考慮活動性狀態(tài)的大型滑坡危險性評價

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(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

1 研究背景

滑坡危險性根據(jù)滑坡范圍大小分為區(qū)域滑坡危險性和單個滑坡危險性。目前，國內(nèi)外對區(qū)域滑坡危險性研究[1-5]已逐步趨于成熟，然而對大型滑坡區(qū)域的危險性研究卻相對缺乏。影響斜坡穩(wěn)定性的因素大體上分為地質(zhì)條件和斜坡活動性狀態(tài)[6]。地質(zhì)條件主要包含地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水系、道路以及植被覆蓋度等，為滑坡形成提供外部物質(zhì)條件。斜坡活動性狀態(tài)是斜坡受內(nèi)外營力作用下在自然演變過程中能量積累的過程，主要通過裂縫密集度、裂縫擴展和地表位移形變量等形式表現(xiàn)，為滑坡的形成提供動力條件。大量事實證明，絕大多數(shù)斜坡就是在特定物質(zhì)條件和動力條件共同作用下衍生成滑坡。國內(nèi)陳偉等[7]利用蒙特卡羅法通過計算滑坡失穩(wěn)破壞率來評價單個滑坡的危險性。樊曉一等[8]選取定性和定量指標基于層次分析法分析寶塔滑坡的危險度。鄭乾墻[9]對江西某典型滑坡基于模糊綜合評判方法進行了半定量危險性評價。國外Barredo等[10]對西班牙Gran Canaria Island塊體運用直接和間接法分析塊體的運動危險度。Al-Homoud等[11]基于專家經(jīng)驗法對約旦高速公路沿線的典型滑坡進行危險度評價。Hong等[12]對日本Zentoku滑坡采用數(shù)值分析法評價其危險性。大部分學(xué)者在滑坡危險性分析中僅考慮了滑坡地質(zhì)條件因素，忽略了斜坡自身演化過程中的活動性狀態(tài)變化，對滑坡危險性評價過于片面，一定程度上影響滑坡危險性評價的精準性；且缺乏對大型滑坡區(qū)域各部分危險性級別區(qū)劃，對大型滑坡危險性評價[8,13-14]結(jié)果僅限于單個危險值，其結(jié)果過于模糊，無法全面、直觀反映滑坡各部分的危險程度。

基于上述認識，運用GIS技術(shù)，借鑒區(qū)域危險性圖示表達方式[1-5]，考慮斜坡活動性狀態(tài)[6]和地質(zhì)條件，采用因素疊合法[14]，本文提出考慮斜坡活動性狀態(tài)的大型滑坡危險性區(qū)劃評價方法。以西山村滑坡為例，選取坡高、坡度和曲率等為地質(zhì)條件影響因子，運用GIS分別統(tǒng)計地質(zhì)條件中各因子對滑坡的貢獻率，并疊加生成整個滑坡地質(zhì)條件。同時，通過對滑坡區(qū)域定性和定量分析，根據(jù)活動性狀態(tài)判別標準[6]，得出滑坡活動性狀態(tài)區(qū)劃圖，并賦予相應(yīng)活動性級別值。利用GIS技術(shù)，將地質(zhì)條件區(qū)劃圖和斜坡活動性圖層進行疊合，完成了西山村滑坡危險性區(qū)劃評價。根據(jù)危險性區(qū)劃圖，可以直觀了解滑坡各部位具體的危險性程度分布，進而對滑坡預(yù)警預(yù)報和治理措施提供一定的理論依據(jù)。

2 滑坡概況

西山村滑坡地處四川省理縣通化鄉(xiāng)雜谷腦河左河畔，經(jīng)緯中心坐標為31°30′00.26″N，103°25′39.97″E，滑體規(guī)模約1.7×108m3，屬于特大型土質(zhì)滑坡?；乱噪s谷腦河為前緣界，后緣界為一直立陡崖，其左右兩側(cè)發(fā)育有明顯沖溝，為比較典型的圈椅狀滑坡(圖1)。危險區(qū)面積約3.45×106m2，其主要誘發(fā)因素為降雨。目前該滑坡局部仍存在蠕滑現(xiàn)象，其發(fā)展趨勢為不穩(wěn)定狀態(tài)，危險性較大，對人民的生命財產(chǎn)安全具有重大威脅。西山村滑坡隸屬剝蝕侵蝕高山地貌區(qū)，相對高差較大，地形切割強烈，階地較為發(fā)育。因公路修建，滑坡前緣坡腳坡體切坡較為嚴重，形成大量較高的陡坎，對滑坡的穩(wěn)定性有非常不利的影響。研究區(qū)地層主要以上古生界泥盆系下統(tǒng)危關(guān)組(主要為變質(zhì)石英砂巖)、下古生界志留系茂縣群(主要為灰色變質(zhì)結(jié)晶灰?guī)r)、第四系崩坡積層和殘坡積(以灰白色粉土夾碎塊石和土黃色似黃土為主)為主。西山村滑坡主要地質(zhì)構(gòu)造為平石頭斷層，貫穿滑坡的上部。西山村滑坡前緣為一級支流雜谷腦河，水流充沛，且相對較穩(wěn)定。

圖1 西山村滑坡全貌 Fig.1 Panorama of Xishan viallage landslide

3 地質(zhì)條件分析

3.1 地質(zhì)條件評價指標提取與分析

地質(zhì)條件反映區(qū)域地質(zhì)環(huán)境[15]的好壞程度，其本質(zhì)是多方面地質(zhì)影響因子共同作用下形成的復(fù)雜體系。滑坡就是在這個復(fù)雜體系下發(fā)生變異而生，因此進行滑坡危險性評價時，合理擇取地質(zhì)條件中控制災(zāi)害體產(chǎn)生的影響因子非常重要。以西山村滑坡為例，借鑒前人經(jīng)驗，依據(jù)相關(guān)調(diào)查資料，遵守指標篩選原則[6]，結(jié)合滑坡實際情況，選取以下影響因子進行地質(zhì)條件評價。

3.1.1 地形地貌

地形地貌包含坡度、坡高、坡向、曲率等方面。坡度是滑坡形成的重要自然環(huán)境因子，宏觀上表現(xiàn)為斜坡的陡緩程度，微觀上決定了斜坡中滑體的抗滑力和下滑力大小，進而決定斜坡的安全性系數(shù)，影響斜坡的危險性。大量相關(guān)資料表明，斜坡在10°～40°發(fā)生滑動的概率較大，故選取坡度作為影響因子之一；坡高影響空氣濕度和氣候，進而影響植被覆蓋度，影響斜坡的穩(wěn)定性；坡向決定太陽輻射時長和強弱，影響巖土體的風(fēng)化作用強度和速率，改變斜坡的穩(wěn)定性；曲率決定斜坡內(nèi)部應(yīng)力分布差異，來控制斜坡的穩(wěn)定性。

3.1.2 巖層組合

巖層組合從物源上對斜坡的穩(wěn)定性有至關(guān)重要的影響[15]。巖土體性質(zhì)決定斜坡的抗風(fēng)化能力，越堅硬的巖土體，抗風(fēng)化能力就越強，斜坡的整體性較好，對斜坡的穩(wěn)定性起促進作用；反之越軟弱的巖土斜坡對其穩(wěn)定性起削弱作用。

3.1.3 斷 層

斷層是導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要因素之一[15]。斷層不僅破壞斜坡的整體性，使斷層附近的巖土體較松散，也削弱了斜坡自身的力學(xué)強度，降低斜坡的穩(wěn)定性。

3.1.4 河 流

河流是影響一定區(qū)域范圍岸坡巖土體飽和度的重要指標之一。降雨與地表徑流抬高河流水位，改變地下水滲流系統(tǒng)，增大岸坡巖土體的飽和度，降低岸坡巖土體力學(xué)性質(zhì)(抗河流下切侵蝕作用和卸荷回彈作用)，進而削弱巖土體的穩(wěn)定性。

3.1.5 道 路

人類工程活動中對斜坡穩(wěn)定性影響最大的是道路建設(shè)。坡體切割改變了斜坡內(nèi)部應(yīng)力的分布，特別是前緣公路建設(shè)，形成較大較多的臨空面，產(chǎn)生卸荷變形，降低了斜坡穩(wěn)定性。

3.1.6 植被覆蓋度

植被覆蓋度是描述區(qū)域地表植被(葉、莖、枝等)生長情況的定量指標。大量事實證明，一定量的地表植被覆蓋能提升斜坡的穩(wěn)定性[16]，尤其是根莖較深的植被，其穩(wěn)固巖土體的能力和減少水土流失的能力都較強，從而降低斜坡發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性。

綜上所述，本文選取坡度、坡高、坡向、曲率、地層巖性、斷層、河流、道路、植被覆蓋度共9個評價指標因子體系來完成對西山村滑坡地質(zhì)條件的分析。

3.2 因子權(quán)重計算

為合理反映因子間與地質(zhì)條件的實際影響關(guān)系，即影響因子對地質(zhì)條件影響大者權(quán)值高，而較小者權(quán)重小，由此，采用半定量的相互關(guān)系矩陣法[17-18]，分析多種影響因子分別對地質(zhì)條件的貢獻權(quán)重大小。

相互關(guān)系矩陣在運用于權(quán)重計算時，在定性分析各因子相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立因子間的相互關(guān)系矩陣，根據(jù)各因子的作用和所受影響的不同，通過半定量取值來衡定因子之間的相互作用程度，將其劃分為5個等級，并分別用0～4之間的數(shù)值定量描述，即：0表示無影響或基本無影響；1表示影響??；2表示影響中等；3表示影響較大；4表示影響大。根據(jù)該取值法，得出地質(zhì)條件影響因子相互關(guān)系矩陣，如表1所示。通過計算評價指標因子的作用性指數(shù)來確定因子的權(quán)重，即每個指標因子的作用影響值總和占整個指標因子影響總值的百分比，作用性指數(shù)越高，其權(quán)重越大，實際表現(xiàn)為該指標因子對地質(zhì)條件因素的貢獻越大，由此即得各指標權(quán)重，如表2所示。

表1 指標因子相互作用關(guān)系矩陣賦值Table 1 Matrix assignment of indicator factor interaction

注：Hi代表第i行之和；Li代表第i列之和；Hi+Li代表第i行與對應(yīng)的i列之和；Wi代表第i個指標的權(quán)重；C1-C9的含義見表2

3.3 地質(zhì)條件因素值計算

地質(zhì)條件因素值是將所有地質(zhì)條件影響因子分別對區(qū)域某點危險貢獻量的疊加值。運用ArcGIS基于DEM數(shù)據(jù)、地質(zhì)勘查資料以及遙感影像圖分析分別提取滑坡地質(zhì)條件影響因子的柵格圖層，通過對各影響因子定量劃分，如表3所示，確定各個影響因子的貢獻量，從而得出一系列單因子的柵格貢獻量圖層。最終運用ArcGIS中柵格計算功能，將所有柵格圖層乘以相互關(guān)系矩陣得出的權(quán)重，得出滑坡區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件因素值，即

Fg=∑WiCi。

(1)

其中：Fg表示地質(zhì)條件因素值，其大小反映地質(zhì)條件的好壞程度，其值越大，表明地質(zhì)條件越差；Ci表示第i個地質(zhì)條件影響因子對滑坡危險的貢獻大小的量化；i取值1～9。

通過GIS的柵格計算功能，將地質(zhì)條件影響因子圖層與相應(yīng)的權(quán)重相乘，基于上述地質(zhì)條件評價模型，完成對西山村滑坡區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)條件因素值計算，根據(jù)自然間斷點分級法，得出地質(zhì)條件區(qū)劃圖，如圖2所示。

圖2西山村滑坡區(qū)域地質(zhì)條件區(qū)劃圖
Fig.2ZoningofregionalgeologicalconditionsofXishanvillagelandslide

4 活動性狀態(tài)分析

滑坡如同自然界其他事物一樣，具有孕育、發(fā)生、發(fā)展和消亡的自然演化規(guī)律。在演化過程中，斜坡的活動程度不同。根據(jù)斜坡變形特征，結(jié)合許強等[19]提出的斜坡變形三階段演化和斜坡活動狀態(tài)周期性[6,20]，依次將斜坡的演變過程和活動性描述為在孕育階段，斜坡幾乎無變形，活動性弱；在表生改造階段出現(xiàn)變形，但變形量較小，活動性較弱；在時效變形階段，變形速率較緩，變形量在逐漸拉伸，局部有掉塊現(xiàn)象，活動性較強；到累進性破壞階段，變形速率和變形量相應(yīng)增大，斜坡活動性強。

表2 評價指標權(quán)重Table 2 Weights of evaluation indicators

表3 評價指標等級劃分Table 3 Classification of evaluation indicators

基于上述認識，以西山村滑坡為例，從定性和定量角度分析滑坡區(qū)域的活動性狀態(tài)。鑒于資料的可用性，分析滑坡區(qū)域內(nèi)變形規(guī)模和發(fā)展趨勢來考慮區(qū)域各部分活動性狀態(tài)，主要通過地表變形和地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)來判定。由于監(jiān)測資料欠缺，本文主要考察監(jiān)測資料覆蓋區(qū)域，結(jié)合前人研究[21-22]，由此將西山村滑坡研究范圍劃分為4個形變區(qū)域，如圖3所示。

圖3西山村滑坡變形分區(qū)
Fig.3Zoningoflandslidedeformation

I號變形區(qū)處于滑坡前緣部分，據(jù)現(xiàn)場勘察，區(qū)內(nèi)植被稀疏，道路切坡嚴重，致使巖土體比較松散，形變顯著，如裂縫擴展貫通，裂縫比較密集，主要表現(xiàn)為該處滑體擠壓公路，形成擠壓裂縫，局部錯臺以及明顯的錯動跡象，如圖4(a)所示。

Ⅱ號變形區(qū)處于滑坡的中前部，據(jù)實地勘察，植被覆蓋較少，巖土體結(jié)構(gòu)比較破碎，多處出現(xiàn)裂縫，且逐漸呈現(xiàn)貫通趨勢，Ⅱ號區(qū)相對于Ⅰ號區(qū)形變跡象較小，其主要變形為局部坍塌和地表拉張裂縫等，如圖4(b)所示。

Ⅲ號變形區(qū)處于滑坡的中部，在滑坡Ⅰ號和Ⅱ號變形區(qū)牽引作用下，中部地表局部出現(xiàn)拉張裂縫，裂縫較長且較深，但在汶川地震之后，裂縫變形寬度增加量緩慢，裂縫比較稀疏，主要表現(xiàn)在局部墻體開裂，局部出現(xiàn)錯臺等，如圖4(c)所示。

Ⅳ號區(qū)缺乏監(jiān)測數(shù)據(jù)，僅根據(jù)現(xiàn)場勘察得出其在汶川地震之后并無較大的形變跡象，地表局部僅有零星裂縫，建筑物上的拉張裂縫無增大和貫通以及加深現(xiàn)象。依據(jù)活動性狀判別標準，將Ⅳ號區(qū)判定為活動性弱?；w之外區(qū)域為基巖出露部分，巖土體為整體結(jié)構(gòu)，地形簡單，為圖示美觀，本文將其默認為活動性弱區(qū)。

圖4滑坡Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ變形區(qū)全貌
Fig.4HolisticviewsoflandslidedeformationzoneⅠ, Ⅱ,andⅢ

圖5為地表水平方向累積位移及變形速率隨時間變化曲線。

圖5地表水平方向累積位移及變形速率隨時間變化曲線
Fig.5Curvesofgroundsurfacehorizontalcumulativedisplacementanddeformationrateagainsttime

結(jié)合滑坡形變區(qū)內(nèi)的GPS地表位移監(jiān)測資料，選取各變形區(qū)內(nèi)比較有代表性的地表位移監(jiān)測點數(shù)據(jù)，根據(jù)位移-時間的關(guān)系，即得各區(qū)位移變形量，如圖5(a)所示。根據(jù)2015年8月—2016年11月的地表水平累積位移數(shù)據(jù)，處于滑坡Ⅰ區(qū)內(nèi)GPS01點地表水平累積位移量最大，在這期間累積變形高達578.66 mm；其次是Ⅱ區(qū)內(nèi)GPS03點累積位移量161.53 mm；而Ⅲ區(qū)內(nèi)GPS05點累積變形量比較小，但累積位移變形量仍達23.33 mm。總體上顯示為I區(qū)變形量較大，Ⅱ區(qū)其次，Ⅲ區(qū)變形最小。同時依據(jù)累積位移曲線斜率反映其變形速率，如圖5(b)所示，Ⅰ區(qū)變形速率最快，平均以1.22 mm/d的速率發(fā)生形變，其累積形變?nèi)蕴幱谠黾于厔荩虎騾^(qū)變形速率較緩，但仍以0.34 mm/d的平均變形速率發(fā)生變動；Ⅲ區(qū)變形緩慢，其平均變形速率為0.05 mm/d。

運用ArcGIS的空間分析功能，得出西山村滑坡活動性區(qū)劃圖，如圖6所示。通過對西山村滑坡區(qū)內(nèi)定性和定量分析，以區(qū)域的裂縫密集度、裂縫貫穿程度、累積變形量、變形速率等來確定滑坡各區(qū)的活動性狀態(tài)，根據(jù)活動性狀態(tài)判別分級[6]，如表4所示，將4個區(qū)域依次判定為Ⅰ區(qū)為活動性強，Ⅱ區(qū)活動性較強，Ⅲ區(qū)活動性較弱，Ⅳ區(qū)活動性弱。依據(jù)不同活動性狀態(tài)對滑坡發(fā)生的貢獻作用不同，從而對滑坡各區(qū)進行活動性分級量化，即不同的活動性狀態(tài)賦予不同等級的活動性程度值(表4)，活動性程度越高，對滑坡災(zāi)害的發(fā)生貢獻越大，活動性程度值就越大；反之，對滑坡的貢獻越小，則活動性程度值越小。

圖6西山村滑坡區(qū)域活動性區(qū)劃
Fig.6ZoningofactivityofXishanvillagelandslide

5 基于因素疊合法的危險性評價及驗證

5.1 危險性評價

滑坡是在特定地質(zhì)條件和斜坡活動性狀態(tài)雙重因素相互作用下產(chǎn)生的，由此采用因素疊合法，綜合分析滑坡區(qū)的危險性。即綜合考慮地質(zhì)條件和斜坡活動性狀態(tài)，通過評價模型來計算滑坡區(qū)域范圍內(nèi)的危險性值，即

S=FgFac。

(2)

式中：S表示危險性值，其值越大表明該處穩(wěn)定性越差，越容易出現(xiàn)大變形或滑塌現(xiàn)象；Fg表示地質(zhì)條件因素值；Fac表示斜坡活動性程度值。

該評價模型可運用ArcGIS柵格計算功能實現(xiàn)，將地質(zhì)條件區(qū)劃圖與滑坡活動性狀態(tài)區(qū)劃圖進行疊合，依據(jù)自然間斷點分級法原則，將滑坡區(qū)域分為低、較低、中等、較高、高5類危險性級別，并生成危險性區(qū)劃圖，如圖7所示。

圖7西山村滑坡區(qū)域范圍危險性區(qū)劃
Fig.7ZoningofrisklevelofXishanvillagelandslide

滑坡區(qū)域前緣危險性高，中前部至中部危險性較高，危險性中等及以下主要分布于滑坡區(qū)域的中部至后緣段，同時易看出公路越密集，其危險性也相應(yīng)較高，表明危險性與公路密集度存在一定的相關(guān)性。

表4 活動性狀態(tài)判別分級[6]Table 4 Classification of activity state levels[6]

通過對滑坡區(qū)域危險性分區(qū)統(tǒng)計(表5)，滑坡區(qū)域內(nèi)高和較高危險性主要分布于滑坡的前緣和中部，面積為0.9131×106m2,占整個滑坡總面積的26.44%，而中等及以下危險性區(qū)域多分布于滑坡的中部及后緣占滑坡總面積的73.56%。對比分析活動性與危險性區(qū)劃結(jié)果易發(fā)現(xiàn)，滑坡的危險性與活動性狀態(tài)具有很好的相關(guān)性，活動性越強的區(qū)域，危險性就越大，說明危險性分區(qū)比較客觀地反映了滑坡區(qū)域的危險性分布情況。

表5 滑坡區(qū)域危險性分區(qū)統(tǒng)計Table 5 Statistics of landslide risk zoning

5.2 結(jié)果驗證

斜坡活動性越高，其危險性也就相應(yīng)越高，由此通過選取高和較高活動性區(qū)劃面積與高和較高危險性的面積重疊度分析本次大型滑坡危險性評價的精準性，重疊度越高，表明評價結(jié)果越佳。具體操作利用ArcGIS的重分類功能，通過幾何算術(shù)，分別統(tǒng)計出高和較高活動性的面積與高和較高危險性的面積，繼而由疊加度等于危險性面積與活動性面積之比，得出疊加度為96.03%，易看出評價結(jié)果中危險性高發(fā)區(qū)與活動性高區(qū)重疊度較高，表明評價結(jié)果比較合理有效。

6 結(jié)論及不足

結(jié)合本文的研究，得出如下結(jié)論：

(1)斜坡在演化過程中所處活動性狀態(tài)不同，其滑坡對應(yīng)的危險性嚴重程度也不同，兩者具有較高的相關(guān)性。

(2)綜合考慮地質(zhì)條件和斜坡各部分活動性狀態(tài)的雙重因素，可避免單因素評價的片面性，極大提高大型滑坡危險性評價的準確性。

(3)將區(qū)域危險性結(jié)果圖示表達法運用于大型滑坡的危險性評價，可使評價結(jié)果清晰直觀。

本文研究也存在以下不足之處：

(1)監(jiān)測數(shù)據(jù)不完整。其一，地表GPS位移監(jiān)測數(shù)據(jù)僅覆蓋滑坡的3個主要變形區(qū)，致使無法對整個滑坡區(qū)域作出精準的危險性評價；其二，GPS監(jiān)測點在滑坡體上僅有為數(shù)不多的監(jiān)測點，致使活動性分區(qū)相對比較模糊。

(2)評價指標有待優(yōu)化。首次提出將區(qū)域危險性評價指標作用于單個大型滑坡，其指標選取上有待于進一步優(yōu)化。

(3)因子分級賦值具有主觀性。地質(zhì)條件影響因子采用分級賦值的方式，確定各影響因子對地質(zhì)條件的影響程度具有一定的主觀性。