基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的氣象水文及滑坡響應(yīng)分析

楊賜陸

（泉州市洪水預(yù)警報(bào)中心，福建 泉州 362018）

地質(zhì)災(zāi)害對(duì)人民的生產(chǎn)生活造成了極大影響，尤其以滑坡災(zāi)害最為嚴(yán)重，而滑坡災(zāi)害主要發(fā)生在降雨條件下。對(duì)降雨條件下，對(duì)土體氣象水文和滑坡響應(yīng)進(jìn)行研究是防止地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生及發(fā)出災(zāi)害預(yù)警的基礎(chǔ)。

綜合以上分析，對(duì)于降雨條件下坡體氣象水文及滑坡響應(yīng)的監(jiān)測(cè)及機(jī)理研究是至關(guān)重要的。目前，專家學(xué)者在這方面的研究取得較為豐碩的研究成果：支墨墨［1］采用不同種方法獲得了多種水文地質(zhì)資料，分析了不同種氣象條件下的坡體水位變化、坡體穩(wěn)定性，并對(duì)滑坡預(yù)警進(jìn)行研究；Hu X等［2］運(yùn)用衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)哥倫比亞某滑坡帶進(jìn)行分析，闡述了該區(qū)域滑坡機(jī)理及影響因素；許建聰?shù)龋?］運(yùn)用理論分析了降雨對(duì)碎石土邊坡穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果表明降雨是碎石土邊坡失穩(wěn)及滑坡產(chǎn)生的主要原因；吳火珍等［4］利用理論分析及模型模擬試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了降雨作用下裂縫、坡體土層、地形構(gòu)造等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；高連通等［5］研究了坡體水文及滑坡響應(yīng)的主要影響因素為降雨強(qiáng)度及降雨持續(xù)時(shí)間；楊文東［6］分析了降雨條件下邊坡失穩(wěn)的主要影響因素及各因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)理；劉金龍等［7］分析了降雨在土體中的不同入滲路徑對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，以及分析了裂隙對(duì)滑坡產(chǎn)生的機(jī)理；銀曉鵬［8］分析得出了降雨條件下邊坡穩(wěn)定性與土體飽和度與土體含水量的關(guān)系。

基于前人對(duì)降雨條件下土體氣象水文和滑坡響應(yīng)的研究，本研究采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的研究方法，對(duì)泉州市某區(qū)域氣象水文進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)滑坡水文響應(yīng)及滲流機(jī)理、坡體體積含水量、土體水文響應(yīng)速度及地下水位的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程概況

本研究以泉州市水文地質(zhì)資料為研究背景，對(duì)泉州市某區(qū)域氣象水文進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析研究降雨對(duì)周邊環(huán)境的影響機(jī)理。泉州市是一個(gè)降雨分布不均的城市，降雨呈現(xiàn)沿海地區(qū)降雨豐沛，內(nèi)陸地區(qū)降雨稀少的現(xiàn)象，對(duì)氣象水文的研究有利于城市的發(fā)展。對(duì)某區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1，監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要沿著地質(zhì)情況較差的剖面布置，由于該區(qū)域降雨量入滲土體較淺，因而在地面以下3.0，2.5，3.0，2.0，3.0，1.0，0.8，0.5m布置水分計(jì)、滲壓計(jì)、張力計(jì)、水位計(jì)等檢測(cè)設(shè)備。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2 滑坡水文響應(yīng)及滲流機(jī)理

根據(jù)圖1中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置情況，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理后，分析氣象水文及滑坡響應(yīng)。

2.1 降雨量及溫濕度分布

根據(jù)圖2、圖3中的數(shù)據(jù)，該年度的降雨量主要集中在5，6，7，9月，該時(shí)間段降雨量占據(jù)全年的80%，其中，降雨量最大的兩天分別是6月18日和7月3日，降雨量分別為141.4，110.2mm，達(dá)到大暴雨級(jí)別，易產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。對(duì)于溫濕度的變化，3—11月中溫度較高的是7，8月，且溫度與降雨量呈反比例關(guān)系，濕度與降雨量呈正比例關(guān)系。原因在于，降雨導(dǎo)致溫度降低，空氣濕度增大，但濕度總體變化范圍不大，空氣濕度平均保持在80%左右，空氣濕度較大。

圖2 3—11月降雨量分布

圖3 3—11月降雨量及溫濕度統(tǒng)計(jì)

2.2 坡體體積含水量分布

坡體體積含水率與降雨量關(guān)系如圖4，對(duì)坡體體積含水率隨降雨量的變化圖進(jìn)行分析可得到以下幾點(diǎn)。

圖4 坡體體積含水率與降雨量的關(guān)系

2.2.1 降雨量、持續(xù)時(shí)間與土層影響范圍的關(guān)系

降雨量越大，降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，降雨影響土層的深度越深，對(duì)于地面表層土，幾乎每次降雨都會(huì)被影響，且隨著降雨強(qiáng)度改變時(shí)，表層土的響應(yīng)速度最快，且變化幅度相較于深層土較大，當(dāng)降雨強(qiáng)度較小且持續(xù)時(shí)間較短時(shí)，深層土基本不受影響。如整個(gè)10月份，降雨量較小且降雨不連續(xù)，坡腳范圍區(qū)域只有0.2m深度范圍內(nèi)存在降雨響應(yīng)，而0.2m以下幾乎沒(méi)有響應(yīng)；而對(duì)于降雨量較大或連續(xù)降雨，降雨的響應(yīng)范圍會(huì)明顯加深，使得降雨入滲到土體更深的土層，以9月中下旬為例，降雨持續(xù)了7d，且降雨強(qiáng)度較大，9月20日降雨甚至達(dá)到25mm/d，在該種降雨的影響下，坡腳范圍區(qū)域1.0m深度范圍內(nèi)均存在降雨響應(yīng)。

2.2.2 飽和與非飽和分區(qū)

土體飽和度的計(jì)算公式為：

式中 n為土體飽和度；n為土體孔隙率；θw為土體體積含水量；e為土體孔隙比。

由實(shí)驗(yàn)測(cè)得該區(qū)域土體的孔隙比為0.66，該區(qū)域飽和土體與非飽和土體體積含水量分界線為40%，將該區(qū)域的各土層的飽和度進(jìn)行分類得到結(jié)果如表1。

表1 各土層的飽和度進(jìn)行分類

續(xù)表1

由表1可得，對(duì)于坡頂區(qū)域地下1.0m以上深度，土體天然體積含水量均保持在40%以下，天然含水量為40%時(shí)，對(duì)應(yīng)土體已達(dá)到液限標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)40%土體含水量為土體飽和與不飽和的分界線，由于降雨入滲的作用，使得原天然含水量均保持在40%以下的土體含水量增大到40%以上，使得土體變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，但隨著降雨的停止，水分隨之蒸發(fā)，進(jìn)而土體含水量又降至40%以下，從而使該區(qū)域土體在飽和與非飽和之間變換。而地下2.0m及以下深度其天然含水量均大于40%，無(wú)論是否降雨，土體均處于飽和狀態(tài)。對(duì)于坡腳位置，地下0.8m以上深度，土體天然體積含水量均保持在40%以下，由于降雨入滲的作用，使得原天然含水量均保持在40%以下的土體含水量增大到40%以上，使得土體變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，但隨著降雨的停止，水分隨之蒸發(fā)，土體含水量又降至40%以下，從而使得該區(qū)域土體在飽和與非飽和之間變換。而地下1.0m及以下深度其天然含水量均大于40%，無(wú)論是否降雨，土體均處于飽和狀態(tài)。

2.3 降雨條件下土體水文響應(yīng)速度分析

以2018年9月14日該天的降雨情況對(duì)土體水文響應(yīng)速度進(jìn)行分析。

2.3.1 坡頂區(qū)域

坡頂位置土體體積含水率及水文響應(yīng)速度變化如圖5，坡頂區(qū)域0.2m和0.8m土層水文響應(yīng)速度最快，0.2m和0.5m深度土體含水量受降雨影響較小，隨著不斷的降雨，該深度范圍的土體含水量均保持在40%以下，始終處于非飽和狀態(tài)。而0.8m土體和1.0m土體的含水量變化量均大于0.2m和0.5m，對(duì)比0.8m和1.0m土體的含水量變化開(kāi)始時(shí)間，即土體水文響應(yīng)開(kāi)始時(shí)間，0.8m和1.0m開(kāi)始于9：45和11：05左右，而0.2m和0.5m開(kāi)始于10：05和12：30左右，綜合比較，0.8m和1.0m水文響應(yīng)速度比0.2m和0.5m水文響應(yīng)速度稍快。原因在于：該位置坡體發(fā)生過(guò)滑坡，且坡頂位置存在大量的裂縫，進(jìn)而降雨隨著裂縫深入土體內(nèi)部0.8m深度范圍的土體，再向下入滲進(jìn)入1.0m的土體；而坡頂覆蓋有較為茂密的雜草樹(shù)木，在降雨剛開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，植被阻擋了部分降雨的入滲，因而0.2m和0.5m深度的表層土較深層土水文響應(yīng)速度較慢。

圖5 坡頂位置土體體積含水率及水文響應(yīng)速度變化

2.3.2 坡腳區(qū)域

坡腳位置土體體積含水率及水文響應(yīng)速度變化如圖6，坡腳區(qū)域0.2m和0.8m表層土層水文響應(yīng)速度最快，由于坡腳位置的表層土體為滑坡堆積土，該土體的特征為空隙較大、土質(zhì)疏松，在降雨條件下，土體體積含水量變化速度很快，在很短的時(shí)間內(nèi)，該部分土體體積含水量即達(dá)到峰值，峰值大小主要受降雨強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間的影響，在地面以下0.2m范圍的土體，在降雨后0.5h內(nèi)，該部分的土體體積含水量即達(dá)到峰值，隨后隨著降雨強(qiáng)度的減小，該區(qū)域的土體體積含水量不斷降低，即表層土對(duì)降雨作用較為敏感，出現(xiàn)含水量突升突降的現(xiàn)象。土體埋深越深，其土體體積含水量隨降雨作用變化速度較小，水文響應(yīng)速度較慢，以0.2，0.5，0.8m土體進(jìn)行對(duì)比分析，0.2m土體在7：30左右產(chǎn)生含水率變化的水文響應(yīng)，0.5m土體在7：50產(chǎn)生含水率變化的水文響應(yīng)，而0.8m土體在9：20才產(chǎn)生含水率變化的水文響應(yīng)，即表層最先響應(yīng)，較深層次之，深層最慢的變化規(guī)律，這與降雨在土體中的入滲規(guī)律是相符的。

圖6 坡腳位置土體體積含水率及水文響應(yīng)速度變化

2.4 地下水位變化規(guī)律

對(duì)坡頂及坡腳位置進(jìn)行鉆孔測(cè)量并布設(shè)水位計(jì)，監(jiān)測(cè)坡頂48.5m深度和坡腳15.5m深度的孔隙水壓力變化，以6月10日—7月25日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)到的孔隙水壓力隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)如圖7。分析圖中的數(shù)據(jù)，坡頂位置48.5m深度處的孔隙水壓力在該時(shí)間范圍內(nèi)逐漸遞減，7月25日時(shí)孔隙水壓力最小，地下水位為12.1m，而坡腳位置15.5m深度處的孔隙水壓力在該時(shí)間范圍內(nèi)沒(méi)有發(fā)生明顯變化，基本保持在15.5m左右。結(jié)合地下圖層分布，坡頂和坡腳的水位埋深均較深，均保持在基巖以下，坡體穩(wěn)定性較好。

圖7 坡頂和坡腳孔隙水壓力隨時(shí)間變化

3 結(jié)語(yǔ)

本研究以泉州市某區(qū)域氣象水文隨時(shí)間變化進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了降雨對(duì)周邊土體環(huán)境的影響及機(jī)理，主要結(jié)論如下：

（1）周圍環(huán)境濕度整體上與降雨量呈正比例關(guān)系，與溫度呈反比例的關(guān)系。

（2）對(duì)于表層土，天然狀態(tài)下為非飽和狀態(tài)，由于降雨作用變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)；對(duì)于深層土，天然狀態(tài)下和降雨條件下均為飽和狀態(tài)。

（3）對(duì)于坡頂區(qū)域，表層土（0.2m和0.5m）水文響應(yīng)較慢，含水率變化幅度較小，較深層土 （0.8m和1.0m）水文響應(yīng)較快，含水率變化幅度較大；對(duì)于坡腳區(qū)域?qū)τ谄马攨^(qū)域，表層土（0.2m和0.5m）水文響應(yīng)較快，含水率變化幅度較大，較深層土 （0.8m和1.0m）水文響應(yīng)較慢，含水率變化幅度較小。

（4）坡頂和坡腳的水位埋深均較深，處于基巖以下，坡體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。