玄武巖臺地型滑坡災害動態風險綜合評價及防災控制
——以嵊州市剡湖街道南山塘滑坡為例

徐興華,吳雪琴*,馮杭建,唐小明,盧琰萍

(1.浙江省地質礦產研究所,浙江 杭州 310007；2.嵊州市自然資源和規劃局，浙江 嵊州 312400)

浙江省嵊縣組玄武巖分布范圍較廣，主要位于于浙東—浙東南的嵊州—新昌—天臺—寧海一帶，其中嵊州市是較為集中的區域之一[1]。玄武巖分布區域常分布臺地型滑坡，據統計浙江省130余處玄武巖臺地滑坡(含隱患)主要分布于上述縣(市、區)[2]，有一定的集聚性，其中由降雨引發的滑坡有120余處，占比達95%，可見降雨是主要誘發因素和作用條件。

玄武巖臺地型滑坡一般規模和范圍較大，滑體上常分布有村莊，一旦發生滑坡致災嚴重、影響深遠，如嵊州市風火崗滑坡、新昌縣下山滑坡，發生滑坡后都實施了整村搬遷[3]。玄武巖臺地型滑坡一般表層分布松散堆積物，下部分布硅藻土等河湖相沉積層[4]，降雨作用下可出現間歇性滑動，相對于常見滑坡類型具有特殊的結構和性質。針對玄武巖臺地型滑坡的類型、結構特征、土體性質、致災成因等方面，已有相關學者開展了一些基礎性研究[4-7]，分析了降雨激發滑坡的作用機制[8-9]，并針對性地提出了合理的防災對策與建議[10]。此外，國內一些研究人員還針對西南地區玄武巖崩滑地質災害，探討了地質構造背景的影響[11]，分析了玄武巖力學性質參數對滑坡形成的作用[12-13]，并從工程地質角度研究了玄武巖古滑坡的復活機制[14]。這些研究工作有利于深化對該類型滑坡的特征性質、形成原因和防災處置等方面的認識。

目前，對玄武巖臺地型滑坡的特征性質、形成原因和防災處置等有了一定程度的了解，但如何深化對該類型滑坡成因機制及災變特征的認識，如何結合村莊承災體分布綜合評價降雨激發臺地型滑坡災害的動態風險，以實施科學的滑坡綜合防災控制具有現實的指導意義。本文以嵊州市剡湖街道南山塘滑坡作為研究對象，首先深入研究了其成因機制及變形破壞模式，并利用非飽和滲流和極限平衡理論，結合風險評價理論，建立了降雨作用下滑坡穩定性-危險性-動態風險綜合評價體系；然后通過計算模擬并分析了不同降雨強度作用下滑坡災害的動態風險水平，以此進行綜合防災決策研究；最后將系統截排水和遠程自動化監測預警相結合的技術應用于玄武巖臺地型滑坡綜合防治，并通過工程實踐和監測分析其可行性、防災效果及風險管控能力，進一步證實了綜合防治技術對于玄武巖臺地型滑坡防災控制的實踐意義。

1 研究區概況

1. 1 基本情況

嵊州市剡湖街道南山塘滑坡[15]位于玄武巖臺地區(見圖1)，2002年滑坡區開始出現坡體前緣局部塌方、房屋墻體開裂錯位等變形跡象，故后期對房屋開裂區村民實施了避讓搬遷；2014—2015年間在強降雨影響下滑坡區發生了地面下沉、開裂，坡體前緣道路開裂、擋墻鼓出，后部村莊區多層民居房屋也出現墻體變形開裂、地面開裂下錯等變形現象。可見，降雨作用下該滑坡可發生間歇性蠕滑變形，將危害村莊中前部20戶56人的生命和財產安全，危害程度達重大級。

圖1 嵊州市剡湖街道南山塘滑坡概貌圖

1. 2 地質環境背景條件

該滑坡區屬亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤、四季分明、雨量充沛。據當地氣象監測資料(2000年以來)，該地區多年平均降雨量為1 400 mm，年最大降雨量為1 682.5 mm，最大日降雨量為185.0 mm(2017年5月30日)，最大1小時降雨量為68.5 mm(2017年6月13日)；每年降雨日多集中在5～6月梅雨期和8～9月臺風雨期，占全年降雨量的70%，是引發滑坡的主要時段。

滑坡區為玄武巖臺地區，斜坡相對高差為50～60 m，呈上平中緩下陡。頂部較平坦，高差為10 m，坡度在5°以內，分布居民邊緣處分布玄武巖陡坎，高度為10～15 m，近于直立，以中風化玄武巖為主，下方為寬4m的通村干道；中部地形較低緩，高差為15～20 m，坡度為5°～10°；坡表前緣斜坡地帶高差為20～30 m，坡度為15°～25°，坡表分布農作物種植區和村莊道路，道路切坡形成高2.0 m的邊坡，路寬為3～4 m；底部為塘家坂水庫，面積約為30 000 m2，調查期間水位深為1.0～2.0 m，未見明顯滲漏或側蝕現象。

滑坡區分布嵊縣組玄武巖及河湖相沉積層，表層覆蓋松散堆積物。第二期玄武巖(N2s-β2)為灰黑、灰色橄欖玄武巖，中風化，巖心呈碎塊狀、短柱狀，堅硬，致密塊狀結構，局部分布氣孔狀構造，厚度大于30 m，柱狀節理較發育，巖體結構較破碎-較完整，前緣斜坡局部地帶分布全-強風化層，呈砂土狀、碎塊狀、散體狀，結構松散，局部原巖結構不清，手掰易碎。第二期玄武巖間夾青灰、灰白色黏土(N2s-B2)，系河湖相沉積硅藻土層，結構松散，可塑狀，壓縮性中等-高，下部局部密實，呈硬塑-堅硬狀，其含水量高，結構性較強，遇水或擾動后性質變差、強度急劇降低，屬特殊性土，為不良工程地質層，可構成潛在的滑移帶，厚度為3～8 m，斜坡中部較前后兩側厚。表層殘坡積層(Qel-dl)為灰黃色粉質黏土，結構松散，稍濕，可塑狀，中等壓縮性，局部夾碎塊石，厚度為1～5 m，淺表分布厚度為0.5～3.5 m的土黃色人工填土，稍濕，可塑狀，有一定孔隙度。

村莊區進行村民建房和筑路等活動，其中房屋建筑多為2～4層磚混結構房屋，還分布有1層磚混或磚木結構房屋。區內人類工程活動對地質環境的影響較強烈。

2 玄武巖臺地型滑坡特征及成因機制分析

2. 1 滑坡變形破壞特征

滑坡區裂縫分布主要位于斜坡中前部村莊地帶(見圖2)，在房屋墻體、地面和道路等處較為明顯，多為拉張裂縫。其中，前緣擋墻局部為鼓脹裂縫，地面裂縫呈斷續分布，長短不一；水泥地面裂縫往往延展至墻體，村前道路一帶裂縫延展較長，長度在5～10 m不等，寬度、錯距在1～5 cm之間；村莊建筑墻體裂縫呈豎向展布，自上而下逐漸變寬，寬度為1～2 cm左右，在樓拱、門框等處由于應力集中可見放射狀裂縫。滑坡區變形破壞跡象呈斷續展布，在剛性結構物上表現較為明顯，帶有一定的差異性或分布不連貫性。

2. 2 滑坡范圍、規模及性質

根據該滑坡變形及結構特征，滑坡區平面呈半圓弧形，周界范圍如下：滑坡后緣至中后部玄武巖陡坎及通村干道下方，滑坡前緣至村莊前側斜坡地帶，滑坡兩側至地形坳溝處。滑坡區橫向寬為180～230 m，斜長為100 m，高差為10 m左右，平面面積為32 500 m2，潛在滑體厚度在3.5～8.0 m之間，平均值以5.5 m計，潛在滑坡方量為12.5×104m3，主滑方向為243.5°，系表層松散土體和上部沉積黏土沿著下部玄武巖及軟弱沉積夾層向前緣臨空方向發生差異性變形或緩慢蠕滑，屬中型淺層推移式玄武巖臺地型滑坡，降雨是主要的激發因素。

圖2 嵊州市剡湖街道南山塘滑坡區平面圖

2. 3 滑坡結構特征

根據滑坡區工程地質結構特征(見圖3)，潛在的滑動面(帶)為：下部③3層第二期中風化玄武巖和沉積夾層——②2層硬塑-堅硬狀“硅藻土”黏土，前緣局部貫穿②1層可塑狀“硅藻土”黏土和①2層粉質黏土。滑坡體物質自上而下分別為：表層結構松散且有一定孔隙度的①2層粉質黏土和①1層人工填土以及上部②1層可塑狀“硅藻土”黏土。滑床主要為下部③3層第二期中風化玄武巖和沉積夾層——②2層硬塑-堅硬狀“硅藻土”黏土。該滑坡前緣剪出口位于村莊前部道路下方斜坡地帶，目前主要分布梯田耕種區。

圖3 嵊州市剡湖街道南山塘滑坡區工程地質剖面圖(L1)

2. 4 滑坡成因機制

2.4.1 滑坡變形破壞模式

該滑坡處于玄武巖臺地區，結合滑坡變形破壞特征、工程地質結構和巖土體性質等分析，同時考慮所處臺地地貌、玄武巖間夾硅藻土和潛在滑移面較緩，認為該滑坡變形破壞模式屬于蠕滑-拉裂式類型，主要系上部松散堆積物沿著下伏中風化玄武巖及沉積夾層產生變形積聚或蠕滑(動);從作用機制上分析，該滑坡屬于重力推移式滑坡，受降雨的影響會產生持續壓縮變形積聚或局部差異性變形和緩慢剪切蠕滑。

可見，南山塘玄武巖臺地型滑坡的危害影響范圍主要位于潛在滑坡區域，因其未有明顯向前滑移趨勢，故對坡麓地帶的影響較小。

2.4.2 滑坡形成條件及影響因素

(1) 獨特的地形地貌條件：玄武巖臺地區呈頂平-中緩-下陡，后緣分布陡坎，該滑坡位于臺地邊緣中前部，前緣斜坡較陡，高差較大，易于發生滑塌。

(2) 特殊的滑體結構特征：區域表層覆蓋松散堆積物，厚度較大，雨水地表水易于下滲，使得地下水水位升高，導致巖土體性質變差，易產生壓縮變形；區域下部分布的硅藻土黏土為特殊性不良工程地質層，其含水量高、壓縮性中等-高、滲透系數低，為相對不透水層，由于上部滑體內地下水相對豐富，會在該處形成地下水滲流的相對活躍地帶，使其軟化和泥化，產生壓縮變形和剪切破壞，再加上地下水的長期滲透，易形成潛在的滑移面，不利于坡體穩定。

(3) 降雨及水文地質條件：連續強降雨是該滑坡的主要誘發條件，因雨水地表水下滲，滑體內地下水水位抬升，在下部巖土體性質差異面可形成地下水滲流的活躍地帶，長期浸潤軟化并降低滑體滑帶土的物理力學性質，且地下水水位抬升將增大孔隙水揚壓力及動水壓力，再加上前緣坡度較陡，使得地下水水力梯度變大，阻滑作用不足，對坡體穩定不利。

(4) 不良人類工程活動：村民建房形成不利附加荷載，種植疏松改造且形成人工填土，前緣修建道路切坡開挖，均不利于坡體穩定。

3 降雨作用下玄武巖臺地型滑坡災害動態風險綜合評價

3. 1 滑坡災害動態風險綜合評價體系構建

不同降雨強度作用下，滑坡的穩定性和危險性會發生變化。結合滑坡危險區承災體分布，可科學評估滑坡災害動態風險，以為合理防災提供決策依據。

本文基于非飽和滲流理論和極限平衡計算方法，采用滑坡穩定性流固耦合數值計算和失穩破壞概率蒙特卡洛模擬手段，確定了滑坡穩定性和危險性以及滑坡最大可能威脅范圍，再結合風險評價理論，考慮承災體易損性，建立了降雨作用下玄武巖臺地型滑坡穩定性-危險性-動態風險綜合評價體系(見圖4)，并確定了不同降雨強度下滑坡災害動態風險水平，在此基礎上開展滑坡災害綜合防災決策研究。具體技術流程如下：

圖4 降雨作用下玄武巖臺地型滑坡災害動態風險 綜合評價體系

(1) 根據滑坡區地形條件和工程地質及水文地質特征，構建概化地質模型，細化坡體結構，明確邊界條件，賦于坡體各巖土層巖土體的物理力學參數和水力學參數，確定坡體初始地下水水位條件。

(2) 將大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨等不同降雨工況作為輸入條件，并采用不同降雨強度進行表達，同時界定降雨歷時，確定降雨計算周期。

(3) 通過GeoStudio系列平臺[16]SEEP/W程序進行不同降雨強度作用下坡體暫態滲流計算，確定坡體地下水水位暫態滲流場及孔隙水壓力分布。

(4) 基于坡體暫態滲流場分布，通過SLOPE/W程序進行不同降雨強度下的滑坡穩定性流固耦合數值計算和失穩破壞概率蒙特卡洛模擬，確定不同降雨強度下滑坡穩定性和失穩破壞概率，并進一步圈定滑坡最大可能威脅范圍。

(5) 結合不同降雨強度作用下滑坡危險區范圍內承災體分布及其易損性評價，確定一定時期內不同降雨工況條件下滑坡災害的動態風險水平，包括人口傷亡風險、經濟損失風險和綜合風險評價。

(6) 根據不同降雨強度作用下滑坡災害的動態風險水平，結合地質環境條件、工程地質及水文地質特征和滑坡體結構，統籌人居條件、工程經濟等因素，合理確定滑坡綜合防災方案及措施建議。

3. 2 理論基礎與評價模型

3.2.1 降雨入滲非飽和巖土體暫態滲流

初始狀態下，坡體呈非飽和狀態，其內部存在基質吸力的作用，在強降雨作用下，雨水沿著坡體表面入滲，坡體體積含水量與孔隙水壓力有關，其變化是關于孔隙水壓力改變的函數，由于對于雨水入滲作用下的坡體暫態滲流問題，其是基于飽和-非飽和巖土體暫態滲流有限元等式[17]進行的，滿足如下的控制方程：

(1)

式中：H為總水頭(m)；Kx、Ky為x、y方向巖土體的滲透率(m/s)；Q為邊界流量(m3)；mw為與體積含水量和孔隙水壓力有關的巖土體儲水曲線坡度(°)；γw為巖土體飽和重度(kN/m3)；t為時間(s)。

應用Galerkin方式將公式(1)轉化為有限元方程[18]，其有限元解是關于時間t的函數，在滲流分析等式中是由與時間t相關的節點水頭矢量{H}，t表征的，時間積分通過有限差分方式獲得，由此得到控制方程的簡潔形式為

(ωΔt[K]+[M]){H1}=Δt(1-ω){Q0}+ω{Q1})+([M]-(1-ω)Δt[k]){H0}

(2)

式中：Δt為時間增量(s)；ω為0～1之間的比例系數；[K]、[M]分別為滲透系數和土體儲水曲線坡度矩陣；H1、Q1為時間增量結束時的水頭(m)、流量(m3)；H0、Q0為時間增量開始時的水頭(m)、流量(m3)。

采用后差分方式，定義ω=1.0，可將控制方程進一步簡化。可見，若要計算時間增量結束時的新水頭值，就要知道時間增量開始時的初始水頭值，然后再采用高斯消去法確定出每個節點在任意時刻的水頭值，基于此從而確定出坡體基質吸力、孔隙水壓力以及體積含水量等水力參數值。

坡體暫態滲流分析最重要的是賦于材料滲透特性，非飽和巖土體的滲透系數是關于基質吸力的函數，可通過試驗手段獲取其飽和狀態下的滲透系數和體積含水量與基質吸力的關系，再采用擬合預測“Green and Corey”方法[19]確定非飽和巖土體的滲透系數。

3.2.2 滑坡穩定性流固耦合數值計算

非飽和坡體中存在基質吸力的作用，其對巖土體抗剪強度有著積極的貢獻作用，有利于維持坡體穩定，可見對于非飽和態坡體的抗剪強度等式采用修正Mohr-Coulomb強度理論[17]，即為

τ=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(3)

式中：τ為坡體抗剪強度(kPa)；c′、φ′分別為坡體有效黏聚力(kPa)、有效內摩擦角(°)；σn為總法向應力(kPa)；σn-ua、ua-uw分別為破壞面上的凈法向應力(kPa)和基質吸力(kPa)；φb為與坡體基質吸力關聯的內摩擦角(°)，其對應于基質吸力增長的抗剪強度增長曲線傾角，是與坡體基質吸力有關的函數，介于0和φ′之間，工程實踐證明其介于15°～20°；(ua-uw)tanφb為坡體基質吸力引起的抗剪強度(kPa)；ua、uw分別為孔隙氣壓力(kPa)、孔隙水壓力(kPa)。

對于坡體基質吸力、孔隙水壓力和體積含水量等水力學參數，可經由上述飽和-非飽和坡體暫態滲流計算綜合確定。存在基質吸力作用的滑坡穩定系數計算采用極限平衡方法[16]來實現，其通用極限平衡計算對應力矩和靜力平衡可分為極限狀態的力矩平衡穩定系數計算等式和靜力平衡穩定系數計算等式。根據滑坡勘查規范[20]，滑坡穩定性可以劃分為不穩定、欠穩定、基本穩定和穩定4級,見表1。

表1 滑坡穩定性分級表

3.2.3 滑坡危險性評價

考慮滑坡巖土體參數天然表現出空間變異性，采用蒙特卡洛模擬手段[21]，分析不同降雨強度、降雨時間并考慮巖土體參數(ks、sf、θ、c、φ)變異性的滑坡失穩破壞概率分布。

采用隨機變量模型描述巖土體參數變異性，將多個參數作為隨機變量計算滑坡不同時刻的失穩破壞概率，Θ表示不確定性參數，其概率密度函數(PDF)為f(Θ)，Fs(Θ,t)表示坡體在t時刻的安全系數Fs，則降雨t時刻滑坡失穩破壞概率pf(t)為

pf(t)=?J[Fs(Θ,t)]f(Θ)dΘ

(4)

式中：J[FS(Θ,t)]為描述滑坡是否破壞的指示函數，有：

(5)

基于蒙特卡洛模擬對隨機變量Θ進行N次隨機抽樣，相應的滑坡失穩破壞性概率可近似表示為

(6)

式中：Θk為隨機變量Θ的第k個樣本；pf(t)也表示降雨t時刻之前對應的滑坡失穩累積破壞概率，即pf(t)=p(tf

由此滑坡失穩時間PDF表示為

(7)

根據上述PDF可得對應的均值、方差分別為

(8)

(9)

基于經蒙特卡洛模擬確定的滑坡失穩破壞概率，參照相關評價技術要求[22]，可將滑坡地質災害危險性劃分為極高危險性、高危險性、中危險性和低危險性四個級別(見表2)。

表2 滑坡地質災害危險性分級表

3.2.4 滑坡災害綜合風險評價模型建立

基于不同降雨強度作用下滑坡穩定性計算和危險性蒙特卡洛模擬，以滑坡體及其周邊地帶為評價區域，以獨立的承災體為評價單元，分析滑坡危險性相關的概率，確定人員和經濟類承災體的易損性，并結合風險評價理論[23-24]，考慮不同降雨工況的作用，開展滑坡一定時期內的綜合風險評價，確定每一個承災體的動態風險水平，并進行不同風險等級評價區劃。

(1) 評價對象及類型：包括人口和經濟類承災體兩種類型，可分為人員傷亡風險評價、經濟損失風險評價和綜合風險評價[22]，主要評價某一時間段內(一般為1 a)滑坡地質災害對人員或經濟所造成的潛在人員傷亡風險、經濟損失風險和綜合風險。

(2) 評價技術方法：在滑坡危險性評價的基礎上，采用定量與定性相結合的方法確定各項風險評價參數，并對滑坡災害進行動態風險綜合評價，其表達式[22]為

Ri=Pi×Ei×Vi

(10)

式中：Ri為某降雨工況下第i個評價單元滑坡災害風險值；Pi為某降雨工況下第i個評價單元滑坡災害危險性指數；Ei為某降雨工況下第i個評價單元承災體價值(人員數量為人/a，經濟價值為萬元/a)；Vi為某降雨工況下第i個評價單元承災體易損性。

(3) 承災體易損性評價：根據調查結果，評估并統計每一處獨立建構筑物內的家庭戶籍人口數量或常駐留人員數量以及經濟價值。人員和經濟類承災體易損性的數值區間為 0～1。按最大風險原則，根據滑坡穩定性定性或半定量地評估人員易損性，可認定滑坡發生失穩-破壞后，最大可能威脅范圍之內的人員承災體易損性為1，之外的為0；根據經濟類承災體本身特征及其與災害體的空間位置關系(即危害區分布)等定性或半定量地評估經濟類承災體易損性，并根據威脅區范圍距離致災體的遠近，劃分為無、輕微、中等和嚴重危害區，當無法劃分危害區等級與范圍時，最大威脅區范圍均作為嚴重危害區。建(構)筑物等經濟類承災體的易損性參照表3進行分析。

表3 建(構)筑物等經濟類承災體的易損性評價分級表

(4) 風險等級區劃：通過不同降雨強度下滑坡災害動態風險綜合評價，確定每一個承災體的風險值(人口傷亡、經濟損失和綜合風險)，并參照相關技術要求[22]和地質災害危害分級[25]劃定其風險等級，包括極高、高、中和低風險4個級別，見表4。

表4 滑坡地質災害風險等級劃分表

3.3 滑坡災害動態風險綜合評價

3.3.1 降雨工況條件設置

考慮大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨4種降雨工況作用，根據氣象部門降雨強度劃分標準[26]，不同的降雨工況條件以12 h內或24 h內的降水量(一般用24 h降雨量)來判定(見表5)，并設定相應值作為降雨輸入條件和降雨計算周期。

表5 降雨工況劃分表

3.3.2 滑坡地質模型及計算參數確定

以南山塘滑坡區工程地質剖面(L1)作為代表性計算斷面(見圖3)，構建該滑坡穩定性計算和危險性評價模型。其中，地下水水位線是正常勘查期間實測的穩定地下水水位線，并將其設定為初始地下水水位。

滑坡地質模型計算參數包括各地層水力學參數和巖土體物理力學指標(天然和飽和狀態)。通過室內試驗測試巖土體相關性質參數，結合坡體穩定狀態并考慮周邊類似情況和相關經驗參數[12,27]，經測試、計算和反演等綜合確定體現不同賦存狀態下巖土體的水力學和物理力學性質參數(飽和狀態下為固快有效應力強度指標)，見表6。為了合理反映前期降雨的影響，在巖土體強度參數取值時選用了飽和抗剪強度指標，以體現降雨對巖土體的劣化和弱化作用。

表6 滑坡巖土體基本計算參數表

構成潛在滑動帶的巖土體基本為可塑狀硅藻土黏土，試樣飽和度在90%以上，故試驗值基本為飽和抗剪強度值，但由于硅藻土特殊的微觀結構和物質組成，其遭受外界擾動后結構力迅速消失，力學性質急劇變差，重塑硅藻土的抗剪強度值明顯低于原狀土，則取其殘余強度值進行計算，并結合滑坡變形破壞特征及穩定性假定穩定滑坡系數FS=1.0進行反演確定。

3.3.3 滑坡穩定性計算和危險性評價

基于科學計算平臺，采用最危險滑移面自動搜索的方法，開展了不同降雨工況條件下滑坡穩定性流固耦合計算，分析了坡體內部暫態滲流場變化以及滑坡穩定性等級區間，并通過蒙特卡洛模擬確定了滑坡失穩破壞概率及危險性等級，見圖5和表7。

根據不同降雨工況條件下該滑坡穩定性和危險性評價結果(表7)可知：隨著降雨強度的增大，坡體內部暫態地下水水位線逐漸升高，孔隙水壓力逐漸增大，滑坡穩定性逐漸降低，由穩定向基本穩定甚至欠穩定狀態方向發展；隨之對應地，滑坡失穩破壞概率也逐漸增大，危險性由大雨和暴雨條件下的低危險性逐漸發展為大暴雨和特大暴雨條件下的中危險性，整個變化過程較好地反映了降雨激發玄武巖臺地型滑坡的災變作用機制和可能的失穩發展趨勢，并且降雨強度越大地下水水位抬升幅度和滑坡失穩趨勢越明顯。

根據降雨作用下滑坡穩定性和危險性評價結果，結合其變形破壞地質模式，進一步圈定了該滑坡最大可能的危險區范圍位于臺地邊緣潛在滑坡區域，覆蓋村莊中前部居住區及前側村道下方斜坡一帶。

圖5 不同降雨工況下滑坡孔隙水壓力及穩定性變化圖

表7 不同降雨工況下滑坡穩定性和危險性評價結果

3.3.4 降雨作用下滑坡災害動態風險綜合評價結果與分析

結合斜坡區房屋等建筑物和在冊人口分布，按要求統計并評估人口和經濟類承災體易損性，通過單個承災體戶籍人口數量和經濟價值總量予以表達。根據該滑坡區村莊建筑布局(見圖2)并統計得知：2～4層房屋多為磚混結構，1層房屋為磚混或磚木結構；連幢3層和4層房屋價值超過100萬元，戶籍人口在3人以上，4層房屋戶籍人員甚至多于10人；單幢3層和連幢2層房屋價值在50萬元以上，單幢2層房屋價值在10萬元以上，3層和2層房屋戶籍人口多在3人以上，2層房屋單戶戶籍人口一般在1～3人；1層房屋幾乎無人居住，房屋價值也低于10萬元。

根據人員和經濟類承災體易損性確定方法，以特大暴雨工況為例，潛在滑坡危險區范圍內危險性中等、區外危險性低，則危險區內人員易損性為1、但無人居住和區外人員易損性為0。結合斜坡區建筑物分布和結構類型，潛在滑坡危險區范圍內的建筑物易損性與結構類型相關，磚混結構和磚木結構類建筑物易損性為1，鋼混凝土結構類建筑物易損性為0.8，而位于危險區外的建筑物易損性為0。

在滑坡危險性和承災體易損性評價的基礎上，以獨立的承災體為評價單元，開展了降雨作用下滑坡災害動態風險綜合評價，并以特大暴雨工況(即最不利工況條件)下的評價結果(見圖6)為例，進行具體分析。

(1) 大雨工況條件下，滑坡穩定，危險性低，人口傷亡和經濟損失綜合風險整體為低風險。

(2) 暴雨工況條件下，滑坡基本穩定，危險性低，滑坡危險區范圍內局部地區有風險，其中連幢4層房屋人口傷亡和經濟損失綜合風險高，單幢4層房屋和連幢3層房屋綜合風險值，其余均為低風險，而滑坡危險區外均為低風險。

(3) 大暴雨和特大暴雨工況條件下，滑坡發展為欠穩定，危險性中等，滑坡危險區范圍內風險區域和風險等級均擴大，其中連幢4層房屋人口傷亡和經濟損失綜合風險極高、單幢4層和連幢3層房屋綜合風險高，2層和單幢3層房屋綜合風險中等，其余均為低風險，而滑坡危險區外均為低風險。

圖6 降雨作用下滑坡災害動態風險綜合評價結果圖(以特大暴雨工況為例)

綜上分析可見，隨著降雨強度增大，滑坡穩定性變差，危險性程度逐漸變大，滑坡災害動態風險區域和風險等級也相應增大，尤其大暴雨和特大暴雨條件下，滑坡危險區動態風險出現極高和高風險級別，故有必要采取相應的防災措施加強滑坡風險管控，提高滑坡穩定性，降低滑坡災害風險，以保障人民生命和財產安全。

4 降雨作用下玄武巖臺地型滑坡災害綜合防治技術體系

4. 1 總體思路及防災方案

玄武巖臺地型滑坡是一種具有特殊結構和非典型性質的滑坡類型，玄武巖下部分布的硅藻土黏土屬不良工程地質層，可構成潛在的滑移面，降雨作用下地表水入滲形成地下水滲流、抬升地下水水位，可致邊坡巖土體性質劣化、強度降低，導致坡體穩定性降低，危險性等級提高，不同降雨作用下滑坡災害動態風險均有不同范圍和程度的擴大，而且在大暴雨和特大暴雨工況條件下滑坡危險區出現極高和高動態風險水平。目前常用的防災模式是實施滑坡危險區整體搬遷或采用抗滑樁或錨索等大型治理工程，不但周期長、耗資大，還徹底改變受威脅居民的正常生產及生活。

針對玄武巖臺地型滑坡特殊的滑體結構和工程地質與水文地質特征，以及該滑坡潛在的滑移面低緩，向前滑動的趨勢不甚明顯，發生劇滑或速滑的可能性小，降雨和地表水入滲作用下上部松散巖土體可能會發生持續壓縮變形積聚或局部差異性變形和緩慢剪切蠕滑等特點，通過有針對性地采用系統截排水和遠程自動化監測預警相結合的防治技術，開展了該滑坡綜合防災控制，以有效促進滑坡體穩定，切實降低滑坡災害風險，既充分維持了當地村民正常的生產及生活，也可有效避免整體搬遷和大規模治理帶來的社會不安定和巨額資金投入。

南山塘滑坡綜合治理和風險管控布局如圖7所示，該綜合防治系統包括系統截排水工程和遠程自動化監測預警系統兩大體系，見表8。

4. 2 滑坡區系統截排水工程

該滑坡災害綜合防治采用系統截排水工程消除雨水地表水不利作用(見圖8)，主要包括：

(1) 排水明溝：布設于村莊中部通村主干道和上方陡坎處村道內側，總長度為500 m，其中東西向通村主干道采用寬深溝，村道內側采用窄溝。

圖7 南山塘滑坡區綜合治理和風險管控平面圖

表8 南山塘滑坡區綜合防治系統布局一覽表

圖8 南山塘滑坡區系統截排水工程現場建設圖

(2) 截水盲溝：布設于中部通村主干道及與上方陡坎處村道內側窄溝相連而橫切道路的區段，長度為50 m，斷面及材料規格均與明溝對應，頂面采用預制鏤空式蓋板封蓋，保障道路安全通行。

(3) 道路擋水板：布設于村莊中部通村主干道和上方陡坎處村道外側，長度為300 m，既可擴大排水斷面，又避免地表水流滿溢沖蝕下方。

(4) 縱向排水溝：布設于村莊中部通村主干道往西側沖溝排水出口處，長度為50 m，順坡形設置，以便將集中水流排泄至場區外。

(5) 消能池：布設于溝渠水流轉折與匯合處，共計6處，斷面呈正方形，通村主干道西端適當擴大斷面，頂面封蓋加強安全防護。

(6) 配套工程：一是對滑坡危險區進行地面硬化阻滲、水溝修建和廢水集中排放；二是對上方陡坎處村道內側土體裸露區采用C20水泥砂漿抹面封閉阻滲；三是對陡坎清表處理后設置漿砌石擋墻。

溝渠斷面以滑坡防治工程等級為Ⅲ級、暴雨強度重現期“20年一遇(P=5%)”為標準確定。

4. 3 滑坡區遠程自動化監測預警系統

4.3.1 監測預警網絡系統構成

根據玄武巖臺地型滑坡結構特征、降雨滑坡蠕滑特性和場區環境，構建了系統型坡表、地下、空中一體化的降雨-地下水-滑坡變形遠程自動化綜合監測預警網絡體系，見圖9。

圖9 南山塘滑坡區遠程自動化綜合監測預警網絡 系統結構圖

本次針對性布置“兩縱三橫”監測網絡體系：縱向監測斷面沿滑坡主滑方向布置，每條測線均監測坡體地下水水位和深部位移變化，并沿縱向測線于滑坡中部開闊地帶布置雨量監測站和紅外視頻監控系統；同時在滑坡前緣布置橫向坡表位移監測線監控滑坡區局部變形或滑塌，3條橫向測線自上而下則分別監測坡體地下水水位、深部位移和表層位移變化。由此實現滑坡多因素全場景立體化監測控制。

4.3.2 監測預警網絡系統建設

滑坡遠程自動化綜合監測預警網絡系統按《崩塌、滑坡、泥石流監測規范》(DZ/T 0221—2006)[28]等相關要求建設(見圖10)，具體監測內容如下：

(1) 降雨監測：布設1套雨量監測系統(WL01)，分析降雨與地下水水位的相關性。

(2) 坡體地下水水位監測：通過監測坡體地下水水位的動態變化，分析地下水水位與滑坡穩定性的相關性，并與深部測斜監控系統統一布局，沿兩條縱向測線分別選擇兩處鉆孔布置1處自動化監測系統(ZDSW02)和1個人工監測點(SW03)。

圖10 南山塘滑坡區遠程自動化綜合監測預警系統 現場建設圖

(3) 坡表絕對位移監測：采用GPS測量坡表三維(x/y/z)絕對位移量、方向及速率，于前緣斜坡布設1條橫向測線、測點2個(GPS02、GPS03)。

(4) 坡體深部測斜：采用鉆孔地下傾斜監測，監測滑坡角變位、傾倒變形及切層蠕滑，沿兩條縱向測線分別選擇兩處鉆孔布置1處自動化測斜系統(ZDCX02)和1個人工測斜點(CX03)。

(5) 紅外視頻監控：于滑坡中部空曠地帶布設1套紅外視頻監控系統(SP01)，實時查看滑坡區是否出現地表裂縫或建筑物變形破壞等現象。

4. 4 滑坡綜合監測分析與防治效果評價

4.4.1 降雨與坡體地下水水位動態變化分析

通過對比滑坡區降雨量(WL01監測點)與地下水水位(ZDSW02自動水位監測點)的對應變化關系(見圖11)可知：滑坡區地下水水位變化與降雨量較為對應，兩者變化趨勢大體一致，降雨期間坡體內地下水水位有抬升，雨止后坡體地下水水位下降并恢復，此過程在滑坡區系統截排水工程實施初期(2018—2020年)表現較為明顯；在滑坡區系統截排水工程正常發揮功能效應期間(2020年汛后至今)，坡體內部地下水水位常維持在一定相對平衡的狀態，雨后地下水水位平均抬升幅度一般在1～2.5 m之間，相對前期的地下水水位平均抬升幅度3～6 m要小很多，降雨后地下水水位恢復正常的速度相對也較快，這種情況在近年2021年和2022年的4～9月雨汛期表現較為顯著。

圖11 南山塘滑坡區降雨量與地下水水位對應變化 關系圖

可見，該滑坡體內部地下水水位受降雨的影響明顯，雨期坡體內部地下水水位抬升，雨后坡體內部地下水水位逐漸下降，其變化幅度與降雨強度相互對應，但通過滑坡區系統截排水工程的實施，雨期坡體內部地下水水位的抬升幅度顯著降低，通過有效截除雨水或地表水的下滲，促進地下水的排泄，促使滑坡體內部地下水水位維持在相對平衡的狀態，不再出現大幅度的升降，從而有效維持了滑坡體穩定性。

4.4.2 滑坡區地表位移變化分析

圖12 南山塘滑坡區地表位移監測變化曲線

通過對比該滑坡區前緣具有代表性的地表位移監測點(GPS02和GPS03)的位移變化(見圖12)可知：滑坡地表累計位移整體變化較小，隨著滑坡區系統截排水工程充分正常發揮功能效應(2020年汛后至今)，滑坡前緣區域坡表位移變化有逐漸變緩的趨勢，地表位移變化速率逐漸降低，維持相對平緩的波動狀態，而且滑坡區地表及現狀建(構)筑物也未見明顯變形跡象。可見，目前滑坡區表層位移變化相對較小，通過實施系統截排水工程，有效減緩滑坡趨勢，發揮坡體促穩作用。

4.4.3 滑坡區深部測斜位移變化分析

通過分析滑坡區代表性鉆孔深部位移自動測斜點ZDCX02(取布設于滑帶處的測斜儀監測)和人工測斜點CX03的深部位移變化情況(見圖13)可知：滑坡區深部位移變化主要呈“鐘擺型”來回振蕩變化態勢，總體位移變化較小，累計位移變化差在10 mm以內，且整體位移變化幅度相對較小，無明顯的突變點，未形成統一貫通的滑移面，說明目前滑坡內部位移整體變化較小，坡體較穩定，可見坡體深部與坡表位移變化進一步相互印證。

圖13 南山塘滑坡區深部位移監測變化曲線

4.4.4 防災效果與風險管控評價

經滑坡變形綜合監測分析可見，通過實施系統截排水工程，有效避免了降雨及地表水匯入下滲，并促進了排水，能最大限度地消除其對坡體的不利影響，目前坡體內部地下水水位被控制在一個相對平衡狀態，降雨作用下坡體內部地下水水位變化幅度較小，且滑坡區地表未見明顯變形跡象，滑坡內部也未形成統一的滑移面，滑坡內部整體位移變化較小，說明系統截排水工程作用效應明顯，防災效果顯著，滑坡現狀穩定，危險性低，處于低風險水平(見圖7)。

通過進一步強化系統截排水工程管養維護，確保滑坡區截排水系統一直充分發揮功能效應，避免地表滲水和促使表里排水，控制坡體內部地下水水位變化幅度，有效促進坡體穩定，同時持續開展系統性連續監測預警，以加強實時監控和性狀反饋，綜合技術作用下動態掌控滑坡穩定狀態，維持坡體穩定和降低危險性，切實有效地將滑坡災害控制在低風險水平，從而維護村莊區人員和經濟安全。

5 結論與討論

本文以地處玄武巖臺地區的嵊州市剡湖街道南山塘滑坡為例，在分析滑坡類型、結構特征、成因機制和破壞模式的基礎上，建立了降雨引發玄武巖臺地型滑坡的穩定性-危險性-動態風險綜合評價體系，通過流固耦合數值計算和蒙特卡洛模擬并結合滑坡地質災害風險評價，開展不同降雨工況條件下滑坡災害動態風險水平分析和綜合防災決策研究，并通過工程實踐分析了系統截排水和遠程自動化監測預警相結合的技術體系應用于玄武巖臺地型滑坡綜合防治的治理效果，得到如下結論：

(1) 頂平中緩下陡的臺地地貌條件和玄武巖及下部分布的河湖相沉積硅藻土不良地質層構成了玄武巖臺地型滑坡特殊的地質結構特征，降雨及地表水下滲是觸發因素，可使坡體地下水水位抬升，形成地下水滲流，引發坡體局部差異性變形或剪切蠕滑，滑坡變形破壞模式以蠕滑-拉裂式為主。

(2) 針對不同降雨工況條件對坡體的影響作用，歷經大雨、暴雨、大暴雨直至特大暴雨作用，隨著降雨強度的增大，滑坡穩定性變差，由基本穩定發展為欠穩定，滑坡危險性程度漸變為中等危險性，滑坡災害動態風險區域和風險等級也相應變大，特別是大暴雨和特大暴雨工況條件下滑坡危險區范圍內連幢4層房屋人口傷亡和經濟損失綜合風險為極高，單幢4層和連幢3層房屋綜合風險為高，2層和單幢3層房屋綜合風險為中等，而滑坡動態綜合風險出現極高和高級別意味著需采取防災措施加強風險管控。

(3) 基于該滑坡特殊的地質結構特征，并結合潛在的滑移面較緩、降雨是觸發因素、上部松散巖土體會發生持續壓縮變形積聚或局部差異性變形和緩慢蠕滑等特點，有針對性地采用系統截排水和遠程自動化監測預警相結合的技術體系進行玄武巖臺地型滑坡綜合防治，既能有效截除地表水流和促進排水，控制地下水水位變化幅度，促進坡體穩定，又建設了多因素、全場景、立體化的遠程自動化綜合監測預警網絡系統，強化了滑坡穩定性實時監控和變形趨勢動態反饋，在綜合技術作用下治理工程效果明顯，坡體目前處于穩定狀態，危險性低，動態風險被控制在相對較低的水平，維護了當地人員和經濟安全，說明該處滑坡綜合防治效果突出，通過科學防治手段實現了滑坡災害風險控制。

可見，對于降雨引發的玄武巖臺地型滑坡，通過降雨作用下的滑坡穩定性-危險性-動態風險綜合評價，采用系統截排水和遠程自動化監測預警相結合的綜合治理手段是一種切實可行的防治技術方法。