降雨類型對(duì)淺層滑坡的影響

本項(xiàng)工作研究了降雨類型對(duì)淺層滑坡的影響，采用基于物理學(xué)的淺層滑坡模型來(lái)研究4種具有代表性的降雨類型，包括均勻型、遞降型，峰值型和遞增型。研究結(jié)果表明，不考慮降雨歷時(shí)和降雨類型，小于誘發(fā)滑坡最小雨量的降雨不會(huì)誘發(fā)滑坡。然而，對(duì)于大于誘發(fā)滑坡最小雨量的降雨，滑坡發(fā)生與降雨歷時(shí)和降雨類型都有關(guān)系。4種具有代表性的降雨類型中，遞增型降雨發(fā)生滑坡的降雨歷時(shí)閾值最大，其次是峰值型和均勻型降雨。此外，對(duì)于每一種降雨類型，隨著降水量的增加，滑坡發(fā)生降雨歷時(shí)的閾值相應(yīng)減小，對(duì)于較大的降水量，降雨歷時(shí)閾值似乎是個(gè)定值。一、概述滑坡在世界上的許多地方都對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。雖然邊坡失穩(wěn)有可能是由于人為因素所誘發(fā)，如斜坡負(fù)荷太重或由于建筑活動(dòng)對(duì)趾部進(jìn)行切割，但是有很多邊坡失穩(wěn)的根本原因是由于降雨，特別是在那些遭受暴雨的殘積土地區(qū)。到目前為止，評(píng)價(jià)降雨誘發(fā)的滑坡工作仍是土壤科學(xué)家廣泛關(guān)注的研究課題。經(jīng)驗(yàn)降雨閾值和基于物理學(xué)的模型是兩種最常用的方法。根據(jù)滑坡和相應(yīng)的降雨資料歷史記錄，發(fā)生滑坡的雨量閾值可能與臨界累積雨量（Campbell，1975）或降雨強(qiáng)度（Brand等，1984）有關(guān)，不過(guò)一般也會(huì)考慮降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)（Caine，1980）。為了將氣候效應(yīng)考慮在內(nèi)，采用平均年降水量將降雨強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從而將發(fā)生滑坡的降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)閾值進(jìn)行完善（Cannon和Ellen，1985；Jibson，1989；Wieczorek等，2000）。另一種常用的降雨閾值與發(fā)生滑坡時(shí)的最大降水量有關(guān)（Govi等，1985）。另外，在考慮滑坡發(fā)生的降雨閾值時(shí)，還需要考慮以前降雨的影響（Glade等，2000）。經(jīng)驗(yàn)降雨閾值的概念，可以簡(jiǎn)單地應(yīng)用于評(píng)價(jià)降雨誘發(fā)的滑坡，但是無(wú)法提供誘發(fā)滑坡的物理過(guò)程。另外，在分析滑坡啟動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)降雨閾值時(shí)，通常會(huì)分析降水量、降雨歷時(shí)、降水量平均值及最大的每小時(shí)降雨強(qiáng)度，或先前的降雨，但是沒有考慮降雨類型。為了確定降雨類型對(duì)淺層滑坡的影響，需要采用基于物理學(xué)的模型（Brooks等，1994；Dhakal和Sidle，2004）。在假定地下水位為穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，而且地下水流向與坡面平行的條件下，開發(fā)了不同的基于物理學(xué)的模型（Montgomery和Dietrich，1994；Wu和Sidle，1995；Borga等，1998），以評(píng)價(jià)由于土地利用和水文條件變化誘發(fā)的滑坡。Iverson（2000）根據(jù)Richards方程（1931）開發(fā)了靈活的滑坡建?？蚣?，適用于一般水文條件。擴(kuò)充版的Iverson模型進(jìn)一步提出考慮降雨強(qiáng)度的變化（Baum等，2002）。由于其簡(jiǎn)單性和實(shí)用性，這一模型很受歡迎（Crosta和Frattini，2003；Keim和Skauqset，2003；Frattini等，2004；Lan等，2005；D’Odorico等，2005）。通過(guò)修改斜坡上部的邊界條件，可以將入滲作用考慮在內(nèi)。Tsai和Yang（2006）提出的修正Iverson模型，沒有假定入滲能力恒定，從而可以避免不切實(shí)際的高水頭壓力，而在Iverson模型中，由于假定入滲能力恒定，會(huì)過(guò)高地估計(jì)入滲率，因此會(huì)出現(xiàn)高水頭壓力的情況（Iverson，2000）。另外，盡管采用β-線校正方法來(lái)消除不切實(shí)際的高壓力水頭，但校正過(guò)的Iverson模型仍會(huì)產(chǎn)生較大的壓力水頭，而且與修正的Iverson模型相比，會(huì)高估土壤失穩(wěn)概率。本文的研究目的是確定降雨類型對(duì)淺層滑坡的影響，采用了修正的Iverson模型（Tsai和Yang，2006），分析4種具有代表性的降雨類型，其中包括均勻型、遞降型，峰值型和遞增型（Ng等，2001；deLima和Singh，2002）。二、水文模型和斜坡失穩(wěn)模型（一）水文模型斜坡上的降雨入滲控制方程如下：（1）式中，是地下水壓力水頭；a坡角；t是時(shí)間。D0=Ksat/C0，式中C0是的最小值，Ksat是飽和水力傳導(dǎo)度。是每單位壓力水頭變化引起的含水量變化，θ是土壤含水量。圖1中的高程Z是從水平參考面垂直向下的測(cè)量值。為了求解式（1），需要確定適當(dāng)?shù)某跏己瓦吔鐥l件。垂直方向的初始穩(wěn)定態(tài)水位見圖1，壓力水頭的初始條件可以表示為：（2）對(duì)于垂直方向深度為dLZ的斜坡，不透水面上的壓力水頭邊界條件可以改寫為：（3）斜坡表面受降雨影響的Iz屈服強(qiáng)度為：肌，如果反且嫩t<T維粘硬術(shù)（削4辣），案如果脈且沾t<T插腥眨況嘆厚姑遷翻（負(fù)5隨），義如果扁t>T映真從則社范糠醬（乏6住）攪式中，沫T稀是降雨歷延時(shí)。殃由于具有湖非線性特兩征，需要管采用迭代朗方法對(duì)方寸程式（虎1配）懶~距（狂6段）進(jìn)行求時(shí)解，見圖請(qǐng)2儉。斜坡表呈面的壓力港水頭，即趙，首先通鍵過(guò)假定入律滲率等于杰降雨強(qiáng)度軍獲得。如撥果錦小于或等爽于鄙0迎，即沒有阿形成積水性，計(jì)算結(jié)犧果可以接庭受，繼續(xù)礎(chǔ)進(jìn)行下一崇步計(jì)算；馬如果計(jì)算情的特大于援0疏，即形成粒積水，則銳忽略坡面銹流（承Hsu絕等，越2002綱；既Wall碧ach逢等，湖1997滲），將予等于罷0彼作為邊界優(yōu)條件，按肌照同樣的壩步驟進(jìn)行擋重新計(jì)算川。明圖煉1林與水文模帶型相結(jié)合叨進(jìn)行有限硬斜坡穩(wěn)定挖性分析示則意圖嘆圖佳2持考慮一般姑入滲過(guò)程緣的水文模見型流程圖君（二）土穩(wěn)壤失穩(wěn)模陸型陷一旦可以宇根據(jù)如上鎖所述的水麻文模型獲警得寬，就可以幅根據(jù)有限恩斜坡穩(wěn)定框性分析方史法評(píng)價(jià)坡應(yīng)面破壞的屈可能性。噸由于有限喉斜坡穩(wěn)定哨性分析法德簡(jiǎn)單適用拉，通常作幻為評(píng)價(jià)滑素坡的首選質(zhì)方法（墳Mont飼gome劑ry綁和申Diet航rich然，稅1994雨；擱Wu漏和幕Sidl褲e訪，慎1995者；子Borg宮a星等，鹽1998捏；葡Iver邁son射，留2000譜；道Morr呀isse濫y益等，凳2001棒；且Cros痛ta另和恐Frat狹tini禽，飯2003戰(zhàn)：桿Coll側(cè)ins命和得Znid野arci誓c圖，舊2004月），對(duì)于追分析與長(zhǎng)乘度和寬度含相比，深謙度較小斜羞坡的滑坡紀(jì)問題，這妨一方法普劈遍有效。嫁這一假定命，也符合國(guó)采用水文令模型分析心坡面的假江定。當(dāng)在盒摩擦力和復(fù)內(nèi)聚力的拳作用下，煮作用力等戒于阻力時(shí)免，會(huì)在一橡定深度腔Z頌出現(xiàn)邊坡稍失穩(wěn)。換押言之，當(dāng)貢下式成立葬時(shí)，在一叼定的深度司Z爛會(huì)出現(xiàn)失之穩(wěn)現(xiàn)象：蓮FS=視F播f主+償F勾w赤+澤F與c尋=1柔液卻龍蒸紀(jì)詢失阻傘窗拋（鞠7腿）蒜式中，馳FS絕是所謂的仆安全系數(shù)斧，無(wú)量綱餃；害F舌f坑、妻F飾w擇和偷F戒c寇分別是安頃全系數(shù)的狼重力作用后、水壓作個(gè)用和內(nèi)聚著力作用，安表示如下搞：（8）（9）（10）慧式中，是捉土壤摩擦臨角；謀c哀是土壤內(nèi)惡聚力；和流分別是水鈴和飽和土介壤的單位游重量。效三、實(shí)例素和驗(yàn)證歸（一）降泰雨類型對(duì)辯淺層滑坡鞠的重要性級(jí)就降雨類備型對(duì)淺層雙滑坡的重講要性進(jìn)行悟了驗(yàn)證，喂用到了勞4廳種具有代也表性的降者雨類型，急見圖捆3釘。旺圖蠢3偵4搖種具有代殿表性的降悠雨類型啞斜坡的坡席角為依23o害，深度為饒4m顧，初始水置位在地面語(yǔ)以下伏2m拜。采用以鋤下土壤參掛數(shù)：唇Φ提=38o詞，催c暴=500櫻N/m贈(zèng)2粥，罪γ況sat拘=190捷00N/聞m淋3絹，督γ航w霞=980役0N/m患3氣，塌D佛0岸=0.0胡01m兔2躁/s鋤，答K毯sat富=3辭×勿10皆-5芝m/s幫。降水量用為名250m豆m晚，持續(xù)了饞4受小時(shí)。不同同降雨類率型隨時(shí)間籍變化的壓道力水頭模丹擬結(jié)果見獅圖鬧4夢(mèng)。隱圖聲4誦員不同降雨城類型隨時(shí)對(duì)間變化的奇壓力水頭窮模擬結(jié)果砌從圖讓4心可以清楚骨地觀察到翼，由于降蒼雨入滲造獵成的壓力洽水頭變化顛與降雨類輕型有密切雨關(guān)系。對(duì)蛋于遞降型鄙降雨，在勸降雨號(hào)1竹小時(shí)后最通先形成積李水，其次輕是峰值型肅，之后是諸均勻型；拒降雨渠3友小時(shí)后，衡遞增型降捏雨形成積毯水。在降塊雨停止背2維小時(shí)后達(dá)撇到穩(wěn)定態(tài)透，在穩(wěn)定致態(tài)下，膜4項(xiàng)種類型的種降雨中，巡遞降型降個(gè)雨造成的右地下水位枕上升最快懸，均勻型獅比峰值型墓降雨的水泉位上升要根快，與前賠3探種類型相妖比，遞增想型降雨的勞水位上升史最慢。這臂一結(jié)果似叮乎與不同痛降雨類型聯(lián)的累積入慎滲量模擬鴨結(jié)果一致位，見圖便5末。由于土頑壤失穩(wěn)可春能性與地父下水位上曾升之間具潛有密切的膊聯(lián)系，可駱以認(rèn)為滑驕坡的出現(xiàn)知明顯受降慧雨類型的念影響。續(xù)圖拖5目殘不同降雨杠類型的累隔積入滲量擠根據(jù)安全基系數(shù)，模拌擬不同降唱雨類型的棉土壤失穩(wěn)敲可能性，隨見圖珠6括。可以看飼出，對(duì)于具遞降型和先均勻型降于雨，在降安雨堡4.5惜和座5.5顛小時(shí)后誘怎發(fā)土壤失荷穩(wěn)；然而惡，峰值型科和遞增型腐降雨不會(huì)裂造成滑坡拴，這是由猶于降雨強(qiáng)愧度的瞬時(shí)計(jì)差異在很欣大程度上沸影響入滲烏率，而入茅滲率與誘慨發(fā)滑坡的睡水位上升悶有關(guān)。因粥此，可以粉得出這樣彈的結(jié)論，怠土壤失穩(wěn)饞的發(fā)生與圣降雨類型段有密切關(guān)疾系。檢（二）降萬(wàn)雨類型對(duì)肉發(fā)生滑坡則時(shí)降雨閾昆值的影響找研究了降俱雨類型對(duì)行淺層滑坡箭的重要影剪響之后，梅分析降雨橋類型對(duì)發(fā)岡生滑坡時(shí)早降雨閾值泛的影響。駁采用同樣軋的土壤參價(jià)數(shù)、土壤冤深度、坡他角和初始傳地下水位會(huì)，不同的未降水量和識(shí)降水歷時(shí)工，模擬楊4齊種具有代倚表性降雨耀類型導(dǎo)致討滑坡啟動(dòng)職時(shí)的降雨句閾值，見檔圖扒7滾?？梢钥蠢渤?，對(duì)于貼每一種降秒雨類型，角相應(yīng)的降象雨閾值曲頃線都可以危將曲線圖殘劃分為兩哪部分。如虜果降雨位寬于閾值曲姓線的左側(cè)翅，不會(huì)造婦成滑坡；柴反之，如殼果位于閾浙值右側(cè)，靈則會(huì)誘發(fā)珠滑坡。舉臘例來(lái)說(shuō)，度遞增型降鋤雨的降水喊量廳為案250m察m毅，降雨歷述時(shí)為姓6卻小時(shí)，不倉(cāng)會(huì)誘發(fā)滑園坡，因?yàn)槠銎湮挥谶f痕增型降雨鐘閾值曲線障的左側(cè)；譯而對(duì)于遞筐降型降雨糊，如果降悟水量和降辨雨歷時(shí)與掠遞增型降睛雨相同，乎則會(huì)造成歷土壤失穩(wěn)慈。此外，扛對(duì)于桃4枝種類型降洽雨，當(dāng)降蔽水量為早300m痛m潔，降雨歷高時(shí)為尋8飽小時(shí)，均雅會(huì)誘發(fā)滑叫坡。囑從圖奸7殃可以清楚永地看出，閘不論是哪眉一種降雨艘類型與降鞠雨歷時(shí)多戰(zhàn)長(zhǎng)，降水謝量小于熟200m籍m普的降雨均當(dāng)不會(huì)造成撐土壤失穩(wěn)鄭，也就是魔說(shuō)，存在互誘發(fā)滑坡隨的最小降視水量，這壯是因?yàn)榻嫡\(chéng)水量小于民200m隊(duì)m我時(shí)，降水已會(huì)完全入靈滲在土壤話中，所造戶成的地下悟水位上升那量不足以泥引發(fā)滑坡真。然而，曉對(duì)于降水臺(tái)量大于箭200m羽m激的降雨，逮滑坡的發(fā)筍生不僅與包降雨歷時(shí)紛有關(guān)，也洗與降雨類魚型有關(guān)。拆圖疲6籮富不同降雨癢類型的土眼壤失穩(wěn)可患能性眨從圖臉7僚可以看出叉，如果降演雨的持續(xù)斗時(shí)間大于肌降雨歷時(shí)墳閾值，降溉水量大于惠200m狼m蔬的降雨會(huì)仙誘發(fā)滑坡秒。例如，魚降水量為升240m截m濁的遞增型灣降雨，相遵應(yīng)的降雨調(diào)歷時(shí)閾值燙為知7繪小時(shí)。換均言之，如洽果降雨歷榴時(shí)超過(guò)碗7撈小時(shí)，降商水量為拜240m沉m扣的遞增型慢降雨會(huì)誘霜發(fā)滑坡。關(guān)在扇4耳種具有代難表性的降菊雨類型中閑，遞增型緣降雨的降虜雨歷時(shí)閾泰值最大，筐其次為峰餓值型和均理勻型降雨雖。此外，艦對(duì)每一種騎降雨類型左，相應(yīng)的許降雨歷時(shí)專閾值都隨銀著降水量殘的增加而柳減小，而截且當(dāng)降水套量較大時(shí)嚇，降雨歷筆時(shí)保持不深變。例如胡，對(duì)于均術(shù)勻型降雨宅，當(dāng)降水肯量大于挑350m株m揭時(shí)，降雨顛歷時(shí)閾值弓穩(wěn)定在喝3.5繳小時(shí)。因斜此，可以藍(lán)得出如下掩結(jié)論：降頁(yè)雨誘發(fā)的對(duì)淺層滑坡庫(kù)，與降水先量、降雨凱歷時(shí)以及回降水類型請(qǐng)有關(guān)。吐圖耕7屠4訪種具有代林表性降雨虛類型導(dǎo)致廊滑坡啟動(dòng)原時(shí)的降雨類閾值四、結(jié)論魔在世界上腦許多地方匹，生命和維財(cái)產(chǎn)安全拖常常會(huì)受底到滑坡災(zāi)花害的威脅捆。經(jīng)驗(yàn)降于雨閾值和尖基于物理湖學(xué)的模型無(wú)是評(píng)價(jià)降題雨誘發(fā)滑耍坡兩種最紀(jì)常用的方懸法。經(jīng)驗(yàn)英降雨閾值享方法簡(jiǎn)單蜓實(shí)用，通讀?？梢愿顡?jù)降水量綱、降雨歷隱時(shí)、降水圣量平均值言以及最大衰的每小時(shí)譽(yù)降雨強(qiáng)度艷，或先前件的降雨來(lái)落分析滑坡座發(fā)生的可紐能性，但彈是，這一演方法無(wú)法仁分析滑坡獅的真實(shí)物柔理過(guò)程，傾而且也沒走有