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福建省属典型的台风暴雨型区域,其气候条件、地质情况及地质灾害类型在我国东南沿海广大地区具有较强的典型性。本论文选题以科技部国土资源部“十一五”国家科技支撑计划重点项目“重大地质灾害监测预警及应急救灾关键技术研究”课题之一“区域降雨型地质灾害气象预警技术研究”的分支项目“闽东南地区台风暴雨型地质灾害监测预警示范研究项目”为背景,以中国东南台风暴雨区域福建省为研究对象,针对台风暴雨诱发土质滑坡的机理以及相应的评价方法进行系统地研究,采用“野外详细调研-现场降雨模拟实验-室内非饱和土强度试验-台风暴雨条件下滑坡体水文响应数值模拟-台风暴雨条件下滑坡体稳定性变化规律及影响因素分析”的研究思路,在区域地质灾害普查和1:1万地质灾害详查的基础上,通过野外渗流实验、室内变含水率破坏试验、专业监测点建设等多种技术手段,以实验数据为依据,通过对典型滑坡进行数值仿真模拟计算和定量分析、再现台风暴雨诱发浅层残坡积粘土滑坡的全过程,揭示闽东南地区小型浅层土质滑坡在台风暴雨条件下的降雨入渗过程及破坏机理,并提取关键影响因素,分析各影响因素的作用方式,为台风暴雨条件下区域地质灾害的预警预报提供理论基础。
论文主要从台风暴雨降雨特征研究、台风暴雨诱发滑坡的规律性研究、典型滑坡体强降雨入渗现场实验、非饱和土变含水量强度试验、典型滑坡体台风暴雨条件下降雨入渗的水文响应过程研究、台风暴雨条件下滑坡体稳定性变化规律及影响因素分析等七个方面展开研究。
(1)福建省台风暴雨具有降雨中心降雨强度大,历时短,雨量集中的单峰型典型特点。台风登陆当日的降雨对滑坡起着决定性作用,当台风登陆当日降雨量超过100mm或3小时降雨极值60mm以上,易触发的“即雨即滑”群发式小型浅层土质滑坡。
(2)通过短时强降雨入渗现场实验得知,滑体表层土体前期入渗量取决于降雨强度,土体短时达到饱和,入渗率下降趋于一稳定值即稳定入渗率,入渗量主要与稳定入渗率有关。降雨入渗对滑体表层非饱和土含水量的影响最为明显,导致浅层非饱和土体含水量在降雨开始后快速上升,而深层土体含水量变化随埋深相应滞后。
(3)在非饱和土变含水率强度试验得出,对于实验区的坡积土,外部水条件变化对强度的影响显著。非饱和土在含水量增加的情况下强度呈非线性减弱趋势,当含水量超过20%,强度受含水量的影响显著。
(4)通过数值模拟重演滑坡体对台风暴雨的单峰型降雨的典型水文响应过程:在峰值期坡体表层快速形成饱水区,降雨峰值过后,湿润峰面水分开始快速垂直下渗,滑坡体内雨水向滑坡前缘坡脚处汇聚排泄。在雨水无法短时间排出滑坡体外的情况下,造成前缘局部孔隙水压力增大,雨水囤积,坡脚位置地下水位抬升。
(5)福建省台风暴雨条件下的边坡稳定性和破坏概率变化具有一些规律和特殊性:①在台风登陆前两天均匀降雨下,边坡的稳定性系数缓慢降低,仍处于稳定状态;台风登陆当天降雨峰值开始,边坡稳定性系数迅速下降,处于失稳状态;停雨后两天滑坡体仍处于不稳定状态,破坏概率超过50%;②台风暴雨条件下典型浅层土质滑坡其滑动面主要分布于残坡积层内,以坡脚切坡最低点和坡后张拉裂缝出现点为界,在坡体内呈小曲率圆弧状分布。
(6)福建省台风暴雨条件下浅层土质滑坡是一个前缘渗流剪切破坏引发在残坡积土内部滑动的牵引式滑坡。当瞬时强降雨开始,滑坡表层土体因强降雨入渗达到暂态饱和区,上层土体的快速饱和一方面造成滑坡体的自重增大,对下层土体产生有压入渗,另一方面出现地表径流,造成水土流失,形成地表沟槽,加速水体下降,形成拉张屈服带:短时强降雨后表层饱和区的有压入渗,导致雨水快速下渗,在岩土分界面受入渗率的限制转为水平侧流,向前缘坡脚汇集,加剧滑体失稳,前缘坡脚由于汇水作用,含水率抬升,抗滑力下降,形成剪出口,发生浅层滑坡。
(7)通过对台风暴雨条件下滑坡体稳定性主要影响因素进行分析总结,得知台风暴雨条件下滑坡体主要影响因素为残积层的岩土特性与降雨雨型:①边坡体的稳定性受残积层的岩土体特性变化最为敏感,其含水量和物理力学性质最为显著;②在相同雨强程度下,单峰型降雨的水文响应速度和稳定性破坏速度和程度都大于均匀型降雨,单峰型降雨导致边坡短时内达到失稳状态,呈“即雨即滑”情况。在强台风多峰型降雨下,经过第一个峰值强降雨后浅层土质边坡已处于不稳定状态,当第二个强峰值降雨来临,坡体的稳定性较单峰型降低更为迅速。这些为福建省台风暴雨这一特殊降雨类型条件下滑坡的发生机理探索、预警预报提供新的思路和科学依据。