宋 志，倪化勇，周洪福，冯 伟

(1.中国地质调查局成都地质调查中心，成都 610081；2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)



基于多层次物理力学参数的小区域地震滑坡危险性评估
——以长江上游石棉县城及周边为例

宋 志1，2，倪化勇1，周洪福1，冯 伟2

(1.中国地质调查局成都地质调查中心，成都 610081；2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

通过实地调查、遥感解译、资料收集等手段，获取滑坡崩塌体编录、松散堆积层、地质单元的岩土体物理力学参数，使得滑坡编录、地质调查数据与区域Newmark位移模型有机结合。研究表明，在滑坡编录等3个层次中，由第一层次到第三层次，物理力学参数精度逐渐下降，这也反映了滑坡编录在危险性评价中所占据的重要性，更能与实际相吻合。通过对长江上游石棉县城地质灾害潜在危险性的评估，得出了不同尺度峰值加速度下危险性分布区域与规律，经与危险性线性拟合，在峰值加速度a=0.3时，区域危险区面积呈大规模急剧上升，为区域毁灭性灾难的临界值。同时，石棉县城随着峰值加速度数值增大，危险区从滑坡编录控制逐渐过渡到坡度控制，显示了多层次物理力学参数下危险性评估的合理性。

滑坡；危险性；力学参数；滑坡编录

0 引言

地震滑坡危险性评估是国内外研究的热点问题，尤其在近年来地震频发的大环境下，该研究日益引起广泛重视。地震滑坡危险性评估的技术方法主要分为统计分析法、综合指标法、确定性评价方法。其中，确定性评价方法，由于其强大的GIS分析功能、斜坡动力的适应性，被广泛运用到不同尺度的区域地震滑坡评估[1-2]。

在确定性评价方法中，最具代表性的模型为Newmark位移模型。葛华等[3]将Newmark位移模型运用到映秀震中区地震滑坡危险性评价，得出了位移图与滑坡概率分布图，并开展了编图示范。王涛等[4]以汶川8.0级地震为例开展了基于简化Newmark位移模型的区域地震滑坡危险性快速评估，得出了区域地震滑坡危险分区。这些基于Newmark位移模型的地震滑坡危险性研究从源头到结果采用ArcGIS软件编制了一系列图件，取得了较好的认识与结果。但是也存在一些不足，主要表现为区域地质图代表岩土体，适用于应急快速评估，而精度不够，缺乏实际应用；滑坡编录成果贡献少，缺乏实例进行相互验证[5-8]。针对以上不足，本文以岩土体物理力学参数为出发点，从不同精确程度、不同获取方法，以长江上游石棉县城及周边为例，开展大比例尺小区域的地震地质灾害危险性评估，以期为复杂山区地震地质灾害的危险性评估和防灾减灾提供方法技术。

1 研究区概况

1.1 研究区地理位置

长江上游石棉县城位于大渡河中游地段，为雅安市石棉县政府所在地，区域内人口密集，经济较为发达，为石棉县及川西地区重要的经济、文化、政治中心之一。研究区平面上呈矩形，长5.5 km，宽4.4 km，总面积为24.2 km2，涵盖了石棉县城的企事业机关单位、人口建筑密集区，为地质灾害风险的重点防治区[1-4]。

G108线、省道211线与2012年建成通车的京昆高速公路G5在县城交汇。县城经G5高速公路向北至雅安120 km，距成都260 km，南距西昌150 km；经省道211线至泸定110 km。研究区作为G5高速与S211的连接点，交通便利，是雅安市南大门，也是川藏南线和川滇西线的交通要道。

1.2 研究区地质环境条件

区内气象冬季温暖干燥，春末夏初干旱多风，夏季闷热，具四季不分明的亚热带季风气候特征。区内多年平均年降水量为803.1 mm，但在时空上分布不均。降水主要集中在5—9月份，占全年降水量的86.4%；同时，山地降雨多于河谷地带，且多以暴雨或阵雨出现。研究区水系主要为三级河流——大渡河及其支流楠桠河，大渡河由西至东贯穿全区，楠桠河由南至北，于县城处汇入大渡河。

地形地貌上，研究区属于缓脊峡谷地貌，地势西北、东部、西南高，中部及河谷地带低。最高点位于大坪岗，海拔2030 m，最低点位于区内大渡河最下游汪家岗附近，海拔850 m，相对高差1180 m，地形起伏度为487.6 m/km2。受河流强烈切割，研究区地势陡峭，坡度由河流面0°至陡坡82°范围分布。据ArcGIS坡度统计，区内平均坡度30.8°，达到陡坡分级标准，切割强度显著，频繁引发各类地质灾害。

地质构造上，研究区位于鲜水河、龙门山、安宁河三大著名断裂带的交汇部位，受地质构造作用影响显著，呈三面河流深切割地形，尤其是安宁河断裂带分支——石棉断裂直接从研究区近南北向通过(见图1)，使得区内岩体破碎，不良工程地质现象发育[9-11]。

图1 研究区石棉断裂分布简图Fig.1 Distribution of Shimian fault in the research area

综上，从孕灾背景条件上，研究区位于鲜水河、安宁河、龙门山三大著名断裂带的交汇部位，构造运动强烈，历史地震频发。研究区地质环境条件脆弱，主要表现为：构造运动强烈且石棉断裂直接从县城通过，位于暴雨中心常发生群发性地质灾害，山体深切割岩体破碎具有滑坡高易发的孕灾背景，人类工程活动强烈加剧地质灾害的发生几率，是地震活动频繁和地质灾害高易发区。

2 计算方法与过程

2.1 Newmark位移模型方法简述

Newmark位移模型基于极限平衡理论开展累积位移分析，主要的原理是：在地震加速度等耦合作用下，滑坡沿滑动面发生瞬时位移，并不断累积，在施加的地震加速度大于斜坡临界荷载加速度情况下，滑坡便产生，并通过二者加速度的差值进行二次积分，得到永久位移值[12]。模型的基本原理示意见图2。

ac—临界加速度；a—地面加速度；D—Newmark位移量图2 Newmark位移模型原理图Fig.2 Schematic diagram of Newmark displacement model

先利用边坡静力学公式计算滑坡静态安全系数F，再通过重力加速度g、边坡坡度β以及安全系数F间接求出临界加速度ac，最后通过地震加速度a与临界加速度ac的差值部分进行二次积分，获取Nermark位移量D，从而进行不同尺度下地震滑坡危险性预测评估。在施加临界加速度ac的过程中，目前研究的方法基本相似，唯一的区别在于静力学平衡方式选取的不同。考虑到研究区地震时，处于少雨或无雨季节，可不考虑地下水的影响，将静力学方程进行简化处理。各公式如下：

(1)

(2)

式中，c′—有效内聚力，N/m2；—岩土体重度，N/m3；z—破坏面深度，m；β—边坡坡度倾角，(°)；′—有效内摩擦角，(°)；F—静态安全系数，无量纲；g—重力加速度，9.8 m/s2；ac—临界加速度，m/s2。

Newmark位移计算过程中需进行地震加速度与临界加速度差值的二次积分，涉及区域数据量大，且随时程变化地震参数难以获取，难以进行有效的地震滑坡区划。为此许多学者采用经验公式与简化地震参数方法开展计算。如Jibson[12]通过大量数据与实际滑坡进行对比分析，得出显著回归方程，最终验证精确率高，满足地震滑坡累计位移量的需要。该方程的优点在于地震滑坡位移计算仅涉及峰值加速度、矩震级2个区域地震参数，计算结果满足地震滑坡预测评估需要。其中，历史地震的矩震级Mw利用面波震级Ms，通过经验公式换算得到。具体公式如下：

(3)

Mw=0.844Ms+0.951

(4)

式中，D—Nermark位移，cm；Mw—矩震级；Ms—面波震级；a—峰值加速度(可近似代替地面加速度值)，m/s2。

以上基于回归估计的Nermark位移经验公式，优点在于根据预测需要将区域面波震级、峰值加速度进行赋值，便能进行不同尺度下地震滑坡危险性评估，简化了流程，可操作性强。

2.2 多层次物理力学参数获取

危险性评价的准确度取决于参数获取的精度，其中，物理力学参数是影响滑坡危险性评价的重要因子。由于研究区为1∶5000高精度地形图，不能根据以往传统小比例尺按1∶50000地质图进行岩组划分，而是采用实地调查的岩组进行大比例尺细分。

岩土体的划分分为3个层次，第一层次为已调查的滑坡崩塌体编录数据，第二层次为松散堆积层遥感解译数据，第三层次是区域地质图件反映的地质单元数据。在3个层次中，由第一层次到第三层次，物理力学参数精度逐渐下降，这也反映了滑坡编录在危险性评价所占据的重要性，更能与实际相吻合。

研究区内滑坡编录的数量为17个，区域点密度为0.7个/km2。松散堆积层的物理力学指标与地质单元相差甚大，不以单纯的区域地质图上的地质单元确定，而是进行不同类别的详细划分。松散堆积层主要分为冲洪积堆积、冰水堆积、残坡堆积、崩坡堆积、残坡堆积，区内共划分22组不同物理力学指标的松散堆积层，编号为SS01—SS22；地质单元则根据区域地质图件直接勾绘，划分为6组，编号为DZ01—DZ06；河流不参与参数划分(见表1、图3)。

表1 研究区物理力学参数取值

图3 研究区不同物理力学参数分布图Fig.3 The distribution diagram of different physical and mechanical parameters in research area

通过对研究区开展大比例尺的不同物理力学参数的划分，涵盖了滑坡编录的重点参数、松散堆积层的次重点参数以及区域地质单元的次要参数，将区域岩土体的划分有机组合在一起，有针对性地开展研究区滑坡危险性评价。

3 结果与分析

通过获取的物理力学参数值和坡度值，利用ArcGIS栅格计算功能，对研究区斜坡静态安全系数F按照公式(1)、临界加速度ac按照公式(2)开展计算，结果见图4、图5。

根据上节所述，对于预测性Nermark位移危险性评估，地震动参数只需要峰值地震加速度a、面波震级Ms便能利用Jibson[12]的回归方程进行计算。根据《建筑抗震设计规范》[13]以及相关资料查询，设定研究区的基本地震参数分别为：①a=0.1g、Ms=7；②a=0.2g、Ms=7；③a=0.3g、Ms=8；④a=0.4g、Ms=9。为了便于简化，不同尺度以动峰值加速度单因子为准。

通过公式(3)、公式(4)开展Nermark位移值D计算，并将其值作为不同工况下地震危险性评价依据。同时在ArcGIS中采用自然断点法分为4类，分别代表高、中、低、极低危险性程度，计算结果见图6。

从图6可以看出，高危险区范围随动峰值加速度的增长而增大，呈显著正相关。利用ArcGIS软件的栅格重分类功能，得到不同地震工况下高、中危险区分布面积(见表2)。

图4 静态安全系数F图Fig.4 The image of static safety coefficient

图5 临界加速度ac图Fig.5 The image of critical accelaration

地震工况分布面积/km2高危险区中危险区a=01g278401a=02g412629a=03g6781002a=04g11621428

对包括汶川地震在内的历史地震诱发的滑坡进行统计分析，滑坡数量规模随震级(动峰值加速度)呈显著正相关，并且存在一个危险区面积急剧上升的拐点。该拐点是区域大面积灾难的临界值，一旦震级(或动峰值加速度)逼近或达到该拐点，对区域滑坡灾害将是毁灭性的。

对表2不同峰值加速度对应的高、中危险区面积分布的相关性分析，得出幂函数线性拟合曲线。其中，高危险区与峰值加速度的R2值为0.9950、中危险区与峰值加速度的R2值为0.9966，相关性均好。高、中危险区线性拟合曲线(见图7)显示，在峰值加速度a=0.3g时，区域危险区面积呈大规模急剧上升，为区域毁灭性灾难的临界值。

图7 高、中危险区与峰值加速度拟合曲线Fig.7 The fitted curves of medium and high risky areas and peak acceleration

3.1a=0.1g危险区分布特征

当峰值加速度为0.1g时，全区高危险分布面积为2.78 km2，占全区面积11.49%，中危险分布面积为4.01 km2，占全区面积16.57%。调查区危险区总体受地震影响较弱，危险区分布区域与常规滑坡危险区编录调查一致，主要分布于河谷到山地陡坡地段，受单体滑坡影响显著。地震作用影响小，区域危险区范围受已有滑坡编录控制。

3.2a=0.2g危险区分布特征

当峰值加速度为0.2g时，全区高危险分布面积为4.12 km2，占全区面积17.02%，中危险分布面积为6.29 km2，占全区面积25.99%。危险区面积较a=0.1g时显著增长，增长率达48.02%。高危险区分布特征表现为：沿河谷地形急变陡坡呈带分布，高海拔区域受地形坡度控制显著，已有滑坡调查成片分布。

3.3a=0.3g危险区分布特征

当峰值加速度为0.3g时，全区高危险分布面积为6.78 km2，占全区面积28.02%，中危险分布面积为10.02 km2，占全区面积41.40%。危险区面积较a=0.2g时显著增长，增长率达64.56%。表现的特征为已有危险区域向四周范围扩散且顺坡向增长明显、坡度岩性控制显著、危险区成群成片发育等。

3.4a=0.4g危险区分布特征

当峰值加速度为0.4g时，全区高危险分布面积为11.62 km2，占全区面积48.02%，中危险分布面积为14.28 km2，占全区面积59.01%。危险区面积较a=0.3g时显著增长，增长率达71.38%。a=0.4g工况下区内危险区面积呈几何倍数增长，远超低峰值时增长速度，全区基本被高、中危险区域包围。区内表现的特征为：危险区面积分布急剧上升，环境承载力达到极限，山体危险区成片发育，坡度成为危险性主控因素。石棉县城及附近区域危险区广泛发育，除平缓河谷地带外，基本为高、中危险区。

4 结论

与以往地震滑坡危险性评估相比，本文基于多层次物理力学参数下小区域地质灾害潜在危险性评估方法是通过实地调查、遥感解译、资料收集手段，获取滑坡崩塌体编录、松散堆积层、地质单元的岩土体物理力学参数，使得滑坡编录、地质调查数据与区域Newmark位移模型有机结合。在滑坡编录等3个层次中，由第一层次到第三层次，物理力学参数精度逐渐下降，这也反映了滑坡编录在危险性评价所占据的重要性，更能与实际相吻合。

通过对长江上游石棉县城地质灾害潜在危险性评估，得出了峰值加速度a分别为0.1g、0.2g、0.3g、0.4g尺度下危险性分布区域。当a=0.1g时，研究区危险区受单体滑坡影响显著，受已有滑坡编录控制；当a=0.2g时，危险区呈现沿河谷地形急变陡坡呈带分布、高海拔区域受地形坡度控制显著、已有滑坡调查成片分布；当a=0.3g时，已有危险区域向四周范围扩散且顺坡向增长明显、坡度岩性控制显著、危险区成群成片发育；当a=0.4g时，危险区面积分布急剧上升，环境承载力达到极限、山体危险区成片发育、坡度成为危险性主控因素。随着峰值加速度数量增大，危险区从滑坡编录控制逐渐过渡到坡度控制，显示了多层次物理力学参数下危险性评估的合理性。通过对高、中危险区线性拟合曲线分析，在峰值加速度a=0.3g时，区域危险区面积呈大规模急剧上升，为区域毁灭性灾难的临界值。

[1] 黄润秋．汶川地震地质灾害研究[M]．北京：科学出版社，2009：1～944.

HUANG Run-qiu. Geohazard research on the Wenchuan earthquake[M]. Beijing: Science Press, 2009: 944.

[2] Keefer D K. Investigating landslides caused by earthquakes: A historical review[J]. Surveys in Geophysics, 2002, 23(6): 473～510.

[3] 葛华，陈启国，王德伟．地震滑坡危险性评价及编图——以映秀震中区为例[J]．中国地质，2013，40(2)：644～652.

GE Hua, CHEN Qi-guo, WANG De-wei. The assessment and mapping of seismic landslide hazards: A case study of Yingxiu area, Sichuan Province[J]. Geology in China, 2013, 40(2): 644～652.

[4] 王涛，吴树仁，石菊松，等．基于简化Newmark 位移模型的区域地震滑坡危险性快速评估——以汶川MS8.0级地震为例[J]．工程地质学报，2013，21(1)：16～24.

WANG Tao, WU Shu-ren, SHI Ju-song, et al. Case study on rapid assessment of regional landslide hazard based on simplified Newmark displacement model: WenchuanMs8.0 earthquake[J]. Journal of Engineering Geology, 2013, 21(1): 16～24.

[5] 吴树仁，王涛，石玲，等．2008 汶川大地震极端滑坡事件初步研究[J]．工程地质学报，2010，18(2)：145～159.

WU Shu-ren, WANG Tao, SHI Ling, et al. Study on catastrophic landslide triggered by 2008 great Wenchuan earthquake, Sichuan, China[J]. Journal of Engineering Geology, 2010, 18(2): 145～159.

[6] Huang Runqiu, Li Weile. Analysis of the geo-hazards triggered by the 12, May 2008 Wenchuan earthquake, China[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2009, 68(3): 363～371.

[7] Parker R N, Densmore A L, Rosser N J, et al. Mass wasting triggered by 2008 Wenchuan earthquake is greater than orogenic growth[J]. Nature Geoscience, 2011, 4(7): 449～452.

[8] 王涛．汶川地震重灾区地质灾害危险性评估研究[D]．北京：中国地质科学院，2010.

WANG Tao. Study on seismic landslide hazard assessment in Wenchuan earthquake severely afflicted area[D]. Beijing: Chinese Academy of Geological Sciences, 2010.

[9] 四川省华地建设工程有限责任公司．“4.20”芦山强烈地震灾区雅安市石棉县地质灾害详细调查报告[R]．成都：四川省华地建设工程有限责任公司，2014.

HuaDi Construction Engineering Limited Liability Company, Sichuan Province. Survey report of geohazard in ‘4.20’ Lushan strong earthquake in Shimian County, Yaan City, Sichuan Province[R]. Chengdu: HuaDi Construction Engineering Limited Liability Company, Sichuan Province, 2014.

[10] 四川省华地建设工程有限责任公司．四川省雅安市石棉县重大地质灾害治理工程复查复核报告[R]．成都：四川省华地建设工程有限责任公司，2013.

HuaDi Construction Engineering Limited Liability Company, Sichuan Province. The rechecks report of the regulation project of serious geo hazards in Shimian, Yaan City, Sichuan Province[R]. Chengdu: HuaDi Construction Engineering Limited Liability Company, Sichuan Province, 2013.

[11] 中国地质调查局成都地质调查中心．四川省石棉县地质灾害详细调查[R]．成都：中国地质调查局成都地质调查中心，2009.

Chengdu Institute of Geology and Mineral Resources. Detailed survey of the geo hazard in Shimian, Sichuan Province[R]. Chengdu: Chengdu Institute of Geology and Mineral Resources, 2009.

[12] Jibson R W. Regression methods for estimating coseismic landslidedisplacement [J]. Engineering Geology, 2007, 90：209～218.

[13] 中华人民共和国建设部．建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010.

Ministry of Construction of the People′s Republc of China. Code for seismic design of building (GB 50011-2010). Beijing: China Building Industry Press, 2010.

RISK ASSESSMENT OF SEISMIC LANDSLIDE WITHIN SMALL REGION BASED ON MULTI-LEVEL PHYSICAL AND MECHANICAL PARAMETERS: A CASE STUDY OF SHIMIAN AND ADJACENT AREAS IN THE UPPER REACHES OF YANGTZE RIVER

SONG Zhi1 2, NI Hua-yong1, ZHOU Hong-fu1, FENG Wei2

(1.Chengdu Institute of Geology and Mineral Resources, Chengdu 610008, China;2.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Compared to the risk assessments of seismic landslide before, this paper achieves the landslide and collapse inventory, loose accumulated layer and the physical and mechanical parameters of rock soil mass of geological units by field survey, remote sensing interpretation and data collection. It makes an organic integration of landslide inventory, geological survey and regional Newmark displacement model. During three degrees of the landslide inventory, it can been seen that the physical and mechanical parameters get smaller gradually from the first degree to the third degree, which also inflects the importance of the landslide inventory for risk assessment and that it accords better with reality. The dangerous areas and regular under different peak acceleration are got by assessing the potential risk of geological hazard in Shimian City on the upper Yangzi River. Through the linear fitting of risks, when peak acceleration is 0.3, the dangerous areas increase greatly on the large scale that is the critical value of the regional devastating disaster. Meanwhile, the dangerous area gradually transit from that under the control of landslide inventory to that of slope, which shows the validity of the risk assessment under multi-level physical and mechanical parameters.

landslide; risk; mechanical parameters; landslide inventory

1006-6616(2016)03-0760-11

2016-04-09

中国地质调查局“成渝经济区宜宾—万州沿江发展带1∶5万环境地质调查”项目(121201010000150015)

宋志(1982-)，男，四川省宣汉县人，高级工程师，主要从事岩土工程、地质灾害研究。E-mail：35842126@qq.com

P642.22

A