易 武，王 鳴，于冬升，韓晶晶，張金團

(1. 三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002;2. 湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站，湖北 宜昌 443002; 3. 賀州學院 建筑工程學院，廣西 賀州 542899)

0 引 言

巖質邊坡失穩(wěn)具有爆發(fā)突然，危害巨大的特點，預測預報極其困難，并且?guī)r質層狀邊坡在山區(qū)公路邊坡以及三峽庫區(qū)非常普遍，因此對于巖質邊坡的穩(wěn)定性問題需要重點關注[1-3]。巖體完整程度與巖質邊坡的穩(wěn)定性密切相關，而邊坡不同的穩(wěn)定性現(xiàn)狀對于在該區(qū)域開展工程項目或進行規(guī)劃建設時顯得尤為重要，因此開展巖質邊坡完整程度預測是關乎巖質邊坡穩(wěn)定性的一項重要基礎性研究。

傳統(tǒng)的巖體完整程度的確定主要是通過波速計算或裂隙統(tǒng)計得到的，工作量較大，而對于區(qū)域面積較大的范圍，由于受到條件及資源約束無法完全通過實地調查得到，因此，筆者利用GIS的空間分析功能，在實地調查采集到的有限基礎數(shù)據(jù)的條件下，建立數(shù)學模型,并考慮到地層巖性以及地質構造對巖體完整程度的影響,對研究范圍內的其他區(qū)域巖體完整程度進行預測，該方法可以大大降低統(tǒng)計工作量。

1 區(qū)域概況

1.1 地理位置

研究范圍位于三峽庫區(qū)秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)，地處長江干流右岸，支流青干河以及鑼鼓洞河左岸(見圖1)。

圖1 研究區(qū)域地理位置Fig. 1 Geographical location of the studied area

1.2 研究范圍及地質特征

通過實地調查得知，研究區(qū)域內覆蓋層較薄，主要表現(xiàn)為巖質邊坡的的范圍可以劃分為一、二、三區(qū)(見圖2)，并且均表現(xiàn)為順向坡。一區(qū)主要出露侏羅系中下統(tǒng)聶家山組基巖，巖性主要為厚及巨厚層砂巖、薄層和厚層泥巖，坡度15°～35°，二區(qū)主要出露侏羅系中下統(tǒng)聶家山組基巖，巖性主要為厚層砂巖、薄層和厚層泥巖，坡度20°～35°，三區(qū)主要出露侏羅系下統(tǒng)香溪組和三疊系中統(tǒng)巴東組基巖，巖性主要為厚及巨厚層砂巖、薄層和厚層泥巖，坡度20°～40°[2-6]。

圖2 巖質邊坡空間分布Fig. 2 Spatial distribution of rock slope

2 影響因子處理

2.1 地層巖性因子

通常在確定巖體完整程度時，主要與巖體結構面發(fā)育程度有關，而最直觀的體現(xiàn)就是巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育狀況。顯然，不同的地層巖性，其成分、結構、膠結物及膠結類型等均有差異，而且，風化節(jié)理、構造節(jié)理等次生節(jié)理的形成往往由于巖體成分結構構造等呈現(xiàn)差異化，故在研究巖體完整程度時，有必要考慮地層巖性。

由圖2可見, 順層邊坡一區(qū)位于鑼鼓洞河左岸，二區(qū)位于青干河左岸，主要分布侏羅系中下統(tǒng)聶家山組巖層，巖性主要為中到強風化的泥巖與粉砂巖互層，三區(qū)位于長江右岸，主要分布三疊系中統(tǒng)巴東組巖層，三區(qū)上游局部出露侏羅系下統(tǒng)香溪組，巖性主要為泥巖、砂巖夾泥灰?guī)r地層。此類地層最大的特點是巖層軟硬相間。巖體穩(wěn)定性與巖石抗壓性能和抗剪能力密切相關，為此，參考谷德振教授“巖體質量系數(shù)”概念，建立評價區(qū)域巖體堅固性能的“巖體堅固系數(shù)”，即

Z=M·f·S

式中：M為地層單層平均厚度(絕對值，下同)；f為巖層軟弱結構面或軟弱夾層的平均摩擦系數(shù)；S=Rb/100，Rb為巖層平均飽和抗壓強度。

上述巖體堅固系數(shù)是建立在大量實驗數(shù)據(jù)和數(shù)理統(tǒng)計基礎之上，地層單元巖體堅固系數(shù)值越大，巖體抗壓以及抗剪強度越高，巖體穩(wěn)定性也就越好，因此以巖體堅固系數(shù)大小作為地層巖性影響因子的輸入值分配的依據(jù)，按照不利于邊坡穩(wěn)定性的巖性賦值越大原則，在ArcGIS中將其賦予對應時代的巖性柵格像元值，見圖3。

圖3 研究區(qū)域巖性分類值Fig. 3 Lithological classification of the studied area

2.2 地質構造因子

區(qū)域內地質構造復雜，鑒于其對邊坡穩(wěn)定性影響方式，將以距離大小用來衡量地質構造對邊坡穩(wěn)定性的影響程度，在ArcGIS系統(tǒng)中，采用歐式距離進行制圖計算，歐式距離給出的是每個像元到最近源(在這里指地質構造要素)的距離，對于像素單元，通過用xmax于ymax作為三角形兩直角邊來計算斜邊距離方法，確定其與最近源的歐氏距離，如圖4。

圖4 柵格像元歐式距離計算示意Fig. 4 Schematic of the Euclidean distance calculation of grid pixels

同樣，為便于計算顯示，將所有像元至地質構造要素的歐氏距離分為15個等級，具體分類間隔采用自然斷點法分類，自然斷點法主要是基于數(shù)據(jù)本身的固有自然分組，對分類間隔進行識別，并對所有相似值進行歸類，使得各類分組的差異性最大，圖5為最終的地質構造分類。

圖5 地質構造歐式距離分類Fig. 5 Euclidean distance classfication of geological structure

3 區(qū)域巖體完整程度預測

3.1 巖體完整程度定義

參考GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》(2009年版)中關于巖體完整程度等級的定性劃分標準，對研究范圍內巖質邊坡的巖體完整程度等級進行劃分[1]，具體分類標準見表1。

表1 巖體完整程度等級定性劃分標準Table 1 Standard for qualitative classification of rock mass integritydegree

(續(xù)表1)

完整程度結構面發(fā)育程度組數(shù)/組平均間距/m主要結構面的結合程度相應結構類型較破碎2～31.0～0.4結合差裂隙塊狀或中厚層≥30.4～0.2結合好或一般中薄層狀結構破碎≥30.4～0.2結合差裂隙塊狀≤0.2結合一般或差碎裂狀結構

3.2 加權疊加預測模型

經(jīng)實地調查，根據(jù)表1規(guī)則，可以確定每個調查點的巖體完整程度值，此時為離散值柵格，為了便于計算分析，采用克里金插值求解得到整個研究區(qū)域的連續(xù)的巖體完整程度值柵格，作為基礎柵格，并標準化，最后加權疊加基礎柵格和標準化地層巖性以及地質構造影響因子這3個柵格圖層，得到最終的研究區(qū)域巖體完整程度預測[7-10]。

對區(qū)域內巖質邊坡的巖體完整程度預測主要是基于區(qū)域柵格單元進行，采用加權疊加方法進行計算。假設Xi,j為第i個因子的區(qū)域柵格里第j個像元值，其中i=(1,2,…,m)，j=(1,2,…,n)，又設yt為第t個區(qū)域柵格單元的疊加像元值，t=(1,2,…,n)，其計算公式如下：

yt=λ1·X1,t+λ2·X2,t+…+λi·Xi,t

(1)

式中：λi為第i個因子的權重值；Xi,j為標準化之后的柵格像元值。

對于權重值，采用相關系數(shù)法進行確定。利用MATLAB軟件提取研究區(qū)域因子柵格單元值，存儲為因子矩陣，并以基礎柵格作為參考因子，假設參考因子變量為X0(t)，則Xi(t)為第i個變量因子的區(qū)域柵格里第t個像元值,i=(1,2,…,m)，t=(1,2,…,n)，則影響因子兩兩相關系數(shù)γ計算公式為

(2)

式中：ρ為分辨率系數(shù)，一般可取0.5。

設基礎柵格系數(shù)為1，并將與另外兩個影響因子計算得到的相關系數(shù)進行歸一，MATLAB求解得到的因子最終相關系數(shù)見表2。

表2 因子相關系數(shù)Table 2 Factor correlative coefficients

3.3 模型預測

受條件所限，在開展野外實地調查測量時僅僅只能沿調查線路可以到達的范圍進行，并選取236個調查點，總共測量到437條節(jié)理裂隙的相關數(shù)據(jù)，具體的節(jié)理裂隙調查點分布見圖6。

圖6 裂隙調查點分布Fig. 6 Distribution of fissure survey points

依據(jù)調查點測量得到的系列數(shù)據(jù)，可以根據(jù)表1的分類標準，確定每個調查點的巖體完整程度等級，由于篇幅所限，這里只列舉10個調查點的調查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表3。

表3 部分調查點調查統(tǒng)計Table 3 Survey and statistics of some survey points

為了得到整個研究范圍的邊坡巖體完整程度，這里利用已知的236個基礎調查點，采用克里金插值(Kriging)計算得到基于調查點的整個范圍巖體完整程度狀況，即基礎柵格。具體計算結果經(jīng)標準化之后見圖7。

圖7 基礎柵格Fig. 7 Basic grid

現(xiàn)在采用上述加權疊加預測模型，將地層巖性以及地質構造因子進行加權疊加得到圖8的預測結果，為了了解預測結果的準確性，將該研究范圍內已知滑坡點疊加至圖8。由圖8可知，整個研究范圍內邊坡巖體的完整程度從完整到破碎均有分布，并且從計算結果可知，長江干流邊坡巖體完整程度要明顯差于支流邊坡，深色區(qū)域如木魚包滑坡范圍，臺子灣東滑坡區(qū)段，紅石溪滑坡區(qū)段等，表明該部分邊坡巖體完整程度非常差，呈破碎狀。

圖8 加權疊加對照Fig. 8 Weighted superposition chart

而且從圖8可以發(fā)現(xiàn)，預測結果為深色的區(qū)域，比如木魚包滑坡范圍，臺子灣東滑坡區(qū)段，紅石溪滑坡區(qū)段等，即邊坡巖體完整程度較差區(qū)域均存在已知滑坡災害點，特別是大嶺電站滑坡已于2014年發(fā)生滑動。綜上預測結果結合已知滑坡災害點對照圖可知，該預測結果符合實際情況。

4 結 語

筆者基于GIS空間分析軟件，通過建立顧及多因子的加權疊加模型，對秭歸沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)部分區(qū)域內的巖質邊坡巖體完整程度進行預測，得到了很好的效果，以有限的調查樣本數(shù)據(jù)實現(xiàn)整個區(qū)域的巖體完整程度預測，并綜合考慮了地層巖性以及地質構造的影響，這為實現(xiàn)區(qū)域巖質邊坡的穩(wěn)定性分析提供了更為簡便實用的方法。

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