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鄂西北中部地區(qū)滑坡孕災(zāi)模式分析

2018-08-02 06:20陸文博晏鄂川李慶偉朱正虎
關(guān)鍵詞:巖質(zhì)高程滑坡

陸文博,晏鄂川,王 杰,李慶偉,朱正虎

(1.貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,貴州 貴陽(yáng) 550002;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引言

一般情況,滑坡形成、發(fā)展到消亡的孕育過程,均受到多種內(nèi)外因素的綜合影響。內(nèi)因包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地表地下水條件等;外因包括降雨、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地震、人類活動(dòng)等。

不同區(qū)域,具有自身的地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn),造成滑坡災(zāi)害分布與發(fā)育特征各不相同。區(qū)域滑坡災(zāi)害分布發(fā)育特征相關(guān)研究,主要有三方面。不同空間[1-7]:(1)基于不同行政區(qū)的滑坡分布發(fā)育特征;(2)基于不同影響因素分區(qū)(地層巖性分區(qū)、地形地貌分區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)、水文地質(zhì)分區(qū)、人類活動(dòng)分區(qū)等)的滑坡分布發(fā)育特征。不同時(shí)間[2-4,8]:(1)基于不同年份的滑坡分布發(fā)育特征(一般分析滑坡發(fā)生與人類活動(dòng)、風(fēng)化作用等相關(guān)關(guān)系);(2)基于不同季節(jié)的滑坡分布發(fā)育特征(一般分析滑坡發(fā)生與降水活動(dòng)、庫(kù)水位升降等相關(guān)關(guān)系)。不同滑坡要素和其他[6,9-11]:(1)基于不同滑坡要素分類(物質(zhì)組成、規(guī)模、高程、坡度、斜坡結(jié)構(gòu)和形態(tài))的滑坡分布發(fā)育特征;(2)基于不同邊界條件、力學(xué)性質(zhì)等的滑坡分布發(fā)育特征。

根據(jù)區(qū)域上滑坡的分布發(fā)育規(guī)律,可分析滑坡孕災(zāi)模式,現(xiàn)有研究主要基于區(qū)域上的滑坡影響因素[12-14]或滑坡的發(fā)育要素[15-17]。由于不同區(qū)域發(fā)育的滑坡類型各有不同,所以大多學(xué)者由此出發(fā),根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn),選取具有代表性的滑坡影響因素或滑坡發(fā)育要素,利用以多因素為對(duì)象的模糊分析方法等,定量分析滑坡各孕育特點(diǎn)的規(guī)律,揭示研究區(qū)滑坡孕育模式和機(jī)理。

本文利用鄂西北中部地區(qū)南漳、??怠⒐瘸侨h670處滑坡調(diào)查的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),詳細(xì)分析滑坡分布發(fā)育的六大方面,基于連續(xù)變量敏感性分析和非連續(xù)變量總結(jié),完成區(qū)內(nèi)滑坡孕災(zāi)模式識(shí)別,為鄂西北地區(qū)滑坡發(fā)育特征和區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)機(jī)理研究提供參考。

1 滑坡分布發(fā)育特征及分類

根據(jù)最近一次南漳縣、??悼h、谷城縣1∶50 000地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查成果表明,截至2015年年底,區(qū)內(nèi)各類地質(zhì)災(zāi)害一千余處,其中以滑坡最為發(fā)育,共670處,崩塌101處,其他為地面塌陷、泥石流、不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)搜集的研究區(qū)滑坡災(zāi)害資料情況,將滑坡分布及發(fā)育特征歸納為表1。災(zāi)害點(diǎn)分布情況見圖1。

通過表1、圖1統(tǒng)計(jì)信息,可知在滑坡中,系統(tǒng)內(nèi)部各項(xiàng)要素的不同組合,構(gòu)成了具有不同狀態(tài)的系統(tǒng)。對(duì)于滑坡系統(tǒng),可認(rèn)為不同類型的滑坡對(duì)應(yīng)不同的孕災(zāi)模式??傊?,具有相近孕災(zāi)要素組合的相似滑坡系統(tǒng),可歸為同一類孕災(zāi)模式滑坡。

表1 滑坡分布與發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)表

圖1 南保谷三縣滑坡分布圖Fig.1 Landslide distribution map in Nanzhang, Gucheng and Baokang County

根據(jù)不同的滑坡分布及發(fā)育特征對(duì)應(yīng)的變量,將其分別歸類為連續(xù)變量和非連續(xù)變量。表1中涂灰的變量為連續(xù)變量,其余為非連續(xù)變量。將所有連續(xù)變量分布的區(qū)間等分為A~Y的25個(gè)等間距區(qū)段(例如所有已統(tǒng)計(jì)滑坡的前緣高程分布在0~1 625 m,則將其劃分為0~65 m、65~130 m、…、1 560~1 625 m的25個(gè)等級(jí))。非連續(xù)變量則直接統(tǒng)計(jì)分析。二者統(tǒng)計(jì)分析后作為孕災(zāi)模式識(shí)別的基礎(chǔ)。

2 非連續(xù)變量孕災(zāi)模式識(shí)別

非連續(xù)變量孕災(zāi)模式識(shí)別中,主要考慮滑體性質(zhì)、地層巖性(巖組)和斜坡結(jié)構(gòu)三個(gè)典型變量,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2。區(qū)內(nèi)土質(zhì)滑坡最多,共604處,巖質(zhì)滑坡48處,巖土混合滑坡18處,分別占滑坡總量的90.1%、7.2%、2.7%?;驳貙訋r組以碎屑巖組、碳酸鹽巖及變質(zhì)巖組為主。區(qū)內(nèi)以橫向坡和順向坡最多,分別占30.1%和30.0%,其次為逆向坡和順向斜交坡,分別占16.5%和15.1%逆向斜交坡和平緩層狀坡最少。

圖2 典型非連續(xù)變量統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Typical discrete variables Statistical histogram

對(duì)于土質(zhì)滑坡,志留系碎屑巖和武當(dāng)群變質(zhì)巖層位的橫向坡、順向坡、逆向坡和順向斜交坡,可分為8類。對(duì)于巖質(zhì)滑坡,志留系碎屑巖層位和武當(dāng)群變質(zhì)巖層位巖質(zhì)滑坡數(shù)量分布最多,分別占巖質(zhì)滑坡總數(shù)的22.9%和18.8%。研究區(qū)內(nèi)巖質(zhì)滑坡控滑結(jié)構(gòu)面大多為碎屑巖層面和片巖片理面,以順向坡和順向斜交坡更易發(fā)生,故巖質(zhì)滑坡典型孕災(zāi)模式可歸納為4類(圖3)。

圖3 非連續(xù)變量孕災(zāi)模式分析圖Fig.3 Pregnancy pattern analysis diagram of continuous variables

考慮到區(qū)內(nèi)土質(zhì)滑坡中,坡體滑床不同斜坡結(jié)構(gòu)對(duì)上覆土體的穩(wěn)定性影響不大,土體自身的穩(wěn)定性決定了坡體是否孕育災(zāi)害或使原滑坡復(fù)活。而巖質(zhì)滑坡,坡體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面方向?qū)ζ麦w的穩(wěn)定性起到巨大甚至決定性的影響。結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析,以圖4為基礎(chǔ),考慮滑體性質(zhì)和基巖巖性歸納出孕災(zāi)模式A、B,考慮滑體性質(zhì)和斜坡結(jié)構(gòu)歸納出孕災(zāi)模式C、D,分述如下:

孕災(zāi)模式A:碎石土+志留系碎屑巖(根據(jù)不同斜坡結(jié)構(gòu)可細(xì)分為4類);孕災(zāi)模式B:碎石土+武當(dāng)群片巖(根據(jù)不同斜坡結(jié)構(gòu)可細(xì)分為4類);孕災(zāi)模式C:巖質(zhì)+順向坡(根據(jù)滑床巖組可分為2類);孕災(zāi)模式D:巖質(zhì)+順向斜交坡(根據(jù)滑床巖組可分為2類)。

3 連續(xù)變量孕災(zāi)模式識(shí)別

3.1 識(shí)別方法

基于每個(gè)連續(xù)變量的25個(gè)等級(jí)(圖4),每一等級(jí)內(nèi)滑坡發(fā)育的數(shù)量各不相同,可以認(rèn)為每個(gè)變量的不同等級(jí),對(duì)滑坡發(fā)生與否的貢獻(xiàn)不同,即不同等級(jí),對(duì)于滑坡具有不同的敏感度。對(duì)每個(gè)變量的各個(gè)等級(jí)進(jìn)行敏感性分析。

(1)

式中:m——變量編號(hào)(m=1,2,…,10);

n——某變量?jī)?nèi)等級(jí)編號(hào)(n=A,B,…,Y);

am——具有變量m的已統(tǒng)計(jì)滑坡總數(shù);

d0——網(wǎng)格圖總面積。

圖4 連續(xù)變量分級(jí)示意圖Fig.4 Classification diagram of discontinuous variables

計(jì)算單一變量各等級(jí)敏感性系數(shù),并通過ArcGIS的平面分析功能,對(duì)每個(gè)等級(jí)(編號(hào)為A~Y的25個(gè)條帶)賦敏感性系數(shù)值,后將其按照自然斷點(diǎn)法分成不同等級(jí),并以縱坐標(biāo)為敏感性系數(shù)繪制敏感性系數(shù)與各等級(jí)的關(guān)系曲線見圖5。根據(jù)10個(gè)連續(xù)變量的敏感性分析結(jié)果,疊加其敏感性系數(shù),獲得總敏感性系數(shù)分布,進(jìn)而識(shí)別連續(xù)變量孕災(zāi)模式。

3.2 單一連續(xù)變量敏感性分析

連續(xù)變量共10個(gè),有前緣高程、后緣高程、巖層傾向、巖層傾角、滑坡長(zhǎng)度、寬度、面積、體積、總體坡度和主滑方向。分別編號(hào)為L(zhǎng)1、L2、…、L10。

滑坡分布的高程有滑坡前緣高程和滑坡后緣高程。統(tǒng)計(jì)滑坡高程分布數(shù)據(jù),將前緣、后緣高程均劃分為0~65 m、65~130 m、…、1 560~1 625 m的25個(gè)等級(jí)。

滑坡分布的滑床,巖層傾向0°~360°均有分布,因此將巖層傾向劃分為0°~14.4°、14.4°~28.8°、…、345.6°~360°的25個(gè)等級(jí)。將巖層傾角劃分為0°~3.6°、3.6°~7.2°、…、86.4°~90°的25個(gè)等級(jí)。

滑坡發(fā)育規(guī)模中,將滑坡長(zhǎng)度劃分為0~35 m、35~70 m、…、840~875 m的25個(gè)等級(jí),將滑坡寬度劃分為0~30 m、30~60 m、…、720~750 m的25個(gè)等級(jí)。對(duì)于滑坡面積,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),面積小于等于2.5×104m2的滑坡數(shù)量為557處,占總數(shù)的83.1%,因此,將面積在2.5×104m2以內(nèi)的滑坡作為孕災(zāi)模式識(shí)別的對(duì)象,并將滑坡面積劃分為0~0.1 m2、0.1~0.2 m2、…、2.4~2.5 m2的25個(gè)等級(jí)。對(duì)于滑坡體積,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),小型滑坡數(shù)量為506處,占總數(shù)的75.8%,因此,將面積在1.0×105m3以內(nèi)的小型滑坡作為孕災(zāi)模式識(shí)別的對(duì)象,并將滑坡面積劃分為0°~0.4 m2、0.4°~0.8 m2、…、9.6~10.0 m2的25個(gè)等級(jí)。

滑坡發(fā)育形態(tài)中,將滑坡總體坡度劃分為0°~3.6°、3.6°~7.2°、…、86.4°~90°的25個(gè)等級(jí),將滑坡主滑方向劃分為0°~14.4°、14.4°~28.8°、…、345.6°~360°的25個(gè)等級(jí)。

將以上單一連續(xù)變量分為25個(gè)等級(jí)后,分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)等級(jí)中滑坡的數(shù)量,利用式(1)進(jìn)行敏感性分析,獲得單一變量敏感性分析結(jié)果(圖5(a)~(f))。根據(jù)敏感性分析結(jié)果,對(duì)于滑坡前緣高程,B~K區(qū)間敏感性系數(shù)最高;對(duì)于滑坡后緣高程,C、E、F、H、J區(qū)間敏感性系數(shù)最高;對(duì)于滑坡發(fā)育巖層傾向,B、C區(qū)間敏感性系數(shù)最高;對(duì)于滑坡發(fā)育巖層傾角,E~J和L區(qū)間敏感性系數(shù)最高;對(duì)于滑坡發(fā)育長(zhǎng)度,A~C區(qū)間敏感性系數(shù)最高;對(duì)于滑坡發(fā)育寬度,A~D區(qū)間敏感性系數(shù)最高;對(duì)于滑坡發(fā)育面積,A~C區(qū)間敏感性系數(shù)最高;對(duì)于滑坡發(fā)育體積,A~C區(qū)間敏感性系數(shù)最高;對(duì)于滑坡發(fā)育總體坡度,E~J區(qū)間敏感性系數(shù)最高;對(duì)于滑坡主滑方向,B、C、E、G、U區(qū)間敏感性系數(shù)最高。敏感性系數(shù)高,說明區(qū)間內(nèi)滑坡發(fā)育水平高于其他區(qū)間滑坡發(fā)育水平。

3.3 連續(xù)變量孕災(zāi)模式識(shí)別

基于以上10個(gè)連續(xù)變量,對(duì)其進(jìn)行連續(xù)變量孕災(zāi)模式識(shí)別??紤]到10個(gè)變量之間可能存在的相關(guān)性,合適選擇變量,可以提高識(shí)別過程的可靠性。對(duì)于滑坡發(fā)育規(guī)模,選擇一個(gè)滑坡發(fā)育體積;對(duì)于滑坡形態(tài),選擇總體坡度和主滑方向;對(duì)于滑坡發(fā)育高程,僅選擇前緣高程;對(duì)于滑床,選擇巖層傾向和傾角。共選取6個(gè)獨(dú)立變量:滑坡發(fā)育體積、滑坡發(fā)育總體坡度、滑坡主滑方向、滑坡前緣高程、滑坡發(fā)育地層傾向、滑坡發(fā)育地層傾角,變量編號(hào)分別為L(zhǎng)1、L3、L4、L8、L9、L10。

圖5 連續(xù)變量敏感性分析結(jié)果圖Fig.5 Sensitivity analysis result of continuous variables

通過6個(gè)變量敏感性系數(shù)疊加,得到連續(xù)變量敏感性累計(jì)分析結(jié)果,見圖5(k)。疊加后,E~G的三個(gè)區(qū)間是敏感性系數(shù)最高區(qū)間,其次為其前側(cè)的B~D三個(gè)區(qū)間和后側(cè)的H~J三個(gè)區(qū)間。結(jié)合10個(gè)單一變量的獨(dú)立分析,已知已選的6個(gè)變量中,L3、L10兩個(gè)變量敏感性系數(shù)相對(duì)平均,圖5(c)和(j)中敏感性系數(shù)曲線波動(dòng)相對(duì)其他變量也更小。因此,在0°~360°的各個(gè)方向上,滑坡主滑方向并未在某些區(qū)間明顯集中,相對(duì)分散,同樣滑坡發(fā)育地層的巖層傾向,在0~360°的各個(gè)方向上并未在某些區(qū)間明顯集中,相對(duì)分散。

以上分析,說明L1、L4、L8、L9四個(gè)變量是控制連續(xù)變量孕災(zāi)模式的關(guān)鍵變量,分別為滑坡發(fā)育體積、滑坡發(fā)育整體坡度、滑坡前緣高程、滑坡發(fā)育地層傾角。四個(gè)變量的E~G區(qū)間與實(shí)際變量值對(duì)照見表2。

表2 連續(xù)變量孕災(zāi)模式識(shí)別結(jié)果表

由此總結(jié)連續(xù)變量典型孕災(zāi)模式為:研究區(qū)內(nèi),滑坡發(fā)育前緣高程主要集中在平均高程357.5 m的260~455 m高程段,且多為體積1.6~2.8×104m3,平均2.2×104m3的小型滑坡,其剖面上具有整體坡度14.4°~43.2°,平均28.8°的特點(diǎn),發(fā)育巖層傾角16°~28°,平均22°。

4 孕災(zāi)模式綜合識(shí)別

綜合非連續(xù)變量孕災(zāi)模式與連續(xù)變量孕災(zāi)模式,結(jié)合圖4和表2的分析結(jié)果,獲得區(qū)內(nèi)滑坡典型孕災(zāi)模式剖面示意圖(圖6),每種典型模式的基本特征均已表示在圖6中。

圖6中12種典型孕災(zāi)模式,均屬于圖3中基于統(tǒng)計(jì)構(gòu)建的四大類孕災(zāi)模式,其分屬關(guān)系見表3。

表3 孕災(zāi)模式大類與典型孕災(zāi)模式分屬關(guān)系

圖6 研究區(qū)滑坡典型孕災(zāi)模式剖面示意圖Fig.6 Profile diagrams of typical landslide pregnancy patterns in the area

5 結(jié)論

統(tǒng)計(jì)分析鄂西北南保谷三縣的670處滑坡災(zāi)害的分布與發(fā)育特征,通過連續(xù)變量和非連續(xù)變量,綜合識(shí)別區(qū)內(nèi)滑坡孕災(zāi)模式,并得到如下結(jié)論:

(1)區(qū)內(nèi)土質(zhì)滑坡最多,占總數(shù)的90.1%,其次為巖質(zhì)滑坡,巖土混合滑坡最少?;掳l(fā)育滑床,巖層傾向分布和傾角分布在區(qū)內(nèi)較平均,斜坡結(jié)構(gòu)以順向坡、橫向坡居多,其次為逆向坡和順向斜交坡。碎屑巖組地層中滑坡發(fā)育最多。

(2)基于3個(gè)非連續(xù)變量(滑體性質(zhì)、地層巖性、斜坡結(jié)構(gòu)),識(shí)別了區(qū)內(nèi)12種、四大類孕災(zāi)模式分別為:孕災(zāi)模式A(土質(zhì)+基巖為志留系碎屑巖)、孕災(zāi)模式B(土質(zhì)+基巖為武當(dāng)群片巖)、孕災(zāi)模式C(巖質(zhì)+順向坡)、孕災(zāi)模式D(巖質(zhì)+順向斜交坡)。

(3)基于10個(gè)連續(xù)變量及其敏感性分析,構(gòu)建區(qū)內(nèi)連續(xù)變量孕災(zāi)模式為:研究區(qū)內(nèi),滑坡發(fā)育前緣高程主要集中在平均高程357.5 m的260~455 m高程段,且多為體積1.6~2.8×104m3,平均2.2×104m3的小型滑坡,其剖面上具有整體坡度14.4°~43.2°,平均28.8°的特點(diǎn),發(fā)育巖層傾角16°~28°,平均22°。

(4)綜合考慮非連續(xù)變量及連續(xù)變量,完成綜合孕災(zāi)模式識(shí)別,最終獲得區(qū)內(nèi)滑坡的12種典型孕災(zāi)模式,其中土質(zhì)滑坡8類,巖質(zhì)滑坡4類,分屬四大類孕災(zāi)模式。孕災(zāi)模式研究結(jié)果為鄂西北地區(qū)滑坡發(fā)育特征和孕災(zāi)機(jī)理提供一定參考。

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