物理學(xué)區(qū)劃滑坡隱患方法應(yīng)用

李存金 王瑞軍 孫永彬 王詵

摘要：物理學(xué)在各行各業(yè)有著重要的理論和實用價值。文章借助物理學(xué)力學(xué)理論，設(shè)計出滑坡災(zāi)害的隱患的物理模型，并結(jié)合有限元思想將滑坡體分割成等單元體，分別進行計算，量化每個單元體的危險系數(shù)，并進行分級，生成滑坡災(zāi)害隱患區(qū)劃圖，為滑坡地質(zhì)災(zāi)害靶區(qū)快速鎖定，提供了新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：物理學(xué);滑坡災(zāi)害區(qū)劃;GIS技術(shù);方法

中圖分類號：P642 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0118-04

1概述

滑坡是一定地質(zhì)條件下，斜坡部分巖石、土壤，在自重作用下受外界因素影響失去穩(wěn)定性沿著內(nèi)部軟弱面產(chǎn)生滑動變形的現(xiàn)象。它給各種工程以及周邊人文的安全帶來危害和隱患。我國是世界上滑坡比較嚴重的國家之一，幅員遼闊，三分之二的國土為山地，這決定了我國有大量的自然滑坡，遍布全國各地。近年來我國400多個城市，受到滑坡災(zāi)害的侵害，數(shù)千人死于滑坡。快速且低成本的預(yù)測出滑坡、發(fā)現(xiàn)滑坡的手段迫在眉睫。

目前滑坡體的危險性評價技術(shù)有有限元法，該方法起源于20世紀50年代，主要用于評價單個目標的滑坡體，目前該方法應(yīng)用于工程中具體的物體二維或三維的趨勢分析，國內(nèi)外也有了集成化的計算工具。本文主要借鑒有限元的思路去解決批量滑坡尋找的問題，該方法主要應(yīng)用在二維空間水平平面的滑坡位置的確定方面的研究。

1993年以來隨著GIS軟件的迅猛發(fā)展，產(chǎn)生了一些新的災(zāi)害評價方法，最主要的是權(quán)重確定因子疊加的遙感技術(shù)方法。目前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測評價研究的理論主要停留在層次分級，因子疊加，計算出圖，得出預(yù)測結(jié)果作為參考依據(jù)。

本文的創(chuàng)新之處在于繞過多因子權(quán)重疊加分析評價的方法，借助物理學(xué)工具，從力學(xué)角度出發(fā)，分析滑坡災(zāi)害的形成機理，制造質(zhì)點模型，然后借助微積分思想，聚集算出批量模型質(zhì)點，并組成數(shù)據(jù)庫，制作出滑坡隱患區(qū)劃圖，在力學(xué)理論層面對滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患評價方面進行強有力的技術(shù)支撐。是一種快速簡單的思想和方法，它能客觀的從受力角度評價滑坡發(fā)生的可能性大小，劃分出危險區(qū)域，具有一定的科學(xué)參考價值。該方法更加客觀的反映出滑坡災(zāi)害危險性的本質(zhì)。

本文僅拿出工作成果中的一個樣本，作為研究對象闡述物理學(xué)區(qū)劃滑坡隱患區(qū)方法的示范。

2物理力學(xué)方法理論

將滑坡體劃分成小單元，設(shè)想位于斜坡上處于穩(wěn)定靜止狀態(tài)，與自然狀態(tài)下未發(fā)生災(zāi)害時狀態(tài)相吻合。（圖1）計算公式如下：

正常情況下，下滑力與靜摩擦力相等，物源處于穩(wěn)定狀態(tài)（Fx=f）;當發(fā)生強降雨時水滲入巖土體或者強震動發(fā)生，摩擦系數(shù)將會降低，巖體的重量將會增加，最終導(dǎo)致下滑力大于滑動摩擦力（Fx>），產(chǎn)生物理形變和滑坡面方向上的位移，容易發(fā)生滑坡災(zāi)害隱患。

將計算出的單元危險性值積分，并劃分等級，將危險數(shù)值高的地區(qū)突出表示。

3GIS操作

3.1數(shù)據(jù)準備

野外采集工作區(qū)的滑坡物源信息，用物探、勘探、測量等手段，將工作區(qū)不同的物源劃分種類并計算出啟動厚度、分類面積、啟動方量等數(shù)據(jù)，并搜集高精度DEM數(shù)據(jù)，生成坡度數(shù)據(jù)。（圖2、表1）

3.2數(shù)據(jù)處理與成果分析

用GIS軟件計算出滑坡面坡度（0）數(shù)據(jù)，以及溝道物源與斜坡物源的范圍，本文研究對象為溝道兩側(cè)的滑坡預(yù)測，用溝道兩側(cè)各25米，作為研究范圍。用DEM數(shù)據(jù)，計算出坡度值，繪制坡度分布圖（圖3），將單元劃分為10mx 10m，精度與DEM源數(shù)據(jù)保持一致。溝道的研究寬度可以根據(jù)實際工作區(qū)的地貌情況人為設(shè)計生成，必要時可以手動劃分出來。

求出每個單元體的下滑力（Fx），F(xiàn)x即為所求滑坡的危險系數(shù)。借助GIS軟件和物理理論處理數(shù)據(jù)，計算出發(fā)生災(zāi)害危險值并劃分危險等級。處理結(jié)果如（圖4）。深色部分即為降雨時應(yīng)當重點監(jiān)控的地方;淺色部分，為危險等級低的單元。我們可以將危險等級劃分得更詳細一些，本文為了展示成果方便直觀，對成果圖做了簡化處理，將1-4級劃分為低易發(fā)區(qū)，5-7級劃分為高易發(fā)區(qū)。

該區(qū)域共劃分單元格41960個，研究區(qū)總面積4.196km²。將物源分為壩階地堆積物、斜坡面堆積物、溝道堆積物、霧迷山組四段條帶白云巖、霧迷山組三段泥晶白云巖、石槽石英閃長巖、大理巖、石槽南霏細斑巖、其他共9大類，每一類按照危險指數(shù)劃分為7個等級，從（表2）可以看出物源類型按照壩階地堆積物、斜坡面堆積物、溝道堆積物、霧迷山組四段條帶白云巖、霧迷山組三段泥晶白云巖、石槽石英閃長巖、大理巖、石槽南霏細斑巖、其他9類單元數(shù)量依次減少。從（圖5）看出危險性等級低的單元占據(jù)了很大的比例，主要分布在1、2級，泥石流危害，幾乎不存在;危險等級高的單元主要分布在碳酸鹽巖地區(qū)，霧迷山組白云巖地區(qū)是重點滑坡隱患區(qū);其次分布在火山巖地區(qū)，這在我們野外調(diào)查中有很重要的指示意義。壩階地堆積物、斜坡堆積物和溝道堆積物存在滑坡危害的單元相對巖性堅硬的地區(qū)而言，發(fā)生災(zāi)害的密度要小很多。

4結(jié)論

物理學(xué)理論與GIS技術(shù)的結(jié)合從另一個角度解決了工作區(qū)滑坡災(zāi)害隱患的劃分，方法可行，該方法可以有效評價出滑坡災(zāi)害的危險等級，為我國的地質(zhì)災(zāi)害研究和地方災(zāi)害預(yù)防，預(yù)防工程布設(shè)以及區(qū)域規(guī)劃建設(shè)做出貢獻。

物理學(xué)模滑坡型方法可以快速批量生產(chǎn)出大面積的成果圖，成本低，效率高，四萬個單元格，運算起來非常快，相比多因子權(quán)重分析疊加來說，不需要太多數(shù)據(jù)成本就能做出結(jié)果。通過該方法，得到了北京市延慶區(qū)65高危險泥石流溝條溝的滑坡隱患圖件，完成了新的滑坡分區(qū)資料，填補了該地區(qū)滑坡危險區(qū)劃的空白。

數(shù)據(jù)精度直接影響了運算結(jié)果的精度，高質(zhì)量的DEM和堆積物精確的測量是做出的高可信度結(jié)果的關(guān)鍵因素。