基于降雨響應(yīng)的黃土丘陵區(qū)滑坡危險(xiǎn)性預(yù)測研究
——以寶雞市麟游縣為例

辛 鵬, 吳樹仁*, 石菊松, 王 濤, LIU Zhen

1)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081;

2)國土資源部新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081;

3)Department of Civil & Environmental Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, United States

基于降雨響應(yīng)的黃土丘陵區(qū)滑坡危險(xiǎn)性預(yù)測研究
——以寶雞市麟游縣為例

辛 鵬1,2), 吳樹仁1,2)*, 石菊松1,2), 王 濤1,2), LIU Zhen3)

1)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081;

2)國土資源部新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081;

3)Department of Civil & Environmental Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, United States

極端降雨易造成群發(fā)滑坡災(zāi)害, 難以作為單體預(yù)測。為預(yù)測評估黃土丘陵區(qū)不同降雨強(qiáng)度誘發(fā)滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性, 論文在區(qū)域滑坡災(zāi)害特征研究的基礎(chǔ)上, 分析降雨強(qiáng)度特征及滑坡分布特征。以嶺南滑坡為代表分析降雨誘發(fā)黃土-丘陵區(qū)滑坡的形成機(jī)制, 介紹了無限斜坡模型原理、參數(shù)選取, 利用 GIS空間建模與分析功能, 定量完成了無降雨、25 mm、50 mm、75 mm四種情況下, 滑坡災(zāi)害的危險(xiǎn)性研究, 并對誤差進(jìn)行了分析。結(jié)果表明: (1)黃土丘陵區(qū)滑坡災(zāi)害與地形地貌、巖土體力學(xué)性質(zhì)相關(guān), 降雨、地表水的溯源侵蝕作用是滑坡災(zāi)害發(fā)育的宏觀背景。(2)降雨在麟游縣等黃土丘陵區(qū)易誘發(fā)淺表層黃土滑坡, 形式上表現(xiàn)為黃土泥流、淺層滑坡。(3)降雨量相同時(shí), 區(qū)域斜坡單元的響應(yīng)機(jī)制不相同, 高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)與低危險(xiǎn)區(qū)集中在不同區(qū)域產(chǎn)生, 差異明顯。在無降雨、25 mm、50 mm、75 mm四種不同降雨量下, 中部分水嶺地區(qū)、北部天堂鎮(zhèn)、丈八鄉(xiāng)是高危險(xiǎn)區(qū), 極易形成降雨滑坡災(zāi)害。(4)降雨誘發(fā)災(zāi)害的高危險(xiǎn)區(qū), 威脅附近村鎮(zhèn)居民安全, 需要采用監(jiān)測預(yù)警和相應(yīng)防治措施。中等危險(xiǎn)區(qū)汛期需要采用群測群防預(yù)警措施。低危險(xiǎn)面積汛期需提高警惕, 防止突發(fā)事件發(fā)生。(5)無限模型適合計(jì)算降雨誘發(fā)的淺表層滑坡, 能夠很好反映降雨量誘發(fā)滑坡災(zāi)害響應(yīng), 得出的危險(xiǎn)性分布具有符合實(shí)際情況, 危險(xiǎn)性計(jì)算的誤差與地理底圖分辨率、計(jì)算參數(shù)有關(guān)。

降雨; 黃土丘陵; 滑坡; 無限斜坡模型; 危險(xiǎn)性

黃土高原一直是我國滑坡、崩塌、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)之一。寶雞位于黃土高原與秦嶺山區(qū)交界處, 是黃土滑坡易發(fā)區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 截止到2010年, 滑坡災(zāi)害已造成全市230人死亡, 直接經(jīng)濟(jì)損失約13432萬元。在這些地質(zhì)災(zāi)害事件中, 雨季汛期群發(fā)災(zāi)害最為集中, 帶來財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失較大。其中2003年8月麟游縣全縣強(qiáng)降雨誘發(fā)11處地質(zhì)災(zāi)害, 2005年9月20日麟游縣降雨101 mm, 在縣境范圍內(nèi)引發(fā)25處滑坡、泥石流。強(qiáng)降雨誘發(fā)的群發(fā)滑坡災(zāi)害成為麟游縣區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害防治的重要研究對象。因此, 如何確定強(qiáng)降雨響應(yīng)機(jī)制下區(qū)域斜坡單元爆發(fā)災(zāi)害的可能性及強(qiáng)度, 這對于防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估和管理作為有效的防災(zāi)方式,日益受到關(guān)注(Van Westen et al., 1999; 姚玉增等, 2010)。用地質(zhì)災(zāi)害分布密度大小刻畫區(qū)域?yàn)?zāi)害的易發(fā)程度, 是風(fēng)險(xiǎn)評估的第一層次。用地質(zhì)災(zāi)害強(qiáng)度、能量大小進(jìn)行危險(xiǎn)性評價(jià), 是風(fēng)險(xiǎn)評估的第二層次。然而危險(xiǎn)性的定量評價(jià)尚存在模糊的認(rèn)識(shí), 特別是強(qiáng)降雨作用誘發(fā)的滑坡, 大多數(shù)作為危險(xiǎn)性評價(jià)(石菊松等, 2005; 吳樹仁等, 2009), 例如, 國家汛期氣象暴雨地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警, 相當(dāng)于危險(xiǎn)性評價(jià), 也有學(xué)者作為易發(fā)性評價(jià)(張春山等, 2009; 殷坤龍等, 2001)。近年來, 定量表達(dá)危險(xiǎn)性的大小的研究成為熱點(diǎn)問題, 吳樹仁等(2005, 2006)系統(tǒng)論述地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)與管理的流程, 提出通過計(jì)算災(zāi)害的強(qiáng)度、大小、能量來考慮地震、降雨誘發(fā)災(zāi)害的危險(xiǎn)性。齊信等(2010)、王濤等(2009)在汶川地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分析基礎(chǔ)上, 疊加區(qū)域歷史最大降雨量, 對汶川災(zāi)區(qū)北川縣及綿遠(yuǎn)河流域進(jìn)行了 1:50000地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性區(qū)劃。以上研究對于地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)理論完善均有重要意義, 然而, 上述研究都未能解決危險(xiǎn)性定量分級問題, 特別是斜坡單元對不同強(qiáng)度降雨的響應(yīng)特征分析仍是難題。

論文利用寶雞地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫, 在分析麟游縣群發(fā)滑坡災(zāi)害的降雨量特征、巖性組合與降雨滑坡空間分布關(guān)系的基礎(chǔ)上, 分析以嶺南滑坡為代表的降雨誘發(fā)黃土-丘陵區(qū)滑坡的形成機(jī)制, 在GIS環(huán)境中, 應(yīng)用改進(jìn)的無限斜坡模型計(jì)算麟游縣在無降雨、25 mm、50 mm、75 mm四種工況下滑坡災(zāi)害的危險(xiǎn)性, 分析區(qū)域斜坡單元對不同強(qiáng)度降雨的響應(yīng)特征, 以及在同樣降雨量條件下區(qū)域斜坡響應(yīng)的差異。

1 區(qū)域工程地質(zhì)環(huán)境概況與滑坡災(zāi)害

1.1 區(qū)域工程地質(zhì)環(huán)境概況

寶雞市麟游縣位于關(guān)中平原最西端, 黃土高原西南邊緣, 南部為岐山山脈, 西部為六盤山及其支脈隴山。總體地勢西北高、東南低, 中部分水嶺呈東西向隆起, 成為區(qū)內(nèi)涇河支流水系與渭河支流水系的分水嶺, 最高海拔1664 m, 最低海拔740 m。黃土梁峁地貌在全境大量分布。白堊紀(jì)后期形成的古風(fēng)化地形成為基底形態(tài), 控制了區(qū)域地貌格局。縣區(qū)域巖層產(chǎn)狀平緩, 地層總體成單斜構(gòu)造, 向 NW或NNW方向傾斜, 巖層傾角一般1°～10°。

圖1 麟游縣工程地質(zhì)與災(zāi)害分布簡圖Fig.1 Sketch map showing engineering geological conditions and distribution of geohazard points

按工程性質(zhì), 區(qū)域巖土體可分為4套(圖1): 松散類土、紅色粘土、砂礫巖與碳酸巖。基巖以碳酸巖、白堊系砂巖為主, 在南部丘陵地區(qū)及溝谷出露。松散類土以第四系黃土為主, 出露面積占全區(qū)面積的2/3, 第三系紅色粘土集中于分水嶺。基巖、第三系紅色粘土、第四系黃土均呈不整合接觸。白堊系與第三系晚期的兩期沉積間斷面影響全區(qū)斜坡穩(wěn)定性。第四系黃土工程性質(zhì)表現(xiàn)為粉質(zhì), 厚度在淺層乃至薄層之間, 披覆于基巖(包括紅色粘土)之上。黃土厚度在坡頂與坡腳差異大, 平均厚度 10～20 m;穿越東西的涇渭分水嶺地區(qū)黃土厚度在8～10 m之間。第三系(N2G)紅色粘土分布于分水嶺及北部沖溝兩側(cè), 最大厚度在20 m左右。淺層、薄層黃土成為該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的控制性地質(zhì)環(huán)境因素。

1.2 滑坡災(zāi)害基本特征

(1)白堊系古風(fēng)化殼與第三系紅色粘土接觸面是區(qū)域性易滑地層面, 巖層出露的中部分水嶺與溝谷地區(qū), 上覆黃土層在降雨、地震等因素作用, 極易順此軟弱層面滑動(dòng)。滑坡的運(yùn)動(dòng)類型受黃土厚度與誘發(fā)因素的影響有所不同, 大多數(shù)黃土滑坡表現(xiàn)為近于水平或緩傾角的砂、泥巖層頂面小規(guī)模溜滑, 現(xiàn)今局部活動(dòng)方式為前緣小規(guī)模泥流或者崩滑, 例如,嶺南滑坡(圖 1F)與何家灣滑坡(圖 1B), 少數(shù)黃土塬邊滑坡規(guī)模較大, 表現(xiàn)為塊體快速滑動(dòng)特征, 例如,脊背梁滑坡(圖1A)和西坡滑坡(圖1D)。

(2)分水嶺兩端地形繼承了古地形的形態(tài), 紅色粘土與黃土先后以風(fēng)成的形式堆積在白堊系風(fēng)化古地形之上, 平行假整合的接觸堆積。同時(shí)紅色粘土滲透性差, 粘滯性強(qiáng), 隔水性質(zhì)明顯, 誘發(fā)了高密度的降雨滑坡災(zāi)害。黃土堆積較厚的常豐鄉(xiāng)、天堂鎮(zhèn)與丈八鄉(xiāng)殘塬溝壑區(qū), 大型滑坡發(fā)育。麟游縣縣城以南的基巖山區(qū), 包括南部的九成宮鎮(zhèn), 地形上表現(xiàn)為丘陵和臺(tái)塬地貌, 上層覆蓋黃土少, 溝谷發(fā)育小型巖石崩塌。

(3)調(diào)查研究表明麟游縣 156處地質(zhì)災(zāi)害中, 有83處災(zāi)害點(diǎn)的誘發(fā)因素是降雨, 有54處災(zāi)害威脅到352人, 目前有38處滑坡點(diǎn)雨季仍有變形破壞現(xiàn)象。2009年8月份、2001年9月份出現(xiàn)了罕見的極端降雨天氣, 在區(qū)域誘發(fā)了25處的滑坡災(zāi)害。

2 降雨誘發(fā)滑坡特征

滑坡受到誘發(fā)因素、斜坡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的共同控制, 強(qiáng)降雨等極端天氣是滑坡災(zāi)害群發(fā)的誘發(fā)因素。麟游縣的強(qiáng)降雨過程記錄與歷史地質(zhì)災(zāi)害記錄資料良好對應(yīng)性, 反映了降雨量大小對區(qū)域斜坡穩(wěn)定的影響。降雨滑坡的發(fā)育除具有群發(fā)的時(shí)間特征外, 受縣境內(nèi)易滑地層浸水后粘聚力、內(nèi)摩擦角強(qiáng)度衰減性質(zhì)、出露位置的影響, 降雨滑坡亦具有區(qū)域集中的空間特征。一次降雨群發(fā)滑坡災(zāi)害的數(shù)量、區(qū)域性歷史降雨滑坡的集中程度都是降雨滑坡危險(xiǎn)性大小的尺度。

2.1 降雨滑坡的分布特征

分析2008年建立的麟游縣地質(zhì)災(zāi)害1:5萬地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn): 全縣 156個(gè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)中有83個(gè)災(zāi)害點(diǎn)因降雨引起。滑坡體均由黃土組成, 滑動(dòng)面或?yàn)榘讏紫瞪暗[巖, 或?yàn)榈谌导t色粘土(圖 1)。該類黃土-基巖組合的滑坡分布于地形起伏大的常豐鄉(xiāng)黃土塬邊、中部分水嶺、天堂鎮(zhèn)、丈八鄉(xiāng)等海拔高的黃土梁區(qū), 中部分水嶺兩側(cè)的黃土梁則是滑坡分布密度最大地區(qū)。與之對應(yīng)的, 基巖出露的河溝, 地質(zhì)災(zāi)害近乎不發(fā)育。除巖性組合、地形的起伏度外, 溝谷匯水的能力、溝谷的密度等地貌因素間接影響了滑坡的發(fā)育。嶺南滑坡的降雨變形破壞特征是麟游縣降雨滑坡的代表。

2.2 嶺南降雨滑坡

嶺南滑坡地理位置上位于縣境地質(zhì)災(zāi)害最為發(fā)育的分水嶺區(qū), 地貌上系中高山黃土梁區(qū), 海拔1200～1400 m之間(圖1F)。滑坡平面上表現(xiàn)為后緣尖棱的三角形(圖 2), 東西向最大縱長 280 m, 中部寬近100 m, 前緣寬度在270 m左右, 平均厚度8 m左右, 體積近50 m3。新老滑坡體呈等軸狀, 主滑方向?yàn)?8°, 平均坡度20°～30°。

嶺南滑坡體存在完整的 3級弧形滑動(dòng)邊界, 邊界陡坎高度從外向內(nèi)逐次降低(圖 3), 從 D到 C到 B, 表明滑坡存在多次塊體滑動(dòng)。最外層邊界為老滑坡的活動(dòng)邊界(D邊界), 其北側(cè)邊界走向NE40°, 表現(xiàn)為1～4 m滑坡陡坎, 南側(cè)邊界走向SE35°, 表現(xiàn)為1～3 m滑坡陡坎。內(nèi)部的邊界(邊界B)為最新活動(dòng)邊界, 保留完整, 下挫陡坎勘測時(shí)仍可以清晰見到。2008年9月降雨出現(xiàn)新的不連續(xù)裂縫陡坎F, 呈南北走向。

為了解斜坡土體結(jié)構(gòu)與物質(zhì)成分組成, 對嶺南滑坡前緣隆起的部位開展4.5 m的探槽開挖, 取3組試樣(圖2中S4、S5、S6), 利用X衍射試驗(yàn)進(jìn)行粘土礦物組成綜合測定。結(jié)果顯示斜坡黃土狀土的粘土礦物以伊利石、蒙脫石、混層礦物占粘土礦物的相對含量的 49%～69%, 其混層比約為 45%左右,屬中等混合比礦物, 伊利石、蒙脫石、混層礦物占天然干土重的 12.1%～36.6%(絕對含量), 伊利石占4.3%～15%, 高嶺石占 0.5%～2.6%。土體屬于粉質(zhì)黃土, 粘粒(＜0.005 mm)含量大都在 32%～42%左右, 膠粒(＜0.002 mm)含量平均在26%～32%左右。同時(shí)根據(jù)膨脹勢判斷標(biāo)準(zhǔn)(圖4), 滑坡土體表現(xiàn)為中等膨脹性。整個(gè)土體具有物理化學(xué)活性和親水性,飽和土體滲透作用下具有土體結(jié)構(gòu)失效的趨勢。

為了解土體的應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)、孔隙水壓力特征影響滑坡體的破壞、運(yùn)動(dòng)機(jī)制, 依據(jù)降雨的應(yīng)力路徑制定, 采用固結(jié)不排水剪切試驗(yàn), 本次試驗(yàn)土樣采用嶺南滑坡坡體中1 m、2 m、3 m深度處土體, 試驗(yàn)土樣采用標(biāo)準(zhǔn)的試樣尺寸。由北京市勘測設(shè)計(jì)研究院三軸測試系統(tǒng)完成, 試驗(yàn)結(jié)果(圖5、圖6)表明:

①不同圍壓下, 孔隙水壓力均有峰值狀態(tài)出現(xiàn),在彈性階段, 孔隙水壓力劇烈增加, 特別是峰值應(yīng)變出現(xiàn)區(qū); 塑性階段, 孔隙水壓力下降, 低圍壓下(σ3≤100 kPa), 壓力增大過程中, 固結(jié)不排水的土樣體積增大, 致使孔隙水壓力出現(xiàn)負(fù)值。高圍壓下孔隙水壓力變化均為正值。

②土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)應(yīng)變硬化型, 具有剪脹性質(zhì)。在中、低圍壓下(σ3≤200 kPa), 彈性極限、屈服強(qiáng)度與峰值應(yīng)變均隨著圍壓的增大而增大。

③土體剪脹性質(zhì)改變了土體的孔隙特征, 影響變形速率、孔隙水壓力變化, 但影響范圍有限, 土體最終強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)完全喪失。

暴雨影響斜坡體內(nèi)地下水位, 對土體而言帶來了不同的應(yīng)力過程。暴雨入滲條件下, 土體經(jīng)歷非飽和至飽和過程, 斜坡土體破壞應(yīng)力路徑, 表現(xiàn)為所受偏應(yīng)力 q不變, 平均有效應(yīng)力 p逐漸減小。當(dāng)降雨為連陰雨時(shí), 地下水位以上土體初始應(yīng)力路徑與暴雨入滲相同, 土體所受偏應(yīng)力 q不變, 平均有效應(yīng)力 p逐漸減小, 所受總應(yīng)力σ1、σ3隨降雨入滲增大, 而后經(jīng)歷總應(yīng)力σ1、σ3隨降雨入滲保持不變,土體內(nèi)孔隙水壓力繼續(xù)增加。

圖2 滑坡分布平面圖Fig.2 Plan view of Lingnan landslide

圖3 嶺南滑坡A-A’剖面圖Fig.3 Profile A-A’ of Lingnan landslide

圖4 膨脹性判斷圖Fig.4 Judging diagram of swelling trend

圖5 固結(jié)不排水應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.5 Stress-strain curve for undrained compression test

圖6 孔隙水壓力—應(yīng)變關(guān)系Fig.6 Relation between pore water pressure and axial strain

土體強(qiáng)度特征與滑坡變形破壞的關(guān)系研究較多(Dai et al., 2002; 張永雙等, 2005), 土體應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)表明滑坡土體具有強(qiáng)度軟化特征, 同時(shí)表現(xiàn)出剪脹特征。斜坡坡腳的黃土泥流多在暴雨天氣出現(xiàn),暴雨入滲條件下, 斜坡土體破壞應(yīng)力路徑應(yīng)為土體所受偏應(yīng)力 q不變, 平均有效應(yīng)力 p逐漸減小的過程, 總應(yīng)力σ1、σ3增大, 土體內(nèi)孔隙水壓力逐漸增加。對于剪脹型土, 孔隙比增加, 孔隙水壓力減小。暴雨過程中孔隙水壓力的降低因雨水快速入滲而迅速恢復(fù), 滑動(dòng)土體的剪切滑動(dòng)變形可以持續(xù), 變形的持續(xù)與雨水入滲的速率及入滲量有關(guān), 高含水量導(dǎo)致難以形成統(tǒng)一滑動(dòng)面, 黃土表層近飽和土體緩慢向下流動(dòng), 勢能高的地區(qū)土體流動(dòng)速度可能較大(Sharma et al., 2008; Sassa, 1984; Hunger, 1995;)。淺層變形破壞是麟游縣降雨滑坡的主要特征, 具體表現(xiàn)為黃土泥流、滑坡(Iverson, 2000; Hunger et al., 2001)。

2.3 誘發(fā)災(zāi)害的降雨強(qiáng)度特征

經(jīng)歷一次強(qiáng)降雨過程, 區(qū)域斜坡在雨水滲透、裂隙導(dǎo)水、強(qiáng)度弱化、非飽和到飽和轉(zhuǎn)換、地下水位上升、土體強(qiáng)度降低等一系列物理力學(xué)作用下,形成大面積的滑坡、泥流災(zāi)害。降雨量大小主導(dǎo)了這個(gè)過程中的土體滲透、浸潤土體厚度的變化、土體變形, 最終導(dǎo)致斜坡的變形失穩(wěn)。隨降雨量增大,群發(fā)滑坡災(zāi)害強(qiáng)度變大: 2007年8月9日降雨量達(dá)到103 mm., 達(dá)到30年來最大日降雨量, 誘發(fā)滑坡、黃土泥流災(zāi)害14處; 2005年9月20日降雨量達(dá)到101 mm, 在縣境范圍內(nèi)引發(fā) 25處滑坡、泥石流。1989年7月16日, 麟游縣兩亭鎮(zhèn)、招賢等鄉(xiāng)鎮(zhèn)特大暴雨16 h降雨量達(dá)97 mm, 造成13處滑坡和泥石流災(zāi)害。類似的日降雨強(qiáng)度超過100 mm的極端天氣,一般都會(huì)誘發(fā)大面積滑坡災(zāi)害。強(qiáng)降雨具有改變土體含水量, 引起地下水水位變動(dòng)的作用。

3 降雨誘發(fā)滑坡危險(xiǎn)性分析

降雨帶來的地表匯流、飽和土體厚度變化、巖土體性質(zhì)弱化是誘發(fā)2005年9月20日縣境同時(shí)發(fā)生25處滑坡的主要原因。考慮雨水浸潤厚度、巖土體力學(xué)性質(zhì)對斜坡單元的降雨響應(yīng), 進(jìn)行定量的計(jì)算分析, 可以完成區(qū)域滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性的分級、分區(qū)。改進(jìn)的無限斜坡模型與GIS空間分析環(huán)境為進(jìn)行上述危險(xiǎn)性分析的提供了有效手段(Guzzetti et al., 2008; Salciarini et al., 2006; Xie et al., 2004)。

無限斜坡模型為確定性的數(shù)學(xué)力學(xué)方法, 最早用于計(jì)算地震誘發(fā)滑坡, 反映區(qū)域在不同烈度參數(shù)下地震滑坡的分布(Xie et al., 2004; Tsai et al., 2010; Capparelli et al., 2010a, b; Ko et al., 2004)。麟游縣的黃土梁峁形態(tài), 滿足無限斜坡模型的層狀結(jié)構(gòu)假設(shè),因此論文選擇改進(jìn)的無限斜坡模型方法, 通過簡化斜坡結(jié)構(gòu), 分析不同降雨量下區(qū)域斜坡單元的浸潤土體厚度變動(dòng)、物理力學(xué)穩(wěn)定性的大小, 以定量反映區(qū)域危險(xiǎn)性的空間分布特征。完成不同降雨強(qiáng)度下斜坡單元穩(wěn)定性的間斷動(dòng)態(tài)分析。

3.1 無限斜坡模型

基于無限斜坡模型的滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃, 在ARCGIS提供的空間建模模塊中, 將地形DEM、巖土力學(xué)性質(zhì)、斜坡坡度等參數(shù)圖層?xùn)鸥窕尚卧w, 對每一柵格單元體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。計(jì)算過程由兩部分完成: 降雨浸潤土體厚度的計(jì)算、迭代浸潤土體厚度的穩(wěn)定性分析。浸潤土體厚度的計(jì)算通過達(dá)西定律實(shí)現(xiàn)(圖7), 定律假設(shè)雨水入滲為穩(wěn)定或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)地下水。公式(1)為達(dá)西定律, 反映降雨的坡面地表水流量與滲透系數(shù)、水力梯度、斷面面積的關(guān)系。公式(2)是滲透系數(shù)在坡面分量, 與土體厚度相關(guān)。公式(3)是經(jīng)過降雨滲透地下水水位達(dá)到的高度。計(jì)算過程由公式(1)、(2)、(3)順次完成。

計(jì)算參數(shù)含義為: 降雨量q(Q)、土體滲透系數(shù)K、土體厚度H、斜坡坡度θ、滲流面積a。計(jì)算過程分別建立起6個(gè)計(jì)算參數(shù)的對應(yīng)圖層。

無限斜坡模型的力學(xué)穩(wěn)定性同樣通過柵格塊體單元完成(圖8): (1)假設(shè)每個(gè)斜坡柵格單元都為剛性塊體; (2)假設(shè)每個(gè)單元的穩(wěn)定性與其周圍單元相互獨(dú)立。將地形DEM的柵格化得到的離散斜坡塊體單元, 綜合考慮塊體單元的粘聚力、內(nèi)摩擦力、浸潤土體厚度變動(dòng)下土體強(qiáng)度變化(如圖4)。每個(gè)離散的塊體單元穩(wěn)定性FS根據(jù)與地下水高度相關(guān)水壓力項(xiàng)Fw(公式5)、土體強(qiáng)度項(xiàng)Fc(公式6)、土體內(nèi)摩擦角項(xiàng)Ff(公式7)三部分的和作用來判斷。

圖8 水文地質(zhì)模型Fig.8 Hydrogeological structure

圖9 無限斜坡計(jì)算模型Fig.9 Infinite slope model

計(jì)算參數(shù)含義為土體粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ、土體浸水前后的重度γ、斜坡坡度θ、土體的厚度h。將斜坡劃分為不同的柵格單元。采用一維無限斜坡分析, 來確定每個(gè)柵格單元FS數(shù)值。柵格疊加的計(jì)算結(jié)果中當(dāng)FS大于1.0, 表明穩(wěn)定, 為低危險(xiǎn); FS小于1.0表明斜坡不穩(wěn)定, 為高危險(xiǎn), FS值越大, 說明斜坡越穩(wěn)定。

3.2 參數(shù)選取

運(yùn)用達(dá)西定律進(jìn)行浸潤土體厚度計(jì)算時(shí), 土體滲透系數(shù)、地形參數(shù)分別通過試驗(yàn)與GIS地形分析建立(圖10, 11), 降雨量參數(shù)較難選取。地質(zhì)災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)記錄較多的是極端天氣情況, 降雨量低于50 mm的記錄很少。論文在計(jì)算分析過程中參考麟游縣歷史極端降雨資料, 統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算滑坡數(shù)量與降雨量之間對應(yīng)關(guān)系, 同時(shí)參考全球降雨滑坡體積與降雨量之間的關(guān)系, 選取自然無降雨、25 mm、50 mm與75 mm四類不同的雨量值作為降雨強(qiáng)度。

圖10 區(qū)域地形DEMFig.10 Digital elevation model of the region

圖11 區(qū)域巖性分布Fig.11 Distribution of rocks and soils

運(yùn)用無限斜坡模型進(jìn)行區(qū)域危險(xiǎn)性分析時(shí), 將黃土覆蓋的梁峁塬區(qū)的斜坡的結(jié)構(gòu)簡化為上覆松散體、下伏基巖的層狀結(jié)構(gòu), 這種簡化與全區(qū)第四系黃土、紅色粘土、白堊系砂礫巖之間兩兩疊置的層狀地貌結(jié)構(gòu)接近。無限斜坡模型涉及到的試驗(yàn)計(jì)算參數(shù), 根據(jù)麟游縣全境 56個(gè)勘測點(diǎn)的巖土體力學(xué)參數(shù)與滲透系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果, 力學(xué)參數(shù)按照分四組的不同降雨量下土力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)測試(表1), 各巖性地層的粘聚力、內(nèi)摩擦角、重度隨降雨量的變化, 滲透系數(shù)為固定值。土體深度的控制參考調(diào)查中的實(shí)測剖面。

3.3 危險(xiǎn)性計(jì)算

在 ARCGIS提供的空間建模模塊, 較容易實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的空間分析、建模與方程表達(dá)。計(jì)算分析最為重要的從地形 DEM 到斜坡計(jì)算單元網(wǎng)格的轉(zhuǎn)換。單元網(wǎng)格的劃分直接影響著滑坡危險(xiǎn)性的評估的合理性。本文中危險(xiǎn)性評價(jià)分析選取25 m×25 m大小的網(wǎng)格進(jìn)行分析, 主要考慮 1:50000地理底圖的分辨率。分別選取自然無降雨、25 mm、50 mm與75 mm四種狀態(tài), 計(jì)算對應(yīng)的地下水位、斜坡單元穩(wěn)定性。按照步驟逐層疊加計(jì)算。

表1 模型計(jì)算參數(shù)簡表Table 1 Parameters of the model

計(jì)算結(jié)果顯示: 在自然無降水情況下, 高危險(xiǎn)區(qū)面積占全區(qū)7.75%; 降雨量25 mm時(shí), 高危險(xiǎn)區(qū)面積占全區(qū)9.54%; 降雨量50 mm時(shí), 高危險(xiǎn)區(qū)面積占全區(qū)10.12%; 降雨量75 mm時(shí), 高危險(xiǎn)區(qū)面積占全區(qū) 15.43%。隨著降雨強(qiáng)度的增大, 危險(xiǎn)斜坡單元范圍上呈區(qū)域性、數(shù)量上呈遞增型變化。

4 計(jì)算結(jié)果與誤差分析

4.1 危險(xiǎn)區(qū)分布特征

柵格統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn), 自然無降雨、25 mm、50 mm與75 mm計(jì)算結(jié)果表明, 隨著降雨量的增大,高危險(xiǎn)區(qū)增長較快, 高危險(xiǎn)區(qū)的數(shù)量從無降雨7.75%增長至28.43%, 增加了近4倍。低危險(xiǎn)區(qū)的面積從自然狀態(tài)的61%減少到50.59%, 與中危險(xiǎn)區(qū)從31.25%減少到20.98%變化幅度相同。降雨強(qiáng)度的增大導(dǎo)致低危險(xiǎn)、中危險(xiǎn)、高危險(xiǎn)的次序變化。

通過計(jì)算得出的危險(xiǎn)性分區(qū)圖, 反映了區(qū)域斜坡單元在不同降雨強(qiáng)度下斜坡的響應(yīng)特征。按照計(jì)算公式高危險(xiǎn)、中危險(xiǎn)及低危險(xiǎn)的劃分, 在無降雨情況下, 全縣的危險(xiǎn)程度差異不大, 高危險(xiǎn)區(qū)零星分布, 集中在坡度較高的黃土梁梁頂部(圖12)。降雨25 mm時(shí), 滑坡高危險(xiǎn)區(qū)集中出現(xiàn), 除中部分水嶺地區(qū)高危險(xiǎn)區(qū)斷續(xù)出現(xiàn), 黃土梁溝谷地區(qū)較集中(圖13); 降雨50 mm時(shí), 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性成帶成片發(fā)育特征明顯, 中部分水嶺地區(qū)、北部天堂鎮(zhèn)、丈八鄉(xiāng)均出現(xiàn)高密度的滑坡危險(xiǎn)區(qū)(圖14)。降雨75 mm時(shí),危險(xiǎn)區(qū)所在范圍與50 mm降雨差異不大, 因采用柵格計(jì)算原因, 在高危險(xiǎn)區(qū)除了在區(qū)域上具有集中發(fā)育特征外, 在同一地區(qū), 隨著降雨強(qiáng)度的增大, 危險(xiǎn)單元數(shù)量也出現(xiàn)顯著變化(圖15)。

無降雨、25 mm、50 mm與75 mm下的危險(xiǎn)區(qū)域發(fā)育特征分析可以為臨界降雨量的獲得提供依據(jù),當(dāng)降雨強(qiáng)度超過臨界值時(shí), 進(jìn)入相應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警狀態(tài)。由于物理力學(xué)模型的簡化, 計(jì)算分析沒考慮滲透速率, 因而上述分析還不能完全作為監(jiān)測預(yù)警的判據(jù), 但在同樣降雨強(qiáng)度下縣境斜坡的已表現(xiàn)出不同的響應(yīng)機(jī)制, 對比分析可以看到, 顯示出高危險(xiǎn)區(qū)成帶發(fā)育的特征中部分水嶺地區(qū)、北部天堂鎮(zhèn)、丈八鄉(xiāng)是降雨滑坡的高危險(xiǎn)區(qū)。

4.2 誤差分析

計(jì)算分析得到的危險(xiǎn)區(qū)范圍(圖 15)與調(diào)查的地質(zhì)災(zāi)害的分布(圖1)具有一定的吻合性, 其中高危險(xiǎn)區(qū)所在的中部分水嶺地區(qū)、北部天堂鎮(zhèn)、丈八鄉(xiāng)與實(shí)際情況相符。在麟游縣南部的基巖山區(qū)危險(xiǎn)區(qū)一直處于低危險(xiǎn)狀態(tài), 稍有偏差。分析其主要原因:

(1)計(jì)算結(jié)果中反映出的中部分水嶺對降雨的敏感, 與實(shí)際地質(zhì)災(zāi)害分布圖的一致性, 反映了地形起伏度、土體強(qiáng)度是該區(qū)域降雨滑坡發(fā)育的主要影響因素, 而南部碳酸鹽丘陵地區(qū)危險(xiǎn)區(qū)計(jì)算的誤差間接說明, 論文選擇的無限斜坡模型參數(shù)可能與降雨誘發(fā)基巖山區(qū)滑坡的參數(shù)有差異, 這是南部小面積危險(xiǎn)性計(jì)算存在誤差的主要原因。

(2)分析計(jì)算選取的是麟游縣數(shù)字化的1:50000地理地圖, 分辨率較低, 導(dǎo)致空間分析網(wǎng)格劃分中斜坡單元尺寸較大。計(jì)算結(jié)果只能宏觀地反映巖性單元、大的地貌單元在不同降雨強(qiáng)度下的危險(xiǎn)性。難于刻畫微地貌陡坎、溝壑對滑坡形成的影響。體積較小的黃土崩滑、黃土泥流、黃土侵蝕更難考慮。

(3)GIS信息處理系統(tǒng)目前只能完成柵格計(jì)算分析。利用一維無限斜坡模型與達(dá)西定律結(jié)合, 對區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行定量評價(jià), 難于處理實(shí)際情況中的三維剖面; 計(jì)算中的柵格單元是獨(dú)立計(jì)算單元, 不能反映力、地下水在柵格單元之間傳遞的物理過程, 特別是孔隙水壓力與土體側(cè)壓力的傳遞。

危險(xiǎn)區(qū)計(jì)算因誤差的存在, 有多方面不足。但計(jì)算分析的結(jié)果一定程度上反映該地區(qū)滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性的空間差異和分布特征, 具有可參考性。

圖12 無降雨危險(xiǎn)性Fig.12 Factor of safety under the condition of no rainfall

圖13 25 mm降雨危險(xiǎn)性Fig.13 Factor of safety under the condition of 25 mm rainfall

5 結(jié)論

降雨易在黃土丘陵區(qū)誘發(fā)淺表層滑坡災(zāi)害, 論文以麟游縣為例, 進(jìn)行了降雨誘發(fā)淺表層黃土滑坡災(zāi)害研究。在通過對麟游縣地質(zhì)災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上, 完成了降雨滑坡的變形破壞特征的分析, 基于無限斜坡模型定量完成了區(qū)域斜坡對不同降雨強(qiáng)度的響應(yīng), 滑坡災(zāi)害的分區(qū)分級, 客觀反映了降雨量增大對黃土丘陵區(qū)滑坡的危險(xiǎn)性影響。

(1)黃土丘陵區(qū)滑坡災(zāi)害與地形地貌、巖土體力學(xué)性質(zhì)相關(guān), 降雨、地表水的溯源侵蝕作用是滑坡災(zāi)害發(fā)育的宏觀背景。

(2)嶺南典型降雨滑坡形成機(jī)制分析表明, 降雨在麟游縣等黃土丘陵區(qū)易誘發(fā)淺表層黃土滑坡, 以黃土泥流為主。

圖14 50 mm降雨危險(xiǎn)性Fig.14 Factor of safety under the condition of 50 mm rainfall

圖15 75 mm降雨危險(xiǎn)性Fig.15 Factor of safety under the condition of 75 mm rainfall

(3)降雨量相同時(shí), 區(qū)域斜坡單元的響應(yīng)機(jī)制不相同, 高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)與低危險(xiǎn)區(qū)集中在不同區(qū)域產(chǎn)生, 差異明顯。在無降雨、25 mm、50 mm、75 mm四種不同降雨量下, 中部分水嶺地區(qū)、北部天堂鎮(zhèn)、丈八鄉(xiāng)是高危險(xiǎn)區(qū), 極易形成降雨滑坡災(zāi)害。

(4)降雨是誘發(fā)麟游縣滑坡災(zāi)害群發(fā)主要因素。降雨誘發(fā)災(zāi)害的高危險(xiǎn)區(qū), 威脅附近村鎮(zhèn)居民安全,需要采用監(jiān)測預(yù)警和相應(yīng)防治措施。中等危險(xiǎn)區(qū)汛期需要采用群測群防預(yù)警措施。低危險(xiǎn)面積汛期需提高警惕, 防止突發(fā)事件發(fā)生。

(5)無限模型適合計(jì)算降雨誘發(fā)的淺表層滑坡,能夠很好反映降雨量誘發(fā)滑坡災(zāi)害響應(yīng), 得出的危險(xiǎn)性分布具有符合實(shí)際情況, 危險(xiǎn)性計(jì)算的誤差與地理底圖分辨率、計(jì)算參數(shù)有關(guān)。

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中國地質(zhì)科學(xué)院開展紀(jì)念第43個(gè)世界地球日系列活動(dòng)

2012年4月22日, 是第43個(gè)“世界地球日”。今年“世界地球日”的主題是, “珍惜地球資源, 轉(zhuǎn)變發(fā)展方式。推進(jìn)找礦突破, 保障科學(xué)發(fā)展”。中國地質(zhì)科學(xué)院開展了一系列科普活動(dòng), 紀(jì)念第43個(gè)“世界地球日”。

4月 21日, 中國地質(zhì)科學(xué)院邀請北京大學(xué)附小、北京市第二實(shí)驗(yàn)小學(xué)的“李四光中隊(duì)”少先隊(duì)員們來院聽科普講座, 參觀大陸構(gòu)造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、大陸動(dòng)力學(xué)博物館和深部探測研究中心。

董樹文副院長主持了科普講座, 他代表中國地質(zhì)科學(xué)院歡迎“李四光中隊(duì)”少先隊(duì)員們的到來, 并向隊(duì)員們介紹了世界地球日的由來以及我國礦產(chǎn)資源的現(xiàn)狀和面臨形勢。著名古生物專家季強(qiáng)研究員為少先隊(duì)員們做了《鳥類的前世與今生》科普講座, 他以生動(dòng)形象的語言向少先隊(duì)員們講解了鳥類的演化, 上了一堂生動(dòng)的鳥類知識(shí)課, 季強(qiáng)研究員現(xiàn)場回答了學(xué)生們的提問, 現(xiàn)場氣氛熱烈。

在聽完講座后, 少先隊(duì)員們參觀了大陸構(gòu)造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和大陸動(dòng)力學(xué)博物館, 許志琴院士在百忙中抽出時(shí)間, 親自為“李四光中隊(duì)”少先隊(duì)員們擔(dān)當(dāng)講解員, 她為學(xué)生們介紹了大陸科學(xué)鉆, 生動(dòng)地講解了巖芯標(biāo)本的奧秘。

在參觀深部探測研究中心時(shí), 少先隊(duì)員們聽取專家講解地震或地電探測地球深部的理論與方法, 認(rèn)識(shí)了大地電磁儀、深層地震儀等最新型地質(zhì)勘探儀器設(shè)備, 觀看了“地球深部探秘”系列影片和“走進(jìn)地球深部”電視短片。

4月22日全天, 中國地質(zhì)科學(xué)院所屬的深部探測研究中心、生態(tài)地球化學(xué)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室、無機(jī)實(shí)驗(yàn)室、有機(jī)實(shí)驗(yàn)室、電子探針實(shí)驗(yàn)室、激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)室、同位素地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、大陸構(gòu)造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、大陸動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、地層與古生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、地應(yīng)力測量實(shí)驗(yàn)室、高溫高壓實(shí)驗(yàn)室、古地磁重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等國家、部門、院級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室向社會(huì)開放。

本刊編輯部 采編

A Predictive Study of the Hazardousness of Landslides in Loess Hilly Region Based on Rainfall Response: A Case Study of Linyou County, Baoji City

XIN Peng1,2), WU Shu-ren1,2), SHI Ju-song1,2), WANG Tao1,2), LIU Zhen3)
1) Institute of Geomechanics ,Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081;
2) Key laboratory of Neotectonic Movement and Geohazards, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081;
3) Department of Civil & Environmental Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, USA

Extreme rainfall may easily lead to mass landslide disasters, which, however, cannot be predicted as a monomer.To predict and evaluate the hazards of landslide disasters induced from different rainfall intensities in the loess hill regions, the authors analyzed the characteristics of rainfall intensity and landslide distribution on the basis of studying the characteristics of regional landslide disasters, introduced the principle of the infinite slope model and parameter selection by analyzing formation mechanism of landslides in loess-hilly areas induced by rainfall with Lingnan landslide as an example, completed quantitative studies of hazards of landslide disasters under four different rainfall conditions, i.e., no rainfall, 25 mm, 50 mm and 75 mm respectively using GIS spatialmodeling and analysis and analyzed their errors.The results show that: (1) landslide disasters in loess hilly areas are related to topography, mechanical properties of rock bodies and earth.Headward erosion of rainfall and surface water is macro background of developing landslide disasters.(2) Rainfalls in loess hilly areas such as Linyou County are prone to inducing shallow strata loess landslide, represented by loess mudflow and shallow landslides.(3) For the same amount of rainfall, different units in slope areas have different response mechanisms, and high risk zones, middle risk zones and low risk zones are generated in areas with significant differences.Under the four different rainfall conditions of no rainfall, 25 mm, 50 mm and 75 mm, watershed area in the middle, Tiantang Town in the north, and Zhangba Township are high risk zones which are prone to generating rainfall landslide disasters.(4) In high risk zones with rainfall induced disasters, the situation threatens safety of residents of nearby villages and small towns, and hence monitoring, warning and corresponding preventive measures should be taken.In middle risk zones, mass monitoring, preventing and warning measures should be taken in flood seasons.In low risk zones, people should be vigilant in preventing unexpected incidents in flood seasons.(5) The infinite model is fit for calculating shallow slides induced by rainfall, reflecting response to rainfall induced landslide disasters soundly.The derived hazard distribution meets actual conditions.The errors of calculating hazards are related to resolution of geographic base maps and selection of calculating parameters.

rainfall; loess hills; landslide; infinite slope model; hazard

P642.22; P694

A

10.3975/cagsb.2012.03.09

本文由國家自然基金項(xiàng)目(編號(hào): 40802085; 41102165)、科技部十二五科技支撐項(xiàng)目(編號(hào): 2012BAK10B02)和中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(編號(hào): DZLXJK201111)聯(lián)合資助。

2012-01-21; 改回日期: 2012-02-25。責(zé)任編輯: 閆立娟。

辛鵬, 男, 1984年生。博士研究生。主要從事滑坡災(zāi)害機(jī)理及其風(fēng)險(xiǎn)評估研究。E-mail: xxiinnpp@126.com。

*通訊作者: 吳樹仁, 男, 1956年生。研究員, 博士生導(dǎo)師。主要從事工程地質(zhì)研究。E-mail: shurwu@cags.net.cn。