考慮巖體結構面組合的區域崩塌災害易發性評價

黃肖萍，鄭 莉，杜 娟，馮 霄

(1.中國地質大學(武漢)湖北巴東地質災害國家野外科學觀測研究站，湖北 武漢 430074；2.重慶一零七市政建設工程有限公司，重慶 401120；3.中國地質大學(武漢)環境學院極端天氣氣候與水文地質災害研究中心，湖北 武漢 430078)

崩塌是山區城鎮和交通沿線主要的地質災害類型，由于破壞力大、突發性強，常造成建筑物損毀、公路堵塞及人員傷亡。區域崩塌災害易發性評價是崩塌災害風險管控的基礎，其評價方法可分為知識驅動法[1](啟發式模型)、數據驅動法(統計模型)[2-3]和確定性力學模型。近年來，支持向量機、遺傳算法等人工智能模型在崩塌災害易發性評價中的應用成為研究熱點，相關學者針對不同算法的適用性和評價結果的精度開展了大量的研究[4-7]。然而，對于數據驅動方法，評價指標的合理性是影響評價結果精度的重要方面。

危巖體的失穩破壞受控于巖性組合條件等內在要素以及降雨、人類工程活動等外界因素的共同影響。針對區域尺度的崩塌災害易發性評價，大量學者采用了巖性組合等巖體結構要素、地形坡度等地形要素、地表匯流等水文地質要素以及公路切坡等人類工程作用要素等多種評價指標[8-10]。其中，巖體結構特征和地形條件是控制崩塌災害成生的重要孕災因素，以往的研究對坡體優勢結構面發育情況的考慮較為簡化，如采用巖體結構面發育密度等表征巖體完整性的指標[11]，或僅考慮巖體結構面與斜坡坡向的夾角來刻畫兩者之間的組合關系[12]；對于地形坡向指標也僅從太陽光照作用或斜坡結構類型等方面入手進行分析[13-14]，而忽略了巖體優勢結構面與斜坡坡向的空間組合關系對崩塌災害失穩破壞模式的控制作用以及對崩塌災害易發性的影響。單體巖質斜坡的穩定性評價常常基于巖體結構面與斜坡坡向的空間組合關系來分析潛在不穩定塊體的發育情況，但如何將巖體結構面產狀、巖體結構面與斜坡坡向的空間組合模式、巖體結構面發育密度等精細化信息應用于區域尺度的崩塌災害易發性評價是研究的難點。

本文以重慶市萬州區鐵峰鄉為研究區，針對發育于中厚層砂巖和砂巖夾泥頁巖地層中的崩塌災害開展了易發性評價研究，提出了基于巖體優勢結構面組合分析的崩塌災害易失穩斜坡坡向的計算模型，實現了區域尺度上對控制崩塌災害成生的巖體結構指標的精細化刻畫，并在此基礎上，結合巖性組合、地形坡度、植被指數(NDVI)、巖體優勢結構面與斜坡坡向組合、地表水匯流影響和切坡建筑加載6個評價指標，采用人工神經網絡模型對研究區崩塌災害易發性進行了分區，評價結果取得了較高的精度，對研究區崩塌災害的風險管控工作具有一定的指導意義。

1 研究區概況與崩塌災害失穩破壞模式

1. 1 研究區概況

研究區鐵峰鄉位于重慶市萬州區的北部山區，以構造剝蝕-侵蝕中低山河谷地貌為主；構造上位于川東隔檔式褶皺鐵峰山背斜北西翼，受楊家河侵蝕切割形成谷地，河谷南側構成順向坡，北側為逆向坡。由鐵峰山背斜核部向翼部依次發育三疊系巴東組(T2b)、須家河組(T3xj)，侏羅系珍珠沖組(J1z)、自流井組(J1-2z)、新田溝組(J2x)和下沙溪廟組(J2xs)地層(見圖1)，地層走向呈SWW-NEE向展布，與鐵峰山背斜軸線方向基本一致，各地層巖性段剖面見圖2。

根據調查結果顯示，研究區共發育崩塌災害106處，其中墜落式崩塌災害65處，平面滑移式崩塌災害31處，楔形體滑移式崩塌災害10處。研究區內崩塌災害多發生于中厚層半堅硬-較軟弱砂巖組夾泥頁巖組中，這類工程地質巖組的巖石多為微風化或弱風化，巖體結構面的發育密度較大，一般發育2～3組主控結構面，結合程度一般甚至差，巖體結構較破碎，崩塌災害較為發育。研究區內已查明的崩塌災害失穩破壞模式和在各地層內的分布情況，如圖1所示。

1. 2 研究區崩塌災害失穩破壞模式

巖體結構面發育特征是控制崩塌災害成生的重要因素，巖體優勢結構面與斜坡臨空面的空間組合關系決定了崩塌災害的失穩破壞模式。本文針對研究區崩塌災害的3種失穩破壞模式，對其相應的巖體結構面空間組合特征進行了分析。

1.2.1 平面滑移式崩塌災害

平面滑移式崩塌災害(見圖3)形成的邊界條件包括充當滑面的巖體結構面a以及起側向切割作用的巖體結構面b1、b2，所形成的危巖體沿著巖體結構面a向斜坡臨空面滑移。滑移面a由貫通的巖體結構面或軟弱巖層層面形成，其傾向與斜坡臨空面坡向基本一致或小角度相交，且傾角小于坡面坡角，但大于巖體結構面內摩擦角。圖4為研究區內發育的典型平面滑移式崩塌災害點，該邊坡發育貫通性好且以與斜坡坡向基本一致的節理面充當滑面，兩側發育兩組近垂直的節理面切割形成崩塌體的左右邊界。

圖1 研究區地層與崩塌災害失穩破壞模式空間分布圖

圖2 研究區各地層巖性段剖面圖

圖4 平面滑移式崩塌災害典型照片

1.2.2 楔形體滑移式崩塌災害

楔形體滑移式崩塌災害(見圖5)由兩組異傾向的巖體結構面和斜坡臨空面共同切割而成，這兩組巖體結構面的交線a′需傾向斜坡臨空面且與其交角較小，交線傾角需小于坡角且大于巖體結構面綜合內摩擦角[15-16]。圖6為研究區內發育的典型楔形體滑移式崩塌災害點，該邊坡巖體被兩組結構面共同切割成楔形體，邊坡開挖形成臨空面后，巖體結構面的交線傾角小于斜坡臨空面的傾角，楔形體沿著巖體結構面交線滑出。

圖5 楔形體滑移式崩塌災害失穩破壞模式示意圖

圖6 楔形體滑移式崩塌災害典型照片

1.2.3 墜落式崩塌災害

圖7 墜落式崩塌災害失穩破壞模式示意圖

墜落式崩塌災害(見圖7)由陡傾節理或裂隙a、b1、b2切割形成，同時由于巖體差異風化、下部巖塊掉落或人工開挖無法對上部巖體提供支撐，危巖體在重力作用下失穩墜落而發生。圖8為研究區內發育的典型墜落式崩塌災害點，該邊坡巖體巖性為上部厚層硬質砂巖，下部泥質粉砂巖夾薄煤層的軟弱巖層，巖體差異風化在坡腳處形成凹腔，邊坡巖體由巖層層面和側向近直立節理面切割，在重力作用下發生墜落式失穩破壞。該邊坡巖體內發育的結構面主要對巖體的完整程度和塊體的切割程度產生影響，巖體結構面方向與斜坡臨空面坡向的空間組合關系不是危巖體失穩的主要控制因素。

圖8 墜落式崩塌災害典型照片

2 巖體優勢結構面與斜坡臨空面的空間組合模式分析

基于上述崩塌災害失穩破壞模式及巖體結構面組合特征的分析，崩塌災害的成生受關鍵巖體結構面(滑移面和切割面)與斜坡坡向空間組合關系的控制，同時巖體優勢結構面與斜坡臨空面的空間角度關系影響了崩塌災害發生的難易程度。由此，本文提出考慮巖體優勢結構面與斜坡臨空面空間組合模式的斜坡單元內崩塌災害發生概率的計算方法，計算了不同斜坡坡向單元內發生平面滑移式崩塌災害和楔形體滑移式崩塌災害的概率，并分析崩塌災害的易發坡向。

對于墜落式崩塌災害，由于其失穩破壞主要受下部臨空面及側向切割面發育程度的影響，巖體結構面與斜坡坡向的空間組合關系對其發生概率的影響相對較弱，在滿足存在下部臨空面及側向切割面分離形成獨立巖塊的前提下，可以認為不同斜坡坡向發生墜落崩塌災害的概率基本相同。

巖體結構面的發育規律主要受地層巖性和構造活動的控制。研究區內的地層巖組界線與主要構造——鐵峰山背斜的軸線方向基本一致，因此依據地層巖組界線將研究區劃分為5組地層、共21個分區進行了巖體結構面統計(巴東組地層因出露面積極小不參與統計；受通行條件限制，難以測得須家河組地層1～4巖性段的數據，故將其合并為一段進行統計)。基于野外巖體結構面測量數據(見圖9)，繪制了研究區各分區巖體結構面和結構面交線的等密度圖，本文以5組地層的巖體結構面和巖體結構面交線等密度圖為例進行了展示，見圖10和圖11，從而得到研究區巖體優勢結構面的發育規律。

圖9 研究區巖體結構面測量點平面分布圖

將斜坡臨空面坡向以20°為間隔劃分成18個不同斜坡坡向的小單元[見圖12(a)]，分別計算每個斜坡坡向單元與巖體優勢結構面組合后發生平面滑移式崩塌災害的概率Pp和楔形體滑移式崩塌災害的概率Px，并通過某一角度范圍內巖體結構面的發育密度來表征該方向內出現該巖體優勢結構面的概率，由此定義巖體結構面等密度概率P，其計算公式為

圖10 研究區巖體結構面等密度圖

圖11 研究區巖體結構面交線等密度圖

圖12 崩塌災害破壞概率計算模式圖

(1)

式中：Ni為巖體結構面密度等級，根據巖體結構面密度值將其劃分為10個等級，N1=1，N2=2,…，N10=10；Si為斜坡坡向單元內巖體結構面密度等級Ni對應的面積(m2)；r為巖體結構面等密度圓的半徑(m)。

根據崩塌災害破壞概率計算模式圖[見圖12(b)]，結合圖12(a)的統計結果，將與滑移面a傾向相垂直的方向向兩邊各延伸20°作為巖體結構面b1、b2的傾向計算范圍，采用式(1)計算每個斜坡坡向單元內巖體結構面a的等密度概率Pa和巖體結構面b1、b2的等密度概率Pb1、Pb2，以及楔形體滑移式崩塌災害中巖體結構面交線a′的等密度概率Pa′。

根據崩塌災害破壞模式的分析，除巖體結構面傾向外，控制崩塌災害巖體結構面的傾角也需要滿足一定的要求。經統計，研究區內歷史平面滑移式崩塌災害中充當滑移面的巖體結構面a最小傾角為12°，側向切割面b1、b2的最小傾角為60°[見圖13(a)]。因此，針對研究區，Pa的計算只考慮巖體結構面傾角大于12°的范圍，Pb1、Pb2的計算只取巖體結構面傾角大于60°的范圍；另外，發生楔形體滑移式崩塌災害的巖體結構面交線的最小傾角為41°[見圖13(b)],故Pa′的計算只取巖體結構面交線傾角大于41°的范圍。

圖13 研究區平面滑移式和楔形體滑移式崩塌災害 巖體結構面傾角統計

某一斜坡坡向單元內平面滑移式崩塌災害的發生概率Pp等于該斜坡坡向單元內滑移面a的等密度概率Pa與側向切割面b1、b2的等密度概率Pb1、Pb2的加權之和，即：

Pp=mPa+n(Pb1+Pb2)

(2)

但由于滑移面對崩塌災害的貢獻度大于側向切割面，故取其權重系數分別為m=0.7、n=0.3。

楔形體滑移式崩塌災害主要受兩側向巖體結構面交線的控制。不同斜坡坡向單元內楔形體滑移式崩塌災害的發生概率Pw的計算原理與平面滑移式崩塌災害相同，區別在于計算中只考慮巖體結構面交線的等密度概率Pa′，則有:

Pw=Pa′

(3)

滑移式崩塌災害發生的總概率Ps等于平面滑移式崩塌災害發生概率Pp與楔形體滑移式崩塌災害發生概率Pw之和，即：

Ps=Pp+Pw

(4)

對每一斜坡坡向單元內滑移式崩塌災害發生的總概率Ps進行歸一化處理后，按0≤Ps<0.2(Z1),0.2≤Ps<0.4(Z2)、0.4≤Ps<0.6(Z3)、0.6≤Ps<0.8(Z4)、0.8≤Ps<1(Z5) 的原則劃分斜坡坡向危險等級，得到研究區不同地層內斜坡坡向危險等級的劃分結果，見圖14。

圖14 研究區不同地層內斜坡坡向危險等級分區圖

研究區內部分平面滑移式崩塌災害的滑移面由巖層層面充當，除接近鐵峰山背斜核部地段外，巖層層面傾角較小，均小于斜坡坡角，由此當斜坡坡向與巖層傾向(NNW)大致相同時，發生滑移式崩塌災害的概率較大。因此，研究區斜坡坡向危險等級結果呈現NNW向為相對危險坡向(順向坡)、SE向為相對安全坡向(逆向坡)的整體趨勢。

3 基于人工神經網絡模型的崩塌災害易發性評價

3. 1 評價范圍確定

研究區崩塌災害主要發育于地形陡峻的自然斜坡和公路切坡，因此研究區崩塌災害易發性的評價單元包含自然斜坡評價單元和公路切坡評價單元兩類。

據統計，研究區已發生崩塌災害的自然斜坡最小坡度為40°，故提取自然斜坡坡度大于40°的區域作為崩塌災害易發性的評價范圍。本文采用斜坡單元作為崩塌災害易發性評價單元[17]，基于研究區數字高程模型(DEM)數據，沿地形控制的山脊、溝谷線確定基礎斜坡評價單元，并在斜坡坡向明顯變化處、地層巖性段分界處進一步分割獲得斜坡評價單元，確保評價單元內的地形地貌、斜坡結構、地層巖組及崩塌災害類型相一致(見圖15)。

圖15 研究區崩塌災害易發性評價單元

公路開挖形成的巖質切坡坡度均較陡，且在卸荷作用下容易形成崩塌災害。野外調查過程中，對研究區內道路開挖形成的巖質切坡進行了詳細測量，記錄了切坡段的位置、長度和改造后的坡度等信息，但由于開挖切坡難以在平面圖中通過面文件表達，因此本文通過切坡對應的道路線段來表征切坡單元，并用于后續評價指標的獲取。

3. 2 評價指標與模型選取

基于研究區崩塌災害的分布規律和成因機制，選取巖性組合、地形坡度、植被指數(NDVI)、巖體優勢結構面與斜坡坡向組合、地表水匯流影響和切坡建筑加載6個評價指標來綜合評價研究區崩塌災害易發性。

工程地質巖組中巖性的軟硬程度和軟硬巖的組合關系會影響崩塌災害的成生，如軟硬相間巖層的差異風化會促進下部凹腔和巖體裂隙的形成；較陡的地形坡度提供了崩塌災害發生的臨空條件；地表水匯流量較大形成的裂隙滲流及充水是促進危巖體失穩和沖刷裂隙面、降低裂隙面結合程度的主要原因；植被覆蓋度不同會影響巖體接受光照風化的程度，并且植被根系對巖體結構面的根劈作用會影響危巖體的穩定性；此外，在研究區可見多處切坡建房擾動巖體、上部重力加載而導致的崩塌災害，故將評價單元內是否有切坡建筑加載作為評價指標之一。

本文采用人工神經網絡(artificial neural networks，ANN)模型對研究崩塌災害易發性進行計算。由于ANN模型無法對輸入的語言數據進行檢測或提取，因此在對評價指標進行分級的同時還需要對評價指標進行分級和標準化賦值。樣本數據選擇與預處理的合理性對ANN模型有著重要的影響，故本文按頻率比法[18]對評價指標各分級進行崩塌災害敏感性分析，并通過各評價指標級別與崩塌頻率比關系曲線進行評價指標等級劃分。研究區崩塌災害易發性各評價指標分級標準和平面分布圖，見表1和圖16。

表1 研究區崩塌災害易發性評價指標分級及標準化賦值表

圖16 研究區崩塌災害易發性評價指標分布圖

3. 3 評價結果與分析

本文隨機抽取80%的訓練樣本和20%的檢測樣本用于ANN模型訓練，并將結果模型用于研究區內所有評價單元的崩塌災害易發性評價，根據評價結果將研究區崩塌災害易發性進行分區，劃分為極高易發區、高易發區、中易發區、低易發區4個易發性等級，見圖17。

ANN模型的評價結果表明：研究區崩塌災害預測變量的重要性排序為：地形坡度>巖體優勢結構面與斜坡坡向組合>巖性組合>地表水匯流影響>NDVI>切坡建筑加載，預測模型的總體正確率AUC值為87.1%，說明模型的預測精度較高。

由圖17可見，研究區公路開挖形成的陡坡以及南側深切沖溝內陡峭的自然斜坡為研究區崩塌災害的極高-高易發區，逆向坡的自然斜坡區域以中-低易發區為主。因此，在公路建設中如必須進行邊坡開挖，應注意巖體優勢結構面與斜坡坡向的組合關系，尤其對研究區內NNW臨空方向開挖的邊坡應重視崩塌災害的監測與防控，以避免崩塌災害造成的風險。

圖17 研究區崩塌災害易發性分區圖

4 結 論

(1) 研究區內的崩塌災害以平面滑移式、楔形體滑移式和墜落式崩塌災害為主，針對各類崩塌災害失穩破壞模式，通過分析其成因機制以及巖體控制性結構面與斜坡臨空面的空間組合關系，構建了基于巖體結構面組合模式分析的區域崩塌災害易發性評價指標體系。

(2) 提出了考慮巖體優勢結構面與斜坡臨空面空間組合模式的區域崩塌災害危險坡向計算方法。基于研究區內已發生崩塌災害的巖體結構面統計數據，確定巖體控制性結構面的臨界角度范圍，并計算了研究區不同地層段內不同斜坡坡向單元內平面滑移式和楔形體滑移式崩塌災害的發生概率，獲取了崩塌災害的易發斜坡坡向。結果表明：研究區NNW向為崩塌災害的危險斜坡坡向，NE向為相對安全的斜坡坡向。

(3) 采取人工神經網絡(ANN)模型，考慮研究區內崩塌災害的巖性組合、地形坡度、植被指數(NDVI)、巖體優勢結構面與斜坡坡向組合、地表水匯流影響和切坡建筑加載6個評價指標開展了研究區崩塌災害易發性評價。評價結果表明：地形坡度、巖體優勢結構面與斜坡坡向組合兩項指標對研究區崩塌災害的影響最大；研究區崩塌災害極高-高易發區主要集中于公路開挖形成的順向陡坡以及南側深切沖溝內陡峭的自然斜坡。該評價結果對研究區崩塌災害風險管控具有一定的指導意義。