坡體結構對地震滑坡發育貢獻率研究

曾耀勛，樊曉一，段曉冬

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010)

強烈地震作用下，往往會誘發大量的滑坡災害，尤其是在山嶺地區。我國是地震頻發的國家之一，由此引起的滑坡災害非常嚴重，如2008年5·12汶川Ms8.0級地震，在約48 700 km2的區域內，地震誘發了不少于48 000處的滑坡災害［1］;2010年 4·14玉樹Ms7.1級地震，觸發了2 036次滑坡災害［2］;2013 年4·20蘆山Ms7.0級地震觸發了1 800余處具有危害性的地質災害點，比地震前增加18%［3］。因此，地震滑坡研究具有重要現實意義。

坡體結構對坡體的變形破壞十分關鍵，坡體波動振蕩則是地震滑坡形成的主要原因之一。國內外針對坡體結構與地震滑坡研究頗多，方華等［4］根據汶川地震高速遠程滑坡處的坡體結構特點以及坡體對地震的動力響應，研究了地震滑坡體積、高差、坡度以及滑坡運動距離之間的相關性;許強等［5］利用物理模型試驗研究斜坡的地震響應，發現當坡體沒有控制性結構面時其破壞模式主要受坡度、坡形、坡體組成的影響;喬建平等［6-8］借助GIS技術，采用貢獻率分析法研究了三峽水庫區云陽一巫山段地層巖性、坡形、高差對滑坡發育的貢獻率;成永剛等［9］利用貢獻率分析法研究了層面傾角對順層巖質滑坡的貢獻率，得出層面傾角為10°～25°的坡體對順層巖質滑坡的貢獻程度最高。依據5·12汶川地震災后現場調查與相關文獻資料所收集的986個規模超過1萬m3的地震滑坡詳細資料，基于貢獻率分析法及極差分析法，以滑坡數量、面積、體積以及變形長度作為地震滑坡發育指標，分析坡體組成、坡度、坡型、斜坡坡向與地層傾向差和斜坡坡角與地層傾角差共五個坡體結構因素對地震滑坡發育的貢獻率。

1 坡體結構分類

貢獻率分析法作為一種信息數據處理方法，具有樣本分類與系統因素分析的雙重功能，是一種定性與定量相結合的廣義量化分析方法，應用該方法可以將某一坡體結構因素與地震滑坡的關系定量化，相比傳統統計方法可以提高分析結果的準確性和可靠性。坡體結構的具體區間分類如表1所示。

表1 坡體結構區間分類

貢獻率分析法的計算公式為

式中:Qij為某坡體結構因素各區間對地震滑坡發育指標的貢獻率;nj為各區間的地震滑坡發育指標統計;Nj為該坡體結構因素各區間統計指標之總和。

2 坡體結構的貢獻率分析

2.1 滑坡數量貢獻率統計

利用坡體結構區間分類表及貢獻率分析法的計算公式可以得到坡體結構因素各區間與滑坡數量的貢獻率關系，如圖1所示。

圖1 坡體結構因素對滑坡數量的貢獻率

由圖1可以發現，在地震作用下，坡體結構與滑坡數量的關系具有如下趨勢:

1)軟巖類斜坡發生的滑坡災害最多，硬巖類斜坡發生的滑坡災害最少。而且相對于土質斜坡，地震作用下，巖質斜坡更易于誘發滑坡災害(約占70%)。這是由于在強烈的地震動作用下，斜坡主要呈現出以拉裂破壞為主的特征，與常規重力作用下以剪切滑動破壞為主的特征有顯著區別，這也是巖質斜坡的動力響應程度大于土質斜坡的結果。

2)坡度為25°～50°時地震滑坡數量最多，即地震滑坡多半發生于坡度為25°～50°的斜坡。一般而言，斜坡的坡度越陡越易觸發滑坡，但對于某一地區而言，往往存在著滑坡發育的優勢坡度范圍，如1974年昭通地震，滑坡發育的優勢坡度范圍為35°～45°，1973年爐霍地震，滑坡發育的優勢坡度范圍為 30°～50°［10］。本文所取的地震滑坡數據為汶川地震災后調查統計所得，因此可以認為2008年汶川地震，滑坡發育的優勢坡度范圍為25°～50°，這也與文獻［11］中關于汶川地震滑坡坡度的研究結果相符。

3)直線形與凸形斜坡有利于滑坡發育，而階梯形與凹形斜坡則滑坡發育較少。在實際工程中也往往利用這點增加邊坡穩定程度，如將邊坡挖成階梯形來防止邊坡失穩。

4)坡向與地層傾向差、坡角與地層傾角差跟滑坡數量的關系具有一致性，差值越小則越有利于地震滑坡數目的發育。

2.2 滑坡面積、體積及變形長度貢獻率統計

利用式(1)，可以得到坡體結構因素各區間與滑坡面積、體積及變形長度的貢獻率關系，如圖2～圖4所示。

圖2 坡體結構因素對滑坡面積的貢獻率

圖3 坡體結構因素對滑坡體積的貢獻率

圖4 坡體結構因素對滑坡變形長度的貢獻率

從圖2～圖4可以看出，各坡體結構因素各區間對滑坡面積、體積及變形長度的貢獻率基本一致，即硬巖類坡體、坡度＞75°、坡型為凹形，傾向差＞240°以及傾角差＞75°貢獻率較低，均不利于滑坡面積、體積及變形長度的發育;而軟巖類坡體、坡度25°～50°、坡型為直線、傾向差＜90°以及傾角差＜25°則貢獻率較高，有利于此三者的發育。

2.3 地震滑坡發育指標貢獻率分析

圖1～圖4反映了各地震滑坡發育指標的最有利及不利坡體結構因素區間，但尚未綜合考慮坡體結構中哪種因素為地震滑坡發育指標的主控因素，因此利用極差分析法，分析各坡體結構因素對地震滑坡發育的貢獻程度，確定其主次地位。極差R是度量數據波動大小的一個重要指標，在此代表某坡體結構因素各區間對地震滑坡發育貢獻率最大值與最小值的差，極差值大的因素對指標的影響大，是影響指標的主要因素;反之，極差值小的因素對指標影響小，是影響指標的次要因素［12］。計算結果如圖5所示。

圖5 坡體結構因素與地震滑坡貢獻率極差的關系

從圖5可以看出，坡度(α)、斜坡坡角與地層傾角差(θ2)是影響各地震滑坡發育指標的最主要坡體結構因素，而其他坡體結構因素的影響程度則隨發育指標的不同而略有變動。對于地震滑坡數量及變形長度，其他坡體結構因素影響程度從大到小依次為M＞θ1＞T;對于地震滑坡面積，其他坡體結構因素影響程度從大到小依次為M＞T＞θ1;對于地震滑坡體積，其他坡體結構因素影響程度從大到小依次為T＞M＞θ1。

3 坡體結構綜合貢獻率評價

通過上述分析得到了坡體結構因素與地震滑坡發育指標(滑坡數量、面積、體積及變形長度)的貢獻率關系，采用疊加組合方法就可以得到坡體結構對地震滑坡發育的綜合貢獻率指數，并利用等距法劃分為高、中、低3個等級進行評價。

根據表2對坡體結構因素的貢獻率賦值，采用求均值的方法對同一坡體結構因素對地震滑坡發育的貢獻值進行疊加統計，得到綜合貢獻指數。

表2 不同坡體結構因素對地震滑坡發育貢獻率賦值

式中:Q(i)代表不同坡體結構因素對地震滑坡發育的綜合貢獻指數;q1(i)，q2(i)，q3(i)，q4(i)則分別代表同一坡體結構因素對各地震發育指標的賦值大小。

依據表2和式(2)可以得到:Q(M)=2.75;Q(α)=4.00;Q(T)=1.75;Q(θ1)=1.50;Q(θ2)=5.00。因此，各坡體結構因素對地震滑坡發育綜合貢獻指數按大小排列為

根據已得到的各坡體結構因素對地震滑坡發育綜合貢獻指數，按式(3)對地震滑坡發育的綜合貢獻率進行計算。

式中:Q0(i)為綜合貢獻率;S為各坡體結構因素對地震滑坡發育的綜合貢獻指數之和。

綜合貢獻率計算結果見圖6。

圖6 坡體結構因素對地震滑坡發育的綜合貢獻率

為了分析不同坡體結構因素對地震滑坡發育的綜合貢獻率程度，利用等距法劃分為高、中、低3個等級進行評價，見表3。

表3 坡體結構因素對地震滑坡發育綜合貢獻率評價

4 結論

1)坡體結構因素決定地震滑坡的空間分布，以及地震滑坡面積、體積和變形長度。

2)斜坡坡角與地層傾角差、坡度是影響地震滑坡發育的主要因素，其他坡體結構因素的影響程度則隨發育指標的不同而略有改變。

3)對于地震滑坡數量及變形長度，其他坡體結構因素影響程度從大到小依次為M＞θ1＞T;對于地震滑坡面積，其他坡體結構因素影響程度從大到小依次為M＞T＞θ1;對于地震滑坡體積，其他坡體結構因素影響程度從大到小依次為T＞M＞θ1。

4)根據上述結論，對坡體結構的綜合貢獻率作出評價，認為斜坡坡角與地層傾角差、坡度對地震滑坡發育的貢獻程度最高，坡體組成對地震滑坡發育的貢獻程度中等，坡型、斜坡坡向與地層傾向差對地震滑坡發育的貢獻程度最低。

［1］許沖，戴福初，肖建章.“5·12”汶川地震誘發滑坡特征參數統計分析［J］.自然災害學報，2011，20(4):147-153.

［2］許沖，徐錫偉，于貴華，等.玉樹地震滑坡影響因子敏感性分析［J］.科技導報，2012，30(1):18-24.

［3］裴向軍，黃潤秋.“4·20”蘆山地震地質災害特征分析［J］.成都理工大學學報:自然科學版，2013，40(3):257-263.

［4］方華，崔鵬.汶川地震大型高速遠程滑坡力學機理及控制因子分析［J］.災害學，2010，25(增):120-126.

［5］許強，陳建君，馮文凱，等.斜坡地震響應的物理模擬試驗研究［J］.四川大學學報:工程科學版，2009，41(3):266-272.

［6］喬建平，昊彩燕.三峽庫區云陽—巫山段斜坡高差因素對滑坡發育的貢獻率研究［J］.中國地質災害與防治學報，2005，16(4):16-19.

［7］喬建平，吳彩燕，田宏嶺.三峽庫區云陽—巫山段地層因素對滑坡發育的貢獻率研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(17):2920-2924.

［8］喬建平，吳彩燕，田宏嶺.三峽庫區云陽—巫山段坡形因素對滑坡發育的貢獻率研究［J］.工程地質學報，14(1):18-22.

［9］成永剛，王玉峰.層面傾角對順層巖質滑坡貢獻率研究［J］.巖土力學，2011，32(12):3708-3712.

［10］ZHOU Bengang，ZHANG Yuming.Some characteristics of earthquake-induced landslides in southwestern China［J］.Northwestern Seismological Journal，1994，16(1):96-103.

［11］姚鑫，許沖，戴福初，等.四川汶川Ms8級地震引發的滑坡與地層巖性、坡度的相關性［J］.地質通報，2009，28(8):1156-1162.

［12］樊曉一，喬建平.“坡”、“場”因素對大型滑坡運動特征的影響［J］.巖石力學與工程學報，2010，29(11):2337-2347.