暴雨型滑坡灾害形成机理及预测方法研究思路.doc

暴雨型滑坡灾害形成机理及预测方法研究思路 摘要: 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：以江西为研究区域，从暴雨型滑坡灾害形成机理及预测理论入手，通过8个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。关键词： 暴雨滑坡形成机理预测研究 中图分类号：P426.616；P694 文献标识码：A文章编号：1007-9033（2005）03-0017-060引言129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，19631996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。1暴雨型滑坡灾害形成机理及预测理论基础3035 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（620 m）、厚层滑坡（2050 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。滑坡预测建立在预测科学和滑坡学理论基础上。滑坡系统动态规律研究包括其演化过程中各阶段的特点，以及其运动学和动力学变化规律。基本受控于动态因素作用的方式、强度和历时，其作用又常具有周期性的旋回趋势。目前，对其研究多集中于气候因素，尤其是降水的影响。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36 （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37（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暴雨型滑坡灾害时空预报预警研究现状国内外滑坡灾害预报预警研究大体分为2种类型：一类是以滑坡灾害位移监测数据为基础，结合室内模型实验开展的模型预报研究，最早由日本学者Saito38（1965年）在20世纪60年代提出，后由Fukuzono、Voight（1989年）等得到进一步深化；另一类是基于大气降水的观测，研究降水量、降水强度和降水过程与滑坡灾害的空间分布、时间上的对应关系，建立滑坡灾害时空分布与降水过程的统计关系，以达到预报预警之目的。2种研究途径各有侧重，前者强调滑坡灾害位移机理研究，后者强调滑坡灾害受外界触发因素影响的统计学研究。山田刚二等（1977年）通过对山阴干线小田田仪间403、400 km附近的滑坡研究，结合日有效雨量、滑坡位移速率、地下水压力随时间的变化曲线开展滑坡灾害预警预报工作。1985年，美国地质调查局（USGS）和美国国家气象局（USNWS）联合建立1套滑坡实时预报系统（Wieczorek,1990年）。该系统基于1982年2月35日在该地区发生的1次特大暴雨所引起的滑坡灾害数据，建立滑坡与降水强度和持续时间的临界关系曲线。该曲线可作为滑坡实时预报的经验曲线。Robert Hamilton39(1997年)、Turrer A k,Schuster R L40（1996年）提出滑坡灾害早期预警主要包括：以区域滑坡灾害危险性评价、风险区划为主的滑坡灾害早期预警，基于地理信息的中期预警，以实时、自动和遥控遥测信息为主的短期预警。刘传正等41（2004年）根据致灾地质环境条件和气候因素，将中国划分为7个大区、28个预警区。通过对历史上发生的地质灾害点和灾害发生前15 d内实际降水量及降水过程的统计分析，创建了地质灾害气象预警等级判据模式图，初步制作了预报预警判据图。在收到中国国家气象中心全国降水预报0.5 h内，对所预报的次日降水过程是否诱发地质灾害和诱发灾害的空间范围、危害强度进行预报预警。2.3 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42，2002年）。19851995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43（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。殷坤龙44认为暴雨量的阀值问题随地区差别、滑坡类型差别等十分明显。李媛等45（2002年）分析了国内外滑坡与降水关系研究动态，认为暴雨诱发滑坡在世界范围内是一个普遍现象，以往重点一般是放在滑坡岩土性质的调查和机理分析上，而对于诱发因素没有进行比较深入的研究和探索。早期对滑坡降水过程的研究，主要是建立滑坡发生和降水临界值之间的经验公式。Onordera et al（1974年）发现，在日本，累积雨量150 mm，或每小时降雨强度20 mm时，将发生滑波；美国SanBenito和Alameda把过程降水量累积180 mm定为滑坡发生的临界值；加拿大滑坡发生的临界累积雨量值250 mm；中国香港则350 mm，且日雨量100 mm，小时雨量40 mm；巴西滑坡的暴雨强度临界值为250300 mm。李晓46（1995年）对重庆一带地质、地貌特点和降水侵蚀强度等进行研究,分析了当地发生地表侵蚀或触发滑坡灾害的降水强度变化规律。杜榕恒47（1991年）对三峡地区1982年7月暴雨诱发的80多个典型滑坡进行研究，得出了暴雨触发滑坡的临界降雨强度。杨顺泉48（2002年）指出，湖南省滑坡灾害发生的降水临界值为日雨量120 mm，小时降水量40 mm。谢剑明、刘礼领、殷坤龙等49（2003年）研究指出，浙江省非台风区，当日降水量为60 mm和130 mm，有效降水量为150 mm和225 mm时，滑坡高易发区和滑坡中易发区的滑坡点密度都有明显增加；在台风区，当日降水量为90 mm和150 mm，有效降水量为125 mm和275 mm时，滑坡高易发区和滑坡中易发区的滑坡点密度都有明显增加。林孝松50（2001年）指出,降雨型滑坡的活动表现出周期性。Brand51（1984年）对香港近20 a的滑坡灾害与降雨资料进行了对比分析，结果表明，香港绝大多数滑坡是由短历时强降水诱发的，这些滑坡发生时间与最大的小时降水量时间同步，指出利用24 h降水量预测滑坡具有很重要的意义。Mark & Newman52（1982年）通过对1982年1月降水情况分析得出，当前期雨量300 mm，暴雨量250 mm，即年平均降水量的30%时，滑坡将大规模发生。周国兵等53（2003年）对重庆市20世纪70年代以来153个滑坡个例进行统计，发现降水诱发的滑坡占96.7%。其中24 h降水量是诱发山体滑坡的最主要因素，同时也与连续降水的累计值有关。2.4暴雨型滑坡机制及稳定性研究概述李先华等34（2001年)提出了滑坡启动的2种不同机制。通过降水滑体含水率滑体容重、滑带土内摩擦角、内聚力以及它们与滑坡稳定系数的定量关系及其时间效应，建立滑坡启动速度、推力、方向和时间的预测预报模型。王兰生54提出，具有不同水动力学特征的斜坡，对降雨的敏感度存在差别。戚国庆等55对土水特征曲线数学模型进行了研究，推导出具有统一表达式的土水特征曲线，分析得出，土水特征曲线主要受土粒的矿物成分、孔隙的大小分布、孔隙的结构、土体的收缩性、土的应力历时和温度等因素影响。刘传正56（2002年）指出，以往省级地质灾害监测的重点主要局限于地下水动态观测，在地质灾害的监测预警方面比较薄弱。2.5基于GIS的暴雨型滑坡预报系统研究现状殷坤龙等44（20032004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57（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。针对近年来暴雨型滑坡灾害形成机理和预报预警服务的需要，本文作者承担了2002年国家科技部下达的社会公益项目，对暴雨型滑坡灾害风险区划及监测、预报、预警进行了一些尝试，前期重点是根据历史滑坡个例，进行江西省滑坡发生的降水特征及临界值分析 5860 。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。4江西进行暴雨型滑坡灾害形成机理及预测研究的总体思路4.1重点研究和讨论的问题由上述分析可知，目前江西应重点研究和讨论的问题主要包括以下6个方面：一是开展滑坡灾害风险区划研究，为滑坡灾害预测提供本底数据；二是开展诱发滑坡的降水及蒸散量特征分析；三是进行暴雨型滑坡形成机理试验研究，并探讨植被覆盖对滑坡的作用；四是进行暴雨型滑坡灾害单点预报预警方法研究；五是进行暴雨型滑坡灾害区域预报预警方法研究；六是开发基于Web-GIS的滑坡灾害预报预警业务系统，并进行业务应用和效果检验。4.2研究目标以江西为研究区域，系统地开展暴雨型滑坡灾害形成机理及预测方法研究。通过定点监测试验、历史资料分析，应用滑坡稳定性原理等方法，揭示中国东部丘陵山区暴雨型滑坡形成机制，建立滑坡稳定性数学模型，确定不同类型滑坡发生滑动的大气降水临界值，建立基于Web-GIS和临界过程雨量、蒸散量、滑坡风险区划及降水预报相结合的滑坡灾害预报预警业务系统。4.3研究方法采用野外观测试验与模拟计算相结合、实测资料定性分析与数理分析相结合的方法，对暴雨型滑坡灾害形成机理、滑坡稳定度进行研究和模拟；应用RS、GIS等技术，分析植被覆盖对滑坡的影响；利用MM5中尺度数值预报模式，对近3 a来诱发滑坡灾害的连续暴雨过程进行数值试验；应用Web-GIS技术、滑坡灾害空间预测和时间预测相结合的方法，建立滑坡灾害预报预警和产品自动发布业务系统。4.4需解决的关键问题一是通过研究区域代表点的监测试验，分析滑坡体植被大气水分作用关系，建立大气降水与滑坡稳定度的数学模型，提出滑坡灾害预报预警指标，研究分析植被覆盖对暴雨型滑坡的作用；二是研究分析大气降水、日综合雨量、蒸散量的关系，分析试验结果与统计学方法的一致性；三是建立基于Web-GIS技术的暴雨型滑坡灾害预报预警模型，以及产品自动发布实时业务系统。参考文献1郑孝玉.滑坡预报研究方法综述.世界地质，2000，19（4）:3702李媛，孟晖，董颖，等.中国地质灾害类型及其特征基于全国县市地质灾害调查成果分析.中国地质灾害与防治学报，2004，15（2）:2931.3Faruk Ocakoglu,Candan Gokceoglu , Murat Ercanoglu, Dynamics of a complex mass movement triggered by heavy rainfall: a case study from NW Turkey,Geomorphology,42(2002):329341.4Azzoni, A., Chiesa, S., Frassoni, A., Govi, M., 1992. 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Meteorological Science Institute of Jiangxi Province ， Nangchang 330046 , China）Abstract: The study of landslide disasters mechanics triggered by heavy rainfall and predicting methods are still face to some difficulty and hot problems. The techeniques route is described as follow. Based on mechanism of landslide induced by torrential rainstorm and its predicting theory, by monitoring and experiment in eight trial grounds in Jiangxi Province, the impacts of rainfall on underground water table, pore water pressure, soil stress and landslides stability will be studied. The influence of vegetation coverage on landslide is discussed. With historic data，risk division is researched and the temporal-spatial distribution features of landslide induced by heavy rainfall are analyzed. Combining trail data and statistics method，the precipitation values used to predicting and warning landslides are given. Operational forecasting and warning system of landslide disasters triggered by heavy rainfall on Web-GIS is developed, which has been tested in conventional operation.Key words: RainstormCoastFormative mechanismPredictionResearch_收稿日期：2005年06月26日 第一作者简介：魏 丽（1961-），女，教授级高级工程师，博士，主要从事应用气象与遥感技术应用研究。