基于降雨閾值建立TRI GRS 模型對斜坡失穩區分級

倪曉輝

（浙江省地礦勘察院有限公司，杭州 310013）

1 工程概況

玲瓏街道地處杭州市臨安區東部，全街道總面積113.72 km2，街道辦事處駐夏禹橋村，下轄16 個行政村。玲瓏街道與杭州直線距離為60 km，東、南、西、北四方分別與臨錦南街道、富陽區、天目山鎮、錦城街道、太湖源鎮相鄰，杭徽高速、02 省道穿境而過。泥石流、滑坡、崩塌為玲瓏街道主要發育類型，其中包含1 處泥石流隱患、10 處滑坡隱患、25 處崩塌隱患。

2 降雨作用引發斜坡失穩的機理

在降雨作用下，斜坡內部結構趨向不穩定[1]，且大部分通過地下水的作用間接實現。從斜坡安全系數方面來看，地下水對斜坡的作用主要表現為可以增加斜坡下滑力和降低斜坡抗剪強度兩方面。其在不同程度上削減了斜坡的安全系數，從而導致滑坡產生。

3 斜坡單元劃分

以斜坡單元為個體單位進行針對性的野外調查，調查范圍主要為對玲瓏街道各行政村居住點有影響的自然斜坡，針對斜坡單元的劃分，從地形地貌、巖土體特征及斜坡結構3 個方面進行。

地形地貌方面劃分原則按照豎直方向，頂部以分水嶺（山脊線）為界，下部以坡腳為界；橫向主要以切割深度較深的沖溝為界。巖土體特征劃分原則按照組成斜坡的巖土體工程地質類型劃分，將斜坡劃分為土質斜坡單元和巖質斜坡單元。

4 斜坡地質災害易發性評價方法

本次斜坡單元的地質災害易發性評價主要通過定性打分以及定量計算相結合，以定性分析為主、定量分析為輔的方式。

4.1 定性分析

主要通過野外調查收集斜坡的地形地貌特征、地層巖石特性、地質構造發育情況、工程地質巖組特征、斜坡水文特征、斜坡形態特征與結構特征、現今斜坡變形破壞跡象、變形位置及微地貌特征來進行打分評價。

斜坡穩定性現場評價表采用定性與半定量相結合的方法，綜合考慮斜坡失穩證據、斜坡形態、斜坡結構類型、地質構造、地震、水的作用、人類工程活動（現狀及歷史）等要素，結合不同的降雨預警工況（Ⅳ級響應、Ⅲ級響應、Ⅱ級響應、Ⅰ級響應），再通過綜合計算打分，對斜坡單元的穩定性進行判別。穩定性評判可以為3 種：穩定、較穩定及不穩定，其判別標準分別為：

1）穩定：斜坡坡度較緩，高差較小，坡體和坡面不存在變形破壞跡象，整體穩定；斜坡巖土體組合結構穩定；人類工程活動強度較小或已采取合理支護措施，對坡體穩定性無影響或影響小；發生地質災害的可能性很小。

2）較穩定：斜坡坡度較陡，高差較大，坡體和坡面局部存在變形破壞跡象，整體穩定性較差；斜坡巖土體組合結構穩定性較差；人類工程活動強度較大或未采取合理支護措施，對坡體穩定性有一定影響；發生地質災害的可能性中等。

3）不穩定：斜坡坡度陡，高差大，坡體和坡面有明顯的變形破壞跡象，整體穩定性差；斜坡巖土體組合結構不穩定；人類工程活動強度大或未采取支護措施，會極大程度地影響坡體穩定性，也會增加地質災害發生的可能性。

4.2 定量分析

4.2.1 模型

結合臨安區玲瓏街道地質災害隱患點以小型巖土質崩塌及小型淺層滑坡為主的特點，選用TRIGRS 模型進行易發性評價。本次通過TRIGRS 模型定量分析調查評價單元為柵格單元。柵格單元是將全區以2 m×2 m 的柵格劃分而成的評價單元。

采用柵格數據計算TRIGRS 模型，一個柵格代表一個屬性值，相同位置但屬性值不同的柵格單元共同組成柵格單元體。隨著柵格的精細化，柵格單元體不但能準確反映斜坡地形和地質信息，還能通過計算結果反映斜坡不同部位的穩定性。在計算復雜水文過程確定性時，對該模型進行簡化和假設，主要有：（1）采用斜度穩定性的力學簡化模型，即假設滑動面、地下水位線與地表面平行；（2）土體為均質各向同性；（3）超過飽和土體入滲能力的降雨量流向下部單元，未超過部分豎直入滲土體。在已知柵格單元坡度、曲率、流向值以及各類物理參數的情況下，采用以下公式計算每個柵格單元的穩定系數：

式中，φ、c分別為斜坡土體的內摩擦角與有效黏聚力；α 為柵格單元的坡度值；ψ 為土體非飽和狀態下的孔隙水壓力；Z為斜坡土體的豎直厚度，根據各個斜坡野外調查的狀況，本次取平均值2.5 m；t為一次降雨的總歷時；γw為土體飽和重度；γs為土體天然重度；d為飽和土體地下水水位線，本次取值0.7 m；β 為常量；Izlt為飽和土體的地表入滲量，按照經驗，本次取值為降雨量的10%；Ks為飽和豎直滲透系數。

4.2.2 參數確定及假定

TRIGRS 模型所需參數包含模型控制參數及力學與水文參數。

1）模型控制參數：模型控制參數包括模型的柵格尺寸、行數、列數、地表徑流流向等。通過ArcGIS 軟件對DEM 模型的空間分析得出調查區模型的控制參數，柵格尺寸為2 m×2 m，列數19 999，行數為18 099。

2）力學與水文參數：包含土體黏聚力（c）、內摩擦角（φ）、土體飽和重度（γw）、土體天然重度（γs）等。本次計算斜坡單元力學與水文參數的確定采用反演、試算與經驗數據類比相結合的方法綜合求得。據近年來玲瓏街道及相鄰鄉鎮地災勘查設計，所得經驗參數見表1。

表1 治理工程勘查報告中力學與水文主要參數建議值

本次反演以典型的祥里村板塢里18 號、19 號屋后地質災害隱患點為例，該點滑坡方量約500 m3，為近年來潛在方量最大的小型淺層滑坡，其相對應斜坡單元編號為XL16。

根據前期資料對該隱患點現象判斷，XL16 在天然工況下處于臨界穩定狀態，假定穩定系數Fs=1.00，假定φ 值計算c值，計算結果見表2。

表2 天然工況反演計算巖土體物理力學參數

綜合治理工程勘查報告巖土體力學參數建議值、土體力學參數反演復核結果，參照地區經驗值，最終確定力學與水文參數建議值見表3。

表3 力學與水文計算參數建議值

在定性打分與定量計算對比中，如果Ⅱ級響應定性打分超過60 分，則統計該斜坡總柵格單元中柵格單元計算結果Fs為Fs≤0.8、0.8＜Fs≤1.0 的占比；若Ⅱ級響應定性打分小于60分，則統計該斜坡總柵格單元中柵格單元計算結果Fs為1.0＜Fs≤1.25、1.25＜Fs≤1.5、Fs＞1.5 的占比；若相應比例超過50%，則認為定性打分與定量分析結果相匹配。最終813 個斜坡單元有648 個斜坡單元定性打分與定量分析結果相匹配，預測成功率為80%，最終認為定性打分與定量分析基本可靠，為互相佐證。

4.3 斜坡失穩影響區劃分

基于對調查區內斜坡單元在4 種不同降雨預警工況下的穩定性，并結合地質災害類型、發育分布特征、主要影響因素和成災模式，通過地質調查數據管理平臺的數據模型運算，再結合玲瓏街道各行政村兩委的意見，構建了斜坡單元影響區的劃分體系。

斜坡單元穩定性評價根據4 種不同降雨預警工況進行打分分析，根據分值判定每一個斜坡的穩定性等級（穩定、較穩定、不穩定），按權重打分評判穩定系數K，即穩定（K≤50）；較穩定（50＜K＜60）；不穩定（K≥60）。

4 種降雨預警工況斜坡失穩面積最大的是錦繡村，玲瓏街道藍色降雨預警工況Ⅳ級響應斜坡失穩總面積為6.33 hm2，黃色降雨預警工況Ⅲ級響應斜坡失穩總面積為101.47 hm2，橙色降雨預警工況Ⅱ級響應斜坡失穩總面積為598.10 hm2，紅色降雨預警工況Ⅰ級響應斜坡失穩總面積為775.58 hm2。

4.4 斜坡失穩預警機制

基于臨界降雨量進行地質災害氣象預警一直是地質災害預報中的難點。地質災害氣象預警最好的辦法就是與氣象部門合作建立地質災害的氣象預報預警系統，在達到一定降雨量條件下，通過氣象預報節目同期向全體群眾發布地質災害預報信息。但在玲瓏街道尚未完全建立突發性地質災害氣象預報預警系統的前提下，還無法實現結合實時降雨量對玲瓏街道地質災害發生概率進行評估與界定，因此，也不能實現對地質災害發生強度、影響范圍、分布概率等做出實時且有效的預報。這就為如何進行地質災害預警并如何指導監測、巡查人員以及受威脅群眾在何種降雨條件下需做哪種程度的預防帶來了困難。

其中，將Ⅳ級響應（藍色）、Ⅲ級響應（黃色）、Ⅱ級響應（橙色）、Ⅰ級響應（紅色）通知到鎮、村，告知即將出現險情，I 級啟動重要地質災害隱患點的群測群防巡查。Ⅱ級預報預警時間內對重要地質災害隱患點24 h 監測。Ⅲ預報預警時間內啟動地質災害隱患點群測群防并24 h 監測，采取防御措施。Ⅳ啟動受地質災害隱患點威脅區居民臨時避讓方案；暫停災害易發地點附近的戶外作業，各有關單位值班指揮人員到崗準備應急措施。

5 結語

綜上所述，通過降雨閾值模型研究斜坡穩定性，同時，通過綜合分析斜坡的地質條件、地貌地形、坡度、斜坡匯水面積等因素，可確定降雨量和滑坡單元定量之間的關系，為研究斜坡穩定性提供可視化且有效的分析方法。