈非线性增长。

图19 降雨工况4滑坡演化阶段Fig.19 The landslide evolution stages of rainfall condition E4

(3)对比分析：工况3和工况4的滑坡演化都可以划分为3个阶段：①压缩沉降微变形阶段； ②匀速变形阶段； ③加速变形阶段。不同点在于，工况3中整个滑坡演化过程较连续； 而工况4中前期小雨强降雨过程中基本没有发生位移，位移在暴雨开始时发生突变，滑坡的发生具有突发性且发展速度较快。

4 模型试验与数值模拟结果对比分析

在上文中，模型试验E1与数值模拟E3情况对应，模型试验E2与数值模拟E4情况对应。

在暴雨雨强降雨情况下(E1和E3)，两者的边坡位移曲线都可以明显分为3个阶段，滑坡变形发展速度较快，稳定系数持续下降。位移都以坡脚位移为主，证明了数值模拟具有较大可信度。

在双峰暴雨雨强情况下(E2和E4)，两种边坡位移曲线同样可以划分为3个阶段，与E1和E3揭示规律相同。需要注意的是，以30mm·d-1雨强降雨2天后，两种模拟方式中土层含水率都得到了较大程度的增大但基本没有出现位移； 在100mm·d-1降雨开始后，两种模拟方式中位移曲线迅速增大； 位移变化对应稳定系数变化曲线中稳定系数在一开始基本不变化，后期发生骤降的过程。

综上所述，模型试验边坡与数值模拟边坡揭示规律大致相同。对于台风暴雨型滑坡，其发展规律可以划分为3个阶段； 在暴雨情况下，滑坡的位移发展不是突变的，在今后的研究中可以通过加速度的变化情况进行预警，而双峰暴雨情况中，滑坡的发生具有突变性，则需要运用到突变理论进一步研究其发展与预警方法。

5 结 论

本文通过边坡物理模型与数值模拟，分析了两种台风暴雨工况下边坡渗流和位移发展情况，获得了以下结论：

(1)渗透性规律表明：初期降水以垂直入渗为主，在两种模拟方式中坡脚位置均迅速饱和，土体内部形成暂态饱和区。在前期有小降雨的情况下，坡脚位置更易出现积水与冲蚀现象，对边坡的安全性影响更大。

(2)稳定系数变化曲线表明：两种模拟方式揭示的规律相同，工况E1、E3反映持续暴雨情况下雨水入渗使得坡体稳定性保持下降趋势。在前期有小雨强降雨的E2、E4工况中，发生暴雨时坡体含水率较高，渗透系数大，土体强度大幅下降，最终稳定系数相对于E1、E3工况更低，更加危险。

(3)滑坡变形演化规律表明：4种工况下边坡变形过程较一致：在降雨影响下，坡脚土体结构性丧失、强度参数剧降，边坡坡脚部分首先达到饱和，发生冲蚀变形； 随时间发展，坡体中部产生拉张裂缝，滑坡体下错，整体呈牵引式或圆弧形滑动。

(4)将台风暴雨型滑坡演化过程归纳为3个阶段：1)压缩沉降微变形阶段，该阶段曲线变化平缓，基本不发生位移； 2)匀速变形阶段，该阶段位移匀速增长，位移速率不变； 3)加速变形阶段，破坏速度迅速，具有突发性，曲线呈非线性。