粤西封开地区花岗岩斜坡变形破坏与降雨响应关系研究

刘广宁，王世昌，廖金，吴亚，余绍文

中国地质调查局武汉地质调查中心（中南地质科技创新中心），湖北 武汉 430205

降雨是崩滑流地质灾害孕育、诱发的极其重要因素。国内外对于降雨型地质灾害的研究较为深入。在地质灾害变形破坏与降雨强度、持续时间、响应程度及降雨对崩滑体内部力学性质的影响等方面，相关研究较多（Dahal et al.,2009；简文彬等，2013；李高等，2021）；在诱发地质灾害的降雨阈值方面，相关学者基于统计学原理，引入了适合特定区域的判别因子、系数，判定了致灾的降雨类型，并进行了分析（陈静静等，2014）；在降雨致灾预警预报模型构建方面，相关学者利用滑坡发生指数将灾害预警预报进行等级划分，同时选用相应评价因子、模型、指标体系，建立了降雨型地质灾害危险性区划方法（陈洪凯等，2015）；在试验方面，相关学者在灾害体原位开展了降雨型滑坡模拟试验，获取了降雨入渗过程中边坡稳定性、应力场和位移场的变化趋势（龙万学等，2008），另有学者开展了大尺寸模型边坡试验，研究了降雨条件下堆积体边坡渗流、变形、破坏的规律，并提出了预警的判据（陈宇龙和黄栋，2017），还有学者通过计算机模拟试验，掌握了滑体内部体积含水率、基质吸力和孔隙水压力的动态变化特征，记录了降雨作用下斜坡变形破坏的全过程，并对其变形破坏机理进行了分析（Wu L Z et al.,2017；刘广宁等，2020）。此外，降雨与滑坡地质灾害的耦合关系也有相关成果（陈洪凯等，2012；Hong et al.,2018）。对于花岗岩滑坡地质灾害而言，有关其类型划分、物理力学特性、成因机制等方面的研究较多（Chen M et al.,2017），而有关变形破坏与降雨的响应关系方面的研究相对较少。

粤西封开地区地质灾害十分发育，由降雨诱发的花岗岩斜坡地质灾害尤为突出。本研究通过实时采集降雨数据，结合3年地质灾害调查工作，总结了降雨条件下花岗岩斜坡变形破坏模式、机理以及与降雨的响应关系。以期为区内类似地质灾害早期识别、工程治理、预警预报、防灾、减灾、救灾提供科学建议。

1 区域地质背景

研究区位于粤西封开县域，面积约450 km2，西江自北西向南东流经区内；属亚热带季风气候区，年均气温20.9℃，雨量充沛，年均降雨量为1480.0 mm；区内主要发育岗丘地貌，除局部区域海拔高度近千米外，多为小于500 m的低丘岗地；地形特点是北东-南东高，南西-西低，且中部发育近北东-南西走向狭长丘间冲积盆地，地形坡度集中发育在15°～45°之间。研究区大地构造上属广西山字形构造的南东翼、东西向褶皱带内，历经以加里东、印支及燕山运动等多期构造运动（李坤等，2020）。区内出露地层主要有上元古界震旦系，分布于东南部登元、封开县一带，岩性为灰绿色长石石英砂岩、石英砂岩、页岩夹多层硅质岩；下古生界寒武系，分布于西北部宝鸭一带，岩性为灰绿色块状砂岩、长石砂岩、粉砂岩、粉砂质页岩、页岩；新生界第四系，分布于西江沿岸、贺江两侧以及丘间狭长盆地内侧，以砾石、砂、粘土为主。侵入岩主要为晚奥陶世和中侏罗世的花岗岩，分布于研究区中部、东部，岩性以肉红色、褐黄色、灰白色中细粒-中粗粒黑云二长花岗岩、中细粒-中粗粒花岗闪长岩为主（广东省地质调查院和广东省佛山地质局，2013）。

2 地质灾害分布及变形破坏特征

2.1 地质灾害分布特征

不同风化程度花岗岩斜坡中均有地质灾害发育（图1）。通过对区内87处花岗岩斜坡地质灾害（崩塌/危岩、滑坡）的发育分布、失稳模式进行分析发现：数量上，以全风化花岗岩中地质灾害点最多，共29处，占比33%；高程上，发生于50～220 m的地质灾害点共73处，占比84%；地形坡度上，发生于25°～45°的地质灾害点共75处，占比86%；区域上，人类工程活动强烈区，如沿广梧高速两侧、怀阳高速施工区、省道S266、居民住宅建设区域共58处，占比67%；时间上，从年内活动分布特征看，地质灾害具有明显的季节性，近70%以上发生在汛期（5～8月），变形破坏多发于持续性降雨、突发暴雨期间，具有点多、面广、规模小、突发性强的特征（张宏鑫等，2020）。

图1 研究区花岗岩及地质灾害空间分布图Fig.1 Spatial distribution of the granite and the geohazards sites in the study area

2.2 变形破坏模式

区内花岗岩斜坡地质灾害发育的数量、分布特征与高程、地形坡度、风化程度有明显的相关性，统计分析表明：地质灾害变形破坏模式主要分为“滑移型”、“崩落（坠落）型”和“倾倒型”三种（董好刚等，2009），规模均为小型（表1）。

表1 研究区地质灾害破坏模式的风化类型、高程、坡度及规模特征Table 1 Characteristics of weathering types,elevations,slop,and dimensions for the geohazards failure modes in the study area

2.2.1 滑移型

“滑移型”地质灾害点在研究区内最多，且多发育在全风化、强风化、微风化花岗岩中（Tullis and Weeks,1986）。全风化花岗岩斜坡变形破坏特征为：降雨作用下，表面存在3～5 cm宽的羽状冲蚀沟隙，后缘形成垂直斜坡的拉张裂缝，坡脚有水渗出（图2a）。而强风化花岗岩斜坡坡体发育垂直坡向的原生结构面，多以拉张裂缝存在，在降雨浸润、冲蚀、自重作用下，其不断拓展延伸，最终形成统一滑面发生失稳，后缘擦痕清晰可见，剪切作用明显，前缘挤压、隆起特征明显（图2b）。微风化花岗岩斜坡中，“滑移”的主体并非微风化花岗岩体自身，而是表层残坡积物，沿基-覆界面滑动变形破坏，失稳后坡面基岩上的擦痕比较明显，坡脚多形成“倒锥状”堆积体（图2c）。

2.2.2 倾倒型

该类型多发育在微风化花岗岩斜坡中，其发育纵切岩体的“X”型节理，同时发育缓倾坡外的结构面，降雨冲蚀及填充物运移痕迹明显，有明显的拓展、延伸变形，失稳后缓倾破坏面上可见明显阶步和擦痕，该类型具显著的刚性变形破坏特征（图2d）。

2.2.3 崩落型

“崩落型”地质灾害多发育在中风化、球状风化花岗岩斜坡中。中风化花岗岩中，多发育平行、垂直坡向的原生结构面，在风化和降雨侵蚀作用下，在斜坡坡顶逐步形成小型沟槽，下部逐步形成纵向“条状、脊状”凸出岩体，在自重和横向结构面切割作用下，发生崩落，很多研究者也将该类型归为“崩岗”问题（王彦华等，2000）（图2e）。“崩落（坠落）型”在区内球状风化花岗岩中也有发育。斜坡纵剖面上风化差异性显著，在风化、降雨作用下，向内剥蚀形成凹腔，花岗岩球体则向外凸出、平挑，悬于空中，极限平衡状态破坏后失稳（图2f）。

图2 不同风化程度花岗岩变形破坏特征Fig.2 Characteristics of deformation and failure for granites with various weathering extents

3 花岗岩滑坡变形破坏机理

3.1 软化崩解机理

“易软化和耐崩解性差”在全、强、中风化花岗岩斜坡地灾点中体现较为显著（刘广宁等，2021）。初始状态下，原岩结构特征清晰、物质组成明显，其内部具有较好的稳定结构。当有降雨入渗、淋滤、坡脚冲刷等发生时，斜坡体含水量、容重等物理力学性质发生改变，斜坡内部结构平衡被破坏，稳定性丧失，斜坡体表现出明显的“软化特征”，软化作用大大降低斜坡岩土体抗剪强度，当斜坡自重应力大于抗滑力时，其随即发生破坏、失稳。遇水发生崩解是强-全风化花岗岩的典型特征，崩解后的岩土体结构被破坏，且该过程不可逆，其内部结构、基质吸力、胶结粘聚力等物理力学性质发生显著改变（Nara et al.,2018），通常展现出极其松散的结构特征，在降雨-暴晒、温度高-低变化等气象条件循环作用下，会降低其耐崩解性，导致崩滑地质灾害。

3.2 渐进性破坏机理

“渐进性破坏”是研究区花岗岩斜坡地质灾害的共性特征。“渐进性”体现了稳定、变形、失稳是一个连续的过程，贯穿孕灾、致灾始终。花岗岩风化程度的差异性决定了该过程的历时长短。研究区内全风化花岗岩斜坡体在降雨入渗、冲刷淋滤等水体作用下，其内部基质吸力、含水量、抗剪强度等物理力学参数发生显著变化，该过程是逐步的、渐进的连续累积过程（图3）。强风化花岗岩斜坡在内外各类因素影响下，其内部结构的破坏，节理裂隙的产生、发展、贯通，统一滑面的形成，最终破坏失稳，同样经历着上述过程，具有显著的渐进效应。对于中风化冲蚀型、崩落型花岗岩斜坡从局部变形到破坏失稳，从初始稳定到最终失稳，都是一个连续的物理力学参数变化的渐进过程，是量变到质变的累积过程，微风化基-覆复合型花岗岩滑坡体亦然（图4）。

图3 强-全风化花岗岩滑移型斜坡变形破坏机理Fig.3 Mechanism of deformation and failure for the strongly-completely weathered granite landslides

图4 微风化滑移型花岗岩斜坡变形破坏机理Fig.4 Mechanism of deformation and failure for the slightly-weathered granitoids landslides

3.3 刚性破坏机理

“刚性破坏”主要见于微风化和球状风化花岗岩斜坡中，以“倾倒、坠落（崩落）”为典型特征。区内微风化花岗岩斜坡地质灾害多发育在人类工程活动强烈区，其岩体结构较为完整，力学强度高，现场回弹测试强度多在80～120 MPa。该类型斜坡多发育两组原生纵张“X”型共轭节理，由于修路施工开挖及建筑材料开采等人类工程活动影响，其卸荷作用明显，横向上多产生缓倾坡外结构面，岩体受该结构面与原生“X”型共轭节理切割，形成纵向板柱状危岩块体（图5），降雨水楔及卸荷作用下，“X”型节理沿纵向逐步延伸拓展，板柱状危岩块体重心外移，最终刚性折断发生“倾倒”破坏。通过缓倾坡外结构面的擦痕、阶步特征，可反演危岩破坏失稳过程（刘广宁等，2019）。“球状风化”花岗岩斜坡，其显著的风化差异性、强度差异性是其破坏失稳的主要因素。其中“球状”岩体具有较高的力学强度，回弹测试值多在60～90 Mpa之间，而将其包裹的外围强-全风化岩体多呈松散结构，类土状。在降雨、风化等作用下，随着“累进性”效应的增加，花岗岩“球状”岩体逐渐凸出于坡面，呈“平挑状”、“悬臂梁”状（图6），当“球状”岩体自重产生的倾倒力矩大于外围包裹岩体的抗倾力矩时，“球状”岩体发生“崩落（坠落）”。

图5 微风化花岗岩倾倒型变形破坏机理Fig.5 Mechanism of deformation and failure for the slightly-weathered and toppled landslides

图6 球状风化花岗岩坠落变形破坏机理Fig.6 Mechanism of deformation and failure for the spherically-weathered and falling landslides

4 花岗岩滑坡与降雨耦合关系分析

为了系统掌握该区域内花岗岩斜坡变形破坏与降雨之间的耦合响应关系，本研究在灾害发育范围中心位置建设气象站及无线数据采集系统（图7a）。系统由监测终端、通信网络和监控平台三部分组成。终端实时采集雨量、温度等数据，采用RS485/GPRS通讯组网，上报平台，监控平台进行同步数据的接收、存储，掌握即时雨量数据及监测设备的运行状态。

通过2017～2019年雨量监测数据、花岗岩斜坡变形破坏调查（图7b），结合区内群测群防部门地质灾害变形破坏监测登记造册的数据资料分析，区内近70%以上斜坡隐患点变形破坏、失稳发生在汛期（5～8月），其中2017年6、7月斜坡隐患点发生变形破坏、失稳共计146处，占比60%；2018年5、6月斜坡隐患点发生变形破坏、失稳共计99处，占比55%；2019年7、8月斜坡隐患点发生变形破坏、失稳共计95处，占比54%（表2）。斜坡变形破坏、失稳与突发强降雨和持续性累积降雨有明显的响应关系（Rosi et al.,2016），但花岗岩风化程度的不同导致其与降雨响应关系显示出显著的差异性。

图7 降水数据采集系统（a）及现场调查（b）照片Fig.7 Photos of the precipitation data collection system(a)and field investigation(b)

表2 研究区2017～2019年5～9月地质灾害数量随时间变化情况Table 2 Annual-monthly variations of geological geohazards in the study area(2017-2019)

4.1 研究区降雨特征概述

通过野外建设的雨量站（雨量计、蒸发皿）采集系统获取的降雨数据显示研究区2017～2019年降雨具有一定差异性。单日降雨量：2017年最大145 mm，最小1 mm，多集中于10～30 mm；2018年最大125 mm，最小1 mm，多集中于5～25 mm；2019年最大131 mm，最小2 mm，多集中于5～30 mm。持续性降雨2017年最多，其余两年较少，累积降雨量：三个年度3日累积降雨量最大达196 mm；5日累积降雨量最大达371 mm；7日累积降雨量最大达342 mm；10日累积降雨量最大达188 mm；15日累积降雨量最大达208 mm。

4.2 与单日降雨响应关系分析

雨量计数据统计显示，3年间单日（24小时）最大降雨量集中在120～150 mm间。统计分析首先以30 mm为间隔分析：单日降雨量在0～30 mm的天数最多，3年累积达365天，占比达75%；其次为30～60 mm，占比14%；60～90mm，占比8%；90～120 mm、120～150 mm较少。通过各单日降雨量与斜坡变形破坏数量对比统计分析：单日降雨量50～80 mm区间内，斜坡变形破坏数量最多（图8），3年累积达177频次，占比达18%；其次为40～70 mm和60～90 mm两个降雨区间。由此可见，斜坡变形破坏集中发生在单日降雨量30～90 mm范围内，达642频次，占比达66%。

图8 斜坡变形破坏数与单日降雨量对应关系Fig.8 Relationship between the amount of slope deformation and daily rainfall

为了更精确掌握斜坡变形破坏与单日降雨量的响应关系（王芳等，2018），对5 mm、20 mm 30 mm降雨间隔进行分析，结果显示：20 mm降雨间隔情势下，单日降雨量45～65 mm区间内，斜坡变形破坏频次最多，总体集中发生在40～80 mm范围内。5 mm降雨间隔情势下，单日降雨量50～55 mm区间内，斜坡变形破坏频次最多，总体集中发生在50～60 mm范围内。综合分析3个降雨区间统计数据，花岗岩斜坡变形破坏与单日降雨量50～60 mm响应最为显著（表3）。

表3 斜坡变形破坏数在单日降雨区间的分布情况Table 3 Distribution of the amount of slope deformation in daily rainfall zonation

根据国家气象局颁布的降水强度等级划分标准，按24小时降雨强度划分：小雨（0～9.9 mm）、中雨（10～24.9 mm）、大雨（25～49.9 mm）、暴雨（50～99.9 mm）、大暴雨（100～249.9 mm）、特大暴雨（≥250 mm）。据此气象标准对降雨量区间进行统计分析，斜坡变形破坏与降雨响应集中发生在50～99.9 mm降雨区间内，其次为10～24.9 mm、25～49.9 mm降雨区间（图9）。由此可知：当气象预报为中雨、大雨及暴雨时，区内花岗岩斜坡隐患点应进入应急预警状态。

图9 斜坡变形破坏数与气象等级单日降雨量对应关系Fig.9 Relationship between the amount of slope deformation and daily rainfall from meteorological grade perspective

4.3 与累积降雨响应关系分析

斜坡变形破坏不仅与单日降雨有显著的响应关系，与持续性累积降雨同样密切相关(Wang L et al.,2022)。研究降雨诱发斜坡变形失稳除考虑当日降雨外还须考虑前期降雨影响。前第n天的降雨很可能没有衰减到零时，前第n-1天可能又出现降雨，因此多次降雨的衰减是密切关联的。前期降雨指斜坡变形破坏乃至失稳当日之前某段时间的累积降雨。在排泄、蒸发作用下，一场降雨的影响会逐渐消退。产生影响的这部分降雨称为前期有效降雨（是前期降雨经过衰减后的剩余降雨量）。前期有效降雨量是研究降雨-地灾耦合关系的重要参数。本次研究前期降雨是通过野外雨量站（雨量计、蒸发皿）获取的，对前期降雨监测数据经过统计分析、计算扣除衰减后得到前期有效降雨量。前人总结得出的有效降雨量计算方法有很多（谭万沛等，1991；中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，2000；王礼先和于志民，2001；李长江等，2008，2011），结合封开县花岗岩分布区降雨及斜坡变形破坏实际情况，本次前期有效降雨量计算如下：

其中：Pa0为斜坡变形破坏当日（0 d）前15日的有效降雨量，Rn为斜坡变形破坏发生前第n天的降雨量，衰减系数K=0.8。

通过2017～2019三年间降雨时长统计分析发现：持续性降雨天数多在3～7日，以5日累积降雨量、降雨累积50 mm为间隔进行研究。3年间持续性降雨次数以2017年最多，5日累积降雨量最大达371 mm，其余两年较少。通过降雨数据统计分析，花岗岩斜坡变形破坏集中发生在150～300 mm累积降雨量范围内，其中200～250 mm区间内最多，达到142频次，其次为150～200 mm和250～300 mm区间（图10）。据此，一旦气象预报显示一段时期有持续性降雨情况下，要密切关注连续的累积降雨量，当累积值接近上述区间时，区内相关斜坡隐患点应进行设防、预警。

图10 斜坡变形破坏数与累积降雨量对应关系Fig.10 Relationship between the amount of slope deformation and cumulative rainfall

4.4 综合分析

由于斜坡坡度、岩体结构、风化程度、滑体面积、坡体形态、降雨入渗等特征的差异性（夏梦想等，2021），斜坡变形破坏与降雨不仅具有同步性，还有明显的滞后性，尤其是一段时间的持续性、累积性降雨，也充分反映了降雨-入渗-排泄，最终传导至斜坡变形破坏是一个累进性、渐进性过程（Yang H J et al.,2020）。为了掌握滞后期与前期降雨量的响应关系，对区内花岗岩隐患点斜坡变形破坏前期3、5、7、10、15日的累积降雨量进行统计分析，结果表明：变形破坏、失稳与此前5、7、10日的累积降雨量具有较强的相关性（图11），其中与前期7日降雨量相关性最为显著，5日次之。从累积降雨量来看，斜波变形破坏多发生在150～250 mm范围内，期间发生变形破坏频次占比达49%。据此可知，研究区花岗岩斜坡变形破坏滞后期为5～7日，且斜坡变形破坏累积降雨量预警区间为150～250 mm。故在雨后地质灾害巡查过程中，以5～7日累积降雨量为依据，对相关花岗岩斜坡隐患点进行重点排查。

图11 斜坡变形破坏数与降雨阶段的关系Fig.11 Relationship between the amount of slope deformation and precipitation stages

5 结论

（1）研究区花岗岩斜坡变形破坏多集中发生在汛期（5～8月），变形破坏模式为“滑移”、“崩落（坠落）”和“倾倒”三种类型，规模均为小型。区内花岗岩斜坡变形破坏机理为“软化崩解”、“累进性破坏”和“刚性破坏机理”。其中累进性变形破坏机理覆盖了所有花岗岩斜坡，软化崩解机理主要发生在中-全风化花岗岩斜坡中，刚性破坏机理主要发生在微风化花岗岩斜坡中。

（2）通过单日降雨量耦合关系分析，区内斜坡变形破坏多发生在30～90 mm降雨量区间，其中50～60 mm最为显著。按照降雨等级划分标准（内陆部分），当气象预报为中雨、大雨及暴雨时，花岗岩斜坡隐患点应进入应急预警状态。

（3）通过累积性降雨量耦合关系和滞后性分析，斜坡变形破坏在150～250 mm累积降雨量区间内具有明显的响应关系，斜坡变形破坏与前期5～7日持续降雨响应明显，且斜坡变形破坏累积降雨量预警区间亦为150～250 mm。