基于高分辨率遙感影像的滑坡活動特征及穩(wěn)定性分析
——以東苗家滑坡為例

賈偉潔，王治華

(1.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；2.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

自1999年黃河小浪底水庫蓄水以來，在該地區(qū)發(fā)現(xiàn)了十幾處軟硬交互地層順層斜坡中的滑坡，其中以東苗家滑坡較為典型，由于其靠近大壩，滑坡性質及穩(wěn)定性對小浪底水利樞紐工程及其上4號公路安全運行有重要意義，吸引了眾多滑坡工作者的關注。

多年來國內多個學者在東苗家滑坡及周圍做了大量調查勘察和試驗研究工作。具有代表性的工作有：李清波等[1]基于地表測繪、力學試驗及鉆探工程等多種調查手段查明了東苗家滑坡的變形破壞特征和成因機制，并對其穩(wěn)定性進行了分析評價，認為該滑坡目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；王小波等[2]基于不連續(xù)變形分析(discontinuous deformation analysis，DDA)方法以及強度折減法研究，提出了DDA強度折減法，應用于東苗家滑坡穩(wěn)定性及破壞模式分析中，分析結果表明東苗家滑坡體的穩(wěn)定系數(shù)為1.07，其可能的破壞模式為中部推移式滑動和后緣牽引式滑動的復合破壞模式，前緣滑塌體對其整體穩(wěn)定性起支撐作用。這2篇文章的主要不同之處是認為滑坡變形方式以及前緣滑塌體所起作用不同。此外，Xu等[3]同樣通過DDA強度折減法對東苗家滑坡機理進行了分析，在滑坡破壞模式以及成因機制方面與上文中認識基本一致。

本文以9景不同時相的高空間分辨率遙感影像及先進星載熱發(fā)射與反射輻射儀全球數(shù)字高程模型(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model，ASTER GDEM)數(shù)據(jù)和相關地質環(huán)境資料為信息源，采用數(shù)字滑坡技術[4-7]研究分析東苗家滑坡的活動性質和活動過程，以期對該滑坡的滑動面以及前緣滑塌體性質與作用等方面獲得新的認識，并對滑坡的穩(wěn)定性進行更深入的分析評價。

1 東苗家滑坡的位置和地質環(huán)境

1.1 位置

2001年底竣工的小浪底水利工程位于河南省洛陽市孟津縣與濟源市之間，其壩址所在地為孟津縣小浪底村，黃河中游最后一段峽谷的出口處(圖1)。壩頂高程為281 m，正常蓄水位275 m，總庫容126.5億m3，總裝機容量180萬kW。東苗家滑坡位于大壩下游僅2 km處的黃河右岸。水庫正常蓄水位時，壩前的落水差達140 m，可能會對相隔2 km的東苗家滑坡產(chǎn)生一定影響。

1.2 地質構造

東苗家滑坡區(qū)域構造屬華北地臺，燕山和喜山運動對本區(qū)影響明顯，形成了一系列褶皺和斷層。區(qū)域新構造運動主要表現(xiàn)為大面積間歇性升降與繼承性活動。

與東苗家滑坡相關的區(qū)內最重要的構造為狂口背斜。該背斜軸部沿黃河右岸近EW向延伸，軸向為280°～290°，向SE傾伏。北翼傾向NNE，傾角為10°～15°；南翼傾向SE，傾角8°～10°[1,8]。東苗家滑坡處于狂口背斜東北翼，臨近背斜軸部(圖1)，滑床下正常巖體傾向NE，傾角為6°～10°。

區(qū)內與滑坡關系密切的斷層主要為F1斷層，切過滑坡后部，構成滑坡后部的切割分離面。F1傾向NE，傾角為85°，垂直斷距200 m，斷層帶寬1.5～2.0 m，影響帶寬10～30 m[2]。由于處于背斜近軸部，地層產(chǎn)狀變化大，斷層帶北側地層傾角達45°，南側地層傾角為15°～20°(圖1)。

1.3 地層巖性

構成東苗家斜坡的基巖，主要為三疊系下統(tǒng)T17，T15，T14和T13巖組，滑體前部有三疊系中統(tǒng)T21分布。主要巖類為砂巖、粉砂巖、及粘土巖。其中T17-4為粘土巖夾砂巖，T15為砂巖夾粘土巖。

在滑坡體塊石上部，廣泛分布有厚5～20 m的黃土，黃土中含較多鈣質結構，底部為砂礫石層?；麦w前部主要為土與碎石混合、包含許多空隙的約20～40 m厚的滑坡和崩塌堆積物?；露逊e下面是厚度超過40 m的古黃河沖積砂礫層。

除層面外(NE∠6°～10°)滑坡體周圍巖層中主要發(fā)育有4組陡傾角構造節(jié)理，分別為：①走向280°～290°，傾向NE或SW，傾角84°～87°；②走向75°～87°，傾向SE或NW，傾角62°～83°；③走向157°～167°，傾向NE或SW，傾角83°～87°；④走向6°～22°，傾向SE，傾角80°～82°。

1.4 地形地貌

東苗家滑坡位于我國第二、三地貌階梯陡緩突變帶，太行山脈南麓的王屋山、崤山中山山地向黃土丘陵平原過渡地帶。區(qū)域地形西陡東緩，地貌特征表現(xiàn)為侵蝕堆積，經(jīng)過第三紀早期的準平原化階段，堆積了中更新世(距今12.6～78.1萬a)沖積洪積層，接著受大面積升降運動影響，形成一級臺塬和數(shù)級階地。

1.5 氣候水文

研究區(qū)位于亞熱帶和溫帶的過渡地帶，受季風環(huán)流影響明顯，春季多風干旱，夏季炎熱多雨，年平均降水量為616 mm，主要集中在夏、秋2季。研究表明[9]，黃河小浪底水庫蓄水后，庫區(qū)及周邊環(huán)境氣候發(fā)生了變化，年降水量及暴雨日數(shù)呈明顯增加趨勢。

據(jù)勘探鉆孔揭露[1]，滑坡體部位地下水位一般變化在135～180 m間，高于同期黃河水位(135 m左右)而低于相應部位滑面高程，表明現(xiàn)狀條件下滑體位于地下水位以上，地下水向黃河排泄。由于滑體上部巖體破碎，降水入滲條件好，而滑體下部T17巖組透水性相對較差，且滑體內存在多層泥化層，因而降水入滲過程中滑體內易形成局部巖層上滯水，對滑坡穩(wěn)定造成了不利影響。

2 研究方法

獲取遙感和地理信息源，采用數(shù)字滑坡技術，研究東苗家滑坡及其發(fā)育環(huán)境特征，基于滑坡地學原理分析滑坡活動特征，并推斷其發(fā)生年代，根據(jù)多時相遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測分析滑坡穩(wěn)定現(xiàn)狀[6,10]。

2.1 信息源

1)高空間分辨率遙感影像。使用2002—2016年間不同季節(jié)的9個時相Google Earth高空間分辨影像，并在ArcGIS平臺進行幾何糾正，統(tǒng)一到相同坐標系統(tǒng)下作為遙感信息源。

2)數(shù)字高程模型。以ASTER GDEM數(shù)據(jù)高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品為滑坡高程信息源，空間分辨率為30 m。數(shù)據(jù)格式為GeoTIFF格式，WGS-84坐標系，在全球范圍內的平均垂直精度為20 m，水平精度為30 m，置信度為95%。

在ArcGIS平臺下，對研究區(qū)范圍ASTER GDEM數(shù)據(jù)進行重新投影，并加密到5 m空間分辨率作為解譯的數(shù)字高程模型。

3)地質環(huán)境信息源。包括1∶20萬洛陽市幅，圖幅號為I-49-(11)的區(qū)域地質圖及文獻[1,8,11-12]資料。

2.2 建立解譯基礎

本研究解譯基礎由研究區(qū)高空間分辨率滑坡影像，數(shù)字高程模型及其衍生產(chǎn)品組成。

2.2.1 高分辨率滑坡影像及處理

下載表1所示的Google Earth高分辨率遙感影像，然后在ArcGIS平臺下，將GoogleEarth影像由經(jīng)緯度坐標轉換為投影坐標，以使解譯基礎統(tǒng)一為相同的橫軸墨卡托投影方式，中央經(jīng)線為E111°。分析其影像特征，具體如表1所示。

表1 遙感信息源Tab.1 Remote sensing information sources

2.2.2 數(shù)字高程模型及其衍生產(chǎn)品

1)數(shù)字高程模型。由于30 m空間分辨率為的ASTER GDEM數(shù)據(jù)不能滿足研究滑坡細節(jié)的需要，因此，在數(shù)字高程模型上加密提取間隔5 m的高程等值線，并疊加投影處理后的高空間分辨率影像與文獻中的現(xiàn)場采集高程數(shù)據(jù)[2-3]對地形高程細節(jié)進行修正，使其符合更為精細的高程變化特征，形成新的高程等值線數(shù)據(jù)，以此生成不規(guī)則三角網(wǎng)(triangulated irregular network，TIN)文件，生成數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(digital elevation model,DEM)。參考實測數(shù)據(jù)與Google Earth高程數(shù)據(jù)，判斷所生成DEM的最大高程誤差約為5 m。將影像圖與高程等值線疊加，生成東苗家滑坡影像與地形疊加圖(圖2)。

圖2 東苗家滑坡影像與地形疊加圖

2)地形平面和剖面?；谒@DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS平臺生成平面和剖面地形圖，如圖3所示。該圖反映了滑坡地形地勢。

(a)東苗家滑坡地形平面圖 (b)東苗家滑坡地形剖面圖

圖3 東苗家滑坡地形平面和剖面圖

Fig.3TopographicplaneandprofileofDongmiaojialandslide

3)滑坡坡度圖。為了更直觀地反映滑坡地形，由DEM生成坡度圖(圖4)。校正后的高分辨率滑坡影像，數(shù)字高程模型及其衍生產(chǎn)品組成東苗家滑坡解譯基礎，基于該基礎，進行滑坡特征解譯。

圖4 東苗家滑坡坡度圖Fig.4 Slope map of Dongmiaojia landslide

2.3 滑坡特征遙感解譯

1)滑坡形態(tài)和邊界。圖5為東苗家滑坡遙感解譯圖。由于進行遙感解譯時，正面朝向滑坡更易于確定滑坡各處形態(tài)，因此以南方為上的方式進行滑坡解譯及展示。由圖5可以看出，東苗家滑坡總體呈簸箕向黃河突出。影像上東側以一明顯沖溝為界，西界下部為一沖溝，上部界限滑坡內外地物有明顯差異，如圖5黃色點線所示；南(后緣)側邊界為一階地平臺下陡崖。滑坡高程范圍為135～265 m，總體地形西高東低，平均寬度為350 m，平均坡長約為380 m，平面投影面積約為13.2萬m2。

圖5 東苗家滑坡遙感解譯Fig.5 Remote sensing interpretation of dongmiaojia landslide

2)滑坡地形及地表覆蓋。如圖2和圖5所示，滑坡可分為前緣陡坡及中后部緩坡平臺2部分，有明顯分界。

約135 ～210 m高程的黃河岸邊為前緣陡坡堆積，平均坡度為27.3°。最前緣是擋土工程建筑，可見4條排水管，有3處淺層滑塌L1，L2和L3，投影面積分別為8 186 m2，3 176 m2和1 216 m2。前緣陡坡地表覆蓋有茂盛植被。

約210～265 m高程為平均坡度≤10°的緩坡，其中4號公路下凹，位于210～215 m高程；除4號公路外，緩坡上約可分為四級平臺夾陡坎的臺階，從下到上可劃分出7個平臺如表2和圖5所示。平臺上大部為農(nóng)耕地，前期T7和T6平臺上有居民住宅建筑分布，2012年后的影像上未見成片居民點，大部分已被植被覆蓋。根據(jù)文獻[1]可知，東苗家滑坡中上部分布有4條明顯的弧形裂縫，I號裂縫展布于中部滑體前緣，219 m高程處，滑坡前緣黃土平臺曾沿此縫發(fā)生過坐落位移；Ⅱ號裂縫位于4號公路北側，沿縫可見黃土底部砂礫被錯斷2 m以上；Ⅲ號裂縫位于4號公路南側，表現(xiàn)為多條拉裂所致黃土錯動面，產(chǎn)狀為15°∠53°；Ⅳ號裂縫基本沿250 m高程平臺展布，表現(xiàn)為多條產(chǎn)狀15°∠65°的拉裂所致的黃土錯動面。據(jù)文獻[1]所描述的位置，在高分辨率遙感影像上對附近位置的線性地物進行識別，標識出4條裂縫的位置，如圖5中裂縫I、裂縫Ⅱ、裂縫Ⅲ、裂縫Ⅳ所示，圖中裂縫Ⅴ為滑坡后壁。

表2 滑坡體上平臺的平均高程與面積Tab.2 Average elevations and areas of the platforms on the landslide

3 東苗家滑坡特征分析

結合前人研究成果[1-3]與遙感解譯，對東苗家滑坡的產(chǎn)生條件、活動特征和穩(wěn)定性現(xiàn)狀有如下認識。

3.1 東苗家滑坡產(chǎn)生條件

產(chǎn)生滑坡的斜坡需滿足3個基本條件：①斜坡有可能發(fā)育滑動面的物質條件，②有使部分斜坡與原斜坡分割的結構條件，③有使被分割的部分斜坡向前(下)運動的臨空面條件。再加上一定觸發(fā)條件時，滑坡便會發(fā)生[1,13]。

東苗家順層斜坡位于狂口背斜東北翼近軸部，由三迭系下統(tǒng)、中統(tǒng)、砂巖、粉砂巖及粘土巖硬、軟巖互層組成，滿足了以上滑坡基本形成條件和觸發(fā)條件。主要以高嶺石族、伊利石族、蒙脫石族等粘土礦物組成的粘土巖處于軟硬巖互層的順層結構時，極易在水的作用下迅速弱化泥化，發(fā)育成滑動面(帶)，滿足滑坡發(fā)生的物質條件；其次，斜坡位于背斜近軸部，地層產(chǎn)狀變化大，利于斜坡發(fā)育節(jié)理、裂隙等構造軟弱結構面，位于斜坡中后部的高傾角F1正斷層，其垂向斷層活動及破碎帶利于斜坡橫向整體變形破壞，并導致地表水進入，滿足滑坡發(fā)生的結構條件；再次，大面積間歇性升降與繼承性運動的區(qū)域新構造運動特征，使黃河河谷急劇下切，形成了較陡的基巖岸坡，使東苗家順層斜坡坡岸面臨寬闊的臨空空間，滿足滑坡發(fā)生的臨空面條件。

黃河下切側蝕，夏秋暴雨集中，利于地表水向斜坡內滲入，使斜坡的粘土礦物層發(fā)生泥化，引發(fā)滑動，這是滑坡發(fā)生的主要觸發(fā)條件。

3.2 東苗家滑坡活動特征

由滑坡地表特征分析，東苗家滑坡的主要活動特征為不同階段分級分塊活動，其活動過程分析如下：

圖6 東苗家滑坡主剖面圖

由F1斷層出露地面的位置(f)至該滑坡剪出口A的距離，推算該次滑坡活動的滑動距離約為100 m。在ArcGIS平臺上量測得首次滑坡剖面面積為3 463.51 m2，以平均寬度350 m計，估算該滑坡的體積為121.2萬m3。

4)后續(xù)滑坡活動。前一滑坡活動，必然牽引其后部塊體AGE(圖6)。AGE塊體經(jīng)多次滑坡活動的擾動后，發(fā)生變形破壞，產(chǎn)生裂縫。同時，地表水通過裂縫滲入坡體，在進入坡體的水與軟弱夾層的長期作用下，使AGE塊體變形、蠕動，該部分為AGE塊體。同上方法估算AGE塊體體積約為65.1×104m3。

上述滑坡及變形塊體形成后，隨著各條裂縫的發(fā)育及地表水進入，在多個軟弱層面會有多次層間錯動或蠕滑，其結果是從后緣Ⅴ到黃河河谷的滑動面貫通，東苗家滑坡的統(tǒng)一滑動面(帶)形成，東苗家斜坡成為向黃河河谷弧形凸出的滑坡堆積體。

由于黃河沖刷側蝕的不斷進行，前端松散的滑坡堆積不斷發(fā)生塌滑，在黃土堆積形成后，黃河下切到約150～135 m之間某高程時，滑坡前部發(fā)生過一次較大規(guī)模的塌滑，形成目前平均坡度約27°，由塊石夾泥堆積的陡坡。由幾次滑坡活動體積，估算東苗家滑坡總體積為425.4萬m3。

3.3 東苗家滑坡目前穩(wěn)定狀況

基于2002—2016年間9景Google Earth高空間分辨率影像，對比東苗家滑坡的邊界、7個臺地的位置和高程、4號公路、前緣陡坡的3處滑塌L1，L2和L3的邊界，除上覆植被隨季節(jié)不同變化外，其它均無明顯變化，可見滑坡整體和各局部無明顯變形位移現(xiàn)象，狀態(tài)穩(wěn)定(圖7)。

(a)2002年9月8日遙感影像 (b)2012年6月22日遙感影像 (c)2012年12月27日遙感影像

(d)2013年3月8日遙感影像 (e)2014年11月13日遙感影像 (f)2015年3月13日遙感影像

圖7-1 2002—2016年9個時相東苗家滑坡變化情況

Fig.7-1ChangesofthenineDongmiaojialandslideimagesfrom2002to2016

(g)2015年7月1日遙感影像 (h)2015年12月14日遙感影像 (i)2016年9月29日遙感影像

圖7-2 2002—2016年9個時相東苗家滑坡變化情況

Fig.7-2ChangesofthenineDongmiaojialandslideimagesfrom2002to2016

4 結論

綜合高分辨率遙感影像、加密后的ASTER GDEM高程信息以及地質環(huán)境信息，分析了東苗家滑坡的發(fā)育環(huán)境、形成條件和滑坡活動特征，并利用多時相高分遙感影像，推測了滑坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀。

1)東苗家滑坡位于小浪底壩址下游的黃河右岸，狂口背斜東北翼近于軸部的順層坡，軟硬相間的砂巖夾粘土巖地層中，滿足滑坡發(fā)生的物質、結構與臨空面條件。黃河下切側蝕與集中降水是滑坡發(fā)生的主要觸發(fā)條件。

2)滑坡的主要活動特征為不同階段分級分塊活動，由于地表降水和河水侵蝕作用，經(jīng)多次局部變形破壞后，逐漸在斜坡中發(fā)育了貫通的滑動面，形成一次較大規(guī)模滑動。隨后，中后部多次發(fā)生局部拉裂，前緣在黃河側蝕下多次崩滑。有4次主要活動。形成了前緣陡坡，四級平臺夾陡坎的地形地貌特征?；贕IS方法，估算得東苗家滑坡總規(guī)模為425.4萬m3。

3)由于滑坡前部的擋土工程以及坡體的排水工程，近年來東苗家滑坡體穩(wěn)定，通過9景高分辨率影像對比表明東苗家滑坡目前整體和各局部無明顯變形位移現(xiàn)象。

在本文研究中，僅使用了高空間分辨率和數(shù)字高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型較為單一。結合其他數(shù)據(jù)類型遙感數(shù)據(jù)，如InSAR及激光雷達數(shù)據(jù)，更為精確有效地研究滑坡運動特征與穩(wěn)定性是今后的研究要點。