我國(guó)單體滑坡模擬和區(qū)域滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

吳賽男，田 毅，2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.北京市國(guó)土資源信息研究與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

滑坡是指斜坡上的巖、土體由于受多種因素(地震、降水入滲及水流沖刷、人工挖破等)的影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面(帶)整體或分散順坡向下滑動(dòng)的自然現(xiàn)象及其形成的地貌形態(tài)，俗稱“走山”、“垮山”、“地滑”、“土溜”、“山剝皮”等。隨著近年來(lái)自然環(huán)境演化和人類工程活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的改變，作為主要地質(zhì)災(zāi)害之一的滑坡災(zāi)害頻發(fā)，給人民的財(cái)產(chǎn)和生命安全造成極大的威脅。據(jù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局統(tǒng)計(jì)，2008年1月至2017年3月全國(guó)共發(fā)生山體滑坡486次，開展滑坡模擬已成為減災(zāi)防災(zāi)的重要內(nèi)容。研究滑坡災(zāi)害形成機(jī)理、開展滑坡啟動(dòng)預(yù)警，既是保護(hù)人民財(cái)產(chǎn)和生命安全的需要，更是減災(zāi)防災(zāi)與自然資源管理決策的需要。因此，分析滑坡災(zāi)害研究?jī)?nèi)容、研究方法、研究模型的發(fā)展變化及其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)滑坡地質(zhì)災(zāi)害研究的發(fā)展趨勢(shì)，無(wú)疑對(duì)今后的滑坡穩(wěn)定性評(píng)估、成災(zāi)預(yù)警及災(zāi)害治理具有重要的指導(dǎo)作用。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究思路

本文以萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)為文獻(xiàn)檢索平臺(tái)，以“滑坡”“模擬”作為檢索項(xiàng)進(jìn)行篇名或關(guān)鍵詞檢索，檢索時(shí)段為1988年至今。對(duì)初步篩選得到的文獻(xiàn)，利用NoteExpress軟件，開展作者、年份和關(guān)鍵詞等信息的提取和歸納，分析滑坡模擬研究變化趨勢(shì)，總結(jié)研究現(xiàn)狀與不足，進(jìn)而提出滑坡模擬未來(lái)發(fā)展建議。

本研究采用文獻(xiàn)計(jì)量法與內(nèi)容分析法相結(jié)合的研究方法，分析我國(guó)滑坡模擬進(jìn)展，為地質(zhì)綜合減災(zāi)防災(zāi)與自然資源統(tǒng)一管理提供決策參考。

2 滑坡模擬研究發(fā)展與研究領(lǐng)域拓展

2.1 研究趨勢(shì)

1988年后隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，我國(guó)的滑坡滑坡模擬研究開始起步。2000年后，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、測(cè)繪技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)研究進(jìn)入快速增長(zhǎng)期。2007年前后，由于我國(guó)地震誘發(fā)的次生災(zāi)害頻發(fā)，滑坡模擬研究出現(xiàn)第一個(gè)研究高峰期。2010年后，伴隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)，中西部基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，滑坡災(zāi)害多發(fā)，相關(guān)研究進(jìn)入快速發(fā)展期(圖1)。

圖1 滑坡模擬相關(guān)研究論文數(shù)量的年度變化趨勢(shì)(1988～2018)Fig.1 Annual trend of research papers on landslide simulation(1988～2018)

2.2 主要研究?jī)?nèi)容

對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可獲得滑坡模擬研究的熱點(diǎn)。經(jīng)對(duì)1988年至今的1 121篇文獻(xiàn)利用NoteExpress軟件統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，共涉及2 743個(gè)關(guān)鍵詞、累計(jì)出現(xiàn)6 522次。其中，關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次小于30的有2 726個(gè)。為此，本文將30頻次作為標(biāo)準(zhǔn)線區(qū)分高、低頻關(guān)鍵詞(表1)，進(jìn)而從關(guān)鍵詞的特性進(jìn)一步分析主要的研究?jī)?nèi)容。

表1 滑坡重點(diǎn)熱點(diǎn)高頻關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)

從表1可知，我國(guó)滑坡模擬研究領(lǐng)域主要集中在滑坡機(jī)理研究、滑坡模擬方法、滑坡治理研究以及重點(diǎn)區(qū)域研究。其中，涉及研究機(jī)理的關(guān)鍵詞頻次為345，尤其是滑坡穩(wěn)定性分析；涉及技術(shù)方法的關(guān)鍵詞頻次為841，尤其是為滑坡數(shù)值模擬；涉及滑坡應(yīng)用治理關(guān)鍵詞頻次為101，尤其是抗滑樁研究與應(yīng)用；涉及研究區(qū)域的關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次達(dá)85，主要集中在三峽庫(kù)區(qū)和黃土高原。

2.3 作者分析

統(tǒng)計(jì)顯示，滑坡模擬研究涉及作者2 088人次，篇均合作度為1.84。從作者合作性情況看，合作性研究609篇，占比53.66%，說(shuō)明合作性研究是該類研究的主要形式(表2)。同時(shí)，以個(gè)人獨(dú)立研究也有一定占比。

表2 論文作者合作情況

通常，統(tǒng)計(jì)研究群體的分布特征可以客觀地體現(xiàn)該領(lǐng)域研究領(lǐng)導(dǎo)核心群，從而進(jìn)一步把握研究重難點(diǎn)。根據(jù)普賴斯理論[1]，核心作者中發(fā)文量最多的作者所發(fā)論文(Nmax)與發(fā)文量最少作者所發(fā)論文量(Nmin)關(guān)系密切公式(1)。

Nmin=0.749×(Nmax)1/2(1)

根據(jù)公式1計(jì)算可知，本領(lǐng)域核心作者最少發(fā)文量Nmin=2.90篇(在此本文取整為3篇)，發(fā)文量大于3篇可列入核心作者，人數(shù)為119人，是滑坡模擬研究領(lǐng)域的核心作者或核心作者群。其中，來(lái)自成都理工大學(xué)的許強(qiáng)教授的發(fā)文量最多，達(dá)15篇。另外，分析發(fā)文量前五的作者，分別來(lái)自成都理工大學(xué)、生態(tài)環(huán)境部、上海交通大學(xué)、自然資源部地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)中心、浙江大學(xué)等科研院所與大學(xué)，研究重點(diǎn)涉及地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)預(yù)警方法研究、邊坡穩(wěn)定性分析等方面，說(shuō)明滑坡模擬研究在我國(guó)已呈現(xiàn)多部門、多領(lǐng)域、多學(xué)科共進(jìn)的特點(diǎn)(表3)。

2.4 期刊統(tǒng)計(jì)分析

按期刊載文數(shù)量遞減順序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)排列，根據(jù)布拉德福定律，在各個(gè)分區(qū)文章數(shù)量大約相等的情況下，可將文獻(xiàn)綜述研究的期刊分為核心區(qū)、相關(guān)區(qū)、非相關(guān)區(qū)三個(gè)區(qū)，其期刊數(shù)量成1∶n∶n2(n為常數(shù))的關(guān)系[2]?；谠摱?，本文計(jì)算得到滑坡模擬研究的期刊數(shù)量比中核心區(qū)、相關(guān)區(qū)、非相關(guān)區(qū)依次約為1∶5∶18，即n值為5。按照布拉德福定律，發(fā)文量在前25名的期刊為本領(lǐng)域研究的核心區(qū)期刊(表4)，這些期刊載文量占整個(gè)研究領(lǐng)域的46.66%。其中，排名前三的依次為《工程地質(zhì)學(xué)報(bào)》(總研究占比5.06%)、《巖土力學(xué)》(總研究占比4.40%)、《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》(總研究占比4.24%)。

表3 核心作者及其研究情況

表4 核心期刊及發(fā)文量

3 物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合與滑坡模擬三新趨勢(shì)

3.1 研究方法

目前，我國(guó)滑坡模擬方法研究主要是開展滑坡運(yùn)動(dòng)過程分析，涉及方法包括經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法、力學(xué)模型計(jì)算法、物理模型試驗(yàn)法以及數(shù)值模擬法等方面[3]。其中滑坡模擬方法以滑坡運(yùn)動(dòng)過程分析為主、滑坡模擬以物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合為主(圖2)。

圖2 滑坡動(dòng)態(tài)模擬方法年度變化Fig.2 Annual change of dynamic simulation method of landslide

其中，經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法研究方面，從2007出現(xiàn)，逐步增多。例如，王思敬教授、王效寧博士在對(duì)我國(guó)數(shù)個(gè)大型滑坡運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究基礎(chǔ)上,通過滑坡全過程能量分析,提出了最大滑速及滑距計(jì)算公式。甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所結(jié)合多個(gè)典型黃土滑坡災(zāi)害實(shí)例的研究反演,提出了考慮滑出條件的黃土滑坡空間預(yù)報(bào)理論模型。

力學(xué)計(jì)算模型法中，應(yīng)用最為廣泛是滑坡塊體模型法，包括單一質(zhì)點(diǎn)塊體模型、獨(dú)立單元模型以及可變塊體運(yùn)動(dòng)二維模型等[4]。例如，劉忠玉等[5]建立了預(yù)測(cè)高速滑坡遠(yuǎn)程的塊體運(yùn)動(dòng)模型。

物理模擬法主要包括室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室模擬和現(xiàn)場(chǎng)模擬。例如，任光明等[6]利用物理模擬再現(xiàn)順層坡滑坡的形成機(jī)制；范宣梅等[7]以四川省宣漢縣天臺(tái)鄉(xiāng)滑坡為地質(zhì)原型,通過物理模擬再現(xiàn)滑坡的變形破壞過程；張健等[8]結(jié)合野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,利用三維振動(dòng)臺(tái)物理模擬試驗(yàn),研究了大光包滑坡在地震作用下的啟動(dòng)機(jī)制與破壞過程,探討了滑坡發(fā)生與坡體結(jié)構(gòu)的密切關(guān)系；曹從伍等[9]基于物理模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)黑方臺(tái)黃土滑坡破壞機(jī)理進(jìn)行研究；易志堅(jiān)等[10]采用物理模擬中的底摩擦試驗(yàn)方法和離散元數(shù)值計(jì)算對(duì)唐古棟滑坡的成因機(jī)制進(jìn)行分析；張靈熹等[11]基于工程地質(zhì)勘察,建立邊坡地質(zhì)模型,結(jié)合底摩擦試驗(yàn)、二維離散元和有限元模擬等方法,探討云盤頭滑坡的變形破壞機(jī)制。

從2007年起，數(shù)值模擬法逐步成為主要研究方法，包括連續(xù)介質(zhì)模型和非連續(xù)介質(zhì)模型2類。其中，DAN-W 和 DAN-3D 是連續(xù)介質(zhì)模型的典型代表，非連續(xù)介質(zhì)模型多采用離散單元法[3]；齊超等[12]通過滑坡動(dòng)力分析軟件DAN-W分別建立了摩擦模型、Voellmy模型和F—V等3種不同的滑坡數(shù)值模型，對(duì)東河口滑坡一碎屑流進(jìn)行了模擬；高楊等[13]通過二維DAN-W模擬,選取Frctional、Voellmy等流變模型,模擬了滑坡運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程。柴賀軍等[14]運(yùn)用離限單元法模擬藏渡密縣易貢多發(fā)生大型山體崩滑體破壞、運(yùn)動(dòng)全過程。

3.2 研究模型

根據(jù)模型是否考慮滑坡內(nèi)在的物理力學(xué)機(jī)制可以分為確定性模型和非確定性模型方法，非確定性模型通常包括統(tǒng)計(jì)模型、模式識(shí)別模型、模糊數(shù)學(xué)模型以及一些復(fù)合模型[15]。

確定性模型是在滑坡失穩(wěn)的物理過程和力學(xué)機(jī)制基礎(chǔ)上，以穩(wěn)定性狀態(tài)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合基礎(chǔ)區(qū)域空間數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域滑坡發(fā)生的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)[15]。例如，陳悅麗等[16]應(yīng)用 SHALSTAB模型計(jì)算安全系數(shù)；武利[17]以陜西省略陽(yáng)縣為試驗(yàn)區(qū)構(gòu)建了分布式斜坡穩(wěn)定性定量評(píng)估模型SINMAP；夏蒙等[18]以山西興縣某典型黃土斜坡為例，結(jié)合TRIGRS模型與Rosenblueth點(diǎn)估法，研究了降雨對(duì)淺層黃土滑坡的影響(表5)。

表5 滑坡確定性模型對(duì)比分析表

非確定性模型通常包括統(tǒng)計(jì)模型，模式識(shí)別模型，模糊數(shù)學(xué)模型以及一些復(fù)合模型，各種方法還在不斷發(fā)展完善中[15](表6)。例如，王志旺等[19]采用證據(jù)權(quán)法對(duì)長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)秭歸——巴東段進(jìn)行了滑坡危險(xiǎn)度區(qū)劃研究。安凱強(qiáng)等[20]運(yùn)用信息量支持下的SVM模型對(duì)三峽庫(kù)區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并以模型決策值的零點(diǎn)和突變點(diǎn)確定易發(fā)性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。劉玉洲等[21]采用二級(jí)模糊綜合評(píng)判的方法對(duì)三峽庫(kù)區(qū)的實(shí)際滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性的計(jì)算。

表6 滑坡非確定性模型對(duì)比分析表

3.3 發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著三維建模理論和方法在地質(zhì)體和地形領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，基于“3S”技術(shù)、三維動(dòng)態(tài)建模和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，滑坡模擬出現(xiàn)了“數(shù)據(jù)采集新、數(shù)據(jù)分析新、可視化方式新”的“三新”趨勢(shì)，滑坡模擬研究進(jìn)入新領(lǐng)域。例如，申杰等[22]開展了免標(biāo)定擴(kuò)充現(xiàn)實(shí)技術(shù)在滑坡可視化中的應(yīng)用；王旭春等[23]探討了GIS可視化技術(shù)在滑坡主滑動(dòng)方向確定、建筑物適宜程度綜合解析方面的應(yīng)用；喬建平等[24]將GIS與人工智能結(jié)合實(shí)現(xiàn)三維可視化滑坡危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)。祝文化等[25]利用可視化軟件IDL，建立了基于 Delaunay三角網(wǎng)的滑坡體規(guī)則格網(wǎng)地面模型和滑動(dòng)面三維可視化模型；張昆等[26]基于3D GIS技術(shù),結(jié)合具體的滑坡變形監(jiān)測(cè)工程實(shí)例,采用不規(guī)則三角網(wǎng)和等高線構(gòu)建了滑坡體三維模型；肖盛燮等[27]基于VC和OpenGL的三維滑坡可視化演繹系統(tǒng)采用跟蹤球算法完成了靈活的人機(jī)交互功能；李明超等[28]開展了面向滑坡地質(zhì)體三維建模的NURBS-BRep混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元實(shí)體構(gòu)造技術(shù)；劉釜保[29]基于3DSMax與OpenGL相結(jié)合對(duì)復(fù)雜物體建模對(duì)水庫(kù)庫(kù)岸滑坡進(jìn)行可視化研究；李建輝等[30]闡述了滑坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、三維模型可視化的基本方法,實(shí)現(xiàn)了滑坡體地形精細(xì)三維模型制作；譚冬生等[31]通過應(yīng)用Open GL軟件成功開發(fā)出滑坡三維可視化軟件。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合而言，滑坡模擬研究由起步進(jìn)入快速發(fā)展階段，重點(diǎn)熱點(diǎn)主要涉及滑坡機(jī)理、滑坡模擬、滑坡治理以及重點(diǎn)區(qū)域，滑坡災(zāi)害空間預(yù)測(cè)方法地區(qū)性差異研究是其研究難點(diǎn)，呈現(xiàn)多部門、多領(lǐng)域、多學(xué)科共進(jìn)狀態(tài)。與此同時(shí)，滑坡模擬方法以滑坡運(yùn)動(dòng)過程分析為主、滑坡模擬物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合，呈現(xiàn) “數(shù)據(jù)采集新、數(shù)據(jù)分析新、可視化方式新”的三新趨勢(shì)?？紤]到滑坡災(zāi)害空間預(yù)測(cè)方法區(qū)域性研究理論相對(duì)不成熟，因此在可視化基礎(chǔ)上開展特定區(qū)域空間連續(xù)自動(dòng)預(yù)測(cè)是該領(lǐng)域發(fā)展方向。