鄂西北中部地區(qū)滑坡孕災(zāi)模式分析

陸文博，晏鄂川，王 杰，李慶偉，朱正虎

(1.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

一般情況，滑坡形成、發(fā)展到消亡的孕育過程，均受到多種內(nèi)外因素的綜合影響。內(nèi)因包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地表地下水條件等；外因包括降雨、新構(gòu)造運動與地震、人類活動等。

不同區(qū)域，具有自身的地質(zhì)環(huán)境特點，造成滑坡災(zāi)害分布與發(fā)育特征各不相同。區(qū)域滑坡災(zāi)害分布發(fā)育特征相關(guān)研究，主要有三方面。不同空間[1-7]：(1)基于不同行政區(qū)的滑坡分布發(fā)育特征；(2)基于不同影響因素分區(qū)(地層巖性分區(qū)、地形地貌分區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)、水文地質(zhì)分區(qū)、人類活動分區(qū)等)的滑坡分布發(fā)育特征。不同時間[2-4,8]：(1)基于不同年份的滑坡分布發(fā)育特征(一般分析滑坡發(fā)生與人類活動、風(fēng)化作用等相關(guān)關(guān)系)；(2)基于不同季節(jié)的滑坡分布發(fā)育特征(一般分析滑坡發(fā)生與降水活動、庫水位升降等相關(guān)關(guān)系)。不同滑坡要素和其他[6,9-11]：(1)基于不同滑坡要素分類(物質(zhì)組成、規(guī)模、高程、坡度、斜坡結(jié)構(gòu)和形態(tài))的滑坡分布發(fā)育特征；(2)基于不同邊界條件、力學(xué)性質(zhì)等的滑坡分布發(fā)育特征。

根據(jù)區(qū)域上滑坡的分布發(fā)育規(guī)律，可分析滑坡孕災(zāi)模式，現(xiàn)有研究主要基于區(qū)域上的滑坡影響因素[12-14]或滑坡的發(fā)育要素[15-17]。由于不同區(qū)域發(fā)育的滑坡類型各有不同，所以大多學(xué)者由此出發(fā)，根據(jù)研究區(qū)的特點，選取具有代表性的滑坡影響因素或滑坡發(fā)育要素，利用以多因素為對象的模糊分析方法等，定量分析滑坡各孕育特點的規(guī)律，揭示研究區(qū)滑坡孕育模式和機理。

本文利用鄂西北中部地區(qū)南漳、?？?、谷城三縣670處滑坡調(diào)查的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析滑坡分布發(fā)育的六大方面，基于連續(xù)變量敏感性分析和非連續(xù)變量總結(jié)，完成區(qū)內(nèi)滑坡孕災(zāi)模式識別，為鄂西北地區(qū)滑坡發(fā)育特征和區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)機理研究提供參考。

1 滑坡分布發(fā)育特征及分類

根據(jù)最近一次南漳縣、?？悼h、谷城縣1∶50 000地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查成果表明，截至2015年年底，區(qū)內(nèi)各類地質(zhì)災(zāi)害一千余處，其中以滑坡最為發(fā)育，共670處，崩塌101處，其他為地面塌陷、泥石流、不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)搜集的研究區(qū)滑坡災(zāi)害資料情況，將滑坡分布及發(fā)育特征歸納為表1。災(zāi)害點分布情況見圖1。

通過表1、圖1統(tǒng)計信息，可知在滑坡中，系統(tǒng)內(nèi)部各項要素的不同組合，構(gòu)成了具有不同狀態(tài)的系統(tǒng)。對于滑坡系統(tǒng)，可認(rèn)為不同類型的滑坡對應(yīng)不同的孕災(zāi)模式?？傊哂邢嘟袨?zāi)要素組合的相似滑坡系統(tǒng)，可歸為同一類孕災(zāi)模式滑坡。

表1 滑坡分布與發(fā)育特征統(tǒng)計表

圖1 南保谷三縣滑坡分布圖Fig.1 Landslide distribution map in Nanzhang, Gucheng and Baokang County

根據(jù)不同的滑坡分布及發(fā)育特征對應(yīng)的變量，將其分別歸類為連續(xù)變量和非連續(xù)變量。表1中涂灰的變量為連續(xù)變量，其余為非連續(xù)變量。將所有連續(xù)變量分布的區(qū)間等分為A～Y的25個等間距區(qū)段(例如所有已統(tǒng)計滑坡的前緣高程分布在0～1 625 m，則將其劃分為0～65 m、65～130 m、…、1 560～1 625 m的25個等級)。非連續(xù)變量則直接統(tǒng)計分析。二者統(tǒng)計分析后作為孕災(zāi)模式識別的基礎(chǔ)。

2 非連續(xù)變量孕災(zāi)模式識別

非連續(xù)變量孕災(zāi)模式識別中，主要考慮滑體性質(zhì)、地層巖性(巖組)和斜坡結(jié)構(gòu)三個典型變量，統(tǒng)計結(jié)果見圖2。區(qū)內(nèi)土質(zhì)滑坡最多，共604處，巖質(zhì)滑坡48處，巖土混合滑坡18處，分別占滑坡總量的90.1%、7.2%、2.7%?；驳貙訋r組以碎屑巖組、碳酸鹽巖及變質(zhì)巖組為主。區(qū)內(nèi)以橫向坡和順向坡最多，分別占30.1%和30.0%，其次為逆向坡和順向斜交坡，分別占16.5%和15.1%逆向斜交坡和平緩層狀坡最少。

圖2 典型非連續(xù)變量統(tǒng)計圖Fig.2 Typical discrete variables Statistical histogram

對于土質(zhì)滑坡，志留系碎屑巖和武當(dāng)群變質(zhì)巖層位的橫向坡、順向坡、逆向坡和順向斜交坡，可分為8類。對于巖質(zhì)滑坡，志留系碎屑巖層位和武當(dāng)群變質(zhì)巖層位巖質(zhì)滑坡數(shù)量分布最多，分別占巖質(zhì)滑坡總數(shù)的22.9%和18.8%。研究區(qū)內(nèi)巖質(zhì)滑坡控滑結(jié)構(gòu)面大多為碎屑巖層面和片巖片理面，以順向坡和順向斜交坡更易發(fā)生，故巖質(zhì)滑坡典型孕災(zāi)模式可歸納為4類(圖3)。

圖3 非連續(xù)變量孕災(zāi)模式分析圖Fig.3 Pregnancy pattern analysis diagram of continuous variables

考慮到區(qū)內(nèi)土質(zhì)滑坡中，坡體滑床不同斜坡結(jié)構(gòu)對上覆土體的穩(wěn)定性影響不大，土體自身的穩(wěn)定性決定了坡體是否孕育災(zāi)害或使原滑坡復(fù)活。而巖質(zhì)滑坡，坡體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面方向?qū)ζ麦w的穩(wěn)定性起到巨大甚至決定性的影響。結(jié)合統(tǒng)計分析，以圖4為基礎(chǔ)，考慮滑體性質(zhì)和基巖巖性歸納出孕災(zāi)模式A、B，考慮滑體性質(zhì)和斜坡結(jié)構(gòu)歸納出孕災(zāi)模式C、D，分述如下：

孕災(zāi)模式A：碎石土+志留系碎屑巖(根據(jù)不同斜坡結(jié)構(gòu)可細(xì)分為4類)；孕災(zāi)模式B：碎石土+武當(dāng)群片巖(根據(jù)不同斜坡結(jié)構(gòu)可細(xì)分為4類)；孕災(zāi)模式C：巖質(zhì)+順向坡(根據(jù)滑床巖組可分為2類)；孕災(zāi)模式D：巖質(zhì)+順向斜交坡(根據(jù)滑床巖組可分為2類)。

3 連續(xù)變量孕災(zāi)模式識別

3.1 識別方法

基于每個連續(xù)變量的25個等級(圖4)，每一等級內(nèi)滑坡發(fā)育的數(shù)量各不相同，可以認(rèn)為每個變量的不同等級，對滑坡發(fā)生與否的貢獻(xiàn)不同，即不同等級，對于滑坡具有不同的敏感度。對每個變量的各個等級進行敏感性分析。

(1)

式中：m——變量編號(m=1，2，…，10)；

n——某變量內(nèi)等級編號(n=A，B，…，Y)；

am——具有變量m的已統(tǒng)計滑坡總數(shù)；

d0——網(wǎng)格圖總面積。

圖4 連續(xù)變量分級示意圖Fig.4 Classification diagram of discontinuous variables

計算單一變量各等級敏感性系數(shù)，并通過ArcGIS的平面分析功能，對每個等級(編號為A～Y的25個條帶)賦敏感性系數(shù)值，后將其按照自然斷點法分成不同等級，并以縱坐標(biāo)為敏感性系數(shù)繪制敏感性系數(shù)與各等級的關(guān)系曲線見圖5。根據(jù)10個連續(xù)變量的敏感性分析結(jié)果，疊加其敏感性系數(shù)，獲得總敏感性系數(shù)分布，進而識別連續(xù)變量孕災(zāi)模式。

3.2 單一連續(xù)變量敏感性分析

連續(xù)變量共10個，有前緣高程、后緣高程、巖層傾向、巖層傾角、滑坡長度、寬度、面積、體積、總體坡度和主滑方向。分別編號為L1、L2、…、L10。

滑坡分布的高程有滑坡前緣高程和滑坡后緣高程。統(tǒng)計滑坡高程分布數(shù)據(jù)，將前緣、后緣高程均劃分為0～65 m、65～130 m、…、1 560～1 625 m的25個等級。

滑坡分布的滑床，巖層傾向0°～360°均有分布，因此將巖層傾向劃分為0°～14.4°、14.4°～28.8°、…、345.6°～360°的25個等級。將巖層傾角劃分為0°～3.6°、3.6°～7.2°、…、86.4°～90°的25個等級。

滑坡發(fā)育規(guī)模中，將滑坡長度劃分為0～35 m、35～70 m、…、840～875 m的25個等級，將滑坡寬度劃分為0～30 m、30～60 m、…、720～750 m的25個等級。對于滑坡面積，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，面積小于等于2.5×104m2的滑坡數(shù)量為557處，占總數(shù)的83.1%，因此，將面積在2.5×104m2以內(nèi)的滑坡作為孕災(zāi)模式識別的對象，并將滑坡面積劃分為0～0.1 m2、0.1～0.2 m2、…、2.4～2.5 m2的25個等級。對于滑坡體積，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，小型滑坡數(shù)量為506處，占總數(shù)的75.8%，因此，將面積在1.0×105m3以內(nèi)的小型滑坡作為孕災(zāi)模式識別的對象，并將滑坡面積劃分為0°～0.4 m2、0.4°～0.8 m2、…、9.6～10.0 m2的25個等級。

滑坡發(fā)育形態(tài)中，將滑坡總體坡度劃分為0°～3.6°、3.6°～7.2°、…、86.4°～90°的25個等級，將滑坡主滑方向劃分為0°～14.4°、14.4°～28.8°、…、345.6°～360°的25個等級。

將以上單一連續(xù)變量分為25個等級后，分別統(tǒng)計各個等級中滑坡的數(shù)量，利用式(1)進行敏感性分析，獲得單一變量敏感性分析結(jié)果(圖5(a)～(f))。根據(jù)敏感性分析結(jié)果，對于滑坡前緣高程，B～K區(qū)間敏感性系數(shù)最高；對于滑坡后緣高程，C、E、F、H、J區(qū)間敏感性系數(shù)最高；對于滑坡發(fā)育巖層傾向，B、C區(qū)間敏感性系數(shù)最高；對于滑坡發(fā)育巖層傾角，E～J和L區(qū)間敏感性系數(shù)最高；對于滑坡發(fā)育長度，A～C區(qū)間敏感性系數(shù)最高；對于滑坡發(fā)育寬度，A～D區(qū)間敏感性系數(shù)最高；對于滑坡發(fā)育面積，A～C區(qū)間敏感性系數(shù)最高；對于滑坡發(fā)育體積，A～C區(qū)間敏感性系數(shù)最高；對于滑坡發(fā)育總體坡度，E～J區(qū)間敏感性系數(shù)最高；對于滑坡主滑方向，B、C、E、G、U區(qū)間敏感性系數(shù)最高。敏感性系數(shù)高，說明區(qū)間內(nèi)滑坡發(fā)育水平高于其他區(qū)間滑坡發(fā)育水平。

3.3 連續(xù)變量孕災(zāi)模式識別

基于以上10個連續(xù)變量，對其進行連續(xù)變量孕災(zāi)模式識別?？紤]到10個變量之間可能存在的相關(guān)性，合適選擇變量，可以提高識別過程的可靠性。對于滑坡發(fā)育規(guī)模，選擇一個滑坡發(fā)育體積；對于滑坡形態(tài)，選擇總體坡度和主滑方向；對于滑坡發(fā)育高程，僅選擇前緣高程；對于滑床，選擇巖層傾向和傾角。共選取6個獨立變量：滑坡發(fā)育體積、滑坡發(fā)育總體坡度、滑坡主滑方向、滑坡前緣高程、滑坡發(fā)育地層傾向、滑坡發(fā)育地層傾角，變量編號分別為L1、L3、L4、L8、L9、L10。

圖5 連續(xù)變量敏感性分析結(jié)果圖Fig.5 Sensitivity analysis result of continuous variables

通過6個變量敏感性系數(shù)疊加，得到連續(xù)變量敏感性累計分析結(jié)果，見圖5(k)。疊加后，E～G的三個區(qū)間是敏感性系數(shù)最高區(qū)間，其次為其前側(cè)的B～D三個區(qū)間和后側(cè)的H～J三個區(qū)間。結(jié)合10個單一變量的獨立分析，已知已選的6個變量中，L3、L10兩個變量敏感性系數(shù)相對平均，圖5(c)和(j)中敏感性系數(shù)曲線波動相對其他變量也更小。因此，在0°～360°的各個方向上，滑坡主滑方向并未在某些區(qū)間明顯集中，相對分散，同樣滑坡發(fā)育地層的巖層傾向，在0～360°的各個方向上并未在某些區(qū)間明顯集中，相對分散。

以上分析，說明L1、L4、L8、L9四個變量是控制連續(xù)變量孕災(zāi)模式的關(guān)鍵變量，分別為滑坡發(fā)育體積、滑坡發(fā)育整體坡度、滑坡前緣高程、滑坡發(fā)育地層傾角。四個變量的E～G區(qū)間與實際變量值對照見表2。

表2 連續(xù)變量孕災(zāi)模式識別結(jié)果表

由此總結(jié)連續(xù)變量典型孕災(zāi)模式為：研究區(qū)內(nèi)，滑坡發(fā)育前緣高程主要集中在平均高程357.5 m的260～455 m高程段，且多為體積1.6～2.8×104m3，平均2.2×104m3的小型滑坡，其剖面上具有整體坡度14.4°～43.2°，平均28.8°的特點，發(fā)育巖層傾角16°～28°，平均22°。

4 孕災(zāi)模式綜合識別

綜合非連續(xù)變量孕災(zāi)模式與連續(xù)變量孕災(zāi)模式，結(jié)合圖4和表2的分析結(jié)果，獲得區(qū)內(nèi)滑坡典型孕災(zāi)模式剖面示意圖(圖6)，每種典型模式的基本特征均已表示在圖6中。

圖6中12種典型孕災(zāi)模式，均屬于圖3中基于統(tǒng)計構(gòu)建的四大類孕災(zāi)模式，其分屬關(guān)系見表3。

表3 孕災(zāi)模式大類與典型孕災(zāi)模式分屬關(guān)系

圖6 研究區(qū)滑坡典型孕災(zāi)模式剖面示意圖Fig.6 Profile diagrams of typical landslide pregnancy patterns in the area

5 結(jié)論

統(tǒng)計分析鄂西北南保谷三縣的670處滑坡災(zāi)害的分布與發(fā)育特征，通過連續(xù)變量和非連續(xù)變量，綜合識別區(qū)內(nèi)滑坡孕災(zāi)模式，并得到如下結(jié)論：

(1)區(qū)內(nèi)土質(zhì)滑坡最多，占總數(shù)的90.1%，其次為巖質(zhì)滑坡，巖土混合滑坡最少。滑坡發(fā)育滑床，巖層傾向分布和傾角分布在區(qū)內(nèi)較平均，斜坡結(jié)構(gòu)以順向坡、橫向坡居多，其次為逆向坡和順向斜交坡。碎屑巖組地層中滑坡發(fā)育最多。

(2)基于3個非連續(xù)變量(滑體性質(zhì)、地層巖性、斜坡結(jié)構(gòu))，識別了區(qū)內(nèi)12種、四大類孕災(zāi)模式分別為：孕災(zāi)模式A(土質(zhì)+基巖為志留系碎屑巖)、孕災(zāi)模式B(土質(zhì)+基巖為武當(dāng)群片巖)、孕災(zāi)模式C(巖質(zhì)+順向坡)、孕災(zāi)模式D(巖質(zhì)+順向斜交坡)。

(3)基于10個連續(xù)變量及其敏感性分析，構(gòu)建區(qū)內(nèi)連續(xù)變量孕災(zāi)模式為：研究區(qū)內(nèi)，滑坡發(fā)育前緣高程主要集中在平均高程357.5 m的260～455 m高程段，且多為體積1.6～2.8×104m3，平均2.2×104m3的小型滑坡，其剖面上具有整體坡度14.4°～43.2°，平均28.8°的特點，發(fā)育巖層傾角16°～28°，平均22°。

(4)綜合考慮非連續(xù)變量及連續(xù)變量，完成綜合孕災(zāi)模式識別，最終獲得區(qū)內(nèi)滑坡的12種典型孕災(zāi)模式，其中土質(zhì)滑坡8類，巖質(zhì)滑坡4類，分屬四大類孕災(zāi)模式。孕災(zāi)模式研究結(jié)果為鄂西北地區(qū)滑坡發(fā)育特征和孕災(zāi)機理提供一定參考。

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