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第 25 卷 增 1 岩石力学与工程学报 Vol.25 Supp.1 2006 年 2 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb., 2006 收稿日期收稿日期2005–07–27;修回日期修回日期2005–10–31 基金项目基金项目国家自然科学基金资助项目40372118 作者简介作者简介许建聪1967–,男,1989 年毕业于福州大学环境与资源学院工程地质专业,现为同济大学土木工程学院博士后,主要从事岩土工程与 工程地质、地下结构工程、防灾减灾工程及防护工程等方面的研究工作。E-mailxjc0702 松散土质滑坡位移与降雨量的相关性研究松散土质滑坡位移与降雨量的相关性研究 许建聪 1,尚岳全2,王建林3 1. 同济大学 土木工程学院,上海 200092;2. 浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310027; 3. 浙江省交通职业技术学院,浙江 杭州 311112 摘要摘要为了揭示松散土质滑坡滑体位移与降雨量之间的相关性分布规律,通过资料搜集整理和分析、现场工程地 质调查,采用数理统计分析法,分别对典型浅层和中层松散土质滑坡坡体位移与降雨量进行了指数和幂函数等模 型的线性或非线性回归分析和比较。研究结果表明浅层和中层松散土质滑坡坡体位移与降雨量相关关系一般服 从幂函数分布的规律。据此建立松散土质滑坡位移与降雨量的通用统计模型。该研究结果可为降雨条件下浅层和 中层松散土质滑坡的变形解体破坏机制及稳定性研究和预测预报提供科学依据。 关键词关键词岩土力学;松散土质滑坡;数理统计分析;滑坡体位移;降雨 中图分类号中图分类号TU 457 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–69152006增 1–2854–07 STUDY ON RELATIONSHIP BETWEEN SLOPE-MASS SLIDE DISPLACEMENT AND PRECIPITATION OF LOOSE SOIL LANDSLIDE XU Jiancong1,SHANG Yuequan2,WANG Jianlin3 1. College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China; 2. College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang 310027,China; 3. Zhejiang Vocational and Technical Institute of Transportation,Hangzhou,Zhejiang 311112,China Abstract In order to reveal the related distribution law between slope-mass slide displacement and precipitation of shallow and medium layer for loose soil landslide,the distribution law of power function was derived with the relationship between slope-mass slide displacement and precipitation. Through the in-situ data of collection, arrangement and analysisthe site investigation and exploration of engineering geology,the analytical means of mathematic statistics are considered for the slope-mass slide displacement and precipitation of typical shallow and medium layer for loose soil landslide with the nonlinear regression analyses and comparisons of exponent model and power function and so on. The general statistical model of slope-mass displacement and precipitation for loose soil landslide was established. The achieved results may provide the scientific basis for the study on the mechanism of deation,disintegration and failure,the stability,and the forecast and prediction of this kind of loose soil landslide under precipitation. Key wordsrock and soil mechanics;loose soil landslide;analytic means of mathematic statistics;slope-mass slide displacement;precipitation 1 引引 言言 滑坡是坡体因多种因素耦合下而发生的形变, 最终被某些诱发因素激发失稳产生滑动的一种地质 现象[1 ~9]。强降雨是滑坡,尤其是浅层堆积物滑坡 发生发展的一个重要外部条件。较多情况下,强降 雨是浅层堆积物滑坡发生破坏的主导诱因,对堆积 第25卷 增1 许建聪等. 松散土质滑坡位移与降雨量的相关性研究 2855 体的初始位移激发、间歇性蠕变、滑动变形,以及 失稳剧滑的各个阶段都有很大影响。浅层堆积物滑 坡特定的物质组成、结构性状及厚度条件决定了其 特殊的亲水性。由其特征条件决定的降雨入渗速度、 下伏滑床面汇流状况及水力影响程度,导致了这类 滑坡对降雨的特殊敏感性。我国大多数浅层滑坡都 是由于降雨下渗,引起地下水状态、坡体及滑带介 质的物理力学性质发生改变而诱发产生的。1981 和 1982 年四川暴雨引发了大量滑坡,其中尤以 1982 年万县地区、云阳等县最为典型;1981 年,在雨季 的大暴雨期间,陕南地区略阳、勉县、紫阳、镇巴 等县也发生了大量滑坡;1990 年 8 月降特大暴雨, 甘肃天水市区籍河、渭河两岸发生 20 余起滑坡[5]。 1990 年至今,每逢大雨或雨季,国道 316 线天水稍 子坡一带便经常发生滑坡。据统计,近四十几年来 天水地区发生的滑坡约有 90与降雨有关。在对长 江三峡库区 1982 年 7 月由暴雨诱发的 80 多个典型 滑坡的发生时间和降雨历时的统计分析中发现,在 暴雨开始 10~12 h 内发生的滑坡多为浅层堆积、堆 填土和黏土滑坡[4]。这说明强降雨是浅层滑坡最关 键的触发因素。 研究降雨引起的滑坡位移机制、规律,对于属 于降雨敏感型的松散土质滑坡的监测、灾害预警工 程实践具有重要的指导意义。降雨引起滑坡位移的 实质是降雨入渗,引起地下水状态、坡体及滑带 介质的物理力学性质发生改变而诱发产生的。而降 雨渗入滑坡区岩土体到达潜水面经历了一个非饱 和–饱和渗流过程,这就使有的与降雨有关的滑坡 位移稍滞后于降雨发生的时间,并且存在降雨的累 积效应[6]。 从一般意义上来看, “雨量愈大的地区滑坡愈发 育”[9],这一观点说明了滑坡发生与降雨量的大小 存在紧密的关系。 近年来,虽然国内外有部分学者对滑坡与降雨 的关系进行了一些研究,还探讨了滑坡位移速率与 降雨量的关系[10 ,11], 但是真正涉及到通过建立滑坡 体位移量与降雨量的通用模型研究两者的相关关 系的报道却甚少。由于连续降雨、强降雨是松散 土质滑坡最关键的触发因素,所以选择典型浅层 和中层松散土质滑坡坡体位移、降雨量的实测数 据[1 ~3],对它们的相关性进行分析,以揭示它们之 间的规律性,为降雨条件下浅中层松散土质滑坡的 变形解体破坏机制及稳定性研究和预测预报提供科 学依据。 2 联东滑坡坡体位移与降雨量的相关 关系 联东滑坡坡体位移与降雨量的相关 关系 联东滑坡属于浅层松散土质滑坡,其位于福建 省尤溪县联东乡,滑坡体由风化岩石碎石土、砂土 和黏土等松散残坡积土组成,滑坡体顶部与坡脚 高差约 200 m,自然地形坡度达 14 ~20 [12]。根据 林卫烈和杨舜成[2]提供的联东滑坡坡体水平位移、 竖直位移与月降雨量的实测资料中与降雨相关的 34 组数据,采用非线性最小平方拟合方法通过迭 代过程,求得拟合参数变量,使得数据点和拟合函 数相应点差的平方和最小分别以幂函数和指数函 数模型对它们进行非线性相关分析。 通过幂函数模型和指数函数模型的回归相关分 析,建立了水平位移、竖直位移与降雨量非线性回 归方程, 同时得到坡体水平位移 h u、 竖直位移 v u与 月降雨量x相关关系如图 1,2 所示。其方程为 5 712. 0 h 7862. 0 xu 1 x u 97 003. 0 h e741.14 2 3 736. 0 v 9393. 0 xu 3 x u 8 003. 0 v e611. 7 4 式中uh为坡体沿水平方向的位移mm,简称水平 位移;uv为坡体沿铅直方向的位移mm,简称竖直 位移;x为月降雨量mm。式1~4所对应的相关 系数R分别为0.893,0.860,0.871和0.828,R2分 别为0.797,0.739,0.758和0.685。式1~4对应 的标准差SD分别为8.436 5,9.576 0,5.033 2和 5.745 0。 对式1~4分别进行相关系数检验, 由相关系 数临界值表可得 001. 0 r34-2 0.540, 2 001. 0 r34-2 0.292。则R 001. 0 r34-2, 2 R 2 001. 0 r34-2,因 此,可认为坡体水平位移和竖直位移与降雨量的相 关关系均极其密切且高度显著,所建立的回归方 程式1~4不仅有意义且具有实用价值。 但是,比较式1和2,式3和4的相关系数 可知,式1对应的相关系数比式2所对应的相关系 数大; 式3对应的相关系数比式4对应的相关系数 要大。 2856 岩石力学与工程学报 2006年 图 1 联东滑坡坡体水平位移与降雨量的非线性统计关系 Fig.1 Nonlinear relationship between horizontal displacement of slope mass and precipitation in Liandong Landslide 图 2 联东滑坡坡体竖直位移与降雨量的非线性统计关系 Fig.2 Nonlinear relationship between perpendicular displacement of slope mass and precipitation in Liandong Landslide 而如果采用林孝松和郭 跃[4]给出的方程式 x u 9 005. 0 h e9486. 8 和 x u 1 006. 0 v e3152. 4 进行回归分 析,得到对应的相关系数分别为0.690和0.631,均 比采用幂函数模型得到方程式所对应的相关系数为 0.893和0.871小得多。综上分析可知,该浅层松散 土质滑坡坡体位移与降雨量相关关系服从幂函数分 布规律比服从指数函数分布规律更符合实际。 3 石庙滑坡坡体位移与降雨量的相关 关系 石庙滑坡坡体位移与降雨量的相关 关系 石庙滑坡位于长防区滑坡预警系统秭归二级站 监测网络区,滑坡体平均厚度小于10 m,属于浅层 松散土质滑坡[1]。根据王发读[1]提供的石庙滑坡坡 体位移与降雨量的实测资料中与降雨相关的8组数 据,采用非线性最小平方拟合方法分别以幂函数和 指数函数模型对它们进行非线性相关分析,建立了 坡体位移与降雨量非线性回归方程式5,6,得 到坡体位移u与降雨量x相关关系如图3所示。其 方程为 4 .2051 07076. 0 xu 5 x u 75 .0230 e34412. 2 6 式中u为坡体位移mm。式5,6所对应的相关 系数R分别为0.922 4和0.895 2,R2分别为0.850 7 和0.801 5。式5,6对应的标准差SD分别为 2.017 7和2.327。 图 3 石庙滑坡坡体位移与降雨量的非线性统计关系 Fig.3 Nonlinear relationship between displacement of slope mass and precipitation in Shimiao Landslide 对式5,6分别进行相关系数检验,由相关系 数临界值表可得 002. 0 r8-2 0.915, 2 002. 0 r8-2 0.837。则因式5对应的相关系数R> 002. 0 r8-2, 2 R> 2 002. 0 r8-2,所以可认为坡体位移与降雨量相 关关系密切且高度显著,建立的回归方程式5有 意义且具有实用价值。而因式6对应的相关系数 R< 002. 0 r8-2, 2 R< 2 002. 0 r8-2,所以坡体位移与 降雨量相关关系服从指数函数分布规律比服从幂函 数分布规律差。综上分析可知,石庙滑坡坡体位移 与降雨量相关关系服从幂函数分布规律更符合实际。 4 考塘滑坡坡体位移与降雨量的相关 关系 考塘滑坡坡体位移与降雨量的相关 关系 考塘滑坡位于福建省龙岩市新罗区龙门考塘东 南侧即319国道公路K212110处。1994年由于319 国道扩建,向内拓进边坡 8 m,破坏了山体的整体 平衡。自1995年雨季开始,产生了大面积滑坡,致 x u 97 003. 0 h e741.14 x/mm uh/mm x/mm uv/mm x u 8 003. 0 v e611. 7 3 736. 0 v 9393. 0 xu 5 712. 0 h 7 862. 0 xu x/mm u/mm 4 .2051 07076. 0 xu x u 75 .0230 e34412. 2 第25卷 增1 许建聪等. 松散土质滑坡位移与降雨量的相关性研究 2857 使挡土墙剪碎并推移1.1 m, 造成公路边沟淹埋, 公 路路面大面积鼓胀隆起,最高处达0.5 m。1996~ 1998年, 滑坡又有进一步的发展, 导致光缆被拉断, 滑坡上部桔柑树根部拉裂,滑坡前缘鼓胀隆起更加 严重。考塘滑坡坡体由杂填土人工筑路路基土、 耕植土、坡积块碎石黏性土和残积砂质黏性土组 成,滑床岩性为花岗岩。考塘滑坡剖面整体上呈下 陡中缓上陡地形;上部呈圈椅地形,地面拉张裂缝 发育;中部为台坎阶梯状梯田,地势低洼处形成大 面积积水洼地和沼泽地。下部剪出隆起。滑坡面积 为2.145104 m2,滑坡平均厚度为13 m,滑坡总体 积为2.789105 m3,为中层牵引式巨型滑坡[3]。 根据吴金桂[3]提供的考塘滑坡坡体水平位移、 竖直位移与降雨量的实测资料中与降雨相关的测点 ZK2的10组数据,采用非线性最小平方拟合方法, 分别以幂函数和指数函数模型对它们进行非线性相 关分析。 通过幂函数模型和指数函数模型的回归相关分 析,建立了测点ZK2的水平位移、竖直位移与降雨 量的非线性回归方程式,同时得到坡体水平位移 uh、竖直位移uv与降雨量x相关关系分别如图4, 5所示,其方程为 68 453 . 0 h 1463. 1 xu 7 x u 09 002 . 0 h e4332. 9 8 3 654 . 0 v 2612. 0 xu 9 x u 04 004 . 0 v e7825. 6 10 图 4 考塘滑坡坡体水平位移与降雨量的非线性统计 关系ZK2 Fig.4 Nonlinear relationship between horizontal displacement of slope mass and precipitation in Kaotang LandslideZK2 图 5 考塘滑坡坡体竖直位移与降雨量的非线性统计 关系ZK2 Fig.5 Nonlinear relationship between perpendicular displacement of slope mass and precipitation in Kaotang LandslideZK2 式7~10对应的相关系数R分别为0.763 3, 0.682 7,0.853 2和0.687 5; 2 R分别为0.582 6, 0.466 1,0.728和0.472 6。式7~10对应的标准 差SD分别为4.752 8,5.375 5,5.907 6和8.2260。 对式7~10分别进行相关系数检验,由相关 系数临界值 α r表可得 01 . 0 r10-2 0.764 6, 02 . 0 r10-2 0.715 5, 2 01 . 0 r10-2 0.584 6, 2 02 . 0 r10- 2 0.511 9。 则因式7和9对应的相关系数R分别 大于 02 . 0 r10-2和 01 . 0 r10-2, 2 R分别大于 2 02 . 0 r10- 2和 2 01 . 0 r10-2,因此可认为坡体水平位移、竖直位 移与降雨量相关关系均极其密切且高度显著,建立 的回归方程式7和9有意义且具有实用价值。而 式8和10对应的相关系数R和R2均分别小于 02 . 0 r10-2和 2 02 . 0 r10-2,即考塘滑坡坡体水平位 移、竖直位移与降雨量的相关关系服从指数函数分 布规律不比服从幂函数分布规律紧密。综上分析可 知,该中层松散土质滑坡坡体位移与降雨量相关关 系服从幂函数分布规律更符合实际。 根据吴金桂[3]提供的考塘滑坡坡体竖直位移与 降雨量的实测资料中与降雨相关的测点ZK2和ZK5 共计20组数据, 采用非线性最小平方拟合方法, 通 过幂函数模型和指数函数模型的回归相关分析,建 立了它们的竖直位移与降雨量非线性回归方程,同 时得到坡体竖直位移uv与降雨量x相关关系如图6 所示。其方程为 581 . 0 v 5752. 0 xu 11 x u 57 002 . 0 v e7328. 8 12 x/mm uh/mm x/mm uv/mm x u 04 004. 0 v e7 825. 6 3 654. 0 v 2 612. 0 xu x u 09 002. 0 h e4 332. 9 68453. 0 h 1463. 1xu 2858 岩石力学与工程学报 2006年 图 6 考塘滑坡坡体竖直位移与降雨量的非线性统计 关系ZK2 和 ZK5 Fig.6 Nonlinear relationship between perpendicular displacement of slope mass and precipitation in Kaotang LandslideZK2 和 ZK5 式11和12所对应的相关系数R分别为0.725 和0.651; 2 R分别为0.526和0.424。所对应标准差 SD分别为6.393,7.044。 对式11和12分别进行相关系数检验, 由相关 系数临界值 α r表可得 001 . 0 r20-2 0.679, 2 001 . 0 r20-2 0.461。则因式11对应的相关系数R 大于 001 . 0 r20-2,R2大于 2 001 . 0 r20-2,因此可知坡 体竖直位移与降雨量服从幂函数分布规律的相关关 系极其密切且高度显著,建立的回归方程式11 有意义且具有实用价值。而式12对应的相关系数R 和 2 R均分别小于 001 . 0 r20-2和 2 001 . 0 r20-2,即考塘 滑坡坡体竖直位移与降雨量的相关关系服从幂函数 分布规律比服从指数函数分布规律紧密。综上分析 可知,该中层松散土质滑坡坡体位移与降雨量相关 关系服从幂函数分布规律更符合实际。 5 松散土质滑坡坡体位移与降雨量相 关性分析 松散土质滑坡坡体位移与降雨量相 关性分析 为了了解松散土质滑坡位移与降雨量之间除幂 函数模型和指数函数模型外的其他相关关系,对上 述实例分别进行线性、二次抛物线和三次多项式 回归分析,并比较它们与幂函数模型和指数函数模型 回归分析的标准差SD,以便得出最优的回归模型。 据统计学可知,数学分析证明在某点的邻域 内连续的函数,可以用多项式任意逼近,而且一般 多项式的最高次数应选为图形的峰谷数1。另据统 计学可知,同一问题可以得到不同的回归方程,通 常采用标准差SD或 2 R等量中的任何一个来决定回 归方程的优劣,SD小者或 2 R大者为优。下面根据 这些原则对联东、石庙浅层松散土质滑坡以及考塘 中层松散土质滑坡坡体位移与降雨量的所有可能的 回归方程进行优劣比较。 5.1 联东滑坡坡体位移与降雨量的回归方程优劣 比较 联东滑坡坡体位移与降雨量的回归方程优劣 比较 对联东滑坡坡体水平位移、竖直位移与月降雨 量的实测资料中与降雨相关的34组数据分别进行 线性回归分析,可得方程为 xu636. 5387.14 h − 13 xu7053.100867. 1 v − 14 式13,14所对应的标准差SD分别为8.417, 5.040。 在坡体水平位移、竖直位移与月降雨量回归分 析中,由于在标准差SD方面与幂函数模型相近或 比它小的二次抛物线和三次多项式回归模型均为向 上凸曲线,这明显不符实际。 比较幂函数回归模型与线性回归模型的标准差 可知,式1对应的标准差稍大于式13对应的标准 差, 两者的相对误差为0.232; 式3对应的标准差 稍小于式14所对应的标准差,两者的相对误差为 0.134。因此可知,联东滑坡坡体位移与降雨量的 相关关系服从幂函数分布或线性分布。 5.2 石庙滑坡坡体位移与降雨量的回归方程优劣 比较 石庙滑坡坡体位移与降雨量的回归方程优劣 比较 对石庙滑坡坡体位移与降雨量的实测资料中与 降雨相关的8组数据进行线性回归分析和二次抛物 线回归分析,可得如下方程 xu31191. 079790. 0 − 15 24 10776. 462151. 021244. 0 xxu − − 16 式15,16所对应的标准差SD分别为2.049 49, 2.228 59。 在坡体位移与降雨量回归分析中,由于线性回 归方程式15和二次抛物线回归方程式16的标 准差SD都比幂函数回归方程式5大,因此方程 式15与方程式5对应的标准差的相对误差为 1.55, 而标准差SD与幂函数模型相近或比它小的 三次多项式为向上凸曲线, 这明显不符实际。 因此, 石庙滑坡坡体位移与降雨量的相关关系服从幂函数 分布。 5.3 考塘滑坡坡体位移与降雨量的回归方程优劣 比较 考塘滑坡坡体位移与降雨量的回归方程优劣 比较 x/mm uv/mm x u 57 002. 0 v e7328. 8 581. 0 v 5 752. 0 xu 第25卷 增1 许建聪等. 松散土质滑坡位移与降雨量的相关性研究 2859 对考塘滑坡坡体水平位移、竖直位移与降雨量 的实测资料中与降雨相关的测点ZK2的10组数据 分别进行线性回归分析,得 xu49037. 048320. 7 h 17 xu95064. 064261. 5 v 18 式17,18所对应的标准差SD分别为5.328, 6.360。 在坡体水平位移、竖直位移与降雨量回归分析 中,由于在标准差SD方面与幂函数模型相近或比 它小的二次抛物线和三次多项式回归模型均为向上 凸曲线,这明显不符实际。 比较幂函数回归模型与线性回归模型的标准差 可知,式7,9对应的标准差均小于式17,18 所对应的标准差。因此可知,考塘滑坡测点ZK2的 坡体位移与降雨量的相关关系服从幂函数分布。 对考塘滑坡坡体竖直位移与降雨量的实测资料 中与降雨相关的测点ZK2和ZK5共计20组数据进 行线性回归分析,可得如下方程 xu58047. 001649. 5 v 19 式19对应的标准差SD为6.650。 在坡体竖直位移与降雨量回归分析中,由于在 标准差SD方面与幂函数模型相近或比它小的二次 抛物线和三次多项式回归模型均为向上凸曲线,这 明显不符实际。 比较幂函数回归模型与线性回归模型的标准差 可知, 式11所对应的标准差小于式19所对应的标 准差。由此可知,考塘滑坡测点ZK2和ZK5共计 20组数据的坡体位移与降雨量的相关关系服从幂 函数分布。 综上所述,对联东、石庙浅层松散土质滑坡以 及考塘中层松散土质滑坡坡体位移与降雨量的相关 关系进行线性或非线性回归分析可知,浅层和中层 松散土质滑坡坡体位移与降雨量相关关系一般服从 幂函数分布规律,其一般的相关关系式为 b axu 20 式中a,b为与坡体几何形状和物理力学性质等相 关的参数。 由于联东、 石庙浅层松散土质滑坡以及考塘中层 松散土质滑坡属于残坡积土、坡积土、崩坡积土、洪 积土、含黏性土碎石土一种或几种土组成的滑坡,所 以该关系式式20适用于该类型土的浅中层滑坡。 6 结结 语语 通过资料搜集整理和分析、现场工程地质调 查,采用数理统计分析法,研究了松散土质滑坡 滑体位移与降雨量之间的相关分布规律。研究得 到以下一些主要认识 1 分别对典型浅层和中层松散土质滑坡坡 体位移与降雨量进行指数和幂函数等模型的线性 或非线性回归分析和比较,得出浅层和中层松散 土质滑坡坡体位移与降雨量相关关系一般服从幂 函数分布的规律。 2 建立了松散土质滑坡位移与降雨量的通 用统计模型。研究结果可为降雨条件下浅层和中 层松散土质滑坡的变形解体破坏机制及稳定性研 究和预测预报提供科学的依据。 参考文献参考文献References [1] 王发读. 浅层堆积物滑坡特征及其与降雨的关系初探[J]. 水文地 质工程地质,1995,120–23.Wang Fadu. 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