舟曲江頂崖滑坡的早期判識(shí)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

韓旭東，付 杰，李嚴(yán)嚴(yán)，王高峰，曹 琛

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心/自然資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071051；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心/自然資源部三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害—重慶巫山野外科學(xué)觀測研究基地，重慶 404700；3.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124；4.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026）

隨著國家對(duì)地質(zhì)災(zāi)害防治工作更高的要求及期許，如何提前判識(shí)滑坡變形，并對(duì)該滑坡進(jìn)行早期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估已成為地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域最關(guān)注的焦點(diǎn)及難點(diǎn)。在滑坡變形早期判識(shí)工作方面，國外發(fā)展比較迅猛，歐洲尤其是意大利已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了基于InSAR 技術(shù)的全國范圍滑坡變形早期普查[1]。近年來，國內(nèi)研究者積極探索用于滑坡變形早期判識(shí)的InSAR 技術(shù)，在四川茂縣新磨村滑坡，金沙江白格滑坡及上下游滑坡，丹巴五里牌滑坡等眾多滑坡案例中得到了成功應(yīng)用[2?4]。在滑坡變形早期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面，傳統(tǒng)地質(zhì)分析可以有效地預(yù)測滑坡變形失穩(wěn)。在此基礎(chǔ)上，利用斜坡穩(wěn)定性力學(xué)分析計(jì)算方法，如極限平衡計(jì)算方法，有限元數(shù)值計(jì)算方法及離散元數(shù)值計(jì)算方法[5?6]，可獲取滑坡變形失穩(wěn)時(shí)的滑體幾何信息。滑坡變形失穩(wěn)后，對(duì)滑體的動(dòng)力過程進(jìn)行評(píng)估時(shí)，國內(nèi)外研究者采用了雪橇經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒌刃Я黧w模型和離散元模型等進(jìn)行分析，獲取滑體的動(dòng)力特征[7?9]。

2018年7月12日上午8 時(shí)左右，白龍江甘肅舟曲南峪段江頂崖區(qū)域發(fā)生滑坡，滑坡體向白龍江河道錯(cuò)動(dòng)，推擠白龍江河道，造成白龍江上游河道水位上漲，國道345 線中斷，南峪鄉(xiāng)段眾多房屋被淹。本文以該滑坡為分析案例，綜合研究滑坡變形的早期判識(shí)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。首先通過小基線集技術(shù)（SABS-InSAR）對(duì)該滑坡進(jìn)行早期形變及范圍判識(shí)，然后基于地質(zhì)-力學(xué)聯(lián)合分析，判斷該滑坡的變形失穩(wěn)機(jī)制及滑體幾何形態(tài)，最后通過基于深度積分的連續(xù)介質(zhì)等效流體數(shù)值模型計(jì)算該滑坡的動(dòng)力過程，評(píng)估其堵江風(fēng)險(xiǎn)。文章擬通過對(duì)江頂崖滑坡進(jìn)行綜合全面的分析，建立一套可行的滑坡變形早期判識(shí)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估全流程分析模式，為舟曲白龍江沿岸類似滑坡變形的早期判識(shí)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供借鑒。

1 舟曲江頂崖滑坡

甘肅舟曲縣南峪鄉(xiāng)段江頂崖滑坡位于白龍江北岸。滑坡體呈較典型“簸箕”狀，滑坡體物質(zhì)主要由碎石和黃土混合而成，碎石含量為65%～75%，碎石主要為灰色的炭質(zhì)板巖和千枚巖巖塊，局部夾有較大的灰?guī)r巖塊。此外，滑坡體中下部物質(zhì)摻雜了大量的灰黑色黏土與炭質(zhì)板巖以及千枚巖碎屑，遇水極易軟化，抗剪強(qiáng)度低[10]。受連續(xù)降雨影響，2018年7月12日上午8 時(shí)左右，江頂崖區(qū)域發(fā)生滑坡，滑坡體長度約為680 m，寬度約為210 m，平均厚度約為35 m，滑坡體總量達(dá)到了5×106m3，為大型滑坡，見圖1（a）。

圖1 舟曲江頂崖滑坡和江頂崖滑坡區(qū)域遙感影像Fig.1 Jiangdingya ladslide and remote sensing image in the Jiangdingya landslide area in Zhouqu

結(jié)合區(qū)域遙感影像可以發(fā)現(xiàn)，江頂崖滑坡為典型的白龍江江岸堆積層滑坡，其發(fā)育于巨型老滑坡堆積體前端，老滑坡堆積體長度約1 600 m，寬度約1 400 m，見圖1（b）。

2 InSAR 技術(shù)解譯及分析

2.1 研究區(qū)域數(shù)據(jù)

本文使用16 期歐洲航空局發(fā)布的哨兵-1A SAR影像數(shù)據(jù)及POD 精密定軌星歷數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)拍攝時(shí)間為江頂崖滑坡失穩(wěn)前的2018年1月9日—7月8日，數(shù)據(jù)間隔為12 d。區(qū)域地形數(shù)據(jù)采用日本宇宙航空研究所2014—2015年發(fā)布的較高精度的ALOS PALSAR觀測數(shù)據(jù)，見表1。

表1 哨兵-1 影像數(shù)據(jù)和ALOS PALSAR 地形數(shù)據(jù)信息Table 1 Information of Sentinel-1A images and ALOS PALSAR topography data

2.2 區(qū)域地表解譯

SBAS-InSAR 是Berardino 等[11]提出的一種時(shí)序InSAR 技術(shù)解譯方法。該方法通過設(shè)置時(shí)間和空間兩個(gè)維度的基線閾值構(gòu)建InSAR 影像數(shù)據(jù)間的兩兩組合，較PS-InSAR 技術(shù)解譯方法可獲取更多高相干性的SAR 影像數(shù)據(jù)組合，提高了解釋過程中對(duì)InSAR 影像數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間2 個(gè)維度上的采樣頻率，有利于減輕解譯過程中InSAR 影像數(shù)據(jù)間的時(shí)空失相關(guān)和大氣相位影響[12]。SBAS-InSAR 作為一種毫米精度的InSAR 后處理算法已經(jīng)被廣泛認(rèn)可。本文采用此技術(shù)，首先獲取研究區(qū)域的地表形變速率及地表位移[13]。解譯流程如下：

（1）生成16 期哨兵-1A SAR 影像數(shù)據(jù)間的空間和時(shí)間基線關(guān)聯(lián)表，空間和時(shí)間基線閾值分別設(shè)置為80 m和40 d。42 對(duì)哨兵-1A SAR 影像數(shù)據(jù)組合情況，見圖2。

圖2 16 期哨兵-1A SAR 影像數(shù)據(jù)的空間與時(shí)間基線關(guān)聯(lián)表Fig.2 Association of spatial and temporal baselines of 16 periods of sentinel-1A SAR data

（2）生成42 對(duì)哨兵-1A SAR 影像數(shù)據(jù)組合的差分干涉圖，采用16 期哨兵-1A POD 精密定軌星歷數(shù)據(jù)和ALOS PALSAR 地形數(shù)據(jù)去除差分干涉時(shí)的平地相位，采用經(jīng)典的Goldstein 濾波方法濾除干涉相位噪聲，提高信噪比，最終獲取了研究區(qū)域42 幅質(zhì)量較好的SAR 影像數(shù)據(jù)的干涉圖，其中江頂崖滑坡區(qū)域2018年6月14日影像與2018年7月8日的影像差分干涉圖結(jié)果示例見圖3。

圖3 江頂崖滑坡區(qū)域SAR 影像數(shù)據(jù)干涉相位分布Fig.3 Interference phase distribution of SAR images in the Jiangdingya landslide area

（3）獲取研究區(qū)域地表形變速率和時(shí)序地表形變，選取40 個(gè)穩(wěn)定的地表控制點(diǎn)用于軌道精煉及去除地形殘差相位的影響，進(jìn)行時(shí)空過濾計(jì)算，移除大氣延遲相位，采用經(jīng)典的最小費(fèi)用流方法進(jìn)行干涉相位解纏，最后采用奇異矩陣變換，獲取研究區(qū)域雷達(dá)視線方向的地表變形速率及時(shí)序變形。江頂崖滑坡2018年1月9日—7月8日期間平均變形速率及地表累積變形曲線，見圖4 和圖5。

圖5 江頂崖滑坡體雷達(dá)視線方向累積變形量曲線Fig.5 Cumulative deformation curves of the Jiangdingya landslide in radar line of sight

根據(jù)SBAS-InSAR 技術(shù)解譯結(jié)果，基于差分干涉圖和地表變形速率圖（圖3 和圖4），可以清晰辨別江頂崖滑坡的范圍。從江頂崖滑坡時(shí)序累積變形曲線（圖5）看，江頂崖滑坡時(shí)序累積變形曲線是一條典型的滑坡變形齋藤曲線[14]，具有典型的3 個(gè)階段演化特征：（1）滑坡體初始變形階段。江頂崖滑坡體開始變形，變形曲線變現(xiàn)為減速變形特征，時(shí)間大約發(fā)生于2018年3月10日之前；（2）滑坡體勻速變形階段。江頂崖滑坡體近勻速變形，變形曲線表現(xiàn)為等速特征，發(fā)生時(shí)間段大約從2018年3月10日—6月2日；（3）滑坡體加速變形階段。江頂崖坡體變形速率不斷增加，發(fā)生時(shí)間為2018年6月2日以后。

3 地質(zhì)-力學(xué)分析

SBAS-InSAR 解譯結(jié)果表明，舟曲江頂崖滑坡失穩(wěn)前已存在形變加速趨勢(shì)，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查資料可以明顯看出（圖6），該滑坡發(fā)育于老堆積體前緣，為典型的老堆積層滑坡前緣局部變形，坡腳長期受白龍江江水沖刷，降雨可觸發(fā)其牽引式滑移破壞。從滑坡體內(nèi)部物質(zhì)的成分看，中下部物質(zhì)中摻雜了大量的灰黑色黏土和炭質(zhì)板巖碎屑，遇水極易軟化，抗剪強(qiáng)度低，滑坡體很可能會(huì)在該深度范圍內(nèi)滑動(dòng)。為進(jìn)一步獲取江頂崖滑坡失穩(wěn)破壞時(shí)的滑體幾何數(shù)據(jù)，本文采用極限平衡分析方法對(duì)該滑坡進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算，估算滑體的幾何信息。根據(jù)文獻(xiàn)[10]及該區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，滑坡體物質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)取值見表2。本次滑坡體的滑面搜索過程，采用GeoStuido 軟件內(nèi)嵌的常規(guī)剪入—剪出滑面搜索方法。為使滑面的搜索結(jié)果科學(xué)客觀，滑面搜索時(shí)，不固定剪入點(diǎn)和剪出點(diǎn)，而是將剪入口設(shè)置為SBAS-InSAR 技術(shù)解譯分析過程中圈定的滑坡范圍后部附近區(qū)域，將剪出口設(shè)置為江頂崖滑坡前緣坡腳處的小陡坎區(qū)域，穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算方法采用常規(guī)的Bishop 和Janbu 法[15]。經(jīng)計(jì)算，江頂崖滑坡的穩(wěn)定性參數(shù)在1.02～1.04，整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，存在失穩(wěn)破壞的可能，江頂崖滑坡滑體平均厚度約為35 m，滑床整體坡度較緩，見圖7。

圖7 江頂崖滑坡穩(wěn)定性計(jì)算模型Fig.7 Stability calculation model for the Jiangdingya landslide

表2 滑坡體物質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)Table 2 Physical and mechanical properties of the landslide body

圖6 江頂崖滑坡地質(zhì)剖面Fig.6 Geological profile of the Jiangdingya landslide

4 堵江風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

江頂崖滑坡為典型的白龍江江岸滑坡，通過SBAS-InSAR 技術(shù)解譯及地質(zhì)-力學(xué)聯(lián)合分析，江頂崖滑坡失穩(wěn)前已存在變形失穩(wěn)趨勢(shì)，具有堵江風(fēng)險(xiǎn)，本文采用基于深度積分的連續(xù)介質(zhì)模型對(duì)其動(dòng)力過程進(jìn)行計(jì)算分析，為堵江風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供分析數(shù)據(jù)，計(jì)算模型如下：

式中：t—時(shí)間；

x—笛卡爾坐標(biāo)系下的x方向坐標(biāo)；

q—守恒變量；

fx— 方向通量；

s—源項(xiàng)；

h—滑體厚度；

ux— 方向的滑移速度；

g—重力加速度；

Sgxx— 方向滑床坡度項(xiàng)；

Sfxx— 方向滑坡體基底摩擦項(xiàng)。

數(shù)值計(jì)算前，采用2 m 間距對(duì)江頂崖滑坡的滑床及前部的白龍江河道地形進(jìn)行剖分，白龍江河道的地形數(shù)據(jù)參考實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)[16]中的數(shù)據(jù)。數(shù)值計(jì)算時(shí)采用Godunov 型中心格式有限體積方法離散計(jì)算模型，采用HLLC 格式黎曼求解器進(jìn)行通量求解，采用MUSCL 重構(gòu)法和Hancock 預(yù)測-校正格式提高Godunov 型中心格式的時(shí)空求解精度，采用隱式格式處理基底摩擦值，數(shù)值求解過程見文獻(xiàn)[8,17]。此外，舟曲江頂崖滑坡的滑床整體坡度較小，滑體不具有高速流動(dòng)性特征，基底摩擦模型采用較貼合這一特征的庫倫摩擦公式[18]：

式中：φ—滑體對(duì)滑床的摩擦角，本次取16°，數(shù)值計(jì)算結(jié)果見圖8 和圖9。

圖8 江頂崖滑體滑后幾何形態(tài)Fig.8 Post-sliding geometry of the Jiangdingya landslide body

圖9 江頂崖滑體滑移速度監(jiān)測曲線Fig.9 Velocity monitoring curve of the Jiangdingya landslide body

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，江頂崖滑坡體運(yùn)動(dòng)方式大體表現(xiàn)為整體向前錯(cuò)動(dòng)，前緣推擠白龍江河道，計(jì)算時(shí)間20 s 后，江頂崖滑坡體前緣錯(cuò)動(dòng)完成，從速度監(jiān)測點(diǎn)1，2，3 位置處的滑坡體速度監(jiān)測曲線看：當(dāng)滑坡體前緣錯(cuò)動(dòng)完成后，滑坡體滑移速度從前緣到后緣快速降至為0，表現(xiàn)為牽引式運(yùn)動(dòng)特征，并且滑坡體在向白龍江河道錯(cuò)動(dòng)過程中，滑移速度并不是很大，最大值約為2.2 m/s，堵江風(fēng)險(xiǎn)很低。

5 結(jié)論

針對(duì)滑坡變形的早期判識(shí)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，本文提出了小基線集雷達(dá)干涉（SBAS-InSAR）技術(shù)解譯分析，地質(zhì)-力學(xué)聯(lián)合分析，動(dòng)力過程數(shù)值模擬分析相結(jié)合的滑坡變形早期判識(shí)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估全流程分析模式，并選取甘肅舟曲白龍江流域江頂崖堆積層滑坡案例進(jìn)行了綜合研究分析，得出以下結(jié)論：

（1）SBAS-InSAR 技術(shù)解譯及分析結(jié)果能準(zhǔn)確地判識(shí)江頂崖滑坡的范圍及早期形變特征，滑坡的變形破壞模式為牽引式，滑坡體長度約680 m，寬度約210 m，與江頂崖滑坡實(shí)際數(shù)據(jù)吻合。

（2）基于早期識(shí)別信息，江頂崖滑坡的地質(zhì)-力學(xué)聯(lián)合分析結(jié)果表明，江頂崖滑坡為典型的老堆積層滑坡前緣局部變形，滑坡體平均厚度約35 m，滑床整體坡度較緩，失穩(wěn)后運(yùn)移速度不大，分析結(jié)果與現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查匹配。

（3）江頂崖滑坡的動(dòng)力過程計(jì)算分析結(jié)果表明，滑坡體滑移速度不大，最大值約為2.2 m/s，運(yùn)動(dòng)方式表現(xiàn)為推擠白龍江河道，堵江可能性較小，當(dāng)江頂崖滑坡體前緣錯(cuò)動(dòng)完成后，滑坡體的滑移速度從前緣到后緣快速降至為0，表現(xiàn)為牽引式運(yùn)動(dòng)特征。動(dòng)力過程數(shù)值計(jì)算時(shí)采用的庫倫摩擦模型符合江頂崖滑坡的滑體滑移摩擦特征，模型選擇合理。

針對(duì)江頂崖滑坡案例，本文的分析結(jié)果與江頂崖滑坡實(shí)際相符，吻合度較高，采取的綜合分析方法及研究模式可用于舟曲白龍江沿岸類似滑坡的早期判識(shí)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。