东南沿海残积土地区降雨诱发型滑坡预报雨强_历时曲线的影响因素分析

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1199.O3.20120308.1512.028.html

第33卷第3期 岩 土 力 学 Vol.33 No.3 2012年3月 Rock and Soil Mechanics Mar. 2012

文章编号：1000－7598 (2012) 03－0872－10

东南沿海残积土地区降雨诱发型滑坡预报

雨强-历时曲线的影响因素分析

詹良通，李 鹤，陈云敏，D. G. Fredlund

（浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，杭州 310058）

摘 要：东南沿海山地丘陵地区每年雨季期间有大量土质滑坡发生，如何对由降雨诱发的滑坡进行预报一直都是一个热点研究课题，雨强-历时曲线（简称I-D曲线）是目前国内外常用的降雨型滑坡预报的降雨量临界值曲线。针对东南沿海地区的浅层残积土滑坡，根据相关勘察数据及资料，概化得到了该类型边坡的地质剖面及岩土层性质，然后应用Geo-Studio软件分析了边坡初始湿润条件、土体抗剪强度、饱和渗透系数、边坡坡角、残坡积土层厚度及雨型等参数对I-D曲线的影响规律。分析结果表明：残坡积土抗剪强度参数、饱和渗透系数、边坡坡角、雨型等因素对I-D曲线的影响显著，边坡安全系数降至临界值所需降雨历时随抗剪强度参数值降低、表层残积土渗透系数增加或坡角增大而减少；当雨强较小时，初始湿润条件对I-D曲线的影响显著；当雨强大于残坡积土层饱和渗透系数时，入渗量主要由渗透系数控制，边坡安全系数降至临界值所需降雨历时不随雨强增大而变化。该研究结果为I-D曲线在东南沿海残积土地区降雨诱发滑坡预警预报中的应用奠定了基础。 关键词：降雨；残积土；浅层滑坡；雨强-历时曲线；东南沿海地区 中图分类号：TU 42 文献标识码：A

Parametric analyses of intensity-duration curve for predicting rainfall-induced landslides in residual soil slope in Southeastern coastal areas of China ZHAN Liang-tong, LI He, CHEN Yun-min, D. G. Fredlund

(Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Abstract：Lots of shallow landslides in residual soil slopes are triggered by rainfall every year in Southeastern coastal area of China. Prediction of the rainfall-induced landslides is a hot research topic. Rainfall intensity-duration curve(I-D curve for short) is used commonly by previous researches to predict the landslide induced by rainfall. Firstly, the geological conditions of residual soil slopes and climate condition in Southeastern coastal areas of China are presented. Then the cross-sections and engineering properties of the residual soil slopes are presented. A finite element software, Geo-Studio, is used to study the effects of the initial moisture condition, shear strength, saturated permeability coefficient, slope angle, thickness of residual soil layer and rainfall pattern on I-D curve. Results from the parametric analyses show that shear strength, slope angle, saturated permeability coefficient and rainfall pattern influence the I-D curve significantly. With a decrease in shear strength, an increase in saturated permeability coefficient or an increase in slope angle, the rainfall duration causing a slope failure shows a decreasing trend. The influence of initial moisture condition on I-D curve is significant when rainfall intensity is lower. When rainfall intensity is larger than saturated permeability coefficient of the residual soil layer, the infiltration capacity is controlled by permeability coefficient; the rainfall duration causing a slope failure doesn’t change with the increasing of rainfall intensity. The research results can provide a basis for the application of I-D curve to predicting rainfall-induced landslides in residual soil slope in Southeastern coastal areas of China.

Key words: rainfall; residual soil; shallow landslide; rainfall intensity-duration curve; Southeastern coastal area

1 引 言

东南沿海地区山地丘陵发育，约占该地区总面

积的75%，山地丘陵地区的斜坡表面广泛覆盖着残坡积土，土层厚度通常在6 m以内。滑坡是东南沿海地区最主要的地质灾害，且以土质浅层滑坡为主，

收稿日期：2010-11-16

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划课题（No. 2006BAJ06B02）；国家自然科学基金项目（No. 50878194，50778163）。

第一作者简介：詹良通，男，1972年生，博士，教授，博士生导师，主要从事非饱和土、环境土工及土工测试技术的研究。E-mail: zhanlt@yahoo.cn

873 第3期 詹良通等：东南沿海残积土地区降雨诱发型滑坡预报雨强-历时曲线的影响因素分析

1990－1998年，在浙江省所统计的313处滑坡灾害中，残坡积土层滑坡占77.6%[1]。据中国地质调查

局《东南沿海及重要经济区环境地质调查重要进展2000－2005年》：该地区滑坡灾害在时间分布上具有与气象变化的高度一致性，连续阴雨、暴雨过程及台风期强降雨过程是滑坡易发的主要时段。如何对降雨诱发的土质浅层滑坡进行预警预报一直是国内外学者关注的热点研究课题。

降雨诱发的滑坡又称为降雨型滑坡，这类滑坡预报的关键就是确定降雨临界值。国内外已有很多学者做过相关的研究，其中，通过实测数据统计，绘制引起滑坡的平均降雨强度和降雨历时关系曲线（intensity-duration curve，简称I-D曲线）是最常用的降雨临界值确定方法。本文所讨论的I-D曲线是以平均雨强作为纵坐标、使边坡安全系数达到临界值所经过的降雨历时为横坐标，在双对数坐标系内绘制而成。常用的I-D曲线一般是下限曲线，即只有当边坡承受的平均雨强及降雨历时超过该曲线时，才有可能发生滑坡。I-D曲线最早由Campbell[2]应用于地质灾害预报，他对美国加利福尼亚州由降雨触发的泥石流数据进行了统计，绘制了I-D曲线；Caine[3]首次将I-D曲线用于滑坡预报，他对全球各地73个边坡及相关降雨情况进行了统计，得到了基于全球数据的I-D曲线，并对曲线拟合，得到了指数形式的降雨临界值算式；Guzzetti[4]对众多的I-D曲线进行了系统的归纳、比较和分析，并针对中欧和南欧部分地区提出了相应的I-D曲线。

I-D曲线是一条区域性的经验曲线，在根据统计数据绘制曲线时，往往没有深入考察滑坡点的地质、气候等因素的差异。Guzzetti[4]指出：统计得到的滑坡点越集中，其气候、地质因素的差异越小，所得到I-D曲线的变异性越小，基于I-D曲线的滑坡预报就越准确。本文的研究思路是应用Geo-studio有限元计算软件中的Slope/W和Seep/W两个模块，针对东南沿海地区的浅层残积土滑坡，研究了边坡初始湿润条件、土体抗剪强度、残积土层渗透性及厚度、边坡坡度、雨型等地质、气候因素对I-D曲线的影响规律，探讨了I-D曲线的变异性，为I-D曲线的科学应用提供依据。

集中在3至9月的雨季，这段时间内的降雨量占全年总降雨量的70%以上[1]。东南沿海地区多台风、暴雨、强对流等灾害性天气，以浙江省为例，平均每年受到3.3个台风影响，每2年有1个台风登 陆浙江，浙江省历史上日最大降雨量为874.7 mm， 12 h最大降雨量为661.8 mm，均出现在2004年“云娜”台风登陆的时候。

本文根据来自浙江省和广西省地质调查局的滑

－

坡勘察资料，以及其他学者的文献资料[57]，对东南沿海山区滑坡的地质条件进行了统计分析：东南沿海山地丘陵地区的地质构造复杂，特别是断裂、褶皱、节理发育，该地区不同时代花岗岩分布十分广泛，出露面积达200 000 km2[8]，边坡岩土层的分类主要受风化程度控制，自上而下依次为残坡积土，全风化花岗岩，中风化花岗岩以及最下层基岩，各层产状基本一致，与坡面**行，滑坡滑动面一般位于残坡积土与全风化花岗岩的交界面处，其深度为2～6 m，属于浅层土质滑坡；该地区边坡的地下水类型主要为上层滞水和基岩裂隙水两种，不存在明显的潜水位，上层滞水主要存在于残坡积土层中，水量受降雨控制，是造成浅层滑坡的主要因素，基岩裂隙水存在于风化岩石与基岩界面上，并以滴水、渗流形式流出，由于该类型水埋藏较深，受降雨的影响较小。

3 数值模型

3.1 模型建立

根据上述的地质条件，本文概化的数值分析模型如图1所示，建模时采用如下简化和假设：

图1 边坡数值计算模型示意图(单位：m) Fig.1 Numerical model of the slope (unit: m)

2 东南沿海地区气候及地质条件

我国东南沿海地区处于亚热带湿润季风气候区，是我国台风、暴雨等气象灾害多发区，年平均降雨量在1 000~2 100 mm，且降雨的时空分布极不均匀，山区由于受到台风和山地抬升气流的影响，降雨量明显大于平坦地区，并且该地区的降雨主要

（1）将边坡地质剖面分为4层，其中上面3层（1、2、3）分别为残坡积土、全风化花岗岩和中风化花岗岩，最底下为基岩，各岩土层的厚度及土性参数列于表1；

（2）斜坡各岩土层均平行坡面；

（3）主地下水位位于风化岩石和基岩交界面，

874 岩 土 力 学 2012年

且不因降雨而变动。

模型网格划分采用的是4节点四边形单元，上部两层土的网格划分较细。瞬态渗流分析中的各边界条件为：（1）对于坡面，当雨强小于土体渗透系数时，按流量边界处理，大小等于降雨强度；当雨强大于土体渗透系数时，按水头边界来处理，大小等于该节点的高程；（2）基岩顶面为主地下水位面，将该面设为零孔压边界，其水头等于各面上节点的高程。（3）边坡两侧取为透水边界。由于本文主要考察浅层土质滑坡，上述简化及边界条件是合适 的。

3.2 岩土层参数 在降雨下渗条件下，非饱和土层中孔隙水压力的升高、土体重度的增加，边坡的稳定安全系数会随之降低。本文先开展边坡非饱和-饱和渗流分析确定降雨下渗条件下的孔隙水压力场，然后进行边坡稳定性分析确定安全系数。 在非饱和-饱和渗流分析中所采用的各土层的土-水特征曲线及渗透系数曲线参考了前人的试验－

数据[1011]，绘制的曲线如图2、3所示。图中各土层的饱和渗透系数、饱和含水率及残余含水率等关键参数如表1所示，从表可见，土层渗透系数自上而下依次减小，且残坡积土层渗透系数比下卧风化岩层大约高一个数量级。 在边坡稳定分析中采用了Fredlund等非饱和土的抗剪强度公式，即 [11][9]

基质吸力对抗剪强度的贡献所对应的摩擦角。

b通常会随着基质吸力的增大而减小，变化范围为15°～20°，在本文分析中对其进行了简化处理，假设其为常数。经过整理后，各岩土层的强度参数

[12]

如表1所示。

605550率/ 4035体30252015110 100 基质吸力/kPa1 000 残(坡)积土 全风化花岗岩强风化花岗岩

图2 各层土体的土-水特征曲线 Fig.2 Soil-water characteristic curves of soils

1×104 -1×106 -/(m) 1×108 -1×1010 -提出的渗1×1012 -残(坡)积土全风化花岗岩强风化花岗岩0.1 110 100 1 000 1×1014 -󰀁󰀂c󰀁 (󰀂!ua)tan 󰀁 (ua!uw)tan b （1） 式中：c󰀁为有效黏聚力； 󰀁为有效内摩擦角；(󰀂!ua)为净法向应力；(ua!uw)为基质吸力； b为

1×1016 0.01 -基质吸力/kPa

图3 各层土体的渗透系数曲线 Fig.3 Permeability coefficient curves of soils

表1 土层性质参数 Table 1 Parameters of soil layers 土层 编号 1 2 3

平均厚度 /m 4 5 18

描述 残坡积土 全风化花岗岩 中风化花岗岩

干密度!d /(kN/cm3) 20.0 19.0 19.6

有效黏聚力

有效内摩擦角

摩擦角

饱和渗透系数 饱和含水率

残余含水率

c󰀁/kPa 8.9 8.9 24

󰀁/(∀) 25 35 41

b/(∀) 15 15 20

ks/(10m/s) 3.00 0.70 0.55

-5

∀s/% 43.74 52.38 41.65

∀r/% 20.58 20.80 19.56

3.3 计算分析方案

为了研究地质、气候等因素对I-D曲线的影响，本文进行了17种工况分析，具体见表2：第1组工况为分析边坡初始湿润条件对I-D曲线的影响，该组工况通过施加不同数值的年降雨量开展稳定渗流分析来获得不同的初始孔压剖面，对应于边坡不同的初始湿润条件；第2组工况为分析土层饱和渗透

系数对I-D曲线的影响；第3组工况为分析残坡积土抗剪强度对I-D曲线的影响；第4组工况为研究斜坡坡角对I-D曲线的影响；第5组工况为分析雨型变化对I-D曲线的影响；第6组工况为研究残坡积土层厚度对I-D曲线的影响。在所有工况中，将工况1-3作为参照工况，该工况各岩土层性质参数及边坡几何参数取调查数据的统计平均值。对于每

第3期 詹良通等：东南沿海残积土地区降雨诱发型滑坡预报雨强-历时曲线的影响因素分析 875

个工况，可确定1条I-D曲线，详细确定方法在下一节阐述。

在本文边坡稳定分析中，安全系数的控制标准取FS=1.2，并将降雨条件下边坡安全系数降至该值时所需的降雨历时称为临界降雨历时。该安全系数标准是参照东南沿海山区的残积土滑坡的相关规 [13]

范，按3级滑坡来考虑。

考虑到地区的气候、地质等条件与东南沿海地区都比较相似，所以本文选取Chen Chien- yuan[14]提出的I-D曲线与本文计算结果进行对比分析。Chen Chien-yuan

[14]

对地区发生的153个浅

层滑坡和泥石流灾害进行了统计分析，并得到了相应的下限I-D曲线，该曲线的数学表达式为

I󰀂115.47D!0.80 , 1≤D≤400 （2）

表2 计算分析方案及参数取值

Table 2 Analysis schemes and parameters

方案

年降雨量qa

工况编号

/mm 1-1 1 1-2 1-3 1-4 2-1 2-2 2-3 2-4 3-1 3-2 4-1 4-2 5-1 5-2 6-1 6 6-2 6-3 200 800 1 500 3 500 1 500 1 500 1 500 1 500 1 500 1 500 1 500 1 500 1 500 1 500 1 500 1 500 1 500 饱和渗透系数ks/(10-6m/s) 土层1 30 30 30 30 30 30 30 30 3 30 30 30 30 30 30 30 30 土层2 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 0.7 0.7 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 土层3 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 0.5 0.5 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 9 9 9 9 7 11 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 25 25 25 25 25 25 23 27 25 25 25 25 25 25 25 25 25 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 25 35 30 30 30 30 30 均匀型 均匀型 均匀型 均匀型 均匀型 均匀型 均匀型 均匀型 均匀型 均匀型 均匀型 均匀型 递增型 递减型 均匀型 均匀型 均匀型 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 2 3 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 c󰀁/kPa 󰀁/(∀)

b/(∀) 坡角#/(∀)

雨型 H1/m H2/m

2 3 4 5 注：H1为土层1残坡积土层厚度；H2为土层2全风化岩层的厚度。 3.4 数值分析方法 本文采用Geoslope公司开发的Geo-studio软件进行渗流分析和边坡稳定分析。每一个工况的分析思路如下： （1）在进行降雨入渗条件下瞬态渗流分析之前，必须首先确定边坡的初始孔压分布，边坡的初始孔压分布与较长时间内的气候条件有关。本文应用Seep/W模块，将该地区的多年平均降雨量作为流量边界条件施加于边坡表面，进行稳态渗流分析，得到了边坡的初始孔压分布，即不同年降雨量对应下的初始湿润条件。

（2）施加一给定雨强，在上述初始条件下进行瞬态渗流分析，得到各降雨历时对应的边坡中孔压分布。 （3）利用Slope/W模块进行边坡的稳定性分析，确定各降雨历时对应的边坡稳定安全系数。本文采用M-P极限平衡法计算边坡稳定安全系数。经过验算，发现最危险滑动面一直处于残坡积土层的底面，与现场调查结果相符。

4 分析结果及讨论 4.1 边坡初始湿润条件对I-D曲线影响分析 为了研究边坡初始湿润条件（以初始孔压剖面表征）对I-D曲线的影响，本文设定了4种不同年降雨量的计算工况。图4显示该组工况计算得到的初始孔压剖面及降雨（雨强为50 mm/h）后孔压剖面的变化情况。可见，不同年降雨量对应的初始孔压剖面（t=0 h）差别很明显，所施加的年降雨量越大，边坡中同一深度处的孔压越高，土层越湿润。各工况计算得的初始孔压随深度变化规律基本一致，顶部的残坡积土层中的孔压随深度增加而显著增大，而全风化花岗岩层与中风化花岗岩层中的孔压随深度增加不显著，下部靠近潜水位的中风化花岗岩层中孔压接近于静水压力线。雨强为50 mm的降雨开始后，边坡浅部土层中孔压显著上升，当降雨历时达12 h时，湿润锋已到达残坡积土层底部，该土层中各深度处的孔压升高至0 kPa，甚至产生了正孔隙水压力，说明在残坡积土层底部出现滞水现

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象。当降雨历时达到36 h和48 h时，湿润锋分别达到了全风化和中风化花岗岩层底部，最终影响深度大概在12 m范围以内。随着湿润锋的前进，残坡积土层底部的滞水现象越来越明显，在该深度处积积土层底面发生滑动，如图5所显示的潜在滑动面（对应于年降雨量为qa=1 500 mm，雨强q=50 mm/h时，边坡安全系数为1.2）。

302520 高度/151050-40 -30 -20 时间增加，曲线时间间隔为12 h 工况1-1(qa=200 mm)工况1-2(qa=800 mm)工况1-3(qa=1 500 mm)工况1-4(qa=3 500 mm)-10 0 10 20 0 h残坡积土层底部动面上的滞水作用导致了正孔隙水压力产生并随降雨历时而升高。

3020100-10孔-20-30-40020 40 60 80 100 降雨历时/h (a) 雨强10 mm/h 3020100-10孔工况1-1(qa=200 mm)工况1-2(qa=800 mm)工况1-3(qa=1 500 mm)工况1-4(qa=3 500 mm) 工况1-1(qa=200 mm)工况1-2(qa=800 mm)工况1-3(qa=1 500 mm)工况1-4(qa=3 500 mm) /累了显著水头压力，导致边坡土层最有可能沿残坡

/k孔隙压力/ kPa -20-30-40020 40 图4 不同初始湿润条件下边坡在降雨前后的 孔压剖面(q=50 mm/h) Fig.4 Pore-water pressure profiles for slopes with different initial moisture conditions (q=50 mm/h) 1.20 90807060504030201000 60 80 100降雨历时/h(b) 雨强50 mm/h

图6 潜在滑面处(深度4 m)孔压随降雨历时变化曲线 Fig.6 Curves of pore-water pressure vs. duration of

rainfall on potential slip surfaces / 图7显示了年降雨量为1 500 mm时，不同雨强下边坡安全系数随时间变化情况。从图可以看出，随着雨强的增大，边坡安全系数降至1.2所需的降20 40 60 80 距离/m 100 120 140 160 高

图6显示了不同初始湿润条件下潜在滑动面处孔压随降雨历时变化情况。从图6(a)可以看到：当雨强为10 mm/h时，土层初始状态越湿润（即年降雨量越大），湿润锋到达潜在滑动面所需的降雨历时越短，这是由于土层初始状态越湿润，渗透系数变大，导致雨水下渗速度较快。如图6(b)所示，当雨强增大至50 mm/h时，不同初始条件下湿润锋到达潜在滑动面所需的时间非常接近，也就是说，在大雨强作用下，初始湿润条件对湿润锋前进速度的影响相对较小。对比图6(a)和图6(b)可见，在相同初始条件下，随着雨强增大，湿润锋到达潜在滑动面所需时间明显减少，而且在大雨强作用下，潜在滑

图5 边坡安全系数1.2对应的潜在滑面 (qa=1 500 mm/a，q=50 mm/h) Fig.5 Critical slip surface corresponding to FS=1.2 (qa=1 500 mm/a and q=50 mm/h) 雨历时逐渐减小；对比图6、7可以看到，给定雨强下的安全系数曲线与潜在滑面处孔压曲线的变化规律很相似，可见，在相同初始条件和雨强下，边坡安全系数变化与潜在滑面处的孔压发展关系密切。

图7 不同雨强下安全系数随时间变化曲线(qa=1 500 mm/a) Fig.7 Curves of safety factor vs. duration of rainfall with

different rainfall intensities (qa=1 500 mm/a)

图8显示了不同初始湿润条件对应的I-D曲线

及其与Chen Chien-yuan[14]提出的I-D曲线对比。从

第3期 詹良通等：东南沿海残积土地区降雨诱发型滑坡预报雨强-历时曲线的影响因素分析 877

图8可以看出：土层初始状态越湿润、给定雨强下临界降雨历时越短，I-D曲线越靠下方，越接近Chen Chien-yuan针对地区提出的I-D曲线。当雨强较大时（>70 mm/h），不同工况临界降雨历时的差异越来越小，这说明随着雨强的增大，初始湿润条件对边坡稳定的影响越来越小，边坡稳定主要由后期雨强控制。

1 000

工况1-1(qa=200 mm)工况1-2(qa=800 mm)工况1-3(qa=1 500 mm)工况1-4(qa=3 500 mm)Chen Chien-yuan[14]4.3 土层饱和渗透系数对I-D曲线的影响

为了研究土层饱和渗透系数的影响，本文设计了两种工况，并以工况1-3作为参照，如表2所示。考虑到工况3-1的I-D曲线的特殊性，又附加计算了雨强为5、7、20 mm/h时的几种情况。 图10显示了工况3-1的不同雨强下孔压剖面变化情况。从图中可以看到，当雨强超过20 mm/h，各雨强对应的孔压分布和变化基本一致，这是由于各岩土层的饱和渗透系数均下降一个数量级，降雨入渗后表层土体很快便接近于饱和，此时降雨入渗率就等于表层土体的饱和渗透系数（10.8 mm/h），即降雨入渗量受饱和渗透系数控制，不随雨强增大而产生变化。 30250 h) 雨/(m100

10

1110 降雨历时/h100 1 000 高度/ 20151050-20 -15 -10 时间增加，曲线时间间隔为12 h

工况3-1(雨强q=20 mm/h)工况3-1(雨强q=50 mm/h)工况3-1(雨强q=100 mm/h) -5 0510 图8 初始湿润条件对I-D曲线的影响 Fig.8 Influence of initial moisture condition on I-D curve 4.2 土体抗剪强度对I-D曲线的影响 为了研究抗剪强度指标的影响，以工况1-3作为参照，设计了4个计算工况，每个工况只改变残坡积土层的抗剪强度指标，而其他土层的强度参数不变。由于本文所进行的渗流分析中没有考虑边坡土体变形对边坡的瞬态渗流场的影响，所以当残坡积土层的抗剪强度指标变化时，各工况的初始孔压分布及各时刻瞬态渗流场是相同的。 图9显示了改变残坡积土层抗剪强度指标时I-D曲线的变化情况。从图可以看出，当内摩擦角和黏聚力降低时，临界降雨历时变短，I-D曲线下移，逐渐接近Chen Chien-yuan[14]提出的I-D曲线。当内摩擦角和黏聚力增大时，I-D曲线上移。在本文所考虑的抗剪强度指标变化范围内，内摩擦角对I-D曲线的影响更为显著。

1 000

工况2-1(c󰀁=7 kPa， 󰀁=25°) 工况2-2(c󰀁=11 kPa， 󰀁=25°)工况2-3(c󰀁=9 kPa， 󰀁=23°) 工况2-4(c󰀁=9 kPa， 󰀁=27°) 工况1-3(c󰀁=9 kPa， 󰀁=25°) Chen Chien-yuan[14] 高度/ 孔隙压力/kPa

图10 工况3-1的孔压剖面及随降雨 历时变化(qa=1 500 mm/a ) Fig.10 Pore-water pressure profiles varying with duration of rainfall for case 3-1 (qa=1 500 mm/a ) 图11显示了工况3-1与1-3在年降雨量为 1 500 mm下的初始孔压分布剖面，由图可知，与参照工况1-3对比，工况3-1的各岩土层的饱和渗透系数均降低一个数量级后，其土层初始孔压剖面更加湿润，相同深度处（除了靠近基岩表面的土层内）的孔压比工况1-3大约高了10 kPa。

3025201510

工况3-1(k1=3k，k2=0.7k，k3=0.5k)

工况1-3(k1=30k，k2=0.7k，k3=0.5k) k=1×106 m/s-100

/(m) 雨10

50-30

-20

-10

0

10

20

30

11

10

降雨历时/h

100

1 000

孔隙压力/kPa

图9 抗剪强度指标对I-D曲线的影响

Fig.9 Influences of shear strength parameters on I-D curve

图11 工况3-1与工况1-3的初始孔压分布

剖面对比(qa=1500mm/a )

Fig.11 Comparison of pore-water pressure profiles for

case 3-1 and case 1-3 (qa=1500mm/a )

878 岩 土 力 学 2012年

图12显示了土层饱和渗透系数变化对I-D曲线的影响以及Chen Chien-yuan[14]提出的地区I-D曲线。从图中可见，对于工况3-2，由于残坡积土层的下伏岩土层的饱和渗透系数减小了一个数量级，雨水入渗后更易在残坡积土层底部产生滞水，在一定雨强下，临界降雨历时变短，I-D曲线位于工况1-3的下方。工况3-1的I-D曲线分为两段：当雨强大于10 mm/h时，I-D曲线近乎竖直，即随着雨强的增大，（临界降雨历时）基本不变，该现象可由图11来解释；当雨强小于10 mm/h时，I-D曲线与工况1-3的曲线基本重合，根据图11得到的孔压变化规律，对于工况3-1，虽然土层渗透系数下降导致后期降雨入渗量降低，但由于工况3-1的土层初始状态更湿润，所以在相同雨强下二者的（临界降雨历时）很接近。 1 000 工况3-1(k1=3k，k2=0.7k，k3=0.5k)工况3-2(k1=30k，k2=0.7k，k3=0.5k) 工况1-3(k1=30k，k2=7k，k3=5k) Chen Chien-yuan[14]-k=1×106 m/s； 初始状态均按年降雨量为1 500 mm计算。 的疏干能力弱于陡坡。

25 20 15 /k10 50孔-5-10-15-200

20

40

60

80

100

降雨历时/h

工况4-1(β=25°)工况4-2(β=35°)工况1-3(β=30°)β为边坡坡角

图13 不同坡度边坡中潜在滑面处孔压

随时间变化(q=50 mm/h) Fig13 Changes of pore-water pressure on critical slip surface with time with different slope angles (q=50 mm/h)

图14显示了边坡坡度对I-D曲线的影响。从图可以看到，I-D曲线随坡度的增大而下移，越接近于Chen Chien-yuan[14]提出的I-D曲线，并且I-D曲线受坡度影响较显著。对于方案4-2（坡角为35°），本文分析得到I-D曲线已位于Chen Chien-yuan[14]提出的曲线下方。 1 000工况4-1(β=25°)工况4-2(β=35°)工况1-3(β=30°)Chen Chien-yuan[14]β为边坡坡角 100雨/m101110 ) 100 降雨历时/h1 000 ) 雨1011 10 /(m 100

综上所述，I-D曲线随顶层渗透系数上移、下层土体渗透系数的减小而下移，逐渐接近Chen Chien-yuan[14]提出的I-D曲线。当雨强大于表层土体饱和渗透系数时，临界降雨历时不随雨强增大而降低，这一点在Chen Chien-yuan[14]提出的曲线上并没有体现。

4.4 斜坡坡度对I-D曲线的影响

根据Au[15]对浅层残积土滑坡的统计，约有90%的滑坡的坡度大于30°，所以本文以工况1-3（坡度为30°）作为标准，又分别分析了坡度为25°和35°两种工况，来研究坡度对I-D曲线的影响。

图13显示了不同坡度情况下，潜在滑面处的孔压随时间变化曲线。从图中可以看到，在降雨持续15 h内，对于不同坡度，潜在滑面处的孔压基本没有区别，降雨持续15 h以后，坡度越大，潜在滑面处的孔压越小，并且随着降雨历时的增加，孔压差值越来越大，这是由于缓坡对土体内部渗入的雨水

图12 饱和渗透系数对I-D曲线的影响 Fig.12 Influence of soil permeability coefficient on I-D curve 100 降雨历时/h 1 000

图14 斜坡坡度对I-D曲线的影响 Fig.14 Influence of slope angle on I-D curve

4.5 残积土层厚度对I-D曲线的影响

根据勘察资料，这里选取了4种不同的土层厚度来研究表层残积土厚度（2～5 m）对I-D曲线的影响。

图15显示了不同残积土层厚度潜在滑面处的孔压随时间变化曲线。从图可以看到：残积土层厚度越小，湿润锋到达潜在滑面处所需的时间越短。残积土层厚度对潜在滑面处孔压的影响可分为两个阶段：（1）在降雨10 h以内，残积土层厚度越小，孔压上升越快；（2）当降雨超过10 h以后，孔压大小与土层厚度关系发生变化，此时土层厚度越大，累积的孔压也越大。孔压发生这种变化的原因在于

879 第3期 詹良通等：东南沿海残积土地区降雨诱发型滑坡预报雨强-历时曲线的影响因素分析

土层厚度小，入渗途径短，滑面处的孔压升高速度快，但其储水能力有限，在较短时间内会发生饱和并形成地表径流，而厚度较大的土层的容水能力也

较强，饱和时积水深度大于厚度较小的土层。

25 20 15 /k10 50 孔-5 -10 -15 -20 010 20 30 40 50 60 工况5-1(H1=2 m) 工况5-2(H1=3 m) 工况5-3(H1=5 m) 工况1-3(H1=4 m)③均匀型，且3种算例在24 h内的总降雨量相等。对于递增型和递减型，I-D曲线图的纵坐标表示24 h平均雨强。

图17显示了不同雨型下潜在滑面处的孔压随时间变化情况。从图中可以看出，雨型不同时，湿润锋影响到潜在滑面所需的时间也不同，按递减型、均匀型、递增型的次序依次增加，彼此之间的差别较显著。与第5组工况相同，潜在滑面处的孔压变化也可分为两个阶段：（1）在降雨历时20 h以内，潜在滑面处的孔压从大到小依次为递减型、均匀型、递增型，其中均匀型和递增型潜在滑面处的孔压都是随着降雨的持续逐渐变大，但递减型潜在滑面处的孔压在降雨持续15 h后开始减小；（2）在降雨持降雨历时/h 图15 不同残积土层厚度情况下滑面处孔压 随时间变化(q=100 mm/h) Fig.15 Changes of pore-water pressure on slip surface with time with different thicknesses of residual soil (q=100 mm/h) 续了20 h后，潜在滑面处孔压从大到小的次序变为递增型、均匀型、递减型。可见，雨型的变化对边坡内部孔压变化规律的影响非常显著。 151050-5孔-10-15-200510 15 20 25 工况6-1（递增型）工况6-2（递减型） 工况1-3（均匀型）图16显示了残积土层厚度对I-D曲线的影响及Chen Chien-yuan[14]提出的I-D曲线。根据图16，当残积土层厚度小于4 m时，工况5-1、5-2的I-D曲线位于工况1-3的I-D曲线上方。随着雨强增大，3条I-D曲线的差异变小。 1 000 工况5-1(H1=2 m) 工况5-2(H1=3 m) 工况5-3(H1=5 m) 工况1-3(H1=4 m) Chen Chien-yuan[14]/降雨历时/h

100 /(m10 图17 不同雨型情况下滑面处(深度4 m) 孔压随时间变化(q=50 mm/h) Fig.17 Changes of pore-water pressure on slip surface with time with different rainfall patterns (q=50 mm/h) 雨) 1 110 降雨历时/h

100 1 000 图18显示了雨型对I-D曲线的影响及Chen Chien-yuan[14]提出的I-D曲线。根据图18，当平均

雨强小于70 mm/h时，递增型在最上方，其次为均匀型，递减型的I-D曲线位于最下方，临界降雨历

[14]

时依次减少，逐渐接近Chen Chien-yuan提出的I-D曲线；当平均雨强高于70 mm/h后，对于工况6-2（递减型），其I-D曲线出现垂直段，临界降雨历时保持不变，当雨强高于100 mm/h时，对于工况1-3（均匀型），其I-D曲线也出现同样的垂直段。出现该现象的原因与4.2节的工况2-1相同，本组工况的残积土层的饱和渗透系数为108 mm/h，再次验证了当雨强大于饱和渗透系数时，降雨入渗量受表层土的渗透系数的控制，边坡内部孔压变化规律不随雨强增大而产生变化，从而导致临界降雨历时也不随降雨增强而降低。

图16 残积土层厚度对I-D曲线的影响

Fig.16 Influence of thickness of residual soil on I-D curve

从上述分析可知，对于残坡积土层厚度在6 m以内时，厚度越大，临界降雨历时越短，I-D曲线逐渐接近Chen Chien-yuan提出的I-D曲线。并且当降雨持续时间较长时（10 h以上），残坡积土层厚度较大的边坡更容易达到失稳状态。

4.6 降雨雨型对I-D曲线的影响

根据Ng等[16]对雨型的研究，以及东南沿海地区降雨特点，本文对比了3种雨型对I-D曲线的影响，分别为：①线性递增型；②线性递减型；

[14]

880 岩 土 力 学 2012年

1 000

工况6-1（递增型）工况6-2（递减型）工况1-3（均匀型）Chen Chien-yuan[14]

各工况降雨历时均为24 h，且在24 h内的总雨量相同

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100

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图18 雨型对I-D曲线的影响

Fig.18 Influence of rainfall pattern on I-D curve

5 结 论

（1）年降雨量越大，土层初始状态越湿润，边坡安全系数降至临界值所需的降雨历时越短，I-D曲线趋近于Chen Chien-yuan针对土质边坡提出的曲线；随着雨强的增大，边坡的稳定主要由雨强控制，初始孔压条件的影响减弱。

（2）雨强越大，边坡安全系数降至临界值所需时间越短；当雨强大于表层土体渗透系数时，降雨入渗量及孔压剖面变化规律不随雨强增大而变化，临界降雨历时不随雨强增大而变化，此时的I-D曲线为一垂直线段。

（3）I-D曲线随顶层残积土渗透系数增加或下层土体渗透系数的减小而下移，逐渐接近Chen Chien-yuan提出的I-D曲线。 （4）随着残积土体的抗剪强度指标的降低，临界降雨历时缩短，I-D曲线趋近于Chen Chien-yuan提出的曲线。在本文所考虑的抗剪强度指标变化范围内，内摩擦角对I-D曲线的影响更为显著。 （5）坡角越大，边坡安全系数将至1.2所需的降雨历时越短，I-D曲线越接近Chen Chien-yuan提出的I-D曲线，当坡角增大到35°时，本文分析得到的I-D曲线已位于Chen Chien-yuan提出的I-D曲线的下方。

（6）当顶层残积土厚度小于6 m时，厚度越大，边坡安全系数降至临界值所需时间越短，I-D曲线越接近Chen Chien-yuan提出的曲线，并且随着降雨的持续，对顶层残积土厚度大的边坡的稳定愈发不利。

（7）在本文分析的3种雨型中，降雨雨型为递减型时，边坡安全系数降至临界值的时间更短。

参 考 文 献

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下转第886页

第3期 詹良通等：东南沿海残积土地区降雨诱发型滑坡预报雨强-历时曲线的影响因素分析

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