降雨激发浅层滑坡发育特征与阈值研究<br/>——以江西省全南县大吉山“2019.6.10”灾害为例

降雨激发浅层滑坡发育特征与阈值研究
——以江西省全南县大吉山“2019.6.10”灾害为例

2023-10-08何元勋马啸宇吴雨夫吴义鹰叶龙珍

地质与勘探 2023年5期

马煜，余斌，何元勋，马啸宇，吴雨夫，吴义鹰，柳侃，叶龙珍

（1.成都理工大学工程技术学院，四川乐山 614000；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059，3.江西省矿产资源保障服务中心，江西南昌 330025；4.广东省有色矿山地质灾害防治中心，广东广州 510080；5.自然资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室，福建福州 350002）

0 引言

浅层滑坡是滑坡中分布最广、暴发频率高、危害性较大的地质灾害之一（刘佳佳等，2014；赵立财，2023）。浅层滑坡通常由短时间强降雨或长时间中-低强度降雨引起，常在地质条件和地形条件相似的区域群发，并可能演化为泥石流或山洪，对基础设施和居民财产造成巨大经济损失（Pradhan et al.，2019；Yang et al.，2020；王俊豪等，2021；Yu et al.，2021）。如2011年6月5日贵州望谟县105.9 mm/h的暴雨引发多处浅层滑坡和泥石流灾害，造成14万人受灾、37人死亡、15人失踪，经济损失达18.6亿元（马煜等，2012；朱云波等，2015；Yu et al.，2016）。

浅层滑坡是一类发生在松散坡积层或强风化残积层斜坡上的滑坡，具有表层岩土结构松散、渗水性强、下层有明显基岩面或未风化岩层面、发育深度一般小于5 m（熊炜等，2018）。这类滑坡多发生在中国沿海省份，如辽宁、浙江、福建、台湾等。浅层滑坡的形成受地形、地质、降雨和其他因素综合影响（余斌等，2017），其中地形条件在降雨条件和地质条件相似的较小区域范围内就变成了影响浅层滑坡的主控条件，滑坡的滑面坡度、上部汇水、两侧汇水和临空面等因素是地形条件中重要的参数（Gao et al.，1993；Montgomery and Dietrich，1994；Laren and Torres-Sanchez，1998），另外滑坡所在高程、坡体坡度、平面曲率和剖面曲率等因素也经常用于评估浅层滑坡失稳敏感性（Cristina and Jordi，2001；Pradhan et al.，2019；Melo et al.，2019）。工程活动（如道路建设）在一些地区的浅层滑坡发育中发挥重要作用（Wang et al.，2014；Yang et al.，2020）。自Caine（1980）首次提出强度和持续时间模型以来，国内外学者已经建立了许多滑坡临界降雨阈值模型，如采用经验降雨阈值建立滑坡区域预测模型，Segoni et al.（2014）和Pradhan et al.（2019）将山体滑坡触发降雨阈值与浅滑坡敏感性相结合，以预测韩国釜山的浅层山体滑坡；余斌等（2016，2017）以浅层滑坡诱发沟谷泥石流为研究对象，在泥石流形成条件的基础上建立该类型泥石流的预报模型。

2019年6月9日～10日，一场暴雨袭击了江西省全南县，此次降雨造成全县42处道路塌方，10145亩农作物受灾，434 间房屋受灾，总直接经济损失615亿元，其中大吉山社区所在流域内发生了116 处浅层滑坡和11 处泥石流(图1)。以“江西省+浅层滑坡+阈值”等关键词在中国知网进行搜索发现，目前仍缺乏针对江西省浅层滑坡特征和降雨阈值方面的研究，因此，本文以2019 年6 月10 日大吉山社区流域发生的116 处浅层滑坡为研究对象，采用遥感影像对比、野外调查、数据统计和基于12.5 m DEM的GIS 空间分析等综合方法，分析浅层滑坡的规模特征和地形特征，并利用现有模型计算该地区浅层滑坡发生的降雨阈值，为该地区浅层滑坡的防灾减灾和预测预警工作提供理论指导。

图1 研究区滑坡分布和地质构造简图Fig.1 Distribution of landslides and geological structure sketch map of the study areaa-航拍影像；b-地质构造简图；1-寒武系上统砂岩、板岩；2-寒武系中统砂岩、板岩；3-侏罗系花岗岩；4-挤压带；5-断层；6-实测滑坡点；7-遥感解析滑坡点；8-泥石流点a-aerial image；b-geological structure map；1-Upper Cambrian sandstone and slate；2-Middle Cambrian sandstone and slate；3-Jurassic granite；4-compressive belt；5-fault；6-measured landslides；7-interpreted landslides；8-debris flows

1 研究区概况

大吉山镇地处亚热带东南风季风气候区域，据2010～2019 年10 a 气象统计数据，平均气温18.8 ℃，极高气温38.6 ℃，极低气温-7.9 ℃。年均降雨量1630.7 mm，雨季主要集中在4月至9月，占全年降雨量的70.8%。最大的降雨月份是6 月，月均降雨量259.4 mm，最大6 月降雨量377.3 mm。降雨量分布的不均衡是导致该区域滑坡和泥石流灾害季节性暴发的主要原因。研究区内发育一条受季节性控制的溪流（无名河），控制区域内水系，从东南向北西注入区域外大吉山河，溪流长3.8 km，流域面积4.25 km2，最大流量可达16 m3/s，冬季流量为0.02 m3/s。

研究区地处赣粤两省交界的九连山脉中部，属北北西向倾斜的山坡坡谷，为侵蚀构造丘陵-中低山地貌类型。最高峰为大吉山峰，海拔1047 m，最低点为大吉山社区，海拔为425 m，地势陡峻，东南高西北低，地形坡度变化较大，东南部山势陡峻，山坡坡度范围在15°～58°，区内沟谷发育，沟谷多呈“V”字型，这种坡度和沟谷形态为浅层滑坡和泥石流的发生提供了有利条件。西北地势低平，山势平缓，山坡坡度范围在10°～40°，这也是该区域相对于东南部发生滑坡灾害少的主要原因。

研究区位于南岭复杂东西构造带东段中部，区域性东西向构造（挤压带）与北东向构造（船底窝断裂带和大吉山断裂带）的复合部位（刘宁强等，2020）（图1）。区内出露的地层除第四系残坡积、人工堆积及河谷两岸冲积和洪积物外，主要为中上寒武统的砂岩、砂岩夹砂质板岩。另外在寒武纪地层中有大量侏罗系花岗岩侵入，遍布全矿区。由图1 所示，花岗岩（γ52）在研究区分布很少，且该区域没有灾害分布，可以不考虑该部分岩性。其他区域（Є2和Є3）岩性相同，主要由砂岩和砂岩夹砂质板岩组成，仅形成年代不同，相同的岩性条件为我们主要研究地形因子提供了有利条件。

2 数据和方法

2019 年8 月底获取了面积为8.40 km2、精度为0.1m 的无人机正射航拍图（图1a），此外，还搜集了2018 年12 月10 日和2019 年9 月21 日的google-earth 影像图。通过对比和目视解析不同期影像图和航拍图，解析出116 处浅层滑坡和11处泥石流（图1b）。在2020 年8 月的野外调查中，由于距离灾害发生已过一年左右且多数已人为改造和部分客观原因等因素，仅调查43 处滑坡的相关参数。部分难以到达的滑坡特征参数是根据航拍图、影像图并结合精度12.5 m 的DEM 综合测量的。地质元素信息来源于中国地质调查局提供的1∶50 000 地质图。气象数据来自国家气象科学数据共享服务平台-中国地面气候资料日值数据集（V3.0），此外我们还收集了6 月9～10 日大吉山镇雨量监测站记录的累积降雨量和小时降雨量数据（图2）。根据降雨量数据，降雨在6 月9日20 时开始，6 月10 日上午7 时～8 时达到最大值40.5 mm/h，13：00 后停止。调查访问大吉山社区张姓工作人员，2019 年6 月10 日8 时30 分左右研究区内沟道中发生了泥石流，基于滑坡转化泥石流的形成过程推测，浅层滑坡发生的时间要早于泥石流的暴发时间。

图2 大吉山镇雨量观测站2019.6.9～6.10降雨数据Fig.2 The“2019.6.9～6.10”rainfall data from meteorological station in Dajishan Town

地形因子的获取是基于O'Loughlin（1986）和Montgomery and Dietrich（1994）提出的用于浅层滑坡的地形控制模型。该模型中滑坡面坡度、滑坡体上部汇水面积、下部临空面、地表凹陷程度等被认为是有利于滑坡发生的地形参数。在实地调查过程中，对上述有利于滑坡发生的地形参数按照参数测量示意图进行了测量（图3），并定义各地形参数公式如下（Yu et al.，2016；余斌等，2016，2017）。

图3 滑坡地形参数示意图Fig.3 Topographical parameter sketch of landslidea-平面图；b-A-A’剖面图；c-B-B’剖面图a-plan view；b-A-A’profile；c-B-B’profile

式中：S-坡度因子；α-滑坡滑移面的坡度（°）；U-上部因子；β-滑坡后缘坡面坡度（°）；Au-滑坡后缘坡体汇水面积（m2）；A-滑坡体滑移面面积（m2）；C-两侧地形因子；θ1、θ2-滑坡体左右两侧山坡坡度（°）；AL、AR-滑坡体左右两侧山坡汇水面积（m2）。

为了研究浅层滑坡的规模特征和发育特征，实测了43 处滑坡的滑体厚度、面积、体积和宽厚比（滑坡体最大宽度与滑坡体厚度之比），并采用滑坡数量百分比（LSNP，表示某一类指标相应区间内滑坡数量占总数量百分比）作为评价滑坡发育程度的指标。通过DEM 测量了所有滑坡在相对高程、滑面坡度、坡向、地面曲率等因子相应区间内的数量分布，并采用滑坡面积百分比（LSAP，表示某一类区间指标相应区间内滑坡面积占该区间面积百分比）作为滑坡发生频率的指标（Melo et al.，2019；Yang et al.，2020）。

为了获取研究区浅层滑坡是否发生的临界值P阈值，结合现有的地形因子T预测模型和降雨因子R预测模型来计算该区域浅层滑坡发生的临界值P（Yu et al.，2016；余斌等，2016，2017），公式如下：

式中：T-地形因子，其中S、U、C如公式（1）～（3）物理意义；F-临空面因子；Cr-浅层滑坡发生临界值；R-为降雨因子，其中R0-当地年均降雨量（mm），B-浅层滑坡发生前累计降雨量（mm），K-降雨强度系数。由观测或经验得出，参照现有学者（朱云波，2015；余斌等，2016）对浅层滑坡以及浅层滑坡诱发泥石流研究结论，取K=5.5，I-为浅层滑坡发生前1 h降雨量（mm）；CV-为当地1 h 降雨变差系数。图2 中可知R0=1630.7 mm，CV=0.4，B=141.5 mm，I=36.5 mm，公式（5）计算得R=0.525。

3 浅层滑坡的特征

3.1 滑坡的规模特征

为分析滑坡的发育规模特征，对研究区内滑体厚度、面积、体积和宽厚比进行了分析（图4）。图4a 显示滑坡均为浅层滑坡（样本数n=43），滑体厚度均小于2.5 m，最大滑体厚度为2.1 m，平均厚度0.82 m，其中滑体厚度0.5～1.5 m 范围占83.7%；图4b 显示滑坡均以小范围坡体滑动为主（样本数n=116），其中滑坡面积小于1000 m2的占74.1%；图4c 显示滑坡规模以小型为主（样本数n=116），其中滑坡体积小于1000 m3的占86.2%；图4d显示滑坡滑体以“宽薄型”为主（样本数n=116，其中43个采用实际调查厚度，其它滑体厚度以平均厚度0.82 m 计算），其中滑体宽厚比大于10的占78.4%，这与四川西部地区的滑体宽厚比大多数小于10有明显差异。

图4 滑坡规模特征Fig.4 Characteristics of landslidesa-厚度；b-面积；c-体积；d-宽厚比a-thickness；b-area；c-volume；d-width/thickness

3.2 滑坡的地形特征

浅层滑坡的地形因素中，滑面坡度、相对高程、坡向和地形曲率等因素都是浅层滑坡发生的有利因素（Caine，1980；黄成等，2019；Nakileza and Nedala，2020）。坡度反映了地表松散岩土体动势能转化的程度，坡度越大，势能向下转化的动能越大，从而更有利于滑坡和不稳定坡体的发生（Hennrich and Crozier，2004）；坡向决定了日照、植被发育和水热气候等条件的不同，进而影响岩土体的风化程度，因此坡向对地质灾害的影响不容忽视（李惠民等，2017）。剖面曲率为坡度随高程变化的变化率，其在一定程度上反映了地表坡体的陡缓程度，曲率值为正（负）说明地形朝上凹（向上凸），曲率为零时，说明地势平坦；平面曲率为坡向随高程的变化率，反映了与剖面曲率垂直方向上的地表陡缓程度，曲率值为正（负）说明地形向上凸（朝上凹）。曲率为零时，说明地势平坦（姜建伟等，2018；周静静等，2019）。

图5 对研究区116 处滑坡的发育数量与地形因素进行统计分析。图5a显示滑坡滑面坡度在17°～56°之间，平均值为31.4°，坡度太小（＜20°），地势相对平缓，滑移层一般难以启动，滑坡的发育数量较少。同样地，坡度太大（＞45°），滑坡的发育数量也很少，坡度超过滑动休止角，很难有松散物堆积在坡体上，降雨时能滑动的松散堆积物就很少。滑坡在坡度20°～45°区间内发育最多，有107 处，占总数的92.2%。关于滑坡滑动面坡度其它学者也有类似结论，多集中在20°～40°（Sassa，1998；郑永胜等，2007；Zhuang et al.，2015），由于地区不同，具体地形条件不同，所采用测量方法或图形精度不同等原因略有差异，区别在于上、下限值的细微差别（朱云波，2015；马煜和李彩侠，2023）。其中坡度40°～45°区间的滑坡敏感性最高（LSAP=1.24）主要与道路修建有关（该区间发育7 个滑坡中4 个与道路修建有关），大于50°的3 个滑坡全部与道路修建有关。研究区内长3.3 km 的道路旁发育11 个滑坡，可见人为活动或工程活动会加剧滑坡的发生。图5b 显示滑坡在相对海拔250 m 之前与数量呈正相关性，之后呈负相关性。相对高程较低处人类活动和工程建设较多，对坡体稳定性扰动较多，这也是滑坡发育的主要原因。图5c 显示滑坡在坡向上分布相对均匀，说明坡向对区内滑坡发育分布影响不大，数量上相对较多的主要分布在南向坡向，有23 处，LSAP=3.59，分析南向坡体相对容易产生滑坡的原因有三：（1）区内夏季主导风向为南风和东南风，长期处于风向荷载作用下岩石更容易风化而产生破坏（郑永胜等，2007）；（2）降雨的来临往往伴随大风，雨会直接冲刷坡体；（3）南向坡体更容易收到阳光直射，每天获得阳光照射的时间较长，昼夜温差大，岩土体容易风化。图5d和图5e显示平面上凹型坡体和剖面上凸型坡体孕育滑坡的数量和LSAP百分比相对较高。平面上凹形坡数量占65.5%、LSAP=3.19，剖面上凸型坡数量占79.3%、LSAP=2.58。平面上凹形坡汇水能力较大，降雨时过多的雨水回流和下渗，引起滑动面抗剪强度减少，容易失稳，剖面上凸型坡上部较缓，下部较陡，坡度在垂直方向逐渐增大，坡下部相对于上部有临空面存在，稳定性较凹型和平面型要差一些。图5f对矿区3.3 km 的道路旁11 个人为活动影响的滑坡特征分析显示：人为活动影响的滑坡发生的坡度较大，81.8%发生在40°以上，比正常滑坡滑动的坡度（20°～45°）大，主要因修建道路开挖坡脚，使坡体变得陡峭；平面上发生滑坡地形曲率多为平面型坡体（63.6%），与正常滑坡平面上以凹形坡体为主有差异性，原因为修建道路时机械开挖坡体，为了使道路两侧坡体美观，经常开挖成平面型。

4 浅层滑坡的发生阈值

为获取该区域滑坡发生的阈值，在已经发生滑坡的邻近坡体上寻找未发生点作为对照点，通过现有模型公式（1）～（6）做出浅层滑坡发生的地形条件判断临界值（图6）以及结合地形条件和降雨条件的浅层滑坡预报阈值（图7）。图6 显示基于地形因子的浅层滑坡发生概率大小的阈值Cr 为0.75 和0.45，即T＜0.45、0.45≤T＜0.75 和T≥0.75 分别对应浅层滑坡发生的可能性小、中等和大。图7显示综合地形条件和降雨条件的浅层滑坡发生概率大小的阈值Cr 为0.40 和0.21，即P＜0.21、0.21≤P＜0.40、P≥0.40分别对应浅层滑坡发生的可能性小、中等和大。

图6 浅层滑坡发生的地形条件Fig.6 Topographical factor of shallow landslides

图7 结合地形和降雨条件的浅层滑坡发生阈值Fig.7 Rainfall threshold of shallow landslides based on topography and rainfall

阈值对应的临界降雨指标（mm）由式（4）和式（5）联立推导后按式（7）进行计算（赵宾杰等，2021）：

式中：R*-临界降雨指标/mm，其它参数物理意义如前公式所述。

按照发生浅层滑坡的最低降雨阈值Cr＝0.21带入公式（7），计算该区域可能发生浅层滑坡所需的一次最小降雨量为70 mm。一次降雨量指以降雨强度达到2 mm/h 为起点，连续6 小时均小于2 mm/h 为终点的这个过程中的总降雨量（王治兵，2015）。7∶00时一次降雨量为64.5 mm，基本接近公式（7）计算阈值70 mm，因此推测发生浅层滑坡的最早时间应为7∶00以后，与通过现场询问泥石流发生时间推测的滑坡发生时间在8∶30之前基本可以吻合，可见该结果可为该区域浅层滑坡的预警提供一定指导作用。

5 讨论

在降雨和地质条件相似的小区域，单一降雨事件会诱发许多浅层滑坡，为研究浅层滑坡的地形因素提供了有利的条件。虽然没有综合考虑滑坡形成的其它因素，但在小区域尺度上对单一地形因素的研究具有很大的优势。

临空面不是浅层滑坡发生的必要条件，具体由滑坡发生的位置决定。研究区滑坡的位置具有以下特征：（1）大部分滑坡发生在斜坡中下部，很少有滑坡到达山坡顶部或山脊，这类不存在临空面；（2）有少量滑坡存在临空面，但临空面高度过低（几乎全部在2 m 以内），它的作用就很小。图8 显示有无临空面对滑坡地形因子T影响不大，因此本文滑坡的临空面因子取F=0。

图8 临空面的作用Fig.8 The role of the free-face factor

由于缺乏收集该区域附近较多雨量站的降雨信息，我们使用了小时强度和累积降雨模型，而不是强度持续时间模型。参考现有关于浅层滑坡和浅层滑坡转化泥石流等研究成果，降雨强度系数K=5.5是一个相对合适的系数，而不是最适合研究区域的系数，未来需要进行更详细的工作来验证K的合适值。由于收集了一个降雨站数据，因此使用了相同的降雨因子R，相对较多的降雨站数据会获得更多的降雨因子R，这样会增加阈值的准确性。