甘肅舟曲滑坡易發(fā)性分析與治理效果研究

王云峰，馮 瑾

(甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅 蘭州 730000)

舟曲坐落于甘肅南部，山勢陡峭，溝壑縱橫，地貌特征復(fù)雜，滑坡災(zāi)害發(fā)育，對當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)安全造成了巨大威脅[1]。針對滑坡易發(fā)性的研究以往多采用數(shù)學(xué)模型分析，田春山等[2]采用CF分析模型獲得廣東滑坡的易發(fā)性，利用Logistic模型計算出滑坡災(zāi)害的易發(fā)性；司康平等[3]以深圳市某區(qū)滑坡為例，證明了GAM模型效果優(yōu)于Logistic模型和CART模型的結(jié)論；屈新星等[4]驗證了MaxEnt模型對攀枝花滑坡易發(fā)性研究方面的適用性；Pradhan等[5- 7]采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、頻率比模型、多元回歸模型和模糊邏輯對馬來西亞等地滑坡進行了易發(fā)性評估；唐曉娜[8]基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及綜合指數(shù)分析模型評價呂梁市滑坡的易發(fā)性；楊強等[9]則選用多種組合數(shù)學(xué)模型對區(qū)域間滑坡易發(fā)性和準(zhǔn)確度展開評價研究。前人的研究在不同的地域均凸顯了各自的評價特點和適用性。近些年來，隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，采用GIS軟件與模型結(jié)合的方式對滑坡的易發(fā)性展開量化剖析研究取得了較大的研究成果[10- 12]。針對極高易發(fā)區(qū)的一系列滑坡群，抗滑樁得到了廣泛應(yīng)用且取得了較好的效果[13- 14]。

本文基于舟曲縣滑坡災(zāi)害特征，考慮不同因素的影響，利用SVM分類原理，運用遙感與反求工程技術(shù)從地貌、水文等方面提取8個影響因子，構(gòu)建了舟曲滑坡易發(fā)性評價模型，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價滑坡易發(fā)性和分區(qū)，有效防治和規(guī)避滑坡災(zāi)害風(fēng)險。另外，對極高易發(fā)區(qū)的滑坡采取“抗滑群樁+扶壁式擋墻”治理措施進行了三維有限元分析，得到防治效果的可靠性，為舟曲縣滑坡防治工程的設(shè)計、施工提供了科學(xué)依據(jù)。

1 滑坡易發(fā)性評價

1.1 數(shù)據(jù)采集

本文收集并采用前人勘察研究的67處滑坡，繪制舟曲縣滑坡災(zāi)害分布圖，如圖1所示。使用OKIO- 400型激光三維掃描儀，得到研究區(qū)的點云數(shù)據(jù)。通過逆向軟件Geomagic采用ICP算法進行三維模型構(gòu)建，經(jīng)高斯濾波、散亂數(shù)據(jù)點的自動分割等步驟，得到山體滑坡的精確數(shù)據(jù)。

圖1 舟曲縣滑坡災(zāi)害分布略圖[1]

1.2 易發(fā)性評價

第一步根據(jù)地質(zhì)圖、地形圖、水文地質(zhì)圖、遙感影像圖和滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)庫構(gòu)建區(qū)域基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫；第二步，選取適合當(dāng)?shù)厍闆r的評價因子，建立滑坡易發(fā)性的評價指標(biāo)體系；第三步，對每個單元進行評價分析；第四步，選取合適的易發(fā)性評價模型對研究區(qū)滑坡定量或定性評價；第五步，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法，利用SVM分類器完成研究區(qū)的滑坡易發(fā)性等級劃分，并利用軟件Geomagic繪制易發(fā)性分區(qū)圖。

(1)評價因子

由于選取的滑坡災(zāi)害影響因子作為危險性評價指標(biāo)因子的類型眾多并且復(fù)雜[15- 17]。本文參考了眾多研究分類方式方法，并結(jié)合了舟曲縣獨特的自然條件情況，將高程劃分為4個等級，坡度劃分為4個等級，坡向劃分9個方位區(qū)間，平面曲率分為3個等級，剖面曲率分為3個等級，距河流距離分為6個等級，距道路距離分為6個等級，見表1。

表1 舟曲縣滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價因子分級/分類表[1]

(2)權(quán)重確定

分析研究區(qū)各類滑坡災(zāi)害影響因子，創(chuàng)建層次分析模型，如圖2所示。根據(jù)層次分析法的賦值原則，依據(jù)8個評價因子建立對比矩陣，利用Matlab軟件分析影響因子的權(quán)重并判斷矩陣的一致性[1]，見表2—3。根據(jù)層次分析法的賦值原則，建立對比矩陣。依據(jù)8個評價因子之間相互的內(nèi)在支配關(guān)系，在Matlab軟件下進行分析，并判斷矩陣的一致性。

圖2 舟曲縣滑坡災(zāi)害評價層次模型

(3)神經(jīng)元模型的構(gòu)建

神經(jīng)元模型采用外部偏置bk和恒定輸入權(quán)重相等的突觸權(quán)重參數(shù)模型。x1，x2，…，xm為輸入信號；ωk1，ωk2，…，ωkm為神經(jīng)元k的突觸權(quán)重；uk為輸入信號線性累加求和的輸出；yk為神經(jīng)元輸出信號；bk為外部偏置信號；φ(·)為激勵函數(shù)。表達式如下：

(1)

yk=φ(uk+bk)

(2)

激勵函數(shù)采用sigmoid函數(shù)模型，如圖5所示。

圖3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

表2 評價因子判斷矩陣

表3 評價因子權(quán)重值

1.3 評價結(jié)果

根據(jù)神經(jīng)元k的突觸權(quán)重參數(shù)分配將研究區(qū)舟曲縣主要劃分為不易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)和極高易發(fā)區(qū)，并利用Geomagic軟件繪制舟曲縣的滑坡易發(fā)性分區(qū)圖，如圖4所示。其中極高易發(fā)區(qū)主要集中白龍江流域過舟曲縣段西有鎖兒頭、咀疙瘩巨型滑坡、東有泄流坡、南有峪滑坡，北有三眼峪、羅家峪和寨子溝和南山滑坡群，涉及8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，涉及面積占舟曲總面積12.5%，分布有30處滑坡災(zāi)害點，S313公路幾乎全部穿插在該區(qū)域，是人類工程活動最為活躍的地帶。因此，滑坡的治理顯得非常必要和關(guān)鍵。由此可以看出，滑坡的易發(fā)性跟人類工程活動的強烈程度有很大的關(guān)系。

圖4 舟曲縣滑坡災(zāi)害易發(fā)區(qū)分級圖

1.4 評價結(jié)果檢驗

本文采用滑坡災(zāi)害易發(fā)性成功率曲線對層次分析法-卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的評價結(jié)果進行有效性檢驗，如圖5所示。圖5曲線下的面積即為AUC值，AUC=0.8352，說明了該層次分析法-卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的正確率為83.52%，表明了該整套的評價模型適用于研究區(qū)舟曲縣滑坡災(zāi)害的易發(fā)性評價。

圖5 舟曲縣滑坡易發(fā)性評價結(jié)果ROC檢測曲線圖[1]

2 滑坡治理措施效果研究

基于上述評價結(jié)果，舟曲滑坡災(zāi)害的極高易發(fā)區(qū)主要分布在人類工程活動最強烈的區(qū)域。因此，在無法避讓的情況下，對該區(qū)域滑坡進行綜合治理顯得尤為重要。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)：該區(qū)滑坡治理多采用“抗滑群樁+扶壁式擋墻”治理措施，在滑坡中后部崩塌部位采用多級預(yù)應(yīng)力錨索框架進行永久性預(yù)加固，在滑坡崩塌變形的沖溝前部設(shè)置攔石壩等工程措施，把滑坡防治與泥石流溝治理相結(jié)合，在滑坡前緣設(shè)置抗滑樁等。

本文以舟曲縣典型的干溝滑坡為例研究淺層碎石層滑坡的治理。干溝滑坡呈舌狀，長130m，寬220m，平均厚度15m，體積21.45×104m3。后壁坡度約50°，坡高約30m，坡體物質(zhì)為松散的碎石、塊石，受降雨沖刷作用，坡體中部發(fā)育縱向切溝，松散物質(zhì)在坡腳堆積。塊碎石土分析其土體物理參數(shù)見表4。

表4 土體物理力學(xué)參數(shù)

經(jīng)過有限元非線性計算模擬，擋土墻及抗滑樁變形規(guī)律是：擋土墻的變形指向下、向河谷，x向最大位移約為52mm，鉛直向最大位移約為5.9mm，擋墻自身的相對變形很小，約在5mm以內(nèi)；抗滑樁的變形規(guī)律表現(xiàn)為明顯的“S形”彎曲變形，即滑帶土處向河谷側(cè)彎曲，樁頂處向岸坡彎曲，但總體是向河谷變形。x向最大位移約為53.7mm，鉛直向下最大位移在樁頂，約為6.9mm；上坡側(cè)樁的變形比河谷側(cè)樁的變形明顯，即第1排到第4排逐漸減小。附近滑帶土6m以上分層平切面x向位移云圖可以看出樁間土有明顯的向樁間擠入的現(xiàn)象并呈現(xiàn)出土拱效應(yīng)，如圖6所示。

可以看出，滑坡經(jīng)過“抗滑群樁+扶壁式擋墻”治理后，樁后滑坡推力明顯降低，群樁變形呈“S”形，整體性較好，樁間存在明顯的土拱效應(yīng)，各排樁推力分擔(dān)效果較好，說明“抗滑群樁+扶壁式擋墻”滑坡治理效果較佳。

3 結(jié)論

本文運用遙感與反求工程技術(shù)采集數(shù)據(jù)，利用SVM分類原理構(gòu)建了舟曲滑坡易發(fā)性評價模型，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行滑坡易發(fā)性評價，合理劃分出舟曲滑坡的易發(fā)性分區(qū)。其中，極高易發(fā)區(qū)集中分布在白龍江流域過舟曲縣段，是人類工程活動最為活躍的地帶。另外，以極高易發(fā)區(qū)干溝滑坡為例，對其“抗滑群樁+扶壁式擋墻”治理措施進行三維有限元分析發(fā)現(xiàn)，滑坡經(jīng)過“抗滑群樁+扶壁式擋墻”治理后，樁體后滑坡推力明顯降低，群樁裂縫呈“S”形，整體性較好，樁間存在顯著的土拱效應(yīng)，各排樁推力分擔(dān)效果比較好，治理效果較佳。此外，本文選取案例較少，在研究成果代表性方面存在欠缺，有待進一步研究更多數(shù)據(jù)和案例，使成果更具有說服力。