巖土混合型滑坡識(shí)別模型研究
——以武漢市東湖高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)為例

王 兵， 姜祝強(qiáng)， 李祖春， 柴 波， 施星宇

(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 武漢 430051； 2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430050；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430074)

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于滑坡或其它類(lèi)型的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理體系的研究已有不少成果。對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害的重要隱患點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查、評(píng)價(jià),尤其是重點(diǎn)防治區(qū)和防治重點(diǎn)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的掌握情況,對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估,以及在此基礎(chǔ)上提出防治對(duì)策建議等具有重要意義。早期對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究主要集中在滑坡。20世紀(jì)70年代,大量學(xué)者對(duì)滑坡穩(wěn)定性和危險(xiǎn)分區(qū)已作了較為成熟的研究與應(yīng)用。20世紀(jì)90年代以來(lái),地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論在泥石流治理工程、地震防治、單體滑坡災(zāi)害治理工程以及高陡邊坡穩(wěn)定性等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。以滑坡為例,主要包括概率分析方法[1-4]、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法[5]和確定性模型分析方法[6]。

從武漢市東湖高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的地質(zhì)背景和調(diào)查結(jié)果看,災(zāi)害隱患點(diǎn)的變形跡象不明顯,可利用樣本不多,僅僅依靠面上調(diào)查,很難準(zhǔn)確圈定真正的災(zāi)害隱患點(diǎn),需要圍繞地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)識(shí)別方法開(kāi)展更為深入的研究。本文基于調(diào)查結(jié)果,結(jié)合控制斜坡穩(wěn)定性各項(xiàng)參數(shù)的敏感程度,綜合分析各類(lèi)斜坡結(jié)構(gòu)疊加降雨和人類(lèi)工程活動(dòng)后的穩(wěn)定性,建立武漢市東湖高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)識(shí)別模型,并給出描述斜坡穩(wěn)定性的量化參數(shù),該模型可以有效提高地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別率,為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防、預(yù)警提供借鑒。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地理位置

研究區(qū)位于武漢市東南部,地處東湖、南湖與湯遜湖之間,總面積518.11 km2。研究區(qū)內(nèi)國(guó)道G316、國(guó)道G70、高新大道、花山大道等城市主干道穿插,形成了橫貫東西、縱通南北的交通主干網(wǎng),公路通達(dá),交通便捷。

1.2 地形地貌

研究區(qū)可劃分為剝蝕低山丘陵區(qū)和剝蝕堆積壟崗平原區(qū),丘陵總體走向?yàn)闁|西向,與平原相間出現(xiàn)。

(1) 剝蝕低山丘陵。主要分布在花山街以南,九峰街以北,關(guān)東街以東,豹澥街以北等區(qū)域。山體呈近東西走向分布。其海拔高程約為80～200 m,坡度10°～35°不等。 山體多呈穹形,主要由志留系砂頁(yè)巖、泥盆系石英砂巖和二疊系硅質(zhì)巖組成。

(2) 剝蝕堆積壟崗平原。主要分布在關(guān)東街、九峰街和豹澥街的剝蝕低山丘陵區(qū)之間。其中有高壟崗傾斜平原,海拔60～90 m,與區(qū)域Ⅳ級(jí)階地高程對(duì)應(yīng)，經(jīng)長(zhǎng)期地表流水剝蝕,形成壟崗與坳溝起伏相間的地貌形態(tài),相對(duì)高差5～15 m；低壟崗傾斜平原,海拔高程25～45 m,對(duì)應(yīng)于區(qū)域Ⅲ級(jí)階地高程,相對(duì)高差2～10 m。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地層巖性

研究區(qū)在中志留系統(tǒng)—中三疊系世,受加里東運(yùn)動(dòng)和華力西運(yùn)動(dòng)的影響,地殼整體抬升和沉降,發(fā)生了相對(duì)頻繁地海進(jìn)海退,在S2/D3、C1/C2、C2/P1和P1/P2之間形成平行不整合接觸,并沉積了前述的碳酸鹽巖地層。中三疊系世末的印支運(yùn)動(dòng),華北板塊和揚(yáng)子地塊拼合,秦嶺造山帶形成隆起,也造成了拼接部位揚(yáng)子地塊形成前陸褶皺帶,在研究區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為一系列走向NWW—SEE的逆沖褶皺帶和斷層,區(qū)內(nèi)可見(jiàn)褶皺南側(cè)倒轉(zhuǎn)、北側(cè)正常傾斜。燕山晚期,受太平洋板塊的俯沖作用,區(qū)內(nèi)形成一系列NNE向的走滑斷層。

區(qū)內(nèi)基巖出露較少,絕大部分隱伏于第四系地層之下。區(qū)內(nèi)出露的地層主要有：第四系全新統(tǒng)殘坡積層、沖積層、湖積層、洪沖積層、洪泛堆積層；第四系中上更新統(tǒng)風(fēng)積層、湖沖積層、沖積層；第四系中更新統(tǒng)殘坡積層、沖積層、洪沖積層；第四系下更新統(tǒng)洪沖積層；區(qū)內(nèi)主要巖性特征可分為：新近系廣華寺組泥巖、白堊—古近系公安寨組砂巖,三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r,二疊系中統(tǒng)孤峰組硅質(zhì)巖、頁(yè)巖及棲霞組灰?guī)r；石炭系上統(tǒng)黃龍組白云質(zhì)灰?guī)r、石炭系下統(tǒng)高驪山組粘土巖夾砂巖；泥盆系上統(tǒng)黃家磴組石英砂巖夾頁(yè)巖及云臺(tái)觀組石英砂巖,志留系中統(tǒng)墳頭組泥巖、泥質(zhì)砂巖等。

1.4 氣象水文

研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,有雨量充沛、日照充足、夏季酷熱、冬季寒冷的特點(diǎn)。年平均氣溫15.9～17.9 ℃,極端最高氣溫39.6 ℃,極端最低氣溫-12.8 ℃。年總降水量889.2～1 862.6 mm,多年平均降雨量為1 253 mm,四季分配不均,春季445.3 mm,夏季529.4 mm,秋季215.1 mm,冬季158.7 mm。年最大降雨量2 005.8 mm,極端日降雨量248.3 mm。降雨時(shí)間集中在4—8月份,7月份為降雨峰值期,也是地質(zhì)災(zāi)害最容易發(fā)生的月份。

2 研究區(qū)斜坡穩(wěn)定性影響因素

研究區(qū)斜坡結(jié)構(gòu)和誘發(fā)因素相對(duì)簡(jiǎn)單,影響斜坡穩(wěn)定性的內(nèi)在因素主要為地形地貌、巖土結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造,外部觸發(fā)因素主要為降雨和人類(lèi)工程活動(dòng)。

(1) 地形地貌。良好的臨空條件是斜坡失穩(wěn)的主要必備條件[7],研究區(qū)的斜坡主要分布在低山丘陵區(qū),總體上,臨空條件一般。臨空條件可通過(guò)坡度、坡形和高差來(lái)表達(dá)。從大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看,在其他地質(zhì)條件一致的情況下,坡度越大、高差越大，災(zāi)害體臨空條件越好。坡度和高差不僅影響斜坡坡體的應(yīng)力狀態(tài),而且對(duì)滑坡規(guī)模、地表水徑流等起著重要的控制作用[8]。研究區(qū)內(nèi)天然邊坡由于坡度較小,大部分較為穩(wěn)定,但局部地段存在陡坡,道路和城市建設(shè)的挖方區(qū)往往削坡后形成陡坡。斜坡剖面形態(tài)可分為凸形、直線形與凹形3類(lèi),其中凸形坡臨空條件好,在坡腳和坡肩應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,斜坡穩(wěn)定性差；凹形坡則有利于斜坡穩(wěn)定。調(diào)查發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)直線形和凸形坡較少,凹形坡數(shù)量最多。

(2) 巖土結(jié)構(gòu)。自然斜坡由覆蓋土層、風(fēng)化層和新鮮基巖組成,覆蓋層和風(fēng)化層厚度大,新鮮基巖相對(duì)完整時(shí),降雨容易在覆蓋層和風(fēng)化層內(nèi)部形成強(qiáng)徑流飽水帶,此時(shí),容易發(fā)生覆蓋層的滑動(dòng)。

(3) 地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造是巖質(zhì)滑坡滑動(dòng)的主要影響因素,本區(qū)巖質(zhì)滑坡主要沿層面或者大型節(jié)理面滑動(dòng),因此,結(jié)構(gòu)面或組合交線的傾向與坡向相同,相對(duì)貫通的結(jié)構(gòu)面是影響此類(lèi)滑坡的主要構(gòu)造因素。

(4) 降雨。研究區(qū)年平均降雨量達(dá)709 mm,且主要集中在7—9月,研究區(qū)滑坡災(zāi)害與暴雨有密切關(guān)系。

(5) 人類(lèi)工程活動(dòng)。研究區(qū)內(nèi)人類(lèi)工程活動(dòng)的影響主要體現(xiàn)在高新區(qū)發(fā)展過(guò)程中開(kāi)挖斜坡和人工堆土,前者改變坡體形態(tài)，后者制造災(zāi)害源。此外,局部地段存在破壞地表植被的活動(dòng),改變了斜坡覆蓋性質(zhì),加大了降雨入滲。

3 基于正交試驗(yàn)的斜坡穩(wěn)定性影響因素敏感性分析

根據(jù)前述斜坡穩(wěn)定性的影響因素,主要考慮地形地貌和巖土結(jié)構(gòu)兩個(gè)因素的影響。

區(qū)內(nèi)剝蝕低山丘陵區(qū)斜坡坡度分布在0°～30°,調(diào)查災(zāi)害點(diǎn)的坡度均在15°以上,為此,考慮不穩(wěn)定斜坡坡度范圍為15°～30°,按照5°進(jìn)行等間距設(shè)計(jì)。斜坡縱剖面形態(tài)劃分為凹形、直線形和凸形3類(lèi)。

野外調(diào)查剖面顯示,地表土層厚度0～1 m,按照0.3 m、0.6 m和1.0 m將覆蓋土分為薄、中和厚3個(gè)等級(jí)。由于地面調(diào)查難以全面獲取風(fēng)化層厚度,此處以開(kāi)挖邊坡風(fēng)化層厚度的均值作為斜坡結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)值。在丘陵間的壟崗、谷地普遍分布有紅粘土,紅粘土滲透性低,斜坡覆蓋土層在坡腳處覆蓋在紅粘土層之上,阻礙地下水徑流,容易形成局部的溢出帶。部分區(qū)域,紅粘土層不同程度地遭受侵蝕,為此,在分析時(shí)要考慮坡腳是否存在紅粘土層。

綜上所述,在分析斜坡水文過(guò)程時(shí),應(yīng)考慮坡角、剖面坡形、巖土層結(jié)構(gòu)(厚度依次為：表層粘性土、碎石土、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層)和是否有紅粘土層4個(gè)方面的影響因素(表1),通過(guò)影響因素正交試驗(yàn)可建立典型斜坡體。

表1 斜坡水文過(guò)程分析的影響因素及設(shè)計(jì)值Table 1 Influencing factors and design values of slope hydrologic process analysis

利用SPSS軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)組的生成,共生成16組正交試驗(yàn),具體參數(shù)及組合見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)分組設(shè)計(jì)表Table 2 Design table of orthogonal test grouping

(1) 非飽和模型敏感性分析。利用Slope/W模塊求取各項(xiàng)在飽和、非飽和狀態(tài)下的穩(wěn)定性系數(shù),其結(jié)果如表3。

表3 正交試驗(yàn)穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)表Table 3 Stability statistics of Orthogonal test

SPSS分析同一暴雨過(guò)程斜坡穩(wěn)定性與斜坡結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。表中各列的意義分別是方差來(lái)源(源)、平方和(Ⅲ型平方和)、自由度(df)、均方差(均方)、方差檢驗(yàn)量(F值)及顯著值(Sig)。顯著性越小代表敏感性越高,斜坡結(jié)構(gòu)對(duì)其穩(wěn)定性的影響程度依次為：坡度>坡形>覆蓋層厚度>有無(wú)紅粘土。有關(guān)紅粘土的Sig顯著值過(guò)大,無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著意義。

表4 斜坡穩(wěn)定性與斜坡結(jié)構(gòu)方差分析表Table 4 Analysis table of landslide stability and slope structure variance

(2) 無(wú)限斜坡模型敏感性分析。無(wú)限斜坡模型中穩(wěn)定性影響因素主要與坡角、覆蓋層厚度、重度、抗剪強(qiáng)度和水位高度有關(guān)。本文主要考慮微地貌的條件,故設(shè)置一樣的力學(xué)指標(biāo),考慮降雨后飽和條件下坡角與覆蓋層厚度的敏感性。

表5 無(wú)限斜坡穩(wěn)定性與計(jì)算參數(shù)方差分析表Table 5 Analysis table of variance of infinite slope stability and calculated parameters

由表5可以看出,覆蓋層厚度與坡度的顯著性均為0,可見(jiàn)二者敏感性都很高,尤其是坡度,其平方和達(dá)到了0.832,具有極其顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

上述兩種方法,在一定程度上可以相互印證,坡度為斜坡穩(wěn)定性最為敏感的因素,坡形以及覆蓋層厚度對(duì)于斜坡穩(wěn)定性的敏感性都較高。

4 考慮微地貌和降雨過(guò)程的斜坡隱患點(diǎn)識(shí)別模型及判別標(biāo)準(zhǔn)

4.1 斜坡單元

對(duì)重點(diǎn)區(qū)采用基于斜坡的不規(guī)則單元作為評(píng)價(jià)基本單元,首先依據(jù)地形線,以山溝線、山脊線為斜坡單元邊界,保證一個(gè)單元內(nèi)不跨越兩個(gè)不同的地貌單元,所劃分網(wǎng)格具有明確的地質(zhì)意義,構(gòu)成獨(dú)立斜坡巖體結(jié)構(gòu)(圖1)。此外,采用斜坡單元和規(guī)則柵格的疊加獲取斜坡屬性,斜坡單元建立后,一個(gè)斜坡單元內(nèi)部有若干個(gè)記錄著斜坡坡度、坡向、高程、巖性等屬性的柵格,采用平均或極值獲得單元的屬性數(shù)據(jù)(圖2)。

圖1 斜坡單元?jiǎng)澐忠?guī)則圖
Fig.1 Division graph of slope unit

1.等高線；2.依山脊山谷劃分(1)；3.依坡度劃分(2)；4.依坡向劃分(3)。

圖2 斜坡單元與柵格單元混合求解屬性圖
Fig.2 Mixed attributed graph of slope element and grid element

4.2 易發(fā)性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

由于方法的局限性,部分影響因素在上述敏感性分析中不能體現(xiàn),但是對(duì)于研究區(qū)斜坡穩(wěn)定性具有重要的意義,包括曲率、坡向、植被覆蓋、公路等,綜合前述敏感性分析結(jié)果,結(jié)合區(qū)內(nèi)已有地質(zhì)災(zāi)害的定性分析,確定各參數(shù)影響斜坡穩(wěn)定性的權(quán)重。按照1～9的標(biāo)度確定各影響因素的分值,詳見(jiàn)表6。

表6 斜坡穩(wěn)定性影響因素分值及權(quán)值表Table 6 Slope stability factors score and weight table

將典型斜坡按照表6的分值和權(quán)重,按照簡(jiǎn)單的加權(quán)指數(shù)計(jì)算,得到斜坡綜合指數(shù)。根據(jù)不同重現(xiàn)期暴雨條件下斜坡的破壞概率,可以計(jì)算斜坡的年破壞概率(表7)。繼而,繪制斜坡綜合指數(shù)與破壞概率關(guān)系圖(圖3)，反映了斜坡在暴雨條件下,斜坡綜合指數(shù)和破壞概率、年概率的關(guān)系。

表7 典型斜坡綜合指數(shù)及破壞概率Table 7 Typical slope composite index and failure probability

圖3 斜坡綜合指數(shù)與破壞概率關(guān)系圖
Fig.3 Graph of slope composite index and failure probability

當(dāng)綜合分值<3時(shí),斜坡破壞概率接近0,不容易發(fā)生失穩(wěn)；當(dāng)綜合指數(shù)為3～4時(shí),暴雨條件下的破壞概率為0～0.3,所對(duì)應(yīng)的年概率為0～0.035；當(dāng)綜合指數(shù)為4～5時(shí),暴雨條件下的破壞概率為0.1～0.7,所對(duì)應(yīng)的年概率為0.035～0.09；當(dāng)綜合指數(shù)為5～6時(shí),暴雨條件下的破壞概率為0.4～1.0,所對(duì)應(yīng)的年概率為0.09～0.18；同時(shí),推演當(dāng)綜合指數(shù)為6～7時(shí),暴雨條件下的破壞概率為0.6～1.0,所對(duì)應(yīng)的年概率為0.18～0.24；當(dāng)綜合指數(shù)為7～8時(shí),暴雨條件下的破壞概率為0.8～1.0,所對(duì)應(yīng)的年概率為0.24～0.30；當(dāng)綜合指數(shù)為8～9時(shí),暴雨條件下的破壞概率為0.9～1.0,所對(duì)應(yīng)的年概率為0.30～0.35。

5 評(píng)價(jià)方法及結(jié)果

采用綜合指數(shù)法計(jì)算斜坡單元i的綜合指數(shù)SIi,即：

(1)

式中：Sij為斜坡單元i中第j個(gè)影響因子的分值；Ij為第j個(gè)影響因子的權(quán)值。

在ArcGIS中計(jì)算得到所有單元的綜合指數(shù),按照自然斷點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi),得到斜坡單元的易發(fā)性分級(jí)后的結(jié)果圖(圖4)。

圖4 重點(diǎn)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖
Fig.4 Regional map of geological disaster susceptibility in key areas

1.極低易發(fā)區(qū)；2.低易發(fā)區(qū)；3.中易發(fā)區(qū)；4.高易發(fā)區(qū)；5.極高易發(fā)區(qū)；6.地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)。

極高易發(fā)區(qū)的共10個(gè)斜坡單元,占比2%；高易發(fā)區(qū)的,共117個(gè)斜坡單元,占比13%,高易發(fā)區(qū)、較高易發(fā)區(qū)多與已發(fā)生災(zāi)點(diǎn)契合,零星分布在重點(diǎn)區(qū)坡度大及公路切坡處。區(qū)內(nèi)中等、低和極低易發(fā)區(qū)占比分別為24%、31%和30%,中易發(fā)區(qū)在重點(diǎn)區(qū)西南部小范圍集中出現(xiàn)。

6 結(jié)論及建議

(1) 研究區(qū)內(nèi)主要斜坡類(lèi)型為自然斜坡、填土邊坡和挖方邊坡。自然斜坡自上而下由表層粘性土、碎石土、全、強(qiáng)和弱風(fēng)化層組成。按照滑坡物質(zhì)和滑動(dòng)面的形態(tài)特征,斜坡破壞模式可歸納為三類(lèi)：堆積層平面滑動(dòng)、堆積層圓弧滑動(dòng)和巖體平面滑動(dòng)。

(2) 斜坡結(jié)構(gòu)對(duì)其穩(wěn)定性的影響程度依次為：坡度>坡形>覆蓋層厚度>有無(wú)紅粘土。

(3) 坡角<15°的緩坡,暴雨條件破壞概率基本為0。隨著斜坡變陡,其破壞概率增加,當(dāng)斜坡坡角達(dá)到30°時(shí),任何重現(xiàn)期的降雨量其破壞概率均>0.1。在凸形坡和直線型斜坡,其破壞概率達(dá)0.8以上。

(4) 考慮斜坡的坡度、坡向、曲率、植被覆蓋、坡形、土厚和人工切坡7項(xiàng)指標(biāo),計(jì)算斜坡綜合指數(shù),通過(guò)綜合指數(shù)和年概率識(shí)別地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn),標(biāo)準(zhǔn)為：綜合分值<3,斜坡破壞概率接近0；綜合指數(shù)為3～4,暴雨條件的破壞概率為0～0.3,年概率為0～0.035；綜合指數(shù)為4～5,暴雨條件的破壞概率為0.1～0.7,年概率為0.035～0.09；綜合指數(shù)為5～6,暴雨條件的破壞概率為0.4～1.0,年概率為0.09～0.18；綜合指數(shù)為6～7,暴雨條件的破壞概率為0.6～1.0,年概率為0.18～0.24；綜合指數(shù)為7～8,暴雨條件的破壞概率為0.8～1.0,年概率為0.24～0.30；綜合指數(shù)為8～9時(shí),暴雨條件的破壞概率為0.9～1.0,年概率為0.30～0.35。