基于TRIGRS與Scoops3D耦合模型的潛在滑坡穩(wěn)定性時(shí)空動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

鄭玲靜,李秀珍,姚 杰,余文秀,2

(1. 中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川 成都 610041; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3. 成都市城市安全與應(yīng)急管理研究院,四川 成都 610031)

0 引言

斜坡失穩(wěn)破壞與內(nèi)在自身力學(xué)特性及外界觸發(fā)因素密切相關(guān)。在降雨、融雪等外界因素誘發(fā)下,陡峻山區(qū)極易發(fā)生斜坡失穩(wěn)破壞。據(jù)初步統(tǒng)計(jì),在全球范圍內(nèi)每年因滑坡災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)百億美元,更有數(shù)以千計(jì)的人因滑坡災(zāi)害而失去生命[1]。氣候變化大背景下,極端強(qiáng)降雨現(xiàn)象加劇了滑坡災(zāi)害的發(fā)生,使全世界人民生命、財(cái)產(chǎn)安全面臨更大的滑坡災(zāi)害威脅,如2020年8月,強(qiáng)降雨導(dǎo)致巴基斯坦南部山區(qū)發(fā)生數(shù)起山體滑坡,滑坡、洪澇等災(zāi)害造成至少90人死亡。據(jù)大量資料統(tǒng)計(jì),由降雨誘發(fā)的滑坡約占滑坡總數(shù)的80%左右[2],降雨是滑坡的主要誘因。

區(qū)域降雨滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)是目前滑坡研究中的熱點(diǎn)問題之一[3]。其研究方法主要包括統(tǒng)計(jì)分析法和確定性模型法兩大類[4],其中確定性模型法為當(dāng)前的主要研究方向。此類方法以降雨誘發(fā)斜坡失穩(wěn)的力學(xué)原理為基礎(chǔ),結(jié)合極限平衡理論建立力學(xué)模型,對(duì)特定降雨條件下滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)。物理確定性模型從一維與二維模型逐步向三維模型發(fā)展,一維與二維模型以SHALSTAB模型[5]、dSLAM模型[6]、SINMAP模型[7]、Iverson模型[8]、TRIGRS模型[9]為代表,但以上模型忽略了滑坡的滑動(dòng)方向及三維幾何特性,存在過度簡(jiǎn)化滑坡發(fā)生機(jī)理與難以反映滑坡力學(xué)機(jī)制等問題。而已有的廣泛使用的FLAC3d、ANSYS和Abacus等商用成熟軟件僅適用于三維單體滑坡的穩(wěn)定性分析及預(yù)測(cè)。Scoops3D模型是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的三維斜坡穩(wěn)定性分析模型,具有建模簡(jiǎn)單,可接入多種降雨入滲與水文模型且可以同時(shí)考慮復(fù)雜孔隙水壓力與地形三維分布情況,適用于降雨誘發(fā)的區(qū)域潛在滑坡的識(shí)別及評(píng)價(jià)研究。該模型不僅在搜索滑面時(shí)考慮了柵格間的相互作用,還具有可設(shè)置空間縱向分層巖土體參數(shù)等優(yōu)勢(shì),目前已成功應(yīng)用于潛在滑坡穩(wěn)定性識(shí)別與預(yù)測(cè)中。例如Scoops3D開發(fā)者BRIEN與REID[10-11]耦合MODFLOW-2000與Scoops3D模型,建立了考慮三維孔隙水壓力的深層潛在滑坡三維危險(xiǎn)性分析模型;TRAN等[12]首次耦合了TRIGRS模型和Scoops3D模型,對(duì)降雨條件下潛在滑坡的分布范圍進(jìn)行了有效評(píng)價(jià);姚杰等[13]也利用TRIGRS模型與Scoops3D模型進(jìn)行耦合,對(duì)擬建川藏鐵路沿線典型段潛在滑坡三維穩(wěn)定性進(jìn)行了動(dòng)態(tài)識(shí)別研究。這些模型的耦合不僅能充分發(fā)揮各個(gè)單一模型的優(yōu)勢(shì),同時(shí)也提高了潛在滑坡識(shí)別的研究程度和應(yīng)用效果。

根據(jù)實(shí)地考察與遙感解譯,查明中巴公路KKH沿線加格洛特(Jaglot)至哈維連(Havelian)段主要為降雨型滑坡區(qū)段,選擇10 km范圍區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,模擬計(jì)算百年一遇極端降雨情景下雨強(qiáng),利用 TRIGRS 降雨入滲模型和考慮了巖土體空間縱向分層的 Scoops3D 三維模型耦合,建立能夠較為客觀反映滑坡孕育條件的潛在滑坡三維穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型。研究天然狀態(tài)下與百年一遇極端降雨情景下潛在滑坡的空間分布及動(dòng)態(tài)變化情況,并對(duì)比分析和討論了一維TRIGRS模型與三維耦合模型的預(yù)測(cè)結(jié)果,以期能夠更加客觀地對(duì)研究區(qū)的潛在滑坡進(jìn)行識(shí)別及評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

中巴公路(Karakoram Highway,KKH)地處三大世界最年輕山系的交匯區(qū),是全球氣候變化最為敏感和復(fù)雜的地區(qū),沿線滑坡災(zāi)害十分發(fā)育。文中選取加格洛特-哈維連段KKH沿線兩側(cè)10 km范圍區(qū)域作為主要研究區(qū)。

1.1 自然環(huán)境條件

研究區(qū)深大斷裂帶下切作用強(qiáng)烈,屬深切割高山河谷地貌,具有地勢(shì)險(xiǎn)峻、群山聳立、河谷深切、峽谷較多等特點(diǎn)。區(qū)內(nèi)新生代印度板塊不斷北移與亞歐板塊發(fā)生強(qiáng)烈撞擊,造成該地區(qū)整體產(chǎn)生強(qiáng)烈的垂直差異運(yùn)動(dòng),地質(zhì)構(gòu)造活躍,復(fù)雜的深大斷裂帶極為發(fā)育,主要呈北西走向分布(圖1)。區(qū)內(nèi)及其周邊發(fā)育的活動(dòng)斷裂帶主要有主地幔逆沖斷裂帶(MMT)、主邊界逆沖斷裂帶(MBT)與主喀喇昆侖逆沖斷裂帶(MKT)三大斷裂帶。斷裂帶周邊巖石大多會(huì)表現(xiàn)出不同程度的破碎與變質(zhì),巖性主要以砂巖、礫石、沉積巖為主,區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜。

圖1 研究區(qū)地層及斷裂帶分布圖Fig. 1 Distribution map of strata and fault zone

研究區(qū)屬于南亞次大陸亞熱帶氣候區(qū),地形高差大,且受高山降雨陰影效應(yīng)影響,時(shí)空區(qū)域分異與氣候垂直分帶顯著,雨季降雨明顯易誘發(fā)滑坡災(zāi)害。

1.2 滑坡災(zāi)害概況

滑坡是中巴公路上發(fā)生最為頻繁的山地災(zāi)害之一,一方面研究區(qū)高寒冰凍、地表風(fēng)化嚴(yán)重,巖層變質(zhì)與破碎現(xiàn)象明顯,受剝蝕后形成大量松散物堆積,為滑坡的發(fā)生提供內(nèi)在條件;另一方面區(qū)域構(gòu)造抬升,河床下切侵蝕,山高谷深,雨季降雨集中,為滑坡的啟動(dòng)提供外在動(dòng)力。受季風(fēng)影響,雨季降雨量增加明顯,導(dǎo)致山體滑坡發(fā)生更為頻繁。

本研究主要選擇KKH沿線降雨型滑坡集中發(fā)育的加格洛特到哈維連段為主要研究區(qū)段,該段坡體主要為第四系松散堆積物,少部分為三疊系、二疊系和石炭系沉積巖和志留系片巖、板巖等變質(zhì)巖,大部分屬于易滑巖組(圖1)。該區(qū)段發(fā)育的滑坡主要以降雨誘發(fā)的堆積層滑坡為主,破壞類型多為圓弧形破壞或平面破壞。經(jīng)課題組野外調(diào)查與遙感解譯,滑坡分布如圖2(a)所示,圖2(b)與(c)分別為研究區(qū)加格洛特與吉拉斯(Chilas)附近的典型歷史滑坡。

圖2 研究區(qū)歷史滑坡分布圖Fig. 2 Historical landslides in the study area

2 方法

2.1 TRIGRS模型

TRIGRS模型是基于無限邊坡理論的降雨誘發(fā)型邊坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型,模型主要有3個(gè)模塊,分別為降雨入滲模塊、水文模塊和穩(wěn)定性分析模塊,充分考慮了降雨入滲土體而導(dǎo)致的瞬態(tài)孔隙水壓力改變情況,其優(yōu)勢(shì)在于可分析不同時(shí)刻邊坡的孔隙水壓力、體積含水量和邊坡穩(wěn)定性等動(dòng)態(tài)變化情況。

降雨入滲模塊基于IVERSON[14]提出的Richards的線性解,可計(jì)算特定時(shí)間內(nèi)土層指定深度的滲流情況,能較為真實(shí)地反映了降雨入滲條件下的邊坡滲流變化,本研究中假定深層為基巖風(fēng)化層(與Scoops3D模型對(duì)應(yīng)),滲透系數(shù)極小,因此壓力水頭的計(jì)算使用下邊界有限深條件,表達(dá)式見式(1):

(1)

式中:Ψ(Z,t)為地下水壓力水頭,與土厚和時(shí)間相關(guān);Z為土層垂直方向的厚度,垂直向下為正;t為降雨入滲時(shí)間;d為巖土體初始地下水位深度;N為時(shí)間序列;InZ為在第n個(gè)時(shí)間段入滲速率;Ks為垂向飽和滲透系數(shù);m為收斂級(jí)數(shù);H(t-tn)為Heavyside階梯函數(shù),與第n個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)相關(guān),是它的時(shí)間函數(shù);tn為第n個(gè)雨強(qiáng)出現(xiàn)的時(shí)間;dLZ為基底的深度;ierfc(η)為高斯補(bǔ)差函數(shù)對(duì)變量η的一次積分值,表達(dá)式在無窮級(jí)數(shù)時(shí)會(huì)迅速收斂。其中,β和D1見式(2)和式(3):

(2)

(3)

式中:δ為坡度;IZLT為初始表面通量;D0為飽和水力擴(kuò)散系數(shù)。

水文模塊假定計(jì)算柵格在每一個(gè)運(yùn)算時(shí)段內(nèi)水量守恒,即在當(dāng)前時(shí)段內(nèi)不能下滲的降雨將作為地表徑流流向下游柵格,不會(huì)無故消失。

穩(wěn)定性分析模塊基于極限平衡理論結(jié)合無限邊坡模型計(jì)算研究區(qū)的安全系數(shù),表達(dá)式如式(4):

(4)

式中:Fs(Z,s)為安全系數(shù);φ為土層內(nèi)摩擦角;c為土層凝聚力;γsat為土容重;γw為地下水容重;δ為坡度;ψ(Z,s)為壓力水頭,是深度和時(shí)間的函數(shù)。一般而言,內(nèi)聚力c與φ的值越小、地下水位越高,安全系數(shù)越小,坡體越不穩(wěn)定。

2.2 Scoops3D模型

Scoops3D模型可以系統(tǒng)全面地對(duì)研究區(qū)的潛在滑坡進(jìn)行三維搜索及識(shí)別,充分考慮復(fù)雜地形與地下水等條件對(duì)于潛在滑坡穩(wěn)定性的影響,具有計(jì)算范圍廣、識(shí)別效率高等優(yōu)勢(shì)。

Scoops3D 模型基于DEM柵格單元將其網(wǎng)格處理為三維柱體,并在模型上方整體空間范圍間隔一定距離生成若干個(gè)搜索球心,并以球心為原點(diǎn)參考遞增的方式生成半徑,以此生成不同球型曲面對(duì)斜坡體進(jìn)行切割,切割得到的巖土體利用穩(wěn)定性計(jì)算公式計(jì)算安全系數(shù),球型曲面和三維柱體相交的曲面標(biāo)記為潛在滑面,被球形曲面切割所包含的三維柱體即為潛在滑坡,如圖3?；碌乃阉鲗⒃O(shè)置體積或者面積閾值,當(dāng) Scoops3D 模型在搜索過程中達(dá)到最大閾值時(shí),將停止增加搜索半徑長(zhǎng)度,并采用極限平衡理論對(duì)所有與球型曲面相交的三維柱體進(jìn)行計(jì)算,判斷其穩(wěn)定性情況,最終記錄最小安全系數(shù)所對(duì)應(yīng)的就是穩(wěn)定性最差的潛在滑動(dòng)面。本研究采用的是 Bishop 理論進(jìn)行斜坡體危險(xiǎn)性計(jì)算,具體見式(5):

圖3 Scoops3D潛在滑面示意圖Fig. 3 Schematic diagram of potential sliding surface in the Scoops3D model

(5)

式中:Ri,j為Scoops3D 進(jìn)行搜索時(shí)的半徑;i、j為分別為三維柱體的第i行和第j列;ei,j為搜索球心到三維柱體質(zhì)心的距離;ci,j為潛在滑坡體的黏聚力;Ai,j為潛在滑坡面的面積;φi,j為潛在滑坡體的內(nèi)摩擦角;ki,j為水平振動(dòng)荷載;Wi,j為潛在滑坡體的重力;ui,j為表示三維住體內(nèi)部的孔隙水壓力;αi,j為表示潛在滑坡體的視傾角;βi,j為潛在滑坡體的真傾角。

2.3 TRIGRS和Scoops3D模型的耦合模型

Scoops3D模型無法輸入具體降雨數(shù)據(jù),TRIGRS模型在降雨入滲水文計(jì)算方面理論較為成熟,且應(yīng)用較廣,本研究將2個(gè)模型耦合,示意圖如圖4。

圖4 TRIGRS與Scoops3D模型耦合原理圖Fig. 4 Schematic diagram of TRIGRS model and Scoops3D model coupling

結(jié)合實(shí)際野外調(diào)查情況,確定研究區(qū)上層是較為松散的土壤層,下層是略為堅(jiān)硬的基巖風(fēng)化層,文中嘗試對(duì)研究區(qū)的巖土體進(jìn)行縱向空間分層,以期能夠更加真實(shí)地對(duì)研究區(qū)的潛在滑坡進(jìn)行搜索及識(shí)別。耦合過程中,首先利用TRIGRS一維斜坡穩(wěn)定性分析模型中的入滲模塊模擬的降雨滲流,計(jì)算并得到在降雨不同歷時(shí)時(shí)刻的二維孔隙水壓力圖層文件,然后將孔隙水壓力與研究區(qū)DEM利用Scoops3D模型建模,結(jié)合研究區(qū)巖土體情況,線性插值獲取不同降雨歷時(shí)下的三維孔隙水壓力應(yīng)力場(chǎng),對(duì)研究區(qū)的潛在滑動(dòng)面進(jìn)行三維搜索與識(shí)別,獲取在天然狀態(tài)和百年一遇降雨情景下中巴經(jīng)濟(jì)走廊KKH沿線降雨型滑坡為主的區(qū)段潛在滑坡分布及變化情況。

3 應(yīng)用

3.1 模型參數(shù)選取

3.1.1 降雨參數(shù)

經(jīng)調(diào)查,收集Kakul雨量站1952—2012年間最大日降雨量數(shù)據(jù),該雨量站位于研究區(qū)內(nèi)哈維連與曼塞赫拉(Mansehra)之間,經(jīng)度為34.2036°E,緯度為73.2820°N。將最大日降雨量數(shù)據(jù)利用“皮爾遜Ⅲ型頻率曲線”計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率[15],結(jié)果如圖5所示,可得到當(dāng)重現(xiàn)期為100 a時(shí),最大日降雨量為231.1 mm/d,在本研究中百年一遇極端降雨情景下降雨強(qiáng)度取2.67477E-06 m/s。

圖5 P-Ⅲ型頻率曲線Fig. 5 P-Ⅲ frequency curve

短時(shí)強(qiáng)降雨條件下,淺層土體地下水位會(huì)隨降雨入滲發(fā)生急劇變化,達(dá)到飽和。結(jié)合實(shí)際野外調(diào)查情況,確定研究區(qū)上層是較為松散的土壤層,下層是略為堅(jiān)硬的基巖風(fēng)化層,多為淺層滑坡,TRIGRS模型模擬瞬態(tài)降雨入滲的方式采用飽和入滲,并將在各時(shí)段的水壓分布文件作為輸出,與Scoops3D模型進(jìn)行耦合,其Scoops3D水文模型中采用變化的飽和水壓三維空間分布的水文模型。

3.1.2 土層厚度

土層厚度不僅受氣候、生物、母質(zhì)、地形和化學(xué)與物理過程等因素影響,此外,還會(huì)因?yàn)閹r性、坡度、曲率和植被覆蓋等因素的改變而變化[16]。參考近年來已提出多種估計(jì)土厚空間分布的模型,如均一模型、分級(jí)模型和線性模型等[17-19]。結(jié)合相關(guān)研究成果比較了多種常用模型預(yù)測(cè)的滑坡結(jié)果,確定在TRIGRS與Scoops3D模型采用線性土厚模型[20]。

該模型假設(shè)土厚與坡度呈線性分布關(guān)系,經(jīng)野外調(diào)查與參考其它文獻(xiàn)[17-20],最大坡度對(duì)應(yīng)最小土厚(0.1 m),最小坡度對(duì)應(yīng)最大土厚(3.5 m),研究區(qū)坡度在0～70.51°之間,因此確定上層土層厚度(y)與坡度(x)之間的函數(shù)關(guān)系為:y=-0.048 22x+3.5,下層為無限延伸的巖體風(fēng)化層。借助ArcGIS平臺(tái),得到最終上層土層厚度分布如圖6所示。

圖6 土層厚度空間分布圖Fig. 6 Spatial distribution of soil thickness

3.1.3 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

針對(duì)已有區(qū)域滑坡三維研究中未考慮縱向巖土體巖性存在差異問題,結(jié)合本研究區(qū)巖土體特征及分布情況,初步嘗試將巖土體進(jìn)行縱向空間分層,將研究區(qū)段巖土體縱向分為土壤層和基巖風(fēng)化層2層。

結(jié)合參數(shù)反演,采取文獻(xiàn)調(diào)研以及工程地質(zhì)類比等手段,分析對(duì)比不同參數(shù)在研究區(qū)的適用效果,最終確定中巴經(jīng)濟(jì)走廊KKH降雨影響段的巖土體參數(shù)取值[21-23],具體見表1。水文參數(shù)參考裴鉆對(duì)中巴公路的研究[24,綜合滲透系數(shù)取值為:KS=2.87E-6,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系可以得到其它兩者的取值分別如下[25]:水力擴(kuò)散系數(shù)D0=200Ks=5.74E-4,入滲速率IZ=0.01Ks=2.87E-8。

表1 巖土體參數(shù)取值表Table 1 Values of geotechnical parameters

3.1.4 Scoops3D模型搜索參數(shù)

研究區(qū)面積約為7 259 km2,考慮模型性能與計(jì)算效率,DEM分辨率采用90 m×90 m(數(shù)據(jù)下載自地理空間云)。研究區(qū)海拔在465～4 975 m,DEM行列數(shù)分別為1 982與2 186,結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀,Scoops3D模型的搜索球心高程為470～5 000 m,搜索起點(diǎn)坐標(biāo)為行編號(hào)與列編號(hào)均為1,相鄰球心間隔的柵格數(shù)為4。每次搜索通過在DEM上方生成搜索球心矩陣(搜索點(diǎn)陣),使用由粗到細(xì)的搜索方式(Coarse-to-fine), 搜索半徑以70 m遞增,迭代搜索每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分析三維潛在滑動(dòng)面。模型搜索時(shí)會(huì)出現(xiàn)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)搜索過程中有無限多潛在滑動(dòng)面的情況,因此,在文中使用體積限制潛在滑體來確定最終滑動(dòng)面,其中根據(jù)野外調(diào)查與遙感解譯研究區(qū)滑坡災(zāi)害方量,確定最終搜索體積閾值范圍為105～2×108m3。

3.2 潛在滑坡預(yù)測(cè)結(jié)果

本研究首先基于巖土體縱向空間分層模型,利用Scoops3D模型模擬天然狀態(tài)下(無降雨)研究區(qū)段滑坡穩(wěn)定性空間分布情況;再基于TRIGRS與Scoops3D耦合模型,預(yù)測(cè)了百年一遇極端降雨情景下不同降雨歷時(shí)潛在滑坡動(dòng)態(tài)變化。根據(jù)GB/T 32864—2016《滑坡防治工程勘查規(guī)范》劃分潛在滑坡,見表2,結(jié)果見圖7與表3。

表2 潛在滑坡分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)表Table 2 Potential landslide classification standard

圖7(a)與表3結(jié)果顯示,在天然狀態(tài)下研究區(qū)域加格洛特-吉拉斯段與瑟津(Sazin)-達(dá)比爾(Dubair)段零星分布著潛在滑坡,其中潛在滑坡區(qū)域分布范圍占研究區(qū)段總面積的4.14%,天然狀態(tài)下斜坡穩(wěn)定性較好,歷史滑坡災(zāi)害數(shù)量為4個(gè),占研究區(qū)總災(zāi)害數(shù)量的7.69%,潛在滑坡區(qū)主要沿高差懸殊、地勢(shì)險(xiǎn)峻斜坡分布。

表3 潛在滑坡穩(wěn)定性結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of stability calculation results of potential landslides

圖7(b)～(d)與表3結(jié)果顯示,在百年一遇極端強(qiáng)降雨情景下,潛在滑坡區(qū)相較天然狀態(tài)下明顯增大,潛在滑坡區(qū)主要集中分布在地形高差較大的地區(qū),如加格洛特-吉拉斯段中巴公路兩側(cè)與瑟津-塔科特(Thakot)段;吉拉斯-瑟津與塔科特-哈維連段相對(duì)較為安全,只分布有零星的潛在滑坡區(qū)。降雨對(duì)研究區(qū)潛在滑坡影響較大,且隨降雨時(shí)間的延續(xù),潛在滑坡區(qū)的分布范圍逐漸增大,滑坡災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量占比逐步增加,當(dāng)降雨1 h后,潛在滑坡面積占研究區(qū)段總面積的18.44%,約為天然狀態(tài)下潛在滑坡區(qū)總面積(4.13%)的4.5倍,研究區(qū)潛在滑坡對(duì)降雨響應(yīng)明顯,區(qū)內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)為27個(gè),占比為51.92%;降雨4 h后,潛在滑坡分布面積占研究區(qū)段總面積的20.57%,區(qū)內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)為29個(gè),占比為55.77%;降雨12 h后,潛在滑坡分布面積占研究區(qū)段總面積的37.54%,區(qū)內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)為37個(gè),占比為71.15%,12 h后,滑坡分區(qū)幾乎無明顯變化。根據(jù)降雨入滲理論可知,在恒定降雨條件下,降雨入滲率隨降雨時(shí)間的延續(xù),會(huì)逐漸減小并趨于穩(wěn)定,滲入坡體的有效降雨量也會(huì)隨著土體飽和度的增加逐漸減少。當(dāng)土體達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),降雨入滲量趨近于0,降雨更多地轉(zhuǎn)化為了地表徑流,斜坡穩(wěn)定性也隨之愈來愈無明顯變化。

圖7 研究區(qū)潛在滑坡穩(wěn)定性模擬結(jié)果Fig. 7 Stability simulation results of potential landslides in the study area

3.3 結(jié)果可靠性評(píng)價(jià)

在已有研究中往往采用歷史滑坡點(diǎn)數(shù)量占各分級(jí)等級(jí)總面積的百分比來評(píng)價(jià)模型性能[13],但該評(píng)價(jià)指標(biāo)總體較為籠統(tǒng)、簡(jiǎn)單。文中引入點(diǎn)狀滑坡性能百分比指數(shù)%LRclass對(duì)滑坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)結(jié)果性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[12],其%LRclass指數(shù)計(jì)算公式如下:

(6)

(7)

式中:S為在每類Fs中滑坡點(diǎn)數(shù)量所占總滑坡數(shù)的百分比;A為對(duì)應(yīng)每類Fs的預(yù)測(cè)面積占總面積的百分比。%LRclass指數(shù)評(píng)估基于Fs<1與Fs≥1分級(jí),但同時(shí)考慮了模型預(yù)測(cè)結(jié)果中在兩類分級(jí)區(qū)中發(fā)生滑坡的情況,當(dāng)安全系數(shù)小于1時(shí),指數(shù)值越大,模型的預(yù)測(cè)結(jié)果越好。

由表3可以看出,在天然狀態(tài)下,%LRclass指數(shù)在不穩(wěn)定區(qū)(Fs<1)為67.60%,在百年一遇極端降雨情景下,在降雨1、4、12 h后,%LRclass指數(shù)在不穩(wěn)定區(qū)均在79%以上,分別為79.49%、79.71%和79.82%,耦合模型計(jì)算結(jié)果與歷史滑坡災(zāi)害分布一致性較好,可信度較高。

4 討論

本研究為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)TRIGRS和Scoops3D三維耦合模型對(duì)降雨滑坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的性能,將三維耦合模型與一維TRIGRS模型結(jié)果進(jìn)行了分析比較。在百年強(qiáng)降雨情景下,2種模型預(yù)測(cè)的潛在滑坡穩(wěn)定性空間分布、各穩(wěn)定性分區(qū)的歷史滑坡數(shù)量占比、面積占比與%LRclass指數(shù)結(jié)果如圖8與表4所示。

圖8(a)與(d)對(duì)比可知,TRIGRS模型預(yù)測(cè)的潛在滑坡區(qū)空間分布更廣泛,其中加格洛特-塔科特段潛在滑坡區(qū)分布均較為集中,根據(jù)圖示歷史滑坡分布可以看出吉拉斯-瑟津段中部幾乎無滑坡發(fā)生,由此可見,耦合模型更符合實(shí)際;圖8(b)與(e)顯示,耦合模型與TRIGRS模型不穩(wěn)定區(qū)的滑坡數(shù)量占比分別為65.38%和46.15%,耦合模型預(yù)測(cè)結(jié)果明顯優(yōu)于TRIGRS模型;圖8(c)與(f)顯示,耦合模型與TRIGRS模型潛在滑坡面積占比分別為37.54%和47.27%,TRIGRS模型對(duì)潛在滑坡的預(yù)測(cè)結(jié)果更偏不安全。這與已有的相關(guān)研究結(jié)果也是一致的[3]。

從圖7和圖8中可以看出,耦合模型預(yù)測(cè)的潛在滑坡區(qū)呈片狀集中分布,TRIGRS模型預(yù)測(cè)的潛在滑坡區(qū)呈細(xì)條狀零散分布。究其原因應(yīng)該主要在于,耦合模型是利用球型曲面將坡面切割成若干三維柱體,考慮了柱體間的相互作用,故模擬潛在滑坡區(qū)整體性較強(qiáng),呈片狀集中分布;而TRIGRS模型中每個(gè)柵格都進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算,因此每個(gè)柵格的安全系數(shù)均為獨(dú)立值[10],因此模擬潛在滑坡區(qū)整體性較差,總體呈細(xì)條狀零散分布。

圖8 研究區(qū)潛在滑坡穩(wěn)定性一維與三維模擬結(jié)果Fig. 8 Results of 1D and 3D simulation of potential landslide stability in the study area

另從表4也可以看出,TRIGRS模型預(yù)測(cè)的不穩(wěn)定區(qū)的滑坡數(shù)量占比(46.15%)明顯低于耦合模型(65.38%),TRIGRS模型預(yù)測(cè)的不穩(wěn)定區(qū)面積(34.26%)略高于耦合模型(32.33%),一維TRIGRS模型與三維耦合模型的%LRclass(Fs<1)指數(shù)分別為62.20%和79.81%,耦合模型明顯優(yōu)于TRIGRS模型。2種模型在降雨滑坡預(yù)測(cè)中均有一定適用性,但一維TRIGRS模型的過度簡(jiǎn)化致使難以考慮實(shí)際邊坡結(jié)構(gòu)、載荷和滑動(dòng)面的三維地形分布,基于巖土體縱向空間分層模型,使用三維耦合模型利用體積搜索滑動(dòng)面更適合處理復(fù)雜地形的滑坡,能獲得更合理的預(yù)測(cè)結(jié)果。

表4 研究區(qū)一維與三維計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistical table of 1D and 3D calculation results of potential landslide in the study area

5 結(jié)論

1)天然狀態(tài)下加格洛特-吉拉斯段與瑟津-達(dá)比爾段零星分布著潛在滑坡,其中潛在滑坡分布面積占研究區(qū)段總面積的4.14%,天然狀態(tài)下斜坡穩(wěn)定性較好。

2)研究區(qū)潛在滑坡對(duì)降雨響應(yīng)明顯。百年一遇極端降雨情景下,降雨1 h耦合模型預(yù)測(cè)的潛在滑坡面積占比(18.44%)約為天然狀態(tài)下(4.13%)的4.5倍;隨時(shí)間延續(xù),潛在滑坡區(qū)范圍逐漸增大,降雨12 h,潛在滑坡區(qū)分布面積占研究區(qū)段總面積的37.54%,主要沿高差懸殊、地勢(shì)險(xiǎn)峻斜坡分布。

3)TRIGRS模型在潛在滑坡沿加格洛特-塔科特廣泛分布,潛在滑坡面積占比達(dá)48.27%,模擬中存在過度預(yù)測(cè)問題;耦合模型預(yù)測(cè)的潛在滑坡區(qū)主要分布在加格洛特-吉拉斯段與瑟津-達(dá)比爾段,區(qū)內(nèi)71.15%歷史滑坡災(zāi)害點(diǎn)被正確預(yù)測(cè),更符合歷史滑坡災(zāi)害分布特征。

4)三維耦合模型在不同時(shí)間段%LRclass(Fs<1)指數(shù)均在79%以上,預(yù)測(cè)潛在滑坡效果明顯優(yōu)于一維TRIGRS模型(62.20%)。

TRIGRS模型與考慮縱向巖土體空間分層的Scoops3D模型耦合在該研究區(qū)取得了較為理想的結(jié)果,相關(guān)研究成果可為中巴經(jīng)濟(jì)走廊建設(shè)提供可靠防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急管理科技支撐。在下一步研究中,可進(jìn)一步劃分工程地質(zhì)區(qū)段,結(jié)合地質(zhì)特征確定縱向巖土體分層情況,疊加研究區(qū)常見雨型,同時(shí)對(duì)研究區(qū)巖土體及水文等參數(shù)的空間不確定性進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。