降雨对滑坡稳定性的影响

降雨对滑坡稳定性的影响
引言
滑坡灾害对人类社会的影响，已成为一个不容忽视的环境难题，其危害已成为仅次于地震的第二大自然灾害。

滑坡是地质灾害中的主要类型，全国290个县市地质灾害调查结果显示，滑坡在地质灾害中所占比例最大可达51％。

其主要诱发原因是暴雨，暴雨诱发的滑坡占滑坡总数的90％。

一次集中性暴雨能诱发大量滑坡。

如1998年全国范围内因特大暴雨诱发了大量滑坡、崩塌和泥石流，造成死亡人数1 157人，受伤人员超过1万人。

江西省1998年特大暴雨引发的地质灾害有11万处，其中主要是滑坡；损失较大的重要灾害点466处，造成人员伤亡的灾害点51处，伤亡人数和直接经济损失超过前18 a的总和。

1995年6月美国弗吉尼亚州Madison县，16 h降水量达775 mm，诱发了1 000多处滑坡。

根据世界红十字会统计，1963～1996年，每年平均因滑坡灾害造成死亡人数达1 550人。

据估计，中国每年由于滑坡灾害造成的损失达200亿元。

暴雨型滑坡灾害形成机理和预测方法研究，在国内外仍是个难题和热点。

本研究的总体思路是：从暴雨型滑坡灾害形成机理及预测理论入手，通过对滑坡灾害易发点的监测试验，系统地研究大气降水对地下水位、孔隙水压力、滑坡土体应力及滑坡稳定性的影响，探讨植被覆盖与滑坡的关系；根据历史资料，进行滑坡风险区划和暴雨型滑坡的时空分布特征分析；应用统计学和试验研究相结合的方法，提出滑坡体发生滑动的临界雨量指标；开发基于Web-GIS的暴雨型滑坡灾害预报预警业务系统，并进行业务试验。

1. 暴雨型滑坡灾害形成机理及预测理论基础
滑坡（landslide）是指斜坡（含人工边坡）岩土体依附于其内在或潜在软弱结构面（带），在重力等综合因素作用下，失去原有平衡条件而产生的水平位移为主的滑动现象。

滑坡灾害是指自然地质作用和人类活动造成的恶化地质环境，降低环境质量，直接或间接地危害人类安全和生态环境平衡，并给社会和经济建设造成一定损失的斜坡变形破坏乃至整体移动事件。

按动力成因分，滑坡可分为天然动力与人为动力两大类，前者分为地震型、降雨型、汇水型等。

按滑动面深度分为浅层滑坡（6 m）、中层滑坡（6～20 m）、厚层滑坡（20～50 m）、巨厚层滑坡（＞50 m）。

大气降水是滑坡致灾的最主要外因。

降水对滑坡的作用是一个动态过程，大气降水注入滑体，增加岩土的含水量、增大岩土体容重、软化岩土、降低岩土的抗剪强度。

降雨渗入到风化岩土体之下的基岩面或断水层面变成润滑剂，降低了接触面的抗滑性质，从而导致滑坡的发生。

区域性滑坡动态随降水量而变化。

统计结果表明，滑坡活跃期与当地降水丰年或特大暴雨季节相对应。

位移—降水量关系统计模型表明，一般强度的降雨对蠕动性滑坡的运动有加速作用，且其位移量随降水量的增大呈线性增长。

降雨是影响滑坡稳定度的重要客观因子，滑坡稳定性计算方法主要有费伦纽斯法（FELLENIUS）的滑坡稳定度计算方法、毕肖普法（BISHOP）和简布法（JANBU）等。

其算法中的C（I）、W（I）、Fw（I）、h（I）、HpT（I）等因子与降水量、持续时间及降水强度有关。

2. 国内外研究现状
2.1滑坡预报国内外研究动态及发展趋势
文海家、张永兴、柳源（2004年）指出，国内外滑坡预报研究的发展大体归纳为3个阶段：20世纪40年代至70年代，采用经验—统计学方法预报阶段，日本学者斋藤时期是先驱代表之一。

自20世纪80年代开始，进入预测滑坡学形成阶段，预测滑坡学成为滑坡学和预测学科交叉的分支学科。

许强等（2004年）指出,建立滑坡预报模型和预报判据是滑坡时间预报的核心。

20世纪90年代以后,滑坡预报研究的特点可归纳为3个方面：一是多种预报方法的综合应用；二是现代数理科学理论广泛应用于滑坡预报方法研究；三是以“3S”技术应用为代表，滑坡监测预报技术手段得到前所未有的发展。

2.2 滑坡灾害与降水关系研究动态
基于降水强度和持续时间的监测，确定区域诱发滑坡的经验阈值，在世界许多地区得到应用，如香港、日本、波罗黎哥、夏威夷和加利福尼亚北部等（周平根，2002年）。

1985～1995年，美国地质调
查局和美国国家气象局合作，在加利福尼亚州旧金山湾地区，通过对该区域滑坡的深入研究，建立了不同地段（即不同地质环境）降水量和滑坡发生的关系，在此基础上开发和运行1套降水诱发滑坡的预警系统，为公众发布区域滑坡预警，并在1986年的暴雨滑坡预报中得到应用（Keefer et al., 1987年）。

在香港，降水量监测系统用来识别滑坡多发时段，作为政府救灾和提供防灾建议的基础。

2.3基于GIS的暴雨型滑坡预报系统研究现状
殷坤龙等（2003～2004年）在“浙江省地质灾害实时预警预报及应用示范”科技攻关项目中，开展了基于Web-GIS的地质灾害实时预警预报研究，在地质灾害空间预测的基础上，结合实时降雨信息和预测信息，对区域地质灾害和单体地质灾害进行预测预报，并通过INTERNET对预警信息进行发布。

兰恒星等（2002年）运用GIS等技术，集成相关模型对滑坡变形失稳进行分析，对各种分析模型及模型单元的特点及其局限性进行了分析。

总之，国内外在滑坡时空预测、滑坡与降雨关系、滑坡稳定性研究方面做了许多研究，取得了不少成果。

已开展的相关工作，对暴雨型滑坡灾害形成机理及预测方法研究，具有很好的借鉴作用。

3需要研究的主要问题分析
综上所述，暴雨型滑坡灾害形成机理及预测方法理论与技术问题，具体表现在以下几个方面：一是滑坡灾害预测预报理论还不尽完善，系统性也不够强，能普遍推广应用的预测系统没有建立，难以做到时空预测预报相结合。

滑坡体力学参数还是一灰色问题。

二是从理论上，暴雨型滑坡灾害形成机理研究与区域统计研究结合程度不高。

由于滑坡灾害预警的复杂性，已建立的滑坡灾害预测预报模型具有很大的地域性、分散性，以及由于监测资料的不足所带来的不稳定性，有必要建立基于暴雨型滑坡灾害发生机理的宏观区域预警模型，这是实现滑坡灾害预警的重要突破点，进而可探索一条科学有效地滑坡灾害防治新思路。

三是滑坡灾害与降水关系研究需有更准确的模型；土体含水量和孔隙水压力的测量方法要更精确、有效，与滑坡有关的地形、水文和地质条件等需进一步考虑。

四是在降水对滑坡稳定性影响
研究方面，对省级区域滑坡灾害易发区选择多个代表点进行系统监测，并进行降水量入渗系数分析、降雨与滑坡体地下水位关系研究、滑坡体滑动临界降水量研究、滑坡体水位变化延迟时间分析和滑坡稳定性评价等综合研究。

五是在南方高森林覆盖区，植被覆盖对暴雨型滑坡的作用文献报道甚少；在用有效雨量预报滑坡灾害时，需要研究蒸散量的作用。

六是应用Web-GIS技术，结合实时降水监测和预报业务系统，进行滑坡灾害时空预警预报的自动化系统研究和应用。

3. 滑坡稳定性评价
滑坡稳定性评价是在对地质体充分认识的基础上，通过对滑坡作用机理的研究，从而得出的定性和定量评价结果。

纵观发展历程，滑坡预测经历了从定性一定量，从确定性～非确定性一概率论的过程。

滑坡评价方法分为：定性分析方法、定量分析方法(数学模型法)、不确定性分析方法、确定性与不确定性方法的结合、物理模拟方法。

数学模型法在进行定性分析的基础上，建立预测对象的地质模型，通过合理的假设或简化，将复杂的研究对象抽象成可以求解的数学模型，进而选取合理的参数，进行预测计算，获取最后的预测结果。

目前预测数学模型可以分为两大类：非确定性方法和确定性方法。

非确定性方法主要有模糊数学分析法、灰色理论分析法、灰色模糊综合法以及概率分析法等：确定性分析方法包括解析法和数值分析法。

其中解析法主要是基于极限平衡理论的刚体极限平衡分析法。

1定性分析方法
它是分析影响滑坡稳定性的主要因素、失稳的力学机制、变形破坏的可能方式及工程的综合功能等，对滑坡的成因及演化历史进行分析，以此评价滑坡稳定状况及其可能发展趋势。

该方法的优点是综合考虑影响滑坡稳定性的因素，快速地对边坡的稳定性做出评价和预测。

常用的方法有以下几种。

1．1地质分析法
根据边坡的地形地貌形态、地质条件和滑坡变形破坏的基本规律，追溯滑坡演变的全过程，预测滑坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式，从而对滑坡的稳定性做出评价，对已发生过滑坡的滑坡，则判断其能否复活或转化。

1．2工程地质类比法
它是将已有分析滑坡稳定性的基本经验运用到相似条件的滑坡稳定性评价中去。

全面分析工程地质因素的相似性和差异性；分析影响滑坡变形发展的主导因素的相似性和差异性。

同时，还应考虑工程的类别、等级及其对滑坡的特定要求。

虽然是一种经验方法，在同类工程地质条件下，在滑坡治理设计中是可以借鉴。

1．3图解法
图解法可以分为两类：(1)用一定的线和偌谟图来表征边坡有关参数间的定量关系，由此求出边坡稳定性系数；或已知稳定系数及其它参数(结构面倾角、坡角、坡高)仅一个未知的情况下，求出稳定坡角或极限坡高。

这是力学计算的简化。

(2)利用图解求边坡变形破坏的边界条件，分析软弱面的组合关系；分析滑体的形态、滑动方向；评价边坡的稳定程度，为力学计算创造条件。

常用的为赤平极射投影分析法(王思敬，1990，孙玉科，1980)及实影法。

2定量评价方法
实质是一种半定量的方法，虽然评价结果表现为确定的数值，但最仍依赖人为的判断。

目前，所有定量的计算方法都是基于定性分析之上。

2．1极限平衡法
极限平衡法在工程中应用最为广泛。

根据边坡破坏的边界条件，应用力学分析的方法，对可能发生的滑动面，在各种荷载作用下进行理论计算和强度的力学分析。

通过反复计算和分析比较，对可能的滑动面给出稳定性系数。

总体来讲，极限平衡法模型简单、计算过程简单，计算结果物理意义明确，但由于假设前提往往与实际情况有出入，使得该类方法的结果与实际存在一定差异，具有局限性和不完善性，有待于发展和完善。

极限平衡方法的最新发展之一是Sarma法。

其基本概念为：边坡除非是沿一个理想的平面或圆弧滑动，才可以作为一个完整的刚体运动。

否则，必须先破裂成多个可以相对滑动的块体，才能发生滑动。

该方法的优点是：可以用来评价各种类型滑坡的稳定性，如平面滑动、楔体滑动、圆弧及非圆弧滑动等，条块边界不需要垂直。

2．2数值分析方法
主要是利用某种方法求边坡的应力分布和变形情况，研究岩体中应力
和应变的变化过程，求得各点上的局部稳定性系数，由此判断边坡的稳定性。

主要有以下几种。

(1)有限单元法(FEM)：其优点是部考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征，考虑了岩体的应力应变特征，可以避免将坡体视为刚体，其不足之处是，数据准备工作量大，原始数据易出错，不能保}正整个区域内某些物理量的连续性；对解决无限性问题、应力集中问题等其精度比较差。

(2)边界单元法(BEM)：该方法只需知区的边界极限离散化，具有输入数据少的特点。

其不足之处为：一般边界元法得到的线性方程组的关系矩阵是满的不对称矩阵，不便应用有限元中成熟的对稀疏对称矩阵的系列解法。

(3)离散元法(DEM)：离散单元法可以接地反映岩体变化的应力场、位移场及速度场等各个参量的变化。

可以模拟边坡失比例投稳的全过程。

该方法特别适合块裂介质的大变形及破坏问题的分析。

其缺点是计算时步需要很小，阻尼系数难以确定。

除以上几种方法外，数值方法近年来有很大发展，如无界元(IDEM)、不连续变形分析(DDA)等方法。

数值分析方法也存在着明显的不足。

(1)由于地质条件的复杂性及认识的局限性，往往使计算的基础——地质模型及本构关系的确定存在着一定的偏差。

(2)由于计算参数选取与实际存在一定误差，影响了计算结果的精度。

3结语
在稳定性计算中主要存在的问题是；滑动面的确定方法有待于丰富；计算参数的精度有待于提高等；稳定性评价研究的发展趋势可概括为强调对复杂地质结构体的三维描述，注重最危险滑移面的确定等。

本文综合研究了滑坡稳定性评价方法，在此基础之上，提出了各种方法的优缺点，对于科学防治滑坡具有重要的理论意义。