基于降雨閾值建立TRI GRS 模型對(duì)斜坡失穩(wěn)區(qū)分級(jí)

倪曉輝

（浙江省地礦勘察院有限公司，杭州 310013）

1 工程概況

玲瓏街道地處杭州市臨安區(qū)東部，全街道總面積113.72 km2，街道辦事處駐夏禹橋村，下轄16 個(gè)行政村。玲瓏街道與杭州直線距離為60 km，東、南、西、北四方分別與臨錦南街道、富陽(yáng)區(qū)、天目山鎮(zhèn)、錦城街道、太湖源鎮(zhèn)相鄰，杭徽高速、02 省道穿境而過(guò)。泥石流、滑坡、崩塌為玲瓏街道主要發(fā)育類型，其中包含1 處泥石流隱患、10 處滑坡隱患、25 處崩塌隱患。

2 降雨作用引發(fā)斜坡失穩(wěn)的機(jī)理

在降雨作用下，斜坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨向不穩(wěn)定[1]，且大部分通過(guò)地下水的作用間接實(shí)現(xiàn)。從斜坡安全系數(shù)方面來(lái)看，地下水對(duì)斜坡的作用主要表現(xiàn)為可以增加斜坡下滑力和降低斜坡抗剪強(qiáng)度兩方面。其在不同程度上削減了斜坡的安全系數(shù)，從而導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生。

3 斜坡單元?jiǎng)澐?/h2>

以斜坡單元為個(gè)體單位進(jìn)行針對(duì)性的野外調(diào)查，調(diào)查范圍主要為對(duì)玲瓏街道各行政村居住點(diǎn)有影響的自然斜坡，針對(duì)斜坡單元的劃分，從地形地貌、巖土體特征及斜坡結(jié)構(gòu)3 個(gè)方面進(jìn)行。

地形地貌方面劃分原則按照豎直方向，頂部以分水嶺（山脊線）為界，下部以坡腳為界；橫向主要以切割深度較深的沖溝為界。巖土體特征劃分原則按照組成斜坡的巖土體工程地質(zhì)類型劃分，將斜坡劃分為土質(zhì)斜坡單元和巖質(zhì)斜坡單元。

4 斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)方法

本次斜坡單元的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)主要通過(guò)定性打分以及定量計(jì)算相結(jié)合，以定性分析為主、定量分析為輔的方式。

4.1 定性分析

主要通過(guò)野外調(diào)查收集斜坡的地形地貌特征、地層巖石特性、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況、工程地質(zhì)巖組特征、斜坡水文特征、斜坡形態(tài)特征與結(jié)構(gòu)特征、現(xiàn)今斜坡變形破壞跡象、變形位置及微地貌特征來(lái)進(jìn)行打分評(píng)價(jià)。

斜坡穩(wěn)定性現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)表采用定性與半定量相結(jié)合的方法，綜合考慮斜坡失穩(wěn)證據(jù)、斜坡形態(tài)、斜坡結(jié)構(gòu)類型、地質(zhì)構(gòu)造、地震、水的作用、人類工程活動(dòng)（現(xiàn)狀及歷史）等要素，結(jié)合不同的降雨預(yù)警工況（Ⅳ級(jí)響應(yīng)、Ⅲ級(jí)響應(yīng)、Ⅱ級(jí)響應(yīng)、Ⅰ級(jí)響應(yīng)），再通過(guò)綜合計(jì)算打分，對(duì)斜坡單元的穩(wěn)定性進(jìn)行判別。穩(wěn)定性評(píng)判可以為3 種：穩(wěn)定、較穩(wěn)定及不穩(wěn)定，其判別標(biāo)準(zhǔn)分別為：

1）穩(wěn)定：斜坡坡度較緩，高差較小，坡體和坡面不存在變形破壞跡象，整體穩(wěn)定；斜坡巖土體組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；人類工程活動(dòng)強(qiáng)度較小或已采取合理支護(hù)措施，對(duì)坡體穩(wěn)定性無(wú)影響或影響??；發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性很小。

2）較穩(wěn)定：斜坡坡度較陡，高差較大，坡體和坡面局部存在變形破壞跡象，整體穩(wěn)定性較差；斜坡巖土體組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差；人類工程活動(dòng)強(qiáng)度較大或未采取合理支護(hù)措施，對(duì)坡體穩(wěn)定性有一定影響；發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性中等。

3）不穩(wěn)定：斜坡坡度陡，高差大，坡體和坡面有明顯的變形破壞跡象，整體穩(wěn)定性差；斜坡巖土體組合結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定；人類工程活動(dòng)強(qiáng)度大或未采取支護(hù)措施，會(huì)極大程度地影響坡體穩(wěn)定性，也會(huì)增加地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性。

4.2 定量分析

4.2.1 模型

結(jié)合臨安區(qū)玲瓏街道地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)以小型巖土質(zhì)崩塌及小型淺層滑坡為主的特點(diǎn)，選用TRIGRS 模型進(jìn)行易發(fā)性評(píng)價(jià)。本次通過(guò)TRIGRS 模型定量分析調(diào)查評(píng)價(jià)單元為柵格單元。柵格單元是將全區(qū)以2 m×2 m 的柵格劃分而成的評(píng)價(jià)單元。

采用柵格數(shù)據(jù)計(jì)算TRIGRS 模型，一個(gè)柵格代表一個(gè)屬性值，相同位置但屬性值不同的柵格單元共同組成柵格單元體。隨著柵格的精細(xì)化，柵格單元體不但能準(zhǔn)確反映斜坡地形和地質(zhì)信息，還能通過(guò)計(jì)算結(jié)果反映斜坡不同部位的穩(wěn)定性。在計(jì)算復(fù)雜水文過(guò)程確定性時(shí)，對(duì)該模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和假設(shè)，主要有：（1）采用斜度穩(wěn)定性的力學(xué)簡(jiǎn)化模型，即假設(shè)滑動(dòng)面、地下水位線與地表面平行；（2）土體為均質(zhì)各向同性；（3）超過(guò)飽和土體入滲能力的降雨量流向下部單元，未超過(guò)部分豎直入滲土體。在已知柵格單元坡度、曲率、流向值以及各類物理參數(shù)的情況下，采用以下公式計(jì)算每個(gè)柵格單元的穩(wěn)定系數(shù)：

式中，φ、c分別為斜坡土體的內(nèi)摩擦角與有效黏聚力；α 為柵格單元的坡度值；ψ 為土體非飽和狀態(tài)下的孔隙水壓力；Z為斜坡土體的豎直厚度，根據(jù)各個(gè)斜坡野外調(diào)查的狀況，本次取平均值2.5 m；t為一次降雨的總歷時(shí)；γw為土體飽和重度；γs為土體天然重度；d為飽和土體地下水水位線，本次取值0.7 m；β 為常量；Izlt為飽和土體的地表入滲量，按照經(jīng)驗(yàn)，本次取值為降雨量的10%；Ks為飽和豎直滲透系數(shù)。

4.2.2 參數(shù)確定及假定

TRIGRS 模型所需參數(shù)包含模型控制參數(shù)及力學(xué)與水文參數(shù)。

1）模型控制參數(shù)：模型控制參數(shù)包括模型的柵格尺寸、行數(shù)、列數(shù)、地表徑流流向等。通過(guò)ArcGIS 軟件對(duì)DEM 模型的空間分析得出調(diào)查區(qū)模型的控制參數(shù)，柵格尺寸為2 m×2 m，列數(shù)19 999，行數(shù)為18 099。

2）力學(xué)與水文參數(shù)：包含土體黏聚力（c）、內(nèi)摩擦角（φ）、土體飽和重度（γw）、土體天然重度（γs）等。本次計(jì)算斜坡單元力學(xué)與水文參數(shù)的確定采用反演、試算與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)類比相結(jié)合的方法綜合求得。據(jù)近年來(lái)玲瓏街道及相鄰鄉(xiāng)鎮(zhèn)地災(zāi)勘查設(shè)計(jì)，所得經(jīng)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 治理工程勘查報(bào)告中力學(xué)與水文主要參數(shù)建議值

本次反演以典型的祥里村板塢里18 號(hào)、19 號(hào)屋后地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)為例，該點(diǎn)滑坡方量約500 m3，為近年來(lái)潛在方量最大的小型淺層滑坡，其相對(duì)應(yīng)斜坡單元編號(hào)為XL16。

根據(jù)前期資料對(duì)該隱患點(diǎn)現(xiàn)象判斷，XL16 在天然工況下處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，假定穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.00，假定φ 值計(jì)算c值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 天然工況反演計(jì)算巖土體物理力學(xué)參數(shù)

綜合治理工程勘查報(bào)告巖土體力學(xué)參數(shù)建議值、土體力學(xué)參數(shù)反演復(fù)核結(jié)果，參照地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值，最終確定力學(xué)與水文參數(shù)建議值見(jiàn)表3。

表3 力學(xué)與水文計(jì)算參數(shù)建議值

在定性打分與定量計(jì)算對(duì)比中，如果Ⅱ級(jí)響應(yīng)定性打分超過(guò)60 分，則統(tǒng)計(jì)該斜坡總柵格單元中柵格單元計(jì)算結(jié)果Fs為Fs≤0.8、0.8＜Fs≤1.0 的占比；若Ⅱ級(jí)響應(yīng)定性打分小于60分，則統(tǒng)計(jì)該斜坡總柵格單元中柵格單元計(jì)算結(jié)果Fs為1.0＜Fs≤1.25、1.25＜Fs≤1.5、Fs＞1.5 的占比；若相應(yīng)比例超過(guò)50%，則認(rèn)為定性打分與定量分析結(jié)果相匹配。最終813 個(gè)斜坡單元有648 個(gè)斜坡單元定性打分與定量分析結(jié)果相匹配，預(yù)測(cè)成功率為80%，最終認(rèn)為定性打分與定量分析基本可靠，為互相佐證。

4.3 斜坡失穩(wěn)影響區(qū)劃分

基于對(duì)調(diào)查區(qū)內(nèi)斜坡單元在4 種不同降雨預(yù)警工況下的穩(wěn)定性，并結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害類型、發(fā)育分布特征、主要影響因素和成災(zāi)模式，通過(guò)地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)模型運(yùn)算，再結(jié)合玲瓏街道各行政村兩委的意見(jiàn)，構(gòu)建了斜坡單元影響區(qū)的劃分體系。

斜坡單元穩(wěn)定性評(píng)價(jià)根據(jù)4 種不同降雨預(yù)警工況進(jìn)行打分分析，根據(jù)分值判定每一個(gè)斜坡的穩(wěn)定性等級(jí)（穩(wěn)定、較穩(wěn)定、不穩(wěn)定），按權(quán)重打分評(píng)判穩(wěn)定系數(shù)K，即穩(wěn)定（K≤50）；較穩(wěn)定（50＜K＜60）；不穩(wěn)定（K≥60）。

4 種降雨預(yù)警工況斜坡失穩(wěn)面積最大的是錦繡村，玲瓏街道藍(lán)色降雨預(yù)警工況Ⅳ級(jí)響應(yīng)斜坡失穩(wěn)總面積為6.33 hm2，黃色降雨預(yù)警工況Ⅲ級(jí)響應(yīng)斜坡失穩(wěn)總面積為101.47 hm2，橙色降雨預(yù)警工況Ⅱ級(jí)響應(yīng)斜坡失穩(wěn)總面積為598.10 hm2，紅色降雨預(yù)警工況Ⅰ級(jí)響應(yīng)斜坡失穩(wěn)總面積為775.58 hm2。

4.4 斜坡失穩(wěn)預(yù)警機(jī)制

基于臨界降雨量進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警一直是地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)。地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警最好的辦法就是與氣象部門合作建立地質(zhì)災(zāi)害的氣象預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，在達(dá)到一定降雨量條件下，通過(guò)氣象預(yù)報(bào)節(jié)目同期向全體群眾發(fā)布地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)信息。但在玲瓏街道尚未完全建立突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)的前提下，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)結(jié)合實(shí)時(shí)降雨量對(duì)玲瓏街道地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率進(jìn)行評(píng)估與界定，因此，也不能實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生強(qiáng)度、影響范圍、分布概率等做出實(shí)時(shí)且有效的預(yù)報(bào)。這就為如何進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警并如何指導(dǎo)監(jiān)測(cè)、巡查人員以及受威脅群眾在何種降雨條件下需做哪種程度的預(yù)防帶來(lái)了困難。

其中，將Ⅳ級(jí)響應(yīng)（藍(lán)色）、Ⅲ級(jí)響應(yīng)（黃色）、Ⅱ級(jí)響應(yīng)（橙色）、Ⅰ級(jí)響應(yīng)（紅色）通知到鎮(zhèn)、村，告知即將出現(xiàn)險(xiǎn)情，I 級(jí)啟動(dòng)重要地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的群測(cè)群防巡查。Ⅱ級(jí)預(yù)報(bào)預(yù)警時(shí)間內(nèi)對(duì)重要地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)24 h 監(jiān)測(cè)。Ⅲ預(yù)報(bào)預(yù)警時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)群測(cè)群防并24 h 監(jiān)測(cè)，采取防御措施。Ⅳ啟動(dòng)受地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)威脅區(qū)居民臨時(shí)避讓方案；暫停災(zāi)害易發(fā)地點(diǎn)附近的戶外作業(yè)，各有關(guān)單位值班指揮人員到崗準(zhǔn)備應(yīng)急措施。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)降雨閾值模型研究斜坡穩(wěn)定性，同時(shí)，通過(guò)綜合分析斜坡的地質(zhì)條件、地貌地形、坡度、斜坡匯水面積等因素，可確定降雨量和滑坡單元定量之間的關(guān)系，為研究斜坡穩(wěn)定性提供可視化且有效的分析方法。