考虑活动性状态的大型滑坡危险性评价

2018-11-19，，，，，，

长江科学院院报 2018年11期

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(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

1 研究背景

滑坡危险性根据滑坡范围大小分为区域滑坡危险性和单个滑坡危险性。目前，国内外对区域滑坡危险性研究[1-5]已逐步趋于成熟，然而对大型滑坡区域的危险性研究却相对缺乏。影响斜坡稳定性的因素大体上分为地质条件和斜坡活动性状态[6]。地质条件主要包含地形地貌、地层岩性、地质构造、水系、道路以及植被覆盖度等，为滑坡形成提供外部物质条件。斜坡活动性状态是斜坡受内外营力作用下在自然演变过程中能量积累的过程，主要通过裂缝密集度、裂缝扩展和地表位移形变量等形式表现，为滑坡的形成提供动力条件。大量事实证明，绝大多数斜坡就是在特定物质条件和动力条件共同作用下衍生成滑坡。国内陈伟等[7]利用蒙特卡罗法通过计算滑坡失稳破坏率来评价单个滑坡的危险性。樊晓一等[8]选取定性和定量指标基于层次分析法分析宝塔滑坡的危险度。郑乾墙[9]对江西某典型滑坡基于模糊综合评判方法进行了半定量危险性评价。国外Barredo等[10]对西班牙Gran Canaria Island块体运用直接和间接法分析块体的运动危险度。Al-Homoud等[11]基于专家经验法对约旦高速公路沿线的典型滑坡进行危险度评价。Hong等[12]对日本Zentoku滑坡采用数值分析法评价其危险性。大部分学者在滑坡危险性分析中仅考虑了滑坡地质条件因素，忽略了斜坡自身演化过程中的活动性状态变化，对滑坡危险性评价过于片面，一定程度上影响滑坡危险性评价的精准性；且缺乏对大型滑坡区域各部分危险性级别区划，对大型滑坡危险性评价[8,13-14]结果仅限于单个危险值，其结果过于模糊，无法全面、直观反映滑坡各部分的危险程度。

基于上述认识，运用GIS技术，借鉴区域危险性图示表达方式[1-5]，考虑斜坡活动性状态[6]和地质条件，采用因素叠合法[14]，本文提出考虑斜坡活动性状态的大型滑坡危险性区划评价方法。以西山村滑坡为例，选取坡高、坡度和曲率等为地质条件影响因子，运用GIS分别统计地质条件中各因子对滑坡的贡献率，并叠加生成整个滑坡地质条件。同时，通过对滑坡区域定性和定量分析，根据活动性状态判别标准[6]，得出滑坡活动性状态区划图，并赋予相应活动性级别值。利用GIS技术，将地质条件区划图和斜坡活动性图层进行叠合，完成了西山村滑坡危险性区划评价。根据危险性区划图，可以直观了解滑坡各部位具体的危险性程度分布，进而对滑坡预警预报和治理措施提供一定的理论依据。

2 滑坡概况

西山村滑坡地处四川省理县通化乡杂谷脑河左河畔，经纬中心坐标为31°30′00.26″N，103°25′39.97″E，滑体规模约1.7×108m3，属于特大型土质滑坡。滑坡以杂谷脑河为前缘界，后缘界为一直立陡崖，其左右两侧发育有明显冲沟，为比较典型的圈椅状滑坡(图1)。危险区面积约3.45×106m2，其主要诱发因素为降雨。目前该滑坡局部仍存在蠕滑现象，其发展趋势为不稳定状态，危险性较大，对人民的生命财产安全具有重大威胁。西山村滑坡隶属剥蚀侵蚀高山地貌区，相对高差较大，地形切割强烈，阶地较为发育。因公路修建，滑坡前缘坡脚坡体切坡较为严重，形成大量较高的陡坎，对滑坡的稳定性有非常不利的影响。研究区地层主要以上古生界泥盆系下统危关组(主要为变质石英砂岩)、下古生界志留系茂县群(主要为灰色变质结晶灰岩)、第四系崩坡积层和残坡积(以灰白色粉土夹碎块石和土黄色似黄土为主)为主。西山村滑坡主要地质构造为平石头断层，贯穿滑坡的上部。西山村滑坡前缘为一级支流杂谷脑河，水流充沛，且相对较稳定。

图1 西山村滑坡全貌 Fig.1 Panorama of Xishan viallage landslide

3 地质条件分析

3.1 地质条件评价指标提取与分析

地质条件反映区域地质环境[15]的好坏程度，其本质是多方面地质影响因子共同作用下形成的复杂体系。滑坡就是在这个复杂体系下发生变异而生，因此进行滑坡危险性评价时，合理择取地质条件中控制灾害体产生的影响因子非常重要。以西山村滑坡为例，借鉴前人经验，依据相关调查资料，遵守指标筛选原则[6]，结合滑坡实际情况，选取以下影响因子进行地质条件评价。

3.1.1 地形地貌

地形地貌包含坡度、坡高、坡向、曲率等方面。坡度是滑坡形成的重要自然环境因子，宏观上表现为斜坡的陡缓程度，微观上决定了斜坡中滑体的抗滑力和下滑力大小，进而决定斜坡的安全性系数，影响斜坡的危险性。大量相关资料表明，斜坡在10°～40°发生滑动的概率较大，故选取坡度作为影响因子之一；坡高影响空气湿度和气候，进而影响植被覆盖度，影响斜坡的稳定性；坡向决定太阳辐射时长和强弱，影响岩土体的风化作用强度和速率，改变斜坡的稳定性；曲率决定斜坡内部应力分布差异，来控制斜坡的稳定性。

3.1.2 岩层组合

岩层组合从物源上对斜坡的稳定性有至关重要的影响[15]。岩土体性质决定斜坡的抗风化能力，越坚硬的岩土体，抗风化能力就越强，斜坡的整体性较好，对斜坡的稳定性起促进作用；反之越软弱的岩土斜坡对其稳定性起削弱作用。

3.1.3 断层

断层是导致地质灾害发生的重要因素之一[15]。断层不仅破坏斜坡的整体性，使断层附近的岩土体较松散，也削弱了斜坡自身的力学强度，降低斜坡的稳定性。

3.1.4 河流

河流是影响一定区域范围岸坡岩土体饱和度的重要指标之一。降雨与地表径流抬高河流水位，改变地下水渗流系统，增大岸坡岩土体的饱和度，降低岸坡岩土体力学性质(抗河流下切侵蚀作用和卸荷回弹作用)，进而削弱岩土体的稳定性。

3.1.5 道路

人类工程活动中对斜坡稳定性影响最大的是道路建设。坡体切割改变了斜坡内部应力的分布，特别是前缘公路建设，形成较大较多的临空面，产生卸荷变形，降低了斜坡稳定性。

3.1.6 植被覆盖度

植被覆盖度是描述区域地表植被(叶、茎、枝等)生长情况的定量指标。大量事实证明，一定量的地表植被覆盖能提升斜坡的稳定性[16]，尤其是根茎较深的植被，其稳固岩土体的能力和减少水土流失的能力都较强，从而降低斜坡发生地质灾害的可能性。

综上所述，本文选取坡度、坡高、坡向、曲率、地层岩性、断层、河流、道路、植被覆盖度共9个评价指标因子体系来完成对西山村滑坡地质条件的分析。

3.2 因子权重计算

为合理反映因子间与地质条件的实际影响关系，即影响因子对地质条件影响大者权值高，而较小者权重小，由此，采用半定量的相互关系矩阵法[17-18]，分析多种影响因子分别对地质条件的贡献权重大小。

相互关系矩阵在运用于权重计算时，在定性分析各因子相互作用关系的基础上，建立因子间的相互关系矩阵，根据各因子的作用和所受影响的不同，通过半定量取值来衡定因子之间的相互作用程度，将其划分为5个等级，并分别用0～4之间的数值定量描述，即：0表示无影响或基本无影响；1表示影响小；2表示影响中等；3表示影响较大；4表示影响大。根据该取值法，得出地质条件影响因子相互关系矩阵，如表1所示。通过计算评价指标因子的作用性指数来确定因子的权重，即每个指标因子的作用影响值总和占整个指标因子影响总值的百分比，作用性指数越高，其权重越大，实际表现为该指标因子对地质条件因素的贡献越大，由此即得各指标权重，如表2所示。

表1 指标因子相互作用关系矩阵赋值Table 1 Matrix assignment of indicator factor interaction

注：Hi代表第i行之和；Li代表第i列之和；Hi+Li代表第i行与对应的i列之和；Wi代表第i个指标的权重；C1-C9的含义见表2

3.3 地质条件因素值计算

地质条件因素值是将所有地质条件影响因子分别对区域某点危险贡献量的叠加值。运用ArcGIS基于DEM数据、地质勘查资料以及遥感影像图分析分别提取滑坡地质条件影响因子的栅格图层，通过对各影响因子定量划分，如表3所示，确定各个影响因子的贡献量，从而得出一系列单因子的栅格贡献量图层。最终运用ArcGIS中栅格计算功能，将所有栅格图层乘以相互关系矩阵得出的权重，得出滑坡区域内地质条件因素值，即

Fg=∑WiCi。

(1)

其中：Fg表示地质条件因素值，其大小反映地质条件的好坏程度，其值越大，表明地质条件越差；Ci表示第i个地质条件影响因子对滑坡危险的贡献大小的量化；i取值1～9。

通过GIS的栅格计算功能，将地质条件影响因子图层与相应的权重相乘，基于上述地质条件评价模型，完成对西山村滑坡区域范围内的地质条件因素值计算，根据自然间断点分级法，得出地质条件区划图，如图2所示。

图2西山村滑坡区域地质条件区划图
Fig.2ZoningofregionalgeologicalconditionsofXishanvillagelandslide

4 活动性状态分析

滑坡如同自然界其他事物一样，具有孕育、发生、发展和消亡的自然演化规律。在演化过程中，斜坡的活动程度不同。根据斜坡变形特征，结合许强等[19]提出的斜坡变形三阶段演化和斜坡活动状态周期性[6,20]，依次将斜坡的演变过程和活动性描述为在孕育阶段，斜坡几乎无变形，活动性弱；在表生改造阶段出现变形，但变形量较小，活动性较弱；在时效变形阶段，变形速率较缓，变形量在逐渐拉伸，局部有掉块现象，活动性较强；到累进性破坏阶段，变形速率和变形量相应增大，斜坡活动性强。

表2 评价指标权重Table 2 Weights of evaluation indicators

表3 评价指标等级划分Table 3 Classification of evaluation indicators

基于上述认识，以西山村滑坡为例，从定性和定量角度分析滑坡区域的活动性状态。鉴于资料的可用性，分析滑坡区域内变形规模和发展趋势来考虑区域各部分活动性状态，主要通过地表变形和地表位移监测数据来判定。由于监测资料欠缺，本文主要考察监测资料覆盖区域，结合前人研究[21-22]，由此将西山村滑坡研究范围划分为4个形变区域，如图3所示。

图3西山村滑坡变形分区
Fig.3Zoningoflandslidedeformation

I号变形区处于滑坡前缘部分，据现场勘察，区内植被稀疏，道路切坡严重，致使岩土体比较松散，形变显著，如裂缝扩展贯通，裂缝比较密集，主要表现为该处滑体挤压公路，形成挤压裂缝，局部错台以及明显的错动迹象，如图4(a)所示。

Ⅱ号变形区处于滑坡的中前部，据实地勘察，植被覆盖较少，岩土体结构比较破碎，多处出现裂缝，且逐渐呈现贯通趋势，Ⅱ号区相对于Ⅰ号区形变迹象较小，其主要变形为局部坍塌和地表拉张裂缝等，如图4(b)所示。

Ⅲ号变形区处于滑坡的中部，在滑坡Ⅰ号和Ⅱ号变形区牵引作用下，中部地表局部出现拉张裂缝，裂缝较长且较深，但在汶川地震之后，裂缝变形宽度增加量缓慢，裂缝比较稀疏，主要表现在局部墙体开裂，局部出现错台等，如图4(c)所示。

Ⅳ号区缺乏监测数据，仅根据现场勘察得出其在汶川地震之后并无较大的形变迹象，地表局部仅有零星裂缝，建筑物上的拉张裂缝无增大和贯通以及加深现象。依据活动性状判别标准，将Ⅳ号区判定为活动性弱。滑体之外区域为基岩出露部分，岩土体为整体结构，地形简单，为图示美观，本文将其默认为活动性弱区。

图4滑坡Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ变形区全貌
Fig.4HolisticviewsoflandslidedeformationzoneⅠ, Ⅱ,andⅢ

图5为地表水平方向累积位移及变形速率随时间变化曲线。

图5地表水平方向累积位移及变形速率随时间变化曲线
Fig.5Curvesofgroundsurfacehorizontalcumulativedisplacementanddeformationrateagainsttime

结合滑坡形变区内的GPS地表位移监测资料，选取各变形区内比较有代表性的地表位移监测点数据，根据位移-时间的关系，即得各区位移变形量，如图5(a)所示。根据2015年8月—2016年11月的地表水平累积位移数据，处于滑坡Ⅰ区内GPS01点地表水平累积位移量最大，在这期间累积变形高达578.66 mm；其次是Ⅱ区内GPS03点累积位移量161.53 mm；而Ⅲ区内GPS05点累积变形量比较小，但累积位移变形量仍达23.33 mm。总体上显示为I区变形量较大，Ⅱ区其次，Ⅲ区变形最小。同时依据累积位移曲线斜率反映其变形速率，如图5(b)所示，Ⅰ区变形速率最快，平均以1.22 mm/d的速率发生形变，其累积形变仍处于增加趋势；Ⅱ区变形速率较缓，但仍以0.34 mm/d的平均变形速率发生变动；Ⅲ区变形缓慢，其平均变形速率为0.05 mm/d。

运用ArcGIS的空间分析功能，得出西山村滑坡活动性区划图，如图6所示。通过对西山村滑坡区内定性和定量分析，以区域的裂缝密集度、裂缝贯穿程度、累积变形量、变形速率等来确定滑坡各区的活动性状态，根据活动性状态判别分级[6]，如表4所示，将4个区域依次判定为Ⅰ区为活动性强，Ⅱ区活动性较强，Ⅲ区活动性较弱，Ⅳ区活动性弱。依据不同活动性状态对滑坡发生的贡献作用不同，从而对滑坡各区进行活动性分级量化，即不同的活动性状态赋予不同等级的活动性程度值(表4)，活动性程度越高，对滑坡灾害的发生贡献越大，活动性程度值就越大；反之，对滑坡的贡献越小，则活动性程度值越小。

图6西山村滑坡区域活动性区划
Fig.6ZoningofactivityofXishanvillagelandslide

5 基于因素叠合法的危险性评价及验证

5.1 危险性评价

滑坡是在特定地质条件和斜坡活动性状态双重因素相互作用下产生的，由此采用因素叠合法，综合分析滑坡区的危险性。即综合考虑地质条件和斜坡活动性状态，通过评价模型来计算滑坡区域范围内的危险性值，即

S=FgFac。

(2)

式中：S表示危险性值，其值越大表明该处稳定性越差，越容易出现大变形或滑塌现象；Fg表示地质条件因素值；Fac表示斜坡活动性程度值。

该评价模型可运用ArcGIS栅格计算功能实现，将地质条件区划图与滑坡活动性状态区划图进行叠合，依据自然间断点分级法原则，将滑坡区域分为低、较低、中等、较高、高5类危险性级别，并生成危险性区划图，如图7所示。

图7西山村滑坡区域范围危险性区划
Fig.7ZoningofrisklevelofXishanvillagelandslide

滑坡区域前缘危险性高，中前部至中部危险性较高，危险性中等及以下主要分布于滑坡区域的中部至后缘段，同时易看出公路越密集，其危险性也相应较高，表明危险性与公路密集度存在一定的相关性。

表4 活动性状态判别分级[6]Table 4 Classification of activity state levels[6]

通过对滑坡区域危险性分区统计(表5)，滑坡区域内高和较高危险性主要分布于滑坡的前缘和中部，面积为0.9131×106m2,占整个滑坡总面积的26.44%，而中等及以下危险性区域多分布于滑坡的中部及后缘占滑坡总面积的73.56%。对比分析活动性与危险性区划结果易发现，滑坡的危险性与活动性状态具有很好的相关性，活动性越强的区域，危险性就越大，说明危险性分区比较客观地反映了滑坡区域的危险性分布情况。

表5 滑坡区域危险性分区统计Table 5 Statistics of landslide risk zoning

5.2 结果验证

斜坡活动性越高，其危险性也就相应越高，由此通过选取高和较高活动性区划面积与高和较高危险性的面积重叠度分析本次大型滑坡危险性评价的精准性，重叠度越高，表明评价结果越佳。具体操作利用ArcGIS的重分类功能，通过几何算术，分别统计出高和较高活动性的面积与高和较高危险性的面积，继而由叠加度等于危险性面积与活动性面积之比，得出叠加度为96.03%，易看出评价结果中危险性高发区与活动性高区重叠度较高，表明评价结果比较合理有效。