滑坡空间预测方法（台风暴雨型浅层滑坡失稳机理研究）
滑坡空间预测方法（台风暴雨型浅层滑坡失稳机理研究）图 3 台风诱发的典型滑坡灾害灾害点基本都发生在台风7级风圈半径内，其中一部分在10级风圈半径内，与灾害点所在区域风速极值大多在7级以上大风范围、部分甚至分布在10级以上大风范围内相一致，说明灾害的发生与台风风荷载有较大的关系，如图 1、图 2所示。关键词: 台风；暴雨；裂隙坡体；降雨入渗；稳定系数图 1 “西马伦”台风诱发地质灾害分布示意图图 2 “莫拉克”台风诱发地质灾害分布示意图
编者按
今天为大家推荐发表于2020年4期的文章。此次推送的是闫金凯等作者的《台风暴雨型浅层滑坡失稳机理研究》
作者：闫金凯，黄俊宝，李海龙，陈亮，张艳玲
摘要: 针对台风暴雨耦合作用下浅层滑坡的失稳机理进行研究。在总结福建台风暴雨型滑坡灾害特征的基础上，提出风荷载对斜坡变形失稳的影响机理是通过植被造成坡体开裂，从而影响坡体的入渗规律。应用GeoStudio软件计算台风暴雨入渗条件下裂隙坡体中暂态非饱和渗流场的变化，以及对斜坡稳定性的影响。计算结果表明：裂隙坡体由于在裂隙处形成集中入渗点，雨水的入渗速度大于无裂隙的坡体，坡体达到饱和状态所需要的时间大为缩短。裂隙深度、间距对滑坡稳定系数的影响较大，裂隙深度越大、间距越小，在相同的降雨条件下滑坡的稳定系数越小，滑坡失稳需要的降雨时长越短。裂隙宽度对滑坡稳定性的影响相对较小。
关键词: 台风；暴雨；裂隙坡体；降雨入渗；稳定系数
图 1 “西马伦”台风诱发地质灾害分布示意图
图 2 “莫拉克”台风诱发地质灾害分布示意图
灾害点基本都发生在台风7级风圈半径内，其中一部分在10级风圈半径内，与灾害点所在区域风速极值大多在7级以上大风范围、部分甚至分布在10级以上大风范围内相一致，说明灾害的发生与台风风荷载有较大的关系，如图 1、图 2所示。
图 3 台风诱发的典型滑坡灾害
据调查统计，滑坡体上生长的植被有多种类型，通常是乔木、竹、灌木、草等类型中的两种或两种以上，其中乔木类植被居多(主要为杉树和松树)，竹次之，灌木和草相对较少；从整体上看，斜坡植被覆盖较好(图3)。
图 4 风荷载-植被-坡体相互作用模型示意图
东南沿海地区植被茂密，风荷载作用于植被，树木剧烈摇曳会使根部松动，造成坡体表层松动或开裂，裂隙的产生增加了降水入渗的垂向通道，在降水较小时，这些通道对降水入渗的贡献不大，而台风暴雨的雨强较大，会在较短的时间内达到地表积水点，产生地表径流，地面汇集的雨水将沿通道快速流入滑坡体内，由于裂隙内的积水会产生有压渗透，大大增加了降雨入渗量，土体的含水量将迅速增加，基质吸力大幅度降低，土体的抗剪强度减小，边坡的稳定性降低，就会在较短时间内发生破坏(图 4)。此次主要研究暴雨作用下裂隙对边坡渗流及稳定性的影响。
图 5 裂隙斜坡计算模型
应用GeoStudio软件计算台风暴雨入渗条件下裂隙坡体中暂态非饱和渗流场的变化及对稳定性的影响。为使研究成果具有普适性，此次计算没有选取某一具体滑坡，而是根据福建地区台风暴雨诱发滑坡灾害的特征(小型土质滑坡为主；土层厚度一般小于6 m，主体厚度小于3 m；滑坡多沿第四系覆盖层与下伏基岩接触界面滑动或土层内部滑动)构建计算模型。模型为二元结构，表层为残坡积土，下伏基岩，如图5所示。计算模型长100 m，高52 m，斜坡坡度30°，坡面与基覆面平行。在地表设置等间距分布的裂隙，形状为三角形。
图 6 土水特征曲线
根据福建德化雷峰镇雷峰茶场斜坡的试验资料(黄俊宝等，2015)，计算采用饱和土体含水量42%，根据经验公式拟合出土水特征曲线如图6所示。
图 7 非饱和渗透系数方程
根据福建德化雷峰镇雷峰茶场斜坡的试验资料(黄俊宝等，2015)，饱和渗透系数取为0.1 m/day，非饱和渗透系数基于饱和渗透系数和土水特征曲线得出，如图 7所示
图 8 裂隙坡体(裂隙间距5 m)渗流规律及孔隙水压力分布图(单位/kPa)
图 9 无裂隙坡体渗流规律及孔隙水压力分布图(单位/kPa)
采用坡体厚度3 m、裂隙间距5 m、裂隙深度1.3 m、裂隙地表宽度10 cm的模型计算结果与无裂缝模型的计算结果进行对比，分析裂隙对坡体渗流的影响。裂隙坡体和无裂隙坡体在不同降雨时长下的渗流情况分别见图8、图9。
图 10 坡体饱和时间与裂隙深度关系曲线
坡体达到饱和的时间与裂隙深度关系曲线见图10。在裂隙深度一致的情况下，土层厚度越大，坡体达到饱和需要的降雨时间越长。不同土层厚度的坡体，土层达到饱和状态所需的降雨时长与裂隙深度呈线性减小的关系，裂隙深度越大，土层达到饱和的时间越少，降雨集中入渗的特征越明显。
图 11 坡体饱和时间与裂隙间距关系曲线
坡体达到饱和的时间与裂隙间距关系曲线见图11。从图中可以看出，裂隙间距越小，土层达到饱和状态所需的降雨时长越少，从曲线斜率来看，这一规律在裂隙间距小于8 m的情况下更显著。
图 12 不同裂隙深度坡体随降雨时间的稳定系数变化曲线
24小时降雨情况下不同裂隙深度的斜坡随降雨时长的稳定系数曲线见图 12，不同深度裂隙的斜坡失稳时的降雨时间见表 3。从图中可以看出，降雨初期各斜坡的稳定系数均无太大变化，其原因在于，降雨对斜坡稳定性的影响主要是由于水的入渗作用下深层土体的抗剪强度降低导致的，降雨初期雨水入渗深度较浅，对斜坡稳定性的影响不大。随着降雨的持续，裂隙深度最大的斜坡稳定性首先开始降低，裂隙深度越小，稳定系数开始降低的时间越长。说明裂隙深度越大，斜坡稳定系数受降雨影响发生变化的时间越短，坡体失稳时的降雨时长也越短。此种规律的原因在于，裂隙深度越大，入渗点的位置就越低，更容易在土层与基岩的接触面位置形成饱和区域，以至形成连续饱和带所需的时间越少，坡体失稳需要的降雨时长越短。此外，从曲线中还可以看出，裂隙深度较大时，稳定系数降低的变化幅度(曲线斜率)相对趋缓，而裂隙较小甚至无裂隙时，稳定系数更具突变特征(曲线陡降)。其原因在于，裂隙深度较大时，会在较短的时间内在土层和基岩接触面附近形成饱和区域，如图 8(b)所示，降雨8小时后在基覆面附近形成了饱和区域，斜坡稳定系数开始降低，此后随着降雨的持续，饱和区域不断扩大，斜坡稳定系数持续降低，表现出稳定系数的变化幅度相对趋缓。而裂隙深度较小甚至无裂隙时，降雨入渗更大程度上是均匀入渗，尤其是无裂隙时，降雨完全均匀入渗，基覆面附近的土体几乎在同一时间达到饱和状态，稳定系数急剧降低，体现出明显的突变特征。
文章结论
本文对台风暴雨诱发滑坡灾害的机理进行了研究，主要认识如下：
(1) 福建地区台风暴雨诱发的地质灾害以小型土质滑坡为主，基本都发生在台风7级风圈半径内，灾害的发生时间大多与大风过程和暴雨过程同步，无明显的滞后现象；滑坡体上生长的植被以乔木类居多。
(2) 台风暴雨型浅层滑坡失稳的外在影响因素是台风风荷载和暴雨的耦合作用。风荷载通过植被的传递作用造成坡体开裂，在降雨强度较大时裂隙内充满水，形成集中入渗点，加快了降雨入渗速率，从而使得坡体失稳的时间大为缩短。
(3) 无裂隙坡体由坡体表面向下入渗，经过较长时间的降雨后在土层底部的隔水层出现饱和区，坡体稳定系数的降低体现出明显的突变性。裂隙坡体主要在裂隙处集中入渗，很快在裂隙附近形成饱和区，并向周围扩展，在土层底面贯通，坡体稳定系数的降低体现出缓变性，但失稳时的降雨时长要小于无裂隙坡体。
(4) 裂隙深度、间距对滑坡稳定系数的影响较大，裂隙深度越大、间距越小，在相同的降雨条件下滑坡的稳定系数越小，滑坡失稳需要的降雨时长越短。裂隙宽度对滑坡稳定性的影响相对较小。
第一作者介绍
闫金凯(1981-) 男 博士 高级工程师 主要从事地质灾害及地下空间等方面的研究。E-mail:yanjinkaisw@163.com
引用格式
闫金凯 黄俊宝 李海龙 等 2020. 台风暴雨型浅层滑坡失稳机理研究. 地质力学学报 26 (4): 481-491. DOI: 10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.04.041
YAN J K HUANG J B LI H L et al. 2020. Study on instability mechanism of shallow landslide caused by typhoon and heavy rain. Journal of Geomechanics 26 (4): 481-491. DOI: 10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.04.041
