降雨型堆积层滑坡降雨阈值及预警模型研究--以王家坡滑坡为例.pdf
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1、收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()通信作者:易武(),男,教授,博士,主要从事地质工程方面的教学和科研 E m a i l:y i w uc t g u e d u c nD O I:/j c n k i i s s n X 引用格式:易武,魏兆亨,黄晓虎,等降雨型堆积层滑坡降雨阈值及预警模型研究 以王家坡滑坡为例J三峡大学学报(自然科学版),():降雨型堆积层滑坡降雨阈值及预警模型研究 以王家坡滑坡为例易武,魏兆亨,黄晓虎,雷德鑫,(三峡大学 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站,湖北 宜昌 ;三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 )摘要:堆积层滑坡在降雨作用下,累积位移曲线呈现
2、不规则的“阶跃”状针对此类型滑坡,将滑坡所处的地质条件与滑坡的变形特征相结合,进而建立合理的预警模型,是提高滑坡预警精度的必要手段本文以王家坡滑坡为典型研究案例,在分析降雨、滑坡位移以及位移速率等监测资料的基础上,确定王家坡滑坡的位移回落时间、降雨阈值考虑滑坡变形对降雨的响应机制,将实际降雨工况分为当期降雨和前期降雨当期降雨两种类型,通过数值模拟分析降雨条件下王家坡滑坡的稳定性,对传统的经验性降雨阈值进行改进,针对当期降雨,建立降雨诱发滑坡失稳滑动的ID阈值曲线,针对前期降雨当期降雨,建立滑坡破坏的AID阈值曲面最后,基于改进的ID阈值曲线和AID阈值曲面建立了王家坡滑坡级预警模型关键词:堆积
3、层滑坡;“阶跃”变形;降雨阈值;稳定性;预警模型中图分类号:P 文献标志码:A文章编号:X()R e s e a r c ho nR a i n f a l lT h r e s h o l da n dE a r l yW a r n i n gM o d e l f o rR a i n f a l lT y p eM o u n d e dL a n d s l i d eaC a s eS t u d yo fW a n g j i a p oL a n d s l i d eY IW u,WE IZ h a o h e n g,HUAN GX i a o h u,L E ID e x
4、 i n,(N a t i o n a lF i e l dO b s e r v a t i o na n dR e s e a r c hS t a t i o no fL a n d s l i d e i nT h r e eG o r g e sR e s e r v o i rA r e ao fY a n g t z eR i v e r,C h i n aT h r e eG o r g e sU n i v,Y i c h a n g ,C h i n a;C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i
5、 t e c t u r e,C h i n aT h r e eG o r g e sU n i v,Y i c h a n g ,C h i n a)A b s t r a c t U n d e r t h ea c t i o no fr a i n f a l l,t h ec u m u l a t i v ed i s p l a c e m e n tc u r v eo fam o u n d e dl a n d s l i d es h o w sa ni r r e g u l a r“s t e p”p a t t e r n F o rt h i st y p eo
6、 fl a n d s l i d e,i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fl a n d s l i d ew a r n i n gb yc o m b i n i n gt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h el a n d s l i d ew i t ht h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h el a n d s l i d e,a n de s t a
7、 b l i s h i n gar e a s o n a b l ee a r l yw a r n i n gm o d e l T h i sp a p e rt a k e st h eW a n g j i a p ol a n d s l i d ea sat y p i c a l r e s e a r c hc a s e F i r s t l y,b a s e do n t h e a n a l y s i so fm o n i t o r i n gd a t ao nr a i n f a l l,l a n d s l i d ed i s p l a c
8、e m e n t a n dd i s p l a c e m e n tr a t e,t h ed i s p l a c e m e n tf a l l b a c kt i m ea n dr a i n f a l lt h r e s h o l do ft h e W a n g j i a p ol a n d s l i d ea r ed e t e r m i n e d T h e n,c o n s i d e r i n gt h er e s p o n s e m e c h a n i s m o fl a n d s l i d ed e f o r m
9、 a t i o nt or a i n f a l l,t h ea c t u a lr a i n f a l l c o n d i t i o n sa r ed i v i d e d i n t o t w o t y p e s,n a m e l y,c u r r e n t r a i n f a l l a n dp r e r a i n f a l lc u r r e n t r a i n f a l l,a n dt h es t a b i l i t yo ft h e W a n g j i a p ol a n d s l i d eu n d e r
10、r a i n f a l lc o n d i t i o n si sa n a l y z e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n T h et r a d i t i o n a le m p i r i c a lr a i n f a l lt h r e s h o l di si m p r o v e d T h eIDt h r e s h o l dc u r v ef o rl a n d s l i d ed a m a g ei s第 卷第期 年 月三峡大学学报(自然科学版)Jo fC h i n aT h r e eG
11、 o r g e sU n i v(N a t u r a lS c i e n c e s)V o l N o D e c e s t a b l i s h e df o rc u r r e n tr a i n f a l l,a n dt h eAIDt h r e s h o l ds u r f a c ei se s t a b l i s h e df o rp r e r a i n f a l l c u r r e n tr a i n f a l l F i n a l l y,a l e v e le a r l y w a r n i n g m o d e lf
12、 o rt h e W a n g j i a p ol a n d s l i d ei se s t a b l i s h e db a s e do nt h ei m p r o v e dIDt h r e s h o l dc u r v ea n dAIDt h r e s h o l ds u r f a c e K e y w o r d s m o u n d e d l a n d s l i d e s;“s t e p”d e f o r m a t i o n;r a i n f a l l t h r e s h o l d;s t a b i l i t y;
13、e a r l yw a r n i n gm o d e l堆积层滑坡由于其滑体物质为孔隙较大、透水性较强的第四系及近代松散物,滑床为透水性相对较弱的基岩,在发生大气降雨时,雨水沿表面土体入渗滑坡体内部,在基岩面附近大量积水,形成暂时性的饱和区,导致孔隙水压力增大,有效应力降低,进而引起滑坡的失稳破坏 由于堆积层滑坡坡体物质组成与结构的特殊性,表明降雨引发的动力作用是该类滑坡灾害产生的根源因此,研究降雨与堆积层滑坡的关系与作用机制,以合理降雨特征指标建立预警模型具有极其重要的理论意义和实际应用价值对降雨诱发的堆积层滑坡而言,预警的关键是确定诱发滑坡变形或者失稳的降雨特征指标对这类滑坡预警系统
14、的传统研究主要分为以下几类 :)通过滑坡发生的历史降雨资料,基于数理统计的方法建立经验性的降雨阈值,为预警模型提供依据例如,L u m b通过历史滑坡和降雨之间的关系得出经验性降雨阈值 G l a d e等以日降雨量、前期降雨量以及土体含水特征等作为滑坡预警的控制指标,并建立对应的预警模型 M i a o等 提出了一种数据挖掘方法,以三峡库区白水河滑坡为例,选取与降雨相关的水文因子进行数据挖掘分析,结果表明累计降雨量对控制滑坡变形具有重要作用,而最大日降雨量对滑坡变形加速阶段没有直接控制作用 G u z z e t t i等 分析全球多个地区滑坡的降雨阈值,使用贝叶斯统计方法从可用数据中推断出
15、降雨阈值曲线 F e r r o等 利用降雨持时与降雨引发滑坡所对应的动能之间的关系,提出了一种预测滑坡发生的新方法沈玲玲等 综合整理分析四川省地质灾害发生过程中的降雨过程资料,建立了地质灾害的雨强历时阈值曲线戴丛蕊等 以期降雨量、发生雨量和激发雨量为控制指标,建立了华坪县滑坡灾害的ID阈值曲线黄晓虎等 以前期降雨、当期降雨、变形速率为主要判据建立相应的预警模型)结合滑坡变形机理分析的数值模拟或者室内模型试验,解释滑坡破坏的内在机理,研究降雨对滑坡变形规律的影响,为滑坡预警预报提供参考例如,R o s i等 在获取滑坡岩土参数之后通过室内试验、数值模拟的方法确定滑坡的降雨阈值 A h m a
16、d i等 通过室内模型试验,获得触发滑坡失稳的降雨强度持续时间(ID)阈值 E r i n g等 采用数值模拟方法,模拟降雨入渗过程中的滑坡变形过程,发现降雨强度和持续时间对边坡失稳有很大影响 Y a n g等 将监测数据与非饱和土力学分析数据整合,提出了基于原位大数据和非饱和土边坡稳定性分析的强度概率(IP)阈值,并用于降雨诱发滑坡的预警系统左双英等 通过运用数值模拟建立纳缝滑坡的三维模型,通过反演临界降雨强度,验证降雨预警阈值的合理性显然,经验性降雨阈值基于传统的统计分析思想,该类方法构造简便,且降雨资料获取相对容易,因此,经验性降雨阈值获得了广泛的研究,以此建立的预警模型也得到了广泛运用
17、但是,经验性降雨阈值模型作为滑坡预警的依据也存在明显的不足首先,仅考虑了降雨(总)量诱发滑坡失稳的影响,而忽视了降雨过程对滑坡失稳的作用其次,忽略了滑坡的地质力学模型导致预警的精度有限实际上,滑坡预警应以滑坡地质模型和滑坡所处的地质条件为基础,将滑坡变形破坏的宏观信息与滑坡监测资料相结合,将定性判断与定量分析有机地结合起来进行滑坡的综合预警 因此,本文以王家坡滑坡为典型案例,在分析其变形特征的基础上,确定滑坡的降雨阈值通过数值模拟分析降雨条件下王家坡滑坡的稳定性,对ID阈值曲线进行改进,得到考虑前期降雨的AID阈值曲面,并建立一种级递进式预警模型该模型可以很好地识别不同的降雨过程,基于降雨强度
18、I和降雨历时D统一并量化了滑坡不同演化状态的预警指标,使得预警针对性和适用性更强,可以更好地服务降雨型堆积层滑坡的防灾减灾工作 堆积型滑坡降雨预警思路降雨型堆积层滑坡的失稳是一个持续变形的过程 GN S S位移监测显示,处于变形期的堆积层滑坡在降雨作用下,滑坡的位移时间累积曲线呈不规则的“阶梯”状,即“阶跃”,如图所示这种不规则“阶跃”,是由降雨量以及滑坡体物质的不均匀导致的临滑前的任何一个“阶跃”,都可分为“等速阶段、加速阶段、等速阶段”个阶段显然,滑坡变形进入某个“阶跃”,并不意味滑坡即将失稳第 卷第期易武,等降雨型堆积层滑坡降雨阈值及预警模型研究 以王家坡滑坡为例?图阶跃型累积位移时间关
19、系曲线及预警阈值线只有变形进入“阶跃”阶段且持续加速,才意味着滑坡可能进入临滑阶段因此,对于这类滑坡的预警,首先要确定滑坡“阶跃”变形区间,即等速阶段至加速阶段以及加速阶段至等速阶段的两个拐点其次要确定引起这些“阶梯”状台阶的降雨阈值以第i天获取的累积位移坐标(xi,yi),求出第i天对应的斜率ki:kiyiyi xixi()显然,xixi,因此,kiyiyi()进而得到切线角i的计算公式:ia r c t a n(yiyi)()根据式(),当切线角阈值i 时,即可得到进入“阶跃”的拐点;当切线角阈值i 时,即可得到稳定拐点 滑坡案例 滑坡概况王家坡滑坡位于宜昌市兴山县古夫河左岸,滑坡平面形态
20、似“舌形”,南北宽约 m,东西纵长约 m滑坡所处斜坡整体地势东北高,南西低,总体坡度 ,坡体表面以林地为主,零星分布有旱地,局部地段坡面裸露无植被,并在滑坡前缘发现多处出水泉点,如图所示滑坡后缘高程约 m,前缘高程 m,相对高差 m,后缘边界位于柑橘林灌溉蓄水池前部,地形相对平坦,前缘剪出口位于 m高程处滑坡左、右侧边界主要受自然冲沟控制,冲沟长 m,宽m滑坡主滑方向为 滑坡面积 m,平均厚度 m,体积 m,为一中型土质滑坡根据钻孔揭露的滑坡的物质结构:滑体主要为含碎石粉质黏土,呈灰色灰黄色,稍湿,呈可塑硬塑状,结构松散,土石比;碎、块石岩性主要为泥质页岩,灰色,块径 c m,棱角状为主滑带图
21、王家坡滑坡工程地质平面图为土岩接触面处含碎石粉质黏土,厚约 c m,灰色灰黄色,呈湿,黏感强烈,可塑,手可轻易搓泥条,如图(a)、(b)所示滑床为志留系下统龙马溪组(Sl m)薄层状泥页岩,产状 ,为逆向坡,前缘存在碎石土与卵石层滑坡剖面如图所示?图王家坡滑坡 工程地质剖面图王家坡滑坡整体表现为上陡下缓的典型“椅状”地貌,临空条件好,并且Z K 揭露滑坡中前部滑床为全新世砂卵石(如图所示),表明王家坡滑坡为古滑坡 滑坡变形特征经现场调查共发现该滑坡上存在 条变形裂缝其位置分布如图所示,表统计了变形裂缝的基本特征滑坡中后段倾角较陡,下滑力较大,在后缘形成拉张应力区,坡体后缘边界首先产生拉张裂缝T
22、(图(b)随后在降雨的持续作用下,变形逐渐向滑坡中前部发展南、北边界产生羽状裂缝T T (图(a)、(c),其中右侧边界裂缝已基本贯通并在滑坡中部形成拉张裂缝和错动台阶T 、T T (图(d)受前缘应急挡土墙影响,滑坡中前部隆起并,形成多条纵向鼓胀裂缝T 、T 、T 、T (图(e)三 峡 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年 月表地表裂缝分布统计表编号走向性质裂隙位置T T SW 滑坡边界剪切裂缝,T 首先产生并逐渐延伸,长约 m,宽 c m,局部上下错动 c m,可见深度约 c m,与主滑方向近平行南侧边界T T S E 持续发展,滑坡边界剪切裂缝,断续延伸 m,宽 c m,局部有错动约
23、 c m,可见深度约 c m,与主滑方向近平行北侧边界T 、T T S E SW 并持续发展,滑坡中部鼓胀裂缝,长约 m,宽 c m,可见深度约 c m与主滑方向一至或近垂直滑坡中前部T 、T T S E 滑坡中部拉张裂缝,长 m,宽 c m,均有明显错动 c m,可见深度约 c m,与主滑方向近垂直或斜交滑坡中部T T S E 滑坡中后部建筑物变形,长 m,宽 c m,局部有上下错动 c m,可见深度约 c m滑坡中后部建筑物滑坡中部岩土体弯曲变形成横向鼓胀裂缝T 、T 、T 、T (如图(d)所示)滑坡变形造成坡体中部房屋场坪开裂T T (如图(a)、(b)所示),部分出现下错(如图(c)
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