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强降雨诱发红层地区缓倾角浅层土质滑坡发育分布特征与预警研究

张群  
【摘要】:2011年“9.16”特大暴雨诱发四川省南江县发生数以千计的缓倾角浅层土质滑坡,该类典型滑坡具有滑体厚度薄,多集中在1~5m区域,滑坡坡度缓,主要分布在10~30°之间,地层被明显分为上下两层,且上覆土层总是沿呈“光面”的下覆基岩顺层滑动的特殊性。按照传统平衡力学,土坡上覆土层薄,岩层缓倾,在天然状态下稳定性较好,但强降雨下南江县却发生了大面积的缓倾角浅层土质滑坡,其成因机理十分特殊。单个缓倾角浅层土质滑坡危害不是很大,但这种群发性、大范围的滑坡发生在人类密集居住的村落,值得高度关注。目前已有学者以南江县为例对缓倾角浅层土质滑坡的发育环境、分布规律、影响因素及成因机理进行了一些研究,但并没有清晰地揭示该类典型滑坡为什么总是发生在1~5m的特定浅层区域,且普遍沿下覆基岩这一“光面”顺层滑动的特殊发育分布特征。本文依托中国地质局地质调查项目“西南地区重大地质灾害调查与预警区划”和四川省科技支撑计划“强降雨触发川东平缓岩层群发性滑坡成因研究与监测预警示范”,以“9.16”特大暴雨诱发的缓倾角浅层土质滑坡为基础,通过室内大型降雨入渗土柱试验,建立G-A入渗模型及考虑大气对土坡的影响计算得大气影响深度,研究斜坡降雨入渗深度,分析滑体厚度分布特征与成因;根据非饱和土极限平衡理论计算天然状态下及降雨条件下浸润峰分别位于土层中与基覆界面时的斜坡稳定性,并利用Geo-studio,考虑孔隙水压力及软化作用,评价斜坡稳定性,研究滑坡沿基覆界面滑动成因;应用有限元,建立不同环境因素下的I-D模型及采用Green-Ampt入渗模型结合非饱和土极限平衡法建立缓倾角浅层土质滑坡时间预警模型;最后运用Arcgis,分析滑坡空间分布特征,联合logitic回归模型对滑坡灾害进行易发性分区,同时采用BP神经网络建立影响因子与斜坡稳定性之间的非线性模型,选择预测结果最为准确的评价参数,计算各影响因子权值,空间预测斜坡失稳状态,进行滑坡灾害的易发性分区。其获得了如下主要结论及认识:1通过室内降雨入渗试验和G-A入渗模型分析可知,南江县红粘土渗透性极低,短时间的强降雨下降雨入渗深度十分有限,一般仅入渗50cm左右。2考虑大气对土坡的影响,计算得到大气影响深度为5.37m。在该深度范围内,雨水易入渗,但随着深度的增加,土体风化程度逐渐减弱,土体孔隙比、渗透性逐渐降低,入渗逐渐困难。降雨过程中雨水入渗深度是导致缓倾角浅层土质滑坡滑体厚度主要集中分布在1~5m的原因。3在天然条件下,斜坡上覆土层薄,岩层缓倾,沿滑动面倾向方向的重力分力小,斜坡稳定性好。在降雨条件下,当浸润峰深度小于土层厚度,潜在滑面位于浸润峰处时,斜坡不在土层中滑动破坏;当浸润峰深度等于土层厚度,潜在滑面位于基覆界面时,界面滞水,水位上升,孔压产生,同时界面岩土体发生软化和润滑作用,斜坡失稳,界面效应是导致滑坡沿基覆界面这一“光面”顺层滑动的主要原因。4有限元数值分析可知,土层越厚,孔隙水压力越大,雨水软化作用越弱,在降雨前段斜坡稳定性主要受孔压的影响,后期软化作用的影响更大,孔隙水压力和雨水软化的耦合促使南江缓倾角浅层土质滑坡产生。5斜坡土层厚度和坡度越大,土体抗剪强度越低或饱和渗透系数越大,I-D曲线下移,临界雨时越小。各I-D模型预测一般经历两天左右的暴雨-大暴雨,缓倾角浅层土质滑坡发生,与实际情况较吻合。6基于Green-Ampt入渗模型结合非饱和土抗剪强度理论和极限平衡法,建立两类滑坡时间预警模型:①裂隙红粘土边坡预警模型②非裂隙红粘土边坡降雨预警模型。7利用logisitic回归建立的空间预警模型预测性较高,模型拟合度高达0.821,滑坡贡献率从大到小依次是斜坡坡度、前期累计雨量、斜坡高程及“9.16”累计雨量,易发性区划图和实际的滑坡分布情况基本吻合。8采用BP神经网络建立的三种空间预警模型(不同评价参数)都具有较高的可靠性,预测值与实际值的相关系数(R)分别为0.862、0.880、0.839,评价参数的合理选择对滑坡稳定性预测的准确性有着重要的影响,易发性区划图准确性好。9特殊的地层岩性—红层泥化软岩、地形地貌—单面山(发育长而缓的顺向坡面)以及充足的累计雨量导致缓倾角浅层土质滑坡大面积、群发性发生。


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