高原滑坡變形與氣象因素相關(guān)性研究

尹繼鑫，何永晴，姚永順，楊世超，陳興芳，高桂明

(1.西寧市測(cè)繪院，青海 西寧 810001； 2.西寧市氣象局，青海 西寧 810003)

1 前 言

西寧是青海省省會(huì)，地處青藏高原強(qiáng)震密度較高的河湟谷地，南北兩山對(duì)峙，整體地勢(shì)西北高、東南低，平均海拔約 2 261 m，東西狹長(zhǎng)，是青藏高原和黃土高原過(guò)渡地帶，屬于大陸性高原半干旱氣候，特點(diǎn)是氣壓低、日照長(zhǎng)、雨水少、蒸發(fā)量大、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、日夜溫差大、無(wú)霜期短、冰凍期長(zhǎng)。西寧在地質(zhì)構(gòu)造上位于祁連山褶皺系中間隆起帶南部，地貌類型包括湟水河及其支流南川河、北川河等河谷階地。該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，受構(gòu)造隆升和流水侵蝕作用的影響，在湟水谷地兩側(cè)低山丘陵前緣形成了高差300余米，坡度達(dá)60°～90°的高陡斜坡。并且由于構(gòu)成斜坡巖體為第四系黃土與新近系紅色碎屑巖，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度低，遇水易崩解、軟化，加之該區(qū)域降水集中，多災(zāi)害性暴雨天氣，使得地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量多并集中發(fā)育。截至2015年底，西寧市境內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn) 1 206個(gè)，其中滑坡420處，崩塌111處，泥石流183處，不穩(wěn)定斜坡486處，地面塌陷6處，滑坡、不穩(wěn)定斜坡是西寧市境內(nèi)最主要的地質(zhì)災(zāi)害，占比高達(dá)75.1%。

滑坡是指斜坡上的土體或巖體，受河流沖刷、地下水活動(dòng)、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面或者軟弱帶，整體地或者分散地順坡向下滑動(dòng)的自然現(xiàn)象。產(chǎn)生滑坡的基本條件主要有兩個(gè)方面，從空間來(lái)說(shuō)，斜坡體前有滑動(dòng)空間，兩側(cè)有切割面；從斜坡的物質(zhì)組成來(lái)看，具有松散土層、碎石土、風(fēng)化殼和半成巖土層的斜坡抗剪強(qiáng)度低，容易產(chǎn)生變形面下滑。

綜合滑坡的影響因素，主要包括地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、氣象條件、人工活動(dòng)及地殼運(yùn)動(dòng)等。本文從氣象對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響角度來(lái)分析降水、風(fēng)力、溫度、濕度和氣壓對(duì)高原地區(qū)滑坡變形的影響。風(fēng)力、溫度、濕度和氣壓在軟化斜坡體、降低坡體強(qiáng)度方面有著重要影響，助推滑坡災(zāi)害發(fā)育；降水對(duì)滑坡的影響最大也最直接，主要表現(xiàn)為，雨水的大量下滲，導(dǎo)致斜坡上的土石層飽和，甚至在斜坡下部的隔水層上積水，從而增加滑體的重量，降低土石層的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致滑坡災(zāi)害產(chǎn)生[1～4]。

2 監(jiān)測(cè)概況

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

為緩解城區(qū)交通壓力，西寧市規(guī)劃設(shè)計(jì)了鳳凰山快速路，該路需穿越南山、西山兩端山體，其中南山隧道六一橋出口邊坡為不穩(wěn)定滑坡體，為保證隧道貫通工程和周邊人群生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)南山西坡進(jìn)行滑坡體變形監(jiān)測(cè)。根據(jù)該區(qū)域滑坡變形特點(diǎn)、主滑方向，共布設(shè)3條觀測(cè)斷面，總體呈5橫3縱網(wǎng)絡(luò)分布格局，共布置各類監(jiān)測(cè)點(diǎn)20個(gè)，其中12個(gè)點(diǎn)設(shè)在抗滑樁頂上，第一排抗滑樁設(shè)置4個(gè)，第二排抗滑樁設(shè)置8個(gè)，其他8個(gè)點(diǎn)中，7個(gè)分兩排設(shè)置在抗滑樁上部，另外1個(gè)放置在第一排抗滑樁一側(cè)，如圖1所示。

圖1 點(diǎn)位布設(shè)示意圖

圖1為南山西坡滑坡體變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)示意圖。圖中編號(hào)JC的點(diǎn)即為地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.2 監(jiān)測(cè)原理

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式對(duì)滑坡體表面位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，工作原理為：各GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收GNSS信號(hào)(信號(hào)頻率為1個(gè)/秒)，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到控制中心，控制中心服務(wù)器GNSS數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)時(shí)差分解算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)分析軟件獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)，并與初始坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比而獲得該監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化量。同時(shí)分析軟件根據(jù)事先設(shè)定的預(yù)警值進(jìn)行報(bào)警，監(jiān)測(cè)預(yù)警值參照《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50497-2009)執(zhí)行，防滑樁上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)警值按照深基坑樁頂位移預(yù)警值執(zhí)行，預(yù)警值為 30 mm，山坡上監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移預(yù)警值按照二級(jí)基坑坡頂預(yù)警值執(zhí)行，預(yù)警值為 60 mm，如監(jiān)測(cè)位移量超過(guò)預(yù)警值的75%，將以短信、現(xiàn)場(chǎng)廣播、聲光報(bào)警燈多種形式預(yù)警[5]。

3 資料來(lái)源

在統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，為降低監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)粗差帶來(lái)的大幅波動(dòng)影響，同時(shí)為突顯階段性氣象因素對(duì)滑坡變形的影響特點(diǎn)，以每10日為1個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)間區(qū)段進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，樣本時(shí)間區(qū)間為2016年9月～2018年2月，共計(jì)51個(gè)時(shí)間區(qū)段。

3.1 地表位移數(shù)據(jù)

南山西坡滑坡體變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2016年9月建成運(yùn)行，監(jiān)測(cè)類型主要包括地表位移、裂縫、測(cè)斜等，本文選取2號(hào)～7號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表位移數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，JC03、JC07兩站位移數(shù)據(jù)因通信網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造原因出現(xiàn)個(gè)別日期數(shù)據(jù)缺失情況，對(duì)此，利用線性內(nèi)插方法求得T日(即當(dāng)日)缺測(cè)位移數(shù)據(jù)，并根據(jù)前后日期單日位移量和累計(jì)位移量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，修正T日及T+1日相對(duì)位移數(shù)據(jù)。各監(jiān)測(cè)站總體累計(jì)量如表1所示。

位移累積量統(tǒng)計(jì)表 表1

表1為滑坡體變形地表位移累積量統(tǒng)計(jì)表。WGS84-X水平方向：正值為向北位移，負(fù)值為向南位移；WGS84-Y水平方向：正值為向東位移，負(fù)值為向西位移；WGS84-H高程方向：正值為上升，負(fù)值為下沉。

根據(jù)各監(jiān)測(cè)站水平位移X值和Y值計(jì)算出平面位移量(mm)。計(jì)算公式如下所示：

(1)

式(1)中：|P|為平面位移量，x1、y1為起點(diǎn)坐標(biāo)，x2、y2為終點(diǎn)坐標(biāo)。根據(jù)式(1)計(jì)算出各站平面位移累計(jì)值，如圖2所示。

圖2 平面位移累計(jì)值

圖2為平面位移累計(jì)值，據(jù)圖可知JC02和JC06兩站平面位移較為明顯，在樣本時(shí)間內(nèi)，累積量分別約為 54.2 mm和 100.6 mm，平均量分別約為 0.11 mm和 0.19 mm，兩站均位于隧道口上方，JC06距離隧道口較近，平面位移已超過(guò)預(yù)警值，其下沉表現(xiàn)也較為突出。此外，6個(gè)監(jiān)測(cè)站主要位移方向均為西向，符合監(jiān)測(cè)區(qū)地形特點(diǎn)。

根據(jù)總體平面位移和高程方向沉降累計(jì)值，繪制出各監(jiān)測(cè)站平面位移和沉降變化趨勢(shì)圖，如圖3所示。

圖3為位移變化趨勢(shì)圖，上趨勢(shì)線為平面位移，下趨勢(shì)線為高程沉降。圖中上排從左至右依次為JC02、03、04號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，下排從左至右依次為JC05、06、07號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)個(gè)別日期因受通信影響，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大粗差。

從趨勢(shì)圖分析，各監(jiān)測(cè)站平面位移均處于持續(xù)增大狀態(tài)；從趨勢(shì)線斜率變化而言，JC-06在樣本時(shí)間后期處于明顯上升趨勢(shì)。

圖3 位移變化趨勢(shì)圖

3.2 氣象數(shù)據(jù)

來(lái)自西寧市中心城區(qū)氣象觀測(cè)站，該站位于北緯36.7°、東經(jīng)101.7°，測(cè)站高度 2 295.2 m，距離滑坡監(jiān)測(cè)區(qū)約 1.8 km，主要包括降水量(毫米mm)、最大風(fēng)速(米/秒m/s)、溫度(攝氏度℃)、濕度(百分率%)和氣壓(帕Pa)等數(shù)據(jù)，并計(jì)算相應(yīng)的區(qū)段平均量和區(qū)段累計(jì)量等數(shù)值，其中將風(fēng)速轉(zhuǎn)化為風(fēng)壓(N/m2)。風(fēng)壓即垂直于氣流方向的平面所受到風(fēng)的壓力，根據(jù)伯努利方程推出風(fēng)壓計(jì)算公式，如下所示：

(2)

式(2)中：wp為風(fēng)壓，r為空氣重度，v為風(fēng)速，g為重力加速度。

4 相關(guān)分析

相關(guān)分析用于研究現(xiàn)象之間是否存在某種依存關(guān)系，并探討具體有依存關(guān)系現(xiàn)象的相關(guān)方向以及相關(guān)程度。在進(jìn)行相關(guān)分析、計(jì)算監(jiān)測(cè)站平均位移量時(shí)，需考慮人工活動(dòng)對(duì)滑坡位移的影響，故應(yīng)以除JC06站外的其他監(jiān)測(cè)站的平均位移值來(lái)修正JC06站數(shù)值，修正后數(shù)值約為 31.46 mm，以此參與其后計(jì)算分析。

4.1 散點(diǎn)分析

為保證相關(guān)分析有必要和有意義，可先通過(guò)制作散點(diǎn)圖來(lái)初步觀察滑坡位移和降水、風(fēng)壓、溫度、濕度、氣壓等氣象因素是否存在相關(guān)趨勢(shì)，如圖4所示。

圖4為位移-氣象散點(diǎn)圖，縱軸為滑坡位移量，橫軸從左至右依次為降水、風(fēng)壓、溫度、濕度和氣壓，各散點(diǎn)圖通過(guò)Loess局部加權(quán)回歸散點(diǎn)平滑法擬合出回歸曲線，并推算出相應(yīng)的線性方程。據(jù)圖4可知，滑坡位移與降水呈正相關(guān)趨勢(shì)，即降水量越大，滑坡位移量越大；滑坡位移同樣受風(fēng)壓、溫度、濕度影響，其關(guān)系近似對(duì)數(shù)函數(shù)曲線，即受此類氣象因素影響至一定程度后不再明顯增大，而是接近一個(gè)極限值；滑坡位移受氣壓影響較弱，曲線斜率較小，這與氣壓在高原地區(qū)較平原地區(qū)對(duì)物體作用較小相符。

圖4位移-氣象散點(diǎn)圖

4.2 偏相關(guān)分析

前文4.1中，雖然進(jìn)行了滑坡位移量與各氣象因素的散點(diǎn)分析，但其結(jié)果實(shí)際仍受其他氣象因素影響，而非單一氣象因素對(duì)滑坡位移量的絕對(duì)影響，其相關(guān)分析結(jié)果如表2所示。因此，為消除其他氣象因素對(duì)滑坡位移的影響，需利用偏相關(guān)分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行凈化研究，同時(shí)利用偏相關(guān)分析，可剔除對(duì)滑坡位移影響相對(duì)弱小的氣象因子，簡(jiǎn)化后續(xù)分析[6～9]。偏相關(guān)分析結(jié)果如表3所示。

相關(guān)分析結(jié)果 表2

表2為滑坡位移與氣象因素相關(guān)分析結(jié)果，觀察可知，滑坡位移與降水相關(guān)性最為密切，其值約為0.663；其次為風(fēng)壓、溫度、濕度；氣壓相關(guān)性最小，為0.038。

偏相關(guān)分析結(jié)果 表3

表3為滑坡位移與氣象因素偏相關(guān)分析結(jié)果，在控制了其他氣象因素對(duì)滑坡位移影響后發(fā)現(xiàn)，各氣象因子相關(guān)系數(shù)均有不同程度下降。其中，降水相關(guān)系數(shù)下降最小，其值約為0.629，對(duì)滑坡位移影響仍然最大；風(fēng)壓、溫度、濕度、氣壓相關(guān)系數(shù)下降較大，下降率均超過(guò)50%，氣壓相關(guān)系數(shù)僅為0.008。

通過(guò)偏相關(guān)分析，暫時(shí)剔除相關(guān)系數(shù)小于0.1的溫度、濕度和氣壓3個(gè)氣象因素，保留降水和風(fēng)壓來(lái)建立與滑坡位移量相關(guān)的模型方程，并以此來(lái)預(yù)測(cè)滑坡災(zāi)害。

5 滑坡模型

通常，利用回歸分析來(lái)確定現(xiàn)象和影響因子之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立回歸模型，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)求解模型的各個(gè)參數(shù)，然后評(píng)價(jià)回歸模型是否能夠很好地?cái)M合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[10～12]。

5.1 回歸方程

本文所述滑坡位移模型涉及降水和風(fēng)壓兩個(gè)自變量，故為多元線性回歸，模型形式如下：

Y=β0+β1X1+β2X2+ε

(3)

式(3)中：Y為因變量滑坡位移，X1、X2為自變量降水、風(fēng)壓，β0、β1、β2為待解參數(shù)，ε為回歸方程隨機(jī)誤差，其中ε～N(0，σ2)。經(jīng)回歸分析，其結(jié)果如表4所示。

回歸分析結(jié)果 表4

表4為回歸分析結(jié)果，包含回歸系數(shù)估值和模型排除變量P值。據(jù)表4可知，常量β0估值為1.018，降水量參數(shù)β1估值為0.035，在t檢驗(yàn)中，降水量和常數(shù)項(xiàng)的顯著性P值都為0.000，均有顯著意義；風(fēng)壓變量t檢驗(yàn)的顯著性概率P值遠(yuǎn)大于0.05，故未引入模型。所以回歸分析后的模型方程修正為：

Y=1.018+0.035*X1

(4)

式(4)中：Y為因變量滑坡位移，X1為自變量降水。

5.2 模型假設(shè)檢驗(yàn)

經(jīng)過(guò)5.1回歸分析后，得出降水變量參數(shù)估計(jì)值，并建立了滑坡位移線性回歸模型，同時(shí)也滿足了式(3)中隨機(jī)誤差ε是正態(tài)性的假設(shè)。在確定滑坡回歸模型過(guò)程中，通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)殘差直方圖的方法檢驗(yàn)得出ε屬于正態(tài)分布，結(jié)果如圖5所示。

圖5 回歸殘差直方圖

圖5為回歸殘差直方圖，標(biāo)準(zhǔn)殘差服從正態(tài)分布N(0，1)，殘差正負(fù)占比為1∶1，絕大多數(shù)落在-2與+2之間，所以滿足ε是正態(tài)性的假設(shè)，因此從一定程度上證明了式(4)中降水量參數(shù)和常數(shù)項(xiàng)兩者的估計(jì)值合理，滑坡模型方程有效[13，14]。

6 結(jié) 論

影響滑坡災(zāi)害的因素是多樣的，有內(nèi)在地質(zhì)結(jié)構(gòu)作用，也有外在人工、氣象影響，而且災(zāi)害的發(fā)育和產(chǎn)生是通過(guò)時(shí)間的積累形成的[15]。

(1)通過(guò)散點(diǎn)分析得知，高原區(qū)域的滑坡位移與降水關(guān)系密切，呈正相關(guān)趨勢(shì)；其余氣象因素影響相對(duì)偏弱，符合高海拔地區(qū)氣象特點(diǎn)。

(2)通過(guò)相關(guān)性分析，量化了氣象因子與滑坡變形之間的關(guān)聯(lián)程度，分析結(jié)果為降水因子與滑坡變形相關(guān)程度最高，為0.629。剔除分析結(jié)果中相關(guān)系數(shù)較低的溫度、濕度、氣壓因子來(lái)建立回歸模型，最終模型為一元線性方程，即Y=1.018+0.035X降水。

(3)建立滑坡多元回歸預(yù)模型，通過(guò)回歸分析估算氣象因子參數(shù)，修正回歸方程并檢驗(yàn)其合理性?；履Ｐ驮诳紤]殘差前提下，對(duì)氣象單一條件下的滑坡位移具有較好的適用性，既可以反映氣象因子與滑坡變形的內(nèi)在聯(lián)系，又能較好地預(yù)測(cè)滑坡變形，對(duì)于滑坡災(zāi)害研究和預(yù)測(cè)具有重要價(jià)值。