降雨滑坡实时预测的渗流-稳定三维极限平衡模型研究

降雨滑坡分布范围广、发生频度高、破坏力强、造成的损失严重，是滑坡灾害预测预报研究的主要对象之一。在降雨入渗前，边坡土体尤其是上部岩土体处于非饱和状态，在降雨过程中，边坡土体的自重增加和强度降低这两个不利因素同时影响边坡的稳定性，当达到极限程度时就会引发滑坡灾害。因此，如何将降雨入渗过程与降雨对滑坡稳定性的影响转为定量的力学分析过程，建立一套简单、实用且具有力学理论依据的时空稳定性分析模型，具有重要的学术意义和实用价值。本研究基于GIS 的降雨渗流模型和边坡稳定分析的三维极限平衡模型的耦合模型，建立降雨滑坡预测的渗流-稳定耦合三维极限平衡模型，为降雨滑坡的实时预测及灾害预警提供理论模型支撑。主要工作有：（1）基于常用边坡极限平衡模型的三维扩展算法，建立了基于GIS 栅格数据格式的边坡稳定性三维极限平衡分析模型；将外水压力以孔隙水压力和水库蓄水位涨落两种形式体现，研究了外水压力作用下的边坡稳定性，并在修正的Hovland 模型中推导了相应的计算模型；（2）在系统分析降雨入渗对土体基质吸力、土体应力状态、土体变形影响的基础上，建立了恒定和非恒定降雨强度下的降雨入渗准三维模型，并推导了降雨入渗前锋非线性求解算法，并根据滑动面、地下水位面及渗透前锋三者的位置关系概化四类模型来实时确定岩土体饱和-非饱和状态的物理力学参数取值；（3）基于GIS 的三维极限平衡模型，耦合降雨地表径流与入渗雨量的非线性分配水文地质模型，建立了基于GIS 栅格数据格式的降雨渗流与边坡稳定性三维极限平衡分析的组合模型。以空间分布的地形、地层结构、土体的初始渗透系数、含水量差、降雨强度为计算数据，同时考虑土体重量、剪切强度、基质吸力和孔隙水压力的变化，通过耦合的边坡稳定性三维极限平衡分析模型计算任意时刻的三维安全系数；（4）在既有3DSlopeGIS 系统基础上，推导了降雨滑坡模型算法并完成三维实时时空预测系统模块开发。通过经典边坡稳定模型算例验证了本研究所提模型及算法，系统在实际降雨滑坡分析评价中得到应用。 2100433B

本课题将深入研究降雨滑坡的发生机理，建立基于GIS数据格式的降雨-边坡稳定性三维极限平衡分析模型，建立基于DEM的三维地表径流模型、饱和-非饱和土体内的准三维雨水渗流模型及准三维地下水流动模型和经理论和实验推导特定土质的含水量-强度关系经验公式，并依此建立基于GIS栅格数据格式的降雨渗流与边坡稳定性三维极限平衡分析的组合模型。以地形、地层结构、土体的初始渗透系数、初始饱和度、初始地下水位、降雨强度和前期降雨量为计算数据，首先通过降雨渗流模型得到不同时刻的地表和土体内的水分分布，再通过土体强度评价模型得到该水分分布状态下的土体强度参数，然后同时考虑土体重量、剪切强度、基质吸力和孔隙水压力的变化，通过边坡稳定性三维极限平衡分析模型计算该时刻的三维安全系数，并搜索危险滑动面。同时，在以往开发基础上，进一步完成降雨滑坡三维实时时空预测系统模块进行研究成果验证及应用推广。

降雨诱发滑坡不仅与降雨量有关，还与降雨强度、降雨历时及雨型等有关。以往研究由于缺乏降雨-地下水-滑坡变形的实时同步监测数据的支持，大多限于降雨诱发滑坡的宏观表现规律分析及雨水入渗对岩土体抗剪强度影响和动水压力对滑坡稳定性的影响。本项研究将开展滑坡区降雨量、坡体地下水位和滑坡变形破坏的现场同步实时监测，获取滑坡变形破坏与坡体地下水位及降雨过程关系的实时定量数据系列。强调可靠基础数据资料的获得是本项研究的基本特色，在此基础上，开展数值模拟和物理模拟。探讨不同降雨过程的雨水入渗规律，揭示不同降雨过程引起坡体地下水位变化的方式；研究地下水的渗流方式及地下水位变化与滑坡稳定性的关系，揭示地下水位变化与滑坡变形破坏过程的关系；结合边坡岩土体结构与水文地质环境分析，研究截、排水工程对控制坡体地下水位上升的作用，提出边坡地下水位控制的有效技术方法。 2100433B

2017年7月17日，由中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所乔建平研究员团队承担的科技部国际科技合作专项《降雨型滑坡泥石流实时监测预警与示范研究》项目，通过科技部组织的验收。降雨型滑坡泥石流实时监测预警与示范研究经过四年的探索和努力，超额完成了计划任务，取得了良好的研究成果和社会效益。验收组全体专家一致给出成果优秀的评价。

《降雨型滑坡泥石流实时监测预警与示范研究》研究项目2013年启动，2017年正式结题。《降雨型滑坡泥石流实时监测预警与示范研究》系统总结了滑坡泥石流监测预警原理和分类、监测预警结构、空间预警和时间预警类型和方法、监测预警技术手段，形成了较完整的降雨型滑坡泥石流监测预警理论和方法体系；在引进日方的滑坡监测仪器设备和实验研究技术的基础上，研发了精度高、成本低廉、安装简易、信号可靠的多点式三级串联可全域覆盖的地表测斜仪网络系统，成为我国地质灾害监测仪器设备中的首创；通过现场试验和室内模拟试验，分析了降雨诱发滑坡泥石流的临界条件及其破坏过程，建立了滑坡和泥石流不同物源体破坏启动的预警模型和临界雨量标准，形成早期预警研究模式；针对缺资料山区降雨资料缺乏的问题，通过分析研究区的降雨条件、水文特征及下垫面条件，根据产汇流原理，提出了资料缺失地区计算泥石流预警雨量阈值的方法。

《降雨型滑坡泥石流实时监测预警与示范研究》还在成都市龙门山区地震扰动区建设了8处滑坡泥石流现场实时监测预警示范点，已提供成都市相关部门地质灾害监测预警系统使用。

《降雨型滑坡泥石流实时监测预警与示范研究项目合作期间，中-日双方扩大了学术交流合作的范围，与日本东京大学、日本土木研究所、日本中央开发株式会社，台湾国立交通大学、中央研究院、国立中央大学、国立成功大学、国立高雄第一科技大学，斯里兰卡Inst.of Information Technology，印度尼西亚Institute of Technology Bandung，泰国Kasetsart University等国家和地区的高校和研究机构深化了合作交流，推动了部分亚洲国家和地区在滑坡泥石流监测预警方面研究合作，加深了相互之间的了解，增强了我国科研技术在国际学术舞台上的地位和知名度。

《降雨型滑坡泥石流实时监测预警与示范研究》项目验收会专家一致建议，应该采用多渠道的方式将该研究成果延续下去，通过实践检验获取更多、更可靠的监测预警效果。 2100433B