基于GIS的公路邊坡危險(xiǎn)性分析與預(yù)警系統(tǒng)研究

王衛(wèi)東, 劉 超, 李大輝, 譚捍華, 羅 強(qiáng), 龍萬學(xué)

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410075; 2.高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410075;3.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴陽 550081; 4.貴州省交通廳，貴陽 550003)

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王衛(wèi)東1，2*, 劉 超1, 李大輝1, 譚捍華3, 羅 強(qiáng)4, 龍萬學(xué)3

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410075; 2.高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410075;3.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴陽 550081; 4.貴州省交通廳，貴陽 550003)

從宏觀方面，針對(duì)滑坡易發(fā)性區(qū)劃，選擇高程、坡度、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、鐵路建設(shè)和年均降雨量6個(gè)致災(zāi)因子及其二級(jí)指標(biāo)建立滑坡敏感性區(qū)劃研究體系，以主客觀綜合權(quán)重方法為原型構(gòu)建滑坡敏感性區(qū)劃GP模型，并發(fā)布為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，在WebGIS系統(tǒng)中調(diào)用該服務(wù)自動(dòng)編制滑坡敏感性區(qū)劃圖.從微觀方面，針對(duì)單體邊坡，使用地理力學(xué)方法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算與分析.然后根據(jù)已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用預(yù)測(cè)模型，判斷滑坡所處階段，確定滑坡預(yù)警級(jí)別.該文將地質(zhì)災(zāi)害宏觀區(qū)劃與單體邊坡穩(wěn)定性分析以及監(jiān)測(cè)預(yù)警相結(jié)合，運(yùn)用到公路邊坡信息管理系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)公路邊坡的危險(xiǎn)性分析和災(zāi)害預(yù)警.

邊坡信息管理； 地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃； 穩(wěn)定性分析； 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)； 監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)

隨著全國大范圍高速公路的建設(shè)，山區(qū)高速公路逐漸增多，由于高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較高，高邊坡問題難以回避，尤其是在較復(fù)雜的地質(zhì)條件下.除了在設(shè)計(jì)階段采取必要措施處理邊坡外，已建、在建的高速公路中邊坡的維護(hù)、管理及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)已引起了相應(yīng)業(yè)主的重視.本文研究并實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃基于GP服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化和自動(dòng)化，重點(diǎn)邊坡的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理和災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)功能，用戶僅需瀏覽器便可使用，方便有關(guān)部門及時(shí)得到預(yù)警預(yù)報(bào)信息.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)，其核心是服務(wù)器端，包括了數(shù)據(jù)庫和GIS服務(wù)，系統(tǒng)自上而下分為3層結(jié)構(gòu)，即表現(xiàn)層、控制層和數(shù)據(jù)層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖1.

圖1 貴州山區(qū)高速公路邊坡地理信息系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 The architecture diagram of highway side slope geo-graphic information system of Guizhou province

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)主要包括基礎(chǔ)地理信息管理、災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃信息管理、邊坡信息管理與穩(wěn)定性分析和邊坡監(jiān)測(cè)管理與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)4大部分，見圖2所示.其中，基本地理信息管理是系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，主要完成對(duì)地理信息數(shù)據(jù)的管理與空間表現(xiàn)；災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃信息管理主要通過調(diào)用地理處理服務(wù)，完成對(duì)研究區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃，并結(jié)合降雨量實(shí)現(xiàn)地質(zhì)-氣象耦合預(yù)警預(yù)報(bào)；邊坡信息管理與穩(wěn)定性分析模塊基于地理信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的可視化管理，并進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析與分級(jí)；監(jiān)測(cè)管理與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模塊則是對(duì)重點(diǎn)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，并結(jié)合預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào).

圖2 貴州省滑坡災(zāi)害區(qū)劃及邊坡穩(wěn)定性分析系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The functional structure diagram of landslide hazard mapping and slope stability analyzing system of Guizhou province

2 區(qū)域?yàn)?zāi)害易發(fā)性區(qū)劃

災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃是從宏觀角度出發(fā)，對(duì)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度劃分的一種方法，區(qū)劃結(jié)果可以為區(qū)域公路路網(wǎng)規(guī)劃和防災(zāi)減災(zāi)工作提供重要的決策依據(jù).本文在考慮研究區(qū)域致災(zāi)因素(地形地貌、地質(zhì)條件、水文環(huán)境等)的基礎(chǔ)上加入災(zāi)害誘發(fā)因素(降雨、人工活動(dòng)等)，通過ArcGIS軟件構(gòu)建地理處理模型對(duì)研究區(qū)域內(nèi)滑坡災(zāi)害發(fā)生的可能性進(jìn)行分析和評(píng)級(jí)，形成貴州省滑坡災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖.

2.1 GP服務(wù)

本文通過對(duì)收集到的邊坡數(shù)據(jù)加以匯總，并參考專家意見，可以得出邊坡基本信息主要分為6大類，即邊坡所處地理位置，包括坐標(biāo)、行政區(qū)劃等；邊坡基本特征，包括長(zhǎng)寬、體積、坡度等；邊坡的一般分類，包括物質(zhì)組成、運(yùn)動(dòng)方式、形成年代等；邊坡的環(huán)境條件，包括周圍環(huán)境、地下水動(dòng)態(tài)、植被覆蓋率等；邊坡的整治措施，包括治理措施、效果、日期等；以及邊坡的一些其他信息，包括養(yǎng)管單位、信息填寫人等信息.對(duì)于這些邊坡基本信息，系統(tǒng)都設(shè)置了增加、刪除、查詢、修改等功能，可以減少數(shù)據(jù)庫的冗余，保證數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并且系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了自動(dòng)填寫和錯(cuò)誤自動(dòng)檢測(cè)等一系列功能，可有效避免錯(cuò)誤的信息存儲(chǔ)，從而保證數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)信息的完整和準(zhǔn)確.

GP服務(wù)是指在ArcGIS Server平臺(tái)下二次開發(fā)地理處理服務(wù).GP(地理處理)服務(wù)提供GIS 分析功能，強(qiáng)調(diào)地理數(shù)據(jù)與用戶的交互性，能充分挖掘隱藏的地理信息，其分析結(jié)果為決策提供依據(jù)[1].GP 服務(wù)所封裝的分析功能通過商業(yè)GIS軟件的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)，可提供研究領(lǐng)域內(nèi)的GIS分析過程[2].與其他服務(wù)相比，GP服務(wù)是地理信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的高級(jí)應(yīng)用和核心模塊，相當(dāng)于一般網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)中的模型庫.ArcGIS 提供了多種GP工具和可視化的GP建模環(huán)境，供專業(yè)人員進(jìn)行GP 模型二次開發(fā).用戶可將GP工具組合成復(fù)雜的GIS工作流(圖3)，其中圓角矩形框代表GP 工具，橢圓形代表輸入/輸出數(shù)據(jù)，六邊形表示中間數(shù)據(jù)，字母P標(biāo)識(shí)整個(gè)模型的輸入/輸出參數(shù)[3].

研究采用Python語言開發(fā)腳本工具調(diào)用GIS底層組件，用于擴(kuò)展GIS功能和實(shí)現(xiàn)主客觀綜合權(quán)重方法的數(shù)學(xué)計(jì)算.GP模型在服務(wù)器端構(gòu)建之后，通過ArcGIS Server Manager 發(fā)布為GP 服務(wù).

圖3 地理處理建模示例Fig.3 Geoprocessing modeling example

2.2 區(qū)域致災(zāi)因子體系

控制和影響地質(zhì)災(zāi)害孕育發(fā)生的主要影響因素可以歸為3大類，即環(huán)境因素、誘發(fā)因素和歷史因素.選取高程、坡度、巖性和地質(zhì)構(gòu)造4個(gè)環(huán)境因素，年均降雨量和工程建設(shè)2個(gè)誘發(fā)因素作為滑坡主要致災(zāi)因子[4].同一因子取值不同時(shí)對(duì)滑坡發(fā)生的影響程度不同，因此，需要將各一級(jí)因子進(jìn)一步劃分為若干二級(jí)因子.其中地質(zhì)構(gòu)造、工程建設(shè)分別以到地質(zhì)構(gòu)造線距離和到線路距離來劃分二級(jí)因子.巖性等致災(zāi)因子作為地質(zhì)變量，必須對(duì)其進(jìn)行量化.由于各因子的測(cè)量單位不一致，導(dǎo)致每個(gè)因子的表現(xiàn)力不同，因此，還需要統(tǒng)一量綱[5].分級(jí)后的致災(zāi)因子體系如圖4所示，在因子圖層屬性表中使用對(duì)應(yīng)的因子標(biāo)識(shí)表示各二級(jí)因子地理區(qū)域，本文重點(diǎn)介紹基于該致災(zāi)因子體系的GP模型建立過程.

圖4 滑坡致災(zāi)因子體系Fig.4 The landslide disaster-inducing factor system

2.3 構(gòu)建區(qū)域滑坡易發(fā)性GP模型

本文主要采用主客觀線性加權(quán)方法構(gòu)建GP模型，該方法基于客觀的熵值法和主觀的模糊理論，是客觀方法與主觀方法的有機(jī)結(jié)合.根據(jù)熵值理論[6-7]，致災(zāi)因子的客觀權(quán)重由二級(jí)因子區(qū)域內(nèi)歷史災(zāi)點(diǎn)面積密度的熵值大小決定，統(tǒng)計(jì)各二級(jí)因子的面積以及各二級(jí)因子區(qū)域內(nèi)歷史災(zāi)點(diǎn)的面積，計(jì)算每個(gè)二級(jí)因子區(qū)域內(nèi)歷史災(zāi)點(diǎn)的面積密度，歸一化后得到致災(zāi)因子的熵值，即可得到各致災(zāi)因子的客觀權(quán)重.致災(zāi)因子的客觀權(quán)重確定后，還需要對(duì)各因子的二級(jí)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算.二級(jí)因子權(quán)重為采用主觀賦權(quán)的方法，即需要決策者和行業(yè)專家參與，對(duì)各致災(zāi)因子的二級(jí)因子采用梯形模糊數(shù)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，再根據(jù)專家評(píng)價(jià)計(jì)算二級(jí)因子的權(quán)重.

主客觀滑坡易發(fā)性模型涉及到地理信息圖層的處理和因子權(quán)重的計(jì)算，前者需要對(duì)圖層信息進(jìn)行分析與操作，后者則需要對(duì)地理信息要素屬性進(jìn)行操作，這正是地理處理的優(yōu)勢(shì)所在，所以主模型基于地理處理創(chuàng)建.本系統(tǒng)滑坡易發(fā)性區(qū)劃的主模型主要分為4個(gè)部分，如圖5所示.

圖中第1部分為致災(zāi)因子圖層的疊置.每個(gè)致災(zāi)因子被劃分為幾個(gè)不同等級(jí)的二級(jí)因子，即是將研究區(qū)域劃分為形狀、大小均不相同的幾個(gè)區(qū)域.將這些劃分方式不同的圖層進(jìn)行疊置，整個(gè)研究區(qū)域?qū)⒈粍澐譃槎鄠€(gè)形狀不規(guī)則的小區(qū)域，而這些小區(qū)域分別對(duì)應(yīng)6個(gè)致災(zāi)因子的某一個(gè)二級(jí)因子.第2部分是各致災(zāi)因子二級(jí)因子的權(quán)重計(jì)算.根據(jù)權(quán)重線性組合原理，將致災(zāi)因子客觀權(quán)重和其二級(jí)因子主觀權(quán)重對(duì)應(yīng)相乘，即可得到該二級(jí)因子在最終進(jìn)行疊置計(jì)算時(shí)需要的權(quán)重，直接為后續(xù)區(qū)域權(quán)重疊置提供數(shù)據(jù)支持.第3部分是主模型的關(guān)鍵，負(fù)責(zé)計(jì)算圖層疊置后所有區(qū)域?qū)εc滑坡易發(fā)性的貢獻(xiàn)程度，即權(quán)重.“字段計(jì)算”工具為ArcGIS地理處理工具集中提供的系統(tǒng)工具，用來計(jì)算地理要素字段的數(shù)值，前面6個(gè)“字段計(jì)算”工具以近似循環(huán)的方式計(jì)算每個(gè)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的二級(jí)因子的權(quán)重，最后將同一區(qū)域內(nèi)6個(gè)致災(zāi)因子的權(quán)重疊加，從而得出每個(gè)區(qū)域內(nèi)滑坡易發(fā)性的綜合權(quán)重.第4部分根據(jù)等間距法以各區(qū)域內(nèi)的綜合權(quán)重進(jìn)行滑坡的易發(fā)性等級(jí)劃分，并對(duì)不同等級(jí)進(jìn)行渲染，最終形成滑坡易發(fā)性區(qū)劃圖.

圖5 滑坡易發(fā)性區(qū)劃主模型Fig.5 The landslide susceptibility mapping master model

3 單體邊坡穩(wěn)定性分析

國內(nèi)外穩(wěn)定性分析方法眾多，可分為確定性方法、不確定方法、有限元方法等，本系統(tǒng)中主要使用工程經(jīng)驗(yàn)類比法、模糊綜合評(píng)判法、Sarma法、Bishop法、傳遞系數(shù)法和簡(jiǎn)布法等6種方法構(gòu)建邊坡穩(wěn)定性分析模型庫，用戶可以根據(jù)具體邊坡情況選擇評(píng)價(jià)方法.根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)危險(xiǎn)邊坡及時(shí)采取防護(hù)和加固措施，避免災(zāi)害發(fā)生帶來的損失，并可選擇對(duì)重點(diǎn)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理.

3.1 Sarma法

Sarma法可用于確定各種形式的邊坡穩(wěn)定性分析，屬于極限平衡法.它認(rèn)為邊坡巖體的滑動(dòng)面為理想的平面或圓弧面，從力學(xué)角度分析，巖體發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，不僅滑動(dòng)面上的剪力平衡被破壞，同時(shí)也考慮滑動(dòng)巖體內(nèi)部的剪切.進(jìn)行條塊分割時(shí)，條塊邊界無需垂直，從而Sarma法可以對(duì)各種特殊的巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，也可以對(duì)外部荷載下的邊坡進(jìn)行分析[8-9].

Sarma法通過假定對(duì)邊坡施加一個(gè)水平體積力，來實(shí)現(xiàn)邊坡的極限狀態(tài)，體積力如水平地震慣性力等，為滑坡體的自重.對(duì)于邊坡中的任一條塊，其幾何尺寸通常由3～4個(gè)頂點(diǎn)確定，地下水位線也可以在條塊剖面上確定，在Sarma法中，這些點(diǎn)都以坐標(biāo)的形式確定.具體條塊尺寸及條塊受力分析如圖6所示.

根據(jù)條塊的力學(xué)條件和幾何條件，以及靜力平衡條件：

(1)

可以求得：

(2)

Sarma法為隱式算法，需不斷折減抗剪強(qiáng)度，使邊坡逐步達(dá)到極限狀態(tài)，以此來求解穩(wěn)定性系數(shù).設(shè)折減系數(shù)F，將條塊本身的強(qiáng)度參數(shù)c值與φ值同時(shí)按折減系數(shù)F進(jìn)行折減，即同時(shí)以cbi/F、csi/F、csi+1/F、tanφbi/F、tanφsi/F和tanφsi+1/F代替cbi、csi、csi+1、tanφbi、tanφsi和tanφsi+1，作為新參數(shù)代入式(2)進(jìn)行計(jì)算.經(jīng)過多次迭代，使得等于邊坡的實(shí)際水平地震系數(shù)，此時(shí)的折減系數(shù)即為該水平地震系數(shù)條件下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[10].

圖6 Sarma法條塊尺寸及受力分析Fig.6 The size and force analysis of every strip-unit of slope by Sarma method

3.2 構(gòu)建邊坡穩(wěn)定性分析模型庫

系統(tǒng)中使用Matlab對(duì)上述穩(wěn)定性分析模型進(jìn)行后臺(tái)算法的編寫，構(gòu)建邊坡穩(wěn)定性分析模型庫，同時(shí)使用MXML搭建前臺(tái)用戶界面，完成選擇和使用模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析.

工程經(jīng)驗(yàn)類比法主要依靠對(duì)已有的自然邊坡或人工邊坡進(jìn)行調(diào)查分析，比較后確定研究邊坡的穩(wěn)定性狀況，不牽涉數(shù)學(xué)模型的計(jì)算[11]，系統(tǒng)中以界面輸入方式實(shí)現(xiàn)對(duì)該方法穩(wěn)定性分析結(jié)果存儲(chǔ).模糊綜合評(píng)判法計(jì)算過程主要包括評(píng)價(jià)因素選擇、判斷矩陣輸入、權(quán)重計(jì)算和隸屬度計(jì)算等步驟，牽涉到的數(shù)學(xué)模型有矩陣計(jì)算和隸屬度計(jì)算兩部分，可直接使用ActionScript語言編寫.

Sarma法、Bishop法、傳遞系數(shù)法和簡(jiǎn)布法都屬于定量分析法的范疇，需要通過Matlab構(gòu)建模型，并研究模型的輸入?yún)?shù)與輸出結(jié)果形式，構(gòu)建前臺(tái)界面，下文以Sarma法為例介紹模型的構(gòu)建方法.

根據(jù)Sarma法計(jì)算原理，首先考慮值與值不折減的情況，即F=1，計(jì)算此時(shí)的水平地震系數(shù)Kc值.Kr為當(dāng)?shù)厮降卣鹣禂?shù)(不考慮地震時(shí)取0)，若Kc>Kr，則以一定的步長(zhǎng)遞增；若Kc

4 重點(diǎn)邊坡監(jiān)測(cè)管理分析與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

重點(diǎn)邊坡監(jiān)測(cè)管理分析與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)主要是對(duì)較為危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)邊坡進(jìn)行管理.前文從宏觀區(qū)劃和微觀單體邊坡穩(wěn)定性兩個(gè)方面確定了危險(xiǎn)邊坡之后，從數(shù)據(jù)庫提取已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)序列等間隔化和數(shù)據(jù)序列突變現(xiàn)象處理模型等方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析成圖，從而可對(duì)監(jiān)測(cè)邊坡的變形狀況進(jìn)行判斷.可選擇預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型對(duì)邊坡變形位移進(jìn)行預(yù)測(cè)，展示預(yù)測(cè)的位移時(shí)間曲線圖，并根據(jù)邊坡體變形理論判斷所處變形階段，結(jié)合降雨量外部因素判斷邊坡的預(yù)警級(jí)別.

4.1 監(jiān)測(cè)邊坡信息管理與數(shù)據(jù)分析

目前，常用的邊坡監(jiān)測(cè)方法有：鉆孔測(cè)斜法、大地測(cè)量法(全站儀)、氣象監(jiān)測(cè)、地表水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)法和地表巡視等.系統(tǒng)為不同監(jiān)測(cè)方法提供相應(yīng)的模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理.例如：鉆孔測(cè)斜法根據(jù)錄入的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成深度位移曲線、位移時(shí)間曲線、速度時(shí)間曲線和S.Q.H關(guān)系曲線.

4.2 滑坡位移預(yù)測(cè)

生成各種關(guān)系曲線圖后，用戶可選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移進(jìn)行預(yù)測(cè).系統(tǒng)主要采用了非線性回歸分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和Verhulst函數(shù)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建預(yù)測(cè)模型進(jìn)行短臨期位移預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，采用指數(shù)平滑法和灰色GM(1，1)預(yù)測(cè)法構(gòu)建預(yù)測(cè)模型進(jìn)行中短期位移預(yù)測(cè)預(yù)報(bào).在本示例中，可以對(duì)各個(gè)深度點(diǎn)的位移量進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而可生成該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)間曲線，下圖7為采用灰色GM(1，1)模型預(yù)測(cè)的CXK4監(jiān)測(cè)點(diǎn)5.5m深度處的位移時(shí)間曲線.

圖7 晴隆滑坡CXK4監(jiān)測(cè)點(diǎn)5.5 m深度處位移時(shí)間預(yù)測(cè)曲線圖Fig.7 Displacement and time prediction curve at the 5.5m depth of CXK4 monitoring point of Qinglong landslide

4.3 判別滑坡變形階段

本文中滑坡變形階段的判別是基于可拓學(xué)綜合評(píng)判模型.可拓學(xué)的基本思路是首先根據(jù)待評(píng)價(jià)事物的數(shù)據(jù)資料將事物質(zhì)量分成若干等級(jí)，并確定各等級(jí)的數(shù)據(jù)范圍，再對(duì)待評(píng)事物進(jìn)行多指標(biāo)評(píng)定，評(píng)定結(jié)果按它與各等級(jí)集合的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行比較.關(guān)聯(lián)度越大，它與某等級(jí)集合的符合程度愈佳[13].

4.3.1 評(píng)判因子的隸屬度化 滑坡分為4個(gè)階段：蠕動(dòng)階段、勻速階段、加速階段和臨滑階段.本文確定的滑坡變形階段的5個(gè)判別因子分別是后緣裂縫貫通率、前緣變形程度、地下水動(dòng)態(tài)、位移量、地震烈度.本文中4.2即是通過GM(1，1)模型預(yù)測(cè)位移量C4.

確定了各判別因子對(duì)應(yīng)滑坡各階段的判別標(biāo)準(zhǔn)之后，為了方便評(píng)價(jià)，將這些判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行隸屬度變化，如表1所示.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定待評(píng)災(zāi)點(diǎn)晴隆滑坡的各判別因子的取值，并進(jìn)行隸屬度變化，如表2所示.

表1 判別因子對(duì)應(yīng)的判別標(biāo)準(zhǔn)與隸屬度

表2 晴隆滑坡各因子對(duì)應(yīng)的隸屬度

4.3.2 待評(píng)滑坡災(zāi)點(diǎn)變形階段的確定 根據(jù)式(3)待評(píng)災(zāi)點(diǎn)各因子與各變形階段的關(guān)聯(lián)度公式，計(jì)算待評(píng)災(zāi)點(diǎn)各因子與各變形階段的關(guān)聯(lián)度.其中aoji和boji是變形階段j對(duì)應(yīng)判別因子ci的隸屬度的最小取值和最大取值.api和bpi是各變形階段對(duì)應(yīng)因子ci的最小取值和最大取值.xi是待評(píng)物元對(duì)應(yīng)因子ci的隸屬度.

(3)

其中，

i=1,2,3,4,5;j=1,2,3,4；

由上述公式計(jì)算得到待評(píng)災(zāi)點(diǎn)各因子與各變形階段的關(guān)聯(lián)度矩陣如表3所示.

表3 晴隆滑坡各因子與各變形階段的關(guān)聯(lián)度

在得到待評(píng)災(zāi)點(diǎn)各判別因子與滑坡變形階段的關(guān)聯(lián)度矩陣之后，根據(jù)公式(4)，計(jì)算得到待評(píng)災(zāi)點(diǎn)與變形階段j的關(guān)聯(lián)度：

(4)

本文中，晴隆滑坡各因子的權(quán)重為=[0.15，0.16，0.23，0.3，0.16].因此，可以得出晴隆滑坡與各變形階段的關(guān)聯(lián)度如下所示.評(píng)定結(jié)果按它與各等級(jí)集合的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行比較.關(guān)聯(lián)度越大，它與某等級(jí)集合的符合程度愈佳.晴隆滑坡與勻速階段的關(guān)聯(lián)度最大，所以系統(tǒng)評(píng)價(jià)晴隆滑坡處于勻速變形階段.

表4 晴隆滑坡與各變形階段的關(guān)聯(lián)度和評(píng)價(jià)結(jié)果

4.4 滑坡預(yù)警

確定了滑坡的變形階段之后，結(jié)合降雨強(qiáng)度進(jìn)一步確定滑坡預(yù)警級(jí)別.預(yù)警級(jí)別確定標(biāo)準(zhǔn)如表5所示.

表5 滑坡預(yù)警級(jí)別劃分

5 結(jié)語

本文介紹了一個(gè)高速公路邊坡信息分析與管理系統(tǒng).該系統(tǒng)以貴州省為研究區(qū)域，結(jié)合貴州主要公路網(wǎng)，在歷史滑坡災(zāi)害分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)其成因和易發(fā)性規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)研究，基于ArcGIS軟件平臺(tái)，構(gòu)建基于主客觀最優(yōu)組合賦權(quán)的可拓學(xué)模型，并發(fā)布為地理處理服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃的網(wǎng)絡(luò)化與自動(dòng)化，最終形成貴州省滑坡災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖.對(duì)于單體邊坡，通過建立穩(wěn)定性分析模型庫，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析.運(yùn)用可拓學(xué)綜合評(píng)判模型，判斷滑坡所處變形階段，確定預(yù)警級(jí)別.系統(tǒng)用于路網(wǎng)的規(guī)劃、公路建設(shè)運(yùn)營以及養(yǎng)護(hù)，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)有重要意義.

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Research on GIS-based highway slope risk analysis and early warning system

WANG Weidong1，2, LIU Chao1, LI Dahui1, TAN Hanhua3, LUO Qiang4, LONG Wanxue3

(1. School of Civil Engineering， Central South University， Changsha 410075;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction， Changsha 410075;3.Guizhou Transportation Planning Survey and Design Academe CO. LTD.， Guiyang 550081;4.Guizhou Provincial Department of Transportation， Guiyang 550003)

To research on the landslide susceptibility mapping， a Subjective and Objective Weighting Method-based landslides susceptibility mapping GP model was established. The model was based on the landslide susceptibility mapping research system and formed with six disaster-induced factors (elevation， slope， lithology， geological structure， railway construction and average anural rainfall) and their secondary indexes. This model was published as a web service which can draw landslides susceptibility map automatically in WebGIS while called. To study the individual slope， the instability risk was predicted by analyzing and calculating the landslides stability with geological mechanic methods. Then according to the monitoring data， the deformation stage can be judged and the warning level of landslide can be determined with the prediction models. In summary， we conbined the geological hazard macroscopic mapping and individual slope stability analysis with monitoring and warning and applied them to the highway slope information management system in this paper， which will successfully analyze the highway slope risk and warn the hazard.

slope information management; risk assessment; geo-hazard susceptibility mapping; stability analysis; monitoring and prediction

2015-01-11.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478483)；交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目 (2003353352480) .

1000-1190(2015)03-0452-08

P642.22

A

*E-mail: 147745@163.com.