三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型和災(zāi)害機(jī)理研究

陳 才

(重慶三峽學(xué)院，重慶 404100)

三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻生[1]，每年因地質(zhì)災(zāi)害直接或間接帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失巨大，因此，研究三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型和災(zāi)害機(jī)理具有十分重要的作用[2]。傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害研究方法存在較多的問(wèn)題。例如，簡(jiǎn)文星等[3]在分析三峽庫(kù)區(qū)軟巖的礦物成分過(guò)程中采用X射線衍射方法，并研究消落帶軟巖的風(fēng)化崩解機(jī)理，只分析地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)在因素，忽略了外在因素，分析不全面；楊何等[4]研究了滑坡堆積體的土—水特征對(duì)三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治的影響，但該方法只研究三峽庫(kù)區(qū)降雨量對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響，但未考慮地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的內(nèi)在因素，整個(gè)分析過(guò)程并不全面；盧書(shū)強(qiáng)等[5]研究了三峽庫(kù)區(qū)階躍型滑坡動(dòng)態(tài)變形特征和機(jī)理，預(yù)測(cè)其動(dòng)態(tài)變形發(fā)展趨勢(shì)，但該方法預(yù)測(cè)結(jié)果誤差較大；盧應(yīng)發(fā)等[6]研究推移式滑坡地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理，未考慮其他類型地質(zhì)災(zāi)害，局限性較高。針對(duì)上述文獻(xiàn)中研究存在的問(wèn)題，提出新的三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型和災(zāi)害機(jī)理研究方法，實(shí)現(xiàn)詳細(xì)、準(zhǔn)確的地質(zhì)災(zāi)害研究。

1 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型和災(zāi)害機(jī)理研究

1.1 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度研究

三峽庫(kù)區(qū)受當(dāng)前地質(zhì)環(huán)境與人文環(huán)境影響的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度，即地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度[7]，包括地質(zhì)災(zāi)害的空間生發(fā)率、面積及體積分布概率的整體表現(xiàn)水平。由此能夠得出，三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度的表達(dá)式為：

K=k(k,S,V)。

(1)

式中：K表示發(fā)育度、k表示地區(qū)災(zāi)害頻率、S表示面積、V表示體積。

為了建立體現(xiàn)真實(shí)情況的庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度計(jì)算模型，需要無(wú)量綱化處理或歸一化處頻率、面積和體積這三個(gè)指標(biāo)[8]，這三個(gè)指標(biāo)也就是基礎(chǔ)因子。本文以災(zāi)害發(fā)育度計(jì)算到第i單元為例構(gòu)建模型并進(jìn)行分析計(jì)算。

(1)地質(zhì)災(zāi)害頻率比。第i單元中，用ki表示地質(zhì)災(zāi)害頻率、Si表示單元面積和表Pki示單元中災(zāi)害的頻率比密度、S表示庫(kù)區(qū)內(nèi)研究區(qū)域面積、k表示災(zāi)害總量和ρk表示總頻率密度。第i單元中地質(zhì)災(zāi)害頻數(shù)比為：

Rki=ρki/ρk。

(2)

式中：ρki=ki/Si；ρk=k/S。

(2)地質(zhì)災(zāi)害面積模數(shù)比。第i單元中，用Si表示地質(zhì)災(zāi)害體分布面積、ρsi表示災(zāi)害面積模數(shù)、si表示災(zāi)害點(diǎn)總面積和ρs表示總面積模數(shù)。第i單元中面積模數(shù)比為：

Rsi=ρsi/ρs。

(3)

式中：ρsi=si/Si；ρs=s/S。

(3)地質(zhì)災(zāi)害體積模數(shù)比。第i單元中，用ti表示地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)總體積、ρti表示災(zāi)害的體積模數(shù)、t示災(zāi)害點(diǎn)的總體積和ρt表示總體積模數(shù)。第i單元中體積模數(shù)比為：

Rti=ρti/ρt。

(4)

式中：ρti=ti/Si；ρt=t/S。

根據(jù)式(2)、式(3)、式(4)，可將式(1)轉(zhuǎn)化為：

Ki=k(Rfi,Rsi,Rti)。

(5)

式中：(Rfi,Rsi,Rti)統(tǒng)稱發(fā)育因子。

根據(jù)以往研究結(jié)論及三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害整體研究[9]，可得一般公式：

(6)

式中：第i單元中，Ki表示災(zāi)害發(fā)育度、Rki表示災(zāi)害頻數(shù)比、Rsi表示災(zāi)害面積模數(shù)和Rti表示災(zāi)害體積模數(shù)比、r表示修正指數(shù)，通常取值為1.5～2.0。

將三峽庫(kù)區(qū)真實(shí)地質(zhì)環(huán)境與區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度評(píng)價(jià)模型相結(jié)合，對(duì)不同單元發(fā)育度實(shí)施運(yùn)算[10]，依照運(yùn)算結(jié)果能夠得到整體地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度的平均程度，用Ki=3表示。

依照運(yùn)算結(jié)果的分布規(guī)則，宏觀研究不同類型致災(zāi)因素與三峽庫(kù)區(qū)真實(shí)環(huán)境，分割地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度等級(jí)：

(a)不發(fā)育地區(qū)：0≤Ki<3；

(b)低發(fā)育區(qū)：3≤Ki<6；

(c)中發(fā)育地區(qū)：6≤Ki<9；

(d)高發(fā)育地區(qū)：Ki≥9。

1.2 地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度研究

在某區(qū)域中排除外在誘發(fā)因素條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的潛在能力，即地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度[11]。潛勢(shì)度作為不同類型地質(zhì)災(zāi)害趨勢(shì)預(yù)測(cè)的前提，可經(jīng)由地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)因子和回應(yīng)因子的運(yùn)算過(guò)程獲取，得到三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度表達(dá)式：

Q=(q1,q2,q3,…,qn)。

(7)

式中：q1,q2,q3,…,qn表示體現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)的因素值。利用綜合指數(shù)模型將使式(7)轉(zhuǎn)化為：

(8)

式中：第i單元中，Qi表示潛勢(shì)度指數(shù)，j表示評(píng)價(jià)因子，xi和yj表示第i單元內(nèi)第j個(gè)評(píng)價(jià)因子的賦值，m和n表示第j個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，評(píng)價(jià)單元數(shù)和評(píng)價(jià)因子數(shù)。

按照以往三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的研究報(bào)告以及地質(zhì)災(zāi)害因子研究結(jié)論[12]，在確定地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度計(jì)算的判別因子時(shí)分別選取基礎(chǔ)因子及響應(yīng)因子。其中，基礎(chǔ)因子中涵蓋地形地貌、植被、巖組和構(gòu)造[13]；響應(yīng)因子等同于發(fā)育因子。再次劃分基礎(chǔ)因子內(nèi)的地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造因子如表1。在分割地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度的過(guò)程中，采用綜合指數(shù)模型得到，地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度曲線在1.5、2、2.3及2.7四處表現(xiàn)為躍變，因此在分割時(shí)將這4處充當(dāng)分界點(diǎn)，將災(zāi)害潛勢(shì)度分割為5級(jí)。

表1 基礎(chǔ)因子和響應(yīng)因子指標(biāo)量值與權(quán)重

1.3 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型

預(yù)報(bào)地質(zhì)災(zāi)害形成條件是地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)的核心[14]，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)角度，將上小節(jié)獲取的影響庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害形成的影響因子、基礎(chǔ)因子條件和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與否分別作為自變量和分類因變量。使用同歸對(duì)數(shù)線性模型推導(dǎo)自變量和分類因變量?jī)烧叩年P(guān)系。

在對(duì)數(shù)線性模型中，Logistic回歸模型是較為典型模型，若P表示某類型地質(zhì)災(zāi)害形成的概率，[0,1]表示其取值范圍，em表示自變量，Ki表示庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度，Qi表示潛勢(shì)度，構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的回歸方程如下所示：

log[P/(1-P)]=Ki+Qi+β1e1+β2e2+…+βmem。

(9)

式中：α表示常數(shù)和βi(i=1,2,…,m)表示邏輯回歸系數(shù)。

以滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害為例，在分析降雨與泥石流地質(zhì)災(zāi)害之間的關(guān)系時(shí)，往往利用“前期有效降雨量”的定義，也就是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前期降雨在巖土體內(nèi)保存，直至地質(zhì)災(zāi)害形成當(dāng)日的雨量，以地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日和前幾日的逐日降雨量分析滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害[15]。式(10)為保存在巖土體內(nèi)降雨量的計(jì)算公式：

ca=fc1+f2c2+…+fncn。

(10)

式中：ca表示地質(zhì)災(zāi)害形成當(dāng)日的有效降雨量；f表示有效降雨系數(shù)(通常為0.84)；cn表示前n天的降雨量。通過(guò)式(10)獲取地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日某時(shí)刻3 h后的激發(fā)雨量為：

C=B3+C21。

(11)

式中：B3表示3 h的雨量預(yù)報(bào)和C21表示21 h內(nèi)的真實(shí)累計(jì)降雨量。不同網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)，某時(shí)刻3 h后真實(shí)累計(jì)降雨量為：

B(i,j)=C(i,j)+ca(i,j)

=B3(i,j)+C21(i,j)+ca(i,j)。

(12)

根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)以往泥石流滑坡地質(zhì)災(zāi)害的研究可知，前期有效累計(jì)降雨量與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日降雨量導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害形成的最小降雨量界限及最大降雨量界限(最小降雨量界限以下發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害概率為0%，最大降雨量界限以上發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害概率為100%)。通過(guò)降雨量界限獲取災(zāi)害形成概率的回歸方程及預(yù)警指數(shù)為：

log[P/(1-P)]=-3.847+0.04c+0.043cx；

(13)

W(i,j)=A×N(i,j)+Y×P(i,j)。

(14)

式中：W(i,j)表示預(yù)警指數(shù)；N(i,j)表示地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分級(jí)指數(shù)；P表示地質(zhì)災(zāi)害形成概率和A、Y表示權(quán)重系數(shù)。

2 模型驗(yàn)證及分析

為驗(yàn)證本文提出的三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型和災(zāi)害機(jī)理研究方法的有效性，在三峽庫(kù)區(qū)坡岸巖土地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型下，使用本文方法研究自三峽庫(kù)區(qū)形成以來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害類型，并通過(guò)Geo-studio軟件模擬仿真滑坡地質(zhì)災(zāi)害，分析導(dǎo)致滑坡地質(zhì)災(zāi)害形成的原因，結(jié)果如表2、圖1和圖2所示。分析表2能夠得到，在三峽庫(kù)區(qū)發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害、崩塌地質(zhì)災(zāi)害、泥石流地質(zhì)災(zāi)害以及滑坡體變形的次數(shù)分別為38次、39次、7次和13次。其中，小型地質(zhì)災(zāi)害和中型地質(zhì)災(zāi)害分別占總體地質(zhì)災(zāi)害的50%～85.7%和10.3%～23.1%，大型地質(zhì)災(zāi)害和特大型地質(zhì)災(zāi)害分別占總體地質(zhì)災(zāi)害的0～26.3%和0～2.6%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用本文方法能夠有效研究三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型。

表2 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型研究結(jié)果

圖1 滑坡地質(zhì)災(zāi)害變形過(guò)程

由圖1a～圖1c(災(zāi)害形成過(guò)程中前2.8 s)能夠看出，滑坡地質(zhì)災(zāi)害變形初始形成的位置在土體底部，由土體底部過(guò)度至土體中部，上升至土體頂部，也就是受外部動(dòng)力作用的災(zāi)害初始階段，滑坡地質(zhì)災(zāi)害的變形是由下向上傳遞的；在災(zāi)害形成過(guò)程的第3.4 s，滑坡土體大致復(fù)原；由圖1e能夠看出，滑坡土體前、后兩側(cè)形成變形的時(shí)間一致，滑坡土體前側(cè)變相方向?yàn)槠麦w內(nèi)側(cè)，而后側(cè)變形方向恰好相反，中間位置無(wú)顯著變形；在災(zāi)害過(guò)程的第6.2 s時(shí)，滑坡土體中間位置向上變形，前后兩側(cè)變形恢復(fù)，之后如圖1g所示滑坡土體整體恢復(fù)至原態(tài)；在圖1h～圖1j中，滑坡土體出現(xiàn)反方向的循環(huán)變形，滑坡后側(cè)形成塑性變形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用本文方法能夠有效分析三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害形成過(guò)程。

分析圖2可知，影響滑坡穩(wěn)定性的基本原因包括：地震慣性力、土體強(qiáng)度和孔隙水壓。無(wú)外動(dòng)力影響、且各條件一致時(shí)，滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.15 Fs；單獨(dú)考慮地震慣性力時(shí)，滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化范圍為0.84 Fs～1.52 Fs，說(shuō)明滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)受地震慣性力的影響較明顯。既考慮地震慣性力，又考慮孔隙水壓力時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化情況同單獨(dú)考慮地震慣性力時(shí)的差距較小，說(shuō)明滑坡穩(wěn)定性系數(shù)受孔隙水壓力的影響較弱。既考慮地震慣性力、孔隙水壓力，由兼顧土體強(qiáng)度時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化較為明顯，在整體過(guò)程內(nèi)基本低于1 Fs。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在地震動(dòng)力作用下形成滑坡地質(zhì)災(zāi)害的主要原因是地震慣性力和土體強(qiáng)度，本文方法能夠準(zhǔn)確分析三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理。

圖2 不同致滑因素影響下土體的穩(wěn)定性系數(shù)研究

滑坡土體中不同點(diǎn)受地震動(dòng)力加速度的影響，形成有所差異的反應(yīng)加速度，實(shí)驗(yàn)采用本文方法對(duì)三峽庫(kù)區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的加速度變化規(guī)律進(jìn)行研究，得到的結(jié)果如圖3和圖4所示。

分析圖3和圖4可得，與外動(dòng)力加速度相比較，滑坡土體上層加速度存在較為顯著的提升，且其加速度顯著高于滑帶處，說(shuō)明滑體上層震動(dòng)提升?；峦馏w上層前側(cè)的加速度時(shí)程曲線與后側(cè)加速度相比，其震動(dòng)強(qiáng)度顯著高于后側(cè)，表明隨著地表高度的上升，地震動(dòng)的能量有所消耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用本文方法能夠有效分析滑坡地質(zhì)災(zāi)害的加速度變化規(guī)律。

圖4 歷史記錄點(diǎn)反映加速度時(shí)程曲線

為驗(yàn)證本文方法對(duì)地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理研究的準(zhǔn)確性，通過(guò)對(duì)比本文方法和基于X射線衍射方法獲取的地震位移數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度來(lái)進(jìn)行。使用Geo-studio軟件模擬三峽庫(kù)區(qū)某區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生環(huán)境，分別使用本文方法和基于X射線衍射的三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究方法獲取地震位移數(shù)據(jù)，并將不同方法獲取的結(jié)果同實(shí)際結(jié)果相比較結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同方法獲取的地震位移數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

分析圖5可知，使用本文方法獲取的地震位移數(shù)據(jù)和實(shí)際地震位移數(shù)據(jù)相接近，數(shù)據(jù)誤差控制在2 mm以下，而基于X射線衍射的三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究方法與實(shí)際地震位移數(shù)據(jù)的存在較大誤差，數(shù)據(jù)誤差在2～5 mm之間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明使用本文方法對(duì)三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理研究具有較高的準(zhǔn)確性。

在以往三峽庫(kù)區(qū)地震災(zāi)害研究方法對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的機(jī)理研究都存在一定的錯(cuò)誤率，所以實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文方法的在實(shí)際研究過(guò)程中的穩(wěn)定性，對(duì)本文方法和基于X射線衍射方法測(cè)得的三峽庫(kù)區(qū)地震位移數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤率對(duì)比分析(表3)。分析表3可得，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增多，不同方法的錯(cuò)誤率具有不同程度的上升，本文方法的錯(cuò)誤率最高為4%，而基于X射線衍射的研究方法的錯(cuò)誤率最大達(dá)到14%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)災(zāi)害機(jī)理進(jìn)行分析研究時(shí)，使用本文方法的穩(wěn)定性較高。

表3 不同方法獲取地震位移數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率對(duì)比

3 結(jié) 論

本文提出新的三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型和災(zāi)害機(jī)理研究方法，從地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度方面研究，根據(jù)災(zāi)害頻數(shù)比、災(zāi)害面積模數(shù)比和災(zāi)害體積模數(shù)比這三個(gè)發(fā)育因子(響應(yīng)因子)將災(zāi)害發(fā)育度分割為4個(gè)等級(jí)；從地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度研究方面研究，將發(fā)育因子與基礎(chǔ)因子相結(jié)合，利用綜合指數(shù)模型，將災(zāi)害潛勢(shì)度分割為5個(gè)等級(jí)。使用Logistic回歸模型，基于庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度以及潛勢(shì)度的表達(dá)式，綜合考慮二者的基礎(chǔ)因子、響應(yīng)因子以地質(zhì)災(zāi)害是否發(fā)生，構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的有效預(yù)警。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本文方法分析得到三峽庫(kù)區(qū)發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害、崩塌地質(zhì)災(zāi)害、泥石流地質(zhì)災(zāi)害以及滑坡體變形的次數(shù)分別為38次、39次、7次和13次，能夠有效分析三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的加速度變化規(guī)律，獲取的地震位移數(shù)據(jù)和實(shí)際地震位移數(shù)據(jù)誤差控制在2 mm以下，誤報(bào)率最高為4%，這些結(jié)果說(shuō)明使用本文方法能夠詳細(xì)、準(zhǔn)確的分析三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型和災(zāi)害機(jī)理，并預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害。