王 兵， 姜祝強， 李祖春， 柴 波， 施星宇

(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 武漢 430051； 2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430050；3.中國地質(zhì)大學(武漢) 環(huán)境學院,湖北 武漢 430074)

目前,國內(nèi)外對于滑坡或其它類型的地質(zhì)災害風險管理體系的研究已有不少成果。對于地質(zhì)災害的重要隱患點進行實地調(diào)查、評價,尤其是重點防治區(qū)和防治重點的地質(zhì)災害隱患點的掌握情況,對其危險性進行評估,以及在此基礎上提出防治對策建議等具有重要意義。早期對于地質(zhì)災害風險研究主要集中在滑坡。20世紀70年代,大量學者對滑坡穩(wěn)定性和危險分區(qū)已作了較為成熟的研究與應用。20世紀90年代以來,地質(zhì)災害風險評價理論在泥石流治理工程、地震防治、單體滑坡災害治理工程以及高陡邊坡穩(wěn)定性等多個領域廣泛應用。以滑坡為例,主要包括概率分析方法[1-4]、數(shù)理統(tǒng)計分析方法[5]和確定性模型分析方法[6]。

從武漢市東湖高新技術開發(fā)區(qū)的地質(zhì)背景和調(diào)查結果看,災害隱患點的變形跡象不明顯,可利用樣本不多,僅僅依靠面上調(diào)查,很難準確圈定真正的災害隱患點,需要圍繞地質(zhì)災害隱患點識別方法開展更為深入的研究。本文基于調(diào)查結果,結合控制斜坡穩(wěn)定性各項參數(shù)的敏感程度,綜合分析各類斜坡結構疊加降雨和人類工程活動后的穩(wěn)定性,建立武漢市東湖高新技術開發(fā)區(qū)地質(zhì)災害隱患點識別模型,并給出描述斜坡穩(wěn)定性的量化參數(shù),該模型可以有效提高地質(zhì)災害識別率,為地質(zhì)災害預防、預警提供借鑒。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地理位置

研究區(qū)位于武漢市東南部,地處東湖、南湖與湯遜湖之間,總面積518.11 km2。研究區(qū)內(nèi)國道G316、國道G70、高新大道、花山大道等城市主干道穿插,形成了橫貫東西、縱通南北的交通主干網(wǎng),公路通達,交通便捷。

1.2 地形地貌

研究區(qū)可劃分為剝蝕低山丘陵區(qū)和剝蝕堆積壟崗平原區(qū),丘陵總體走向為東西向,與平原相間出現(xiàn)。

(1) 剝蝕低山丘陵。主要分布在花山街以南,九峰街以北,關東街以東,豹澥街以北等區(qū)域。山體呈近東西走向分布。其海拔高程約為80～200 m,坡度10°～35°不等。 山體多呈穹形,主要由志留系砂頁巖、泥盆系石英砂巖和二疊系硅質(zhì)巖組成。

(2) 剝蝕堆積壟崗平原。主要分布在關東街、九峰街和豹澥街的剝蝕低山丘陵區(qū)之間。其中有高壟崗傾斜平原,海拔60～90 m,與區(qū)域Ⅳ級階地高程對應，經(jīng)長期地表流水剝蝕,形成壟崗與坳溝起伏相間的地貌形態(tài),相對高差5～15 m；低壟崗傾斜平原,海拔高程25～45 m,對應于區(qū)域Ⅲ級階地高程,相對高差2～10 m。

1.3 地質(zhì)構造與地層巖性

研究區(qū)在中志留系統(tǒng)—中三疊系世,受加里東運動和華力西運動的影響,地殼整體抬升和沉降,發(fā)生了相對頻繁地海進海退,在S2/D3、C1/C2、C2/P1和P1/P2之間形成平行不整合接觸,并沉積了前述的碳酸鹽巖地層。中三疊系世末的印支運動,華北板塊和揚子地塊拼合,秦嶺造山帶形成隆起,也造成了拼接部位揚子地塊形成前陸褶皺帶,在研究區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為一系列走向NWW—SEE的逆沖褶皺帶和斷層,區(qū)內(nèi)可見褶皺南側倒轉(zhuǎn)、北側正常傾斜。燕山晚期,受太平洋板塊的俯沖作用,區(qū)內(nèi)形成一系列NNE向的走滑斷層。

區(qū)內(nèi)基巖出露較少,絕大部分隱伏于第四系地層之下。區(qū)內(nèi)出露的地層主要有：第四系全新統(tǒng)殘坡積層、沖積層、湖積層、洪沖積層、洪泛堆積層；第四系中上更新統(tǒng)風積層、湖沖積層、沖積層；第四系中更新統(tǒng)殘坡積層、沖積層、洪沖積層；第四系下更新統(tǒng)洪沖積層；區(qū)內(nèi)主要巖性特征可分為：新近系廣華寺組泥巖、白堊—古近系公安寨組砂巖,三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r,二疊系中統(tǒng)孤峰組硅質(zhì)巖、頁巖及棲霞組灰?guī)r；石炭系上統(tǒng)黃龍組白云質(zhì)灰?guī)r、石炭系下統(tǒng)高驪山組粘土巖夾砂巖；泥盆系上統(tǒng)黃家磴組石英砂巖夾頁巖及云臺觀組石英砂巖,志留系中統(tǒng)墳頭組泥巖、泥質(zhì)砂巖等。

1.4 氣象水文

研究區(qū)屬亞熱帶季風性濕潤氣候,有雨量充沛、日照充足、夏季酷熱、冬季寒冷的特點。年平均氣溫15.9～17.9 ℃,極端最高氣溫39.6 ℃,極端最低氣溫-12.8 ℃。年總降水量889.2～1 862.6 mm,多年平均降雨量為1 253 mm,四季分配不均,春季445.3 mm,夏季529.4 mm,秋季215.1 mm,冬季158.7 mm。年最大降雨量2 005.8 mm,極端日降雨量248.3 mm。降雨時間集中在4—8月份,7月份為降雨峰值期,也是地質(zhì)災害最容易發(fā)生的月份。

2 研究區(qū)斜坡穩(wěn)定性影響因素

研究區(qū)斜坡結構和誘發(fā)因素相對簡單,影響斜坡穩(wěn)定性的內(nèi)在因素主要為地形地貌、巖土結構和地質(zhì)構造,外部觸發(fā)因素主要為降雨和人類工程活動。

(1) 地形地貌。良好的臨空條件是斜坡失穩(wěn)的主要必備條件[7],研究區(qū)的斜坡主要分布在低山丘陵區(qū),總體上,臨空條件一般。臨空條件可通過坡度、坡形和高差來表達。從大量實踐經(jīng)驗看,在其他地質(zhì)條件一致的情況下,坡度越大、高差越大，災害體臨空條件越好。坡度和高差不僅影響斜坡坡體的應力狀態(tài),而且對滑坡規(guī)模、地表水徑流等起著重要的控制作用[8]。研究區(qū)內(nèi)天然邊坡由于坡度較小,大部分較為穩(wěn)定,但局部地段存在陡坡,道路和城市建設的挖方區(qū)往往削坡后形成陡坡。斜坡剖面形態(tài)可分為凸形、直線形與凹形3類,其中凸形坡臨空條件好,在坡腳和坡肩應力集中現(xiàn)象明顯,斜坡穩(wěn)定性差；凹形坡則有利于斜坡穩(wěn)定。調(diào)查發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)直線形和凸形坡較少,凹形坡數(shù)量最多。

(2) 巖土結構。自然斜坡由覆蓋土層、風化層和新鮮基巖組成,覆蓋層和風化層厚度大,新鮮基巖相對完整時,降雨容易在覆蓋層和風化層內(nèi)部形成強徑流飽水帶,此時,容易發(fā)生覆蓋層的滑動。

(3) 地質(zhì)構造。地質(zhì)構造是巖質(zhì)滑坡滑動的主要影響因素,本區(qū)巖質(zhì)滑坡主要沿層面或者大型節(jié)理面滑動,因此,結構面或組合交線的傾向與坡向相同,相對貫通的結構面是影響此類滑坡的主要構造因素。

(4) 降雨。研究區(qū)年平均降雨量達709 mm,且主要集中在7—9月,研究區(qū)滑坡災害與暴雨有密切關系。

(5) 人類工程活動。研究區(qū)內(nèi)人類工程活動的影響主要體現(xiàn)在高新區(qū)發(fā)展過程中開挖斜坡和人工堆土,前者改變坡體形態(tài)，后者制造災害源。此外,局部地段存在破壞地表植被的活動,改變了斜坡覆蓋性質(zhì),加大了降雨入滲。

3 基于正交試驗的斜坡穩(wěn)定性影響因素敏感性分析

根據(jù)前述斜坡穩(wěn)定性的影響因素,主要考慮地形地貌和巖土結構兩個因素的影響。

區(qū)內(nèi)剝蝕低山丘陵區(qū)斜坡坡度分布在0°～30°,調(diào)查災害點的坡度均在15°以上,為此,考慮不穩(wěn)定斜坡坡度范圍為15°～30°,按照5°進行等間距設計。斜坡縱剖面形態(tài)劃分為凹形、直線形和凸形3類。

野外調(diào)查剖面顯示,地表土層厚度0～1 m,按照0.3 m、0.6 m和1.0 m將覆蓋土分為薄、中和厚3個等級。由于地面調(diào)查難以全面獲取風化層厚度,此處以開挖邊坡風化層厚度的均值作為斜坡結構的基準值。在丘陵間的壟崗、谷地普遍分布有紅粘土,紅粘土滲透性低,斜坡覆蓋土層在坡腳處覆蓋在紅粘土層之上,阻礙地下水徑流,容易形成局部的溢出帶。部分區(qū)域,紅粘土層不同程度地遭受侵蝕,為此,在分析時要考慮坡腳是否存在紅粘土層。

綜上所述,在分析斜坡水文過程時,應考慮坡角、剖面坡形、巖土層結構(厚度依次為：表層粘性土、碎石土、全風化層、強風化層)和是否有紅粘土層4個方面的影響因素(表1),通過影響因素正交試驗可建立典型斜坡體。

表1 斜坡水文過程分析的影響因素及設計值Table 1 Influencing factors and design values of slope hydrologic process analysis

利用SPSS軟件進行正交試驗組的生成,共生成16組正交試驗,具體參數(shù)及組合見表2。

表2 正交試驗分組設計表Table 2 Design table of orthogonal test grouping

(1) 非飽和模型敏感性分析。利用Slope/W模塊求取各項在飽和、非飽和狀態(tài)下的穩(wěn)定性系數(shù),其結果如表3。

表3 正交試驗穩(wěn)定性統(tǒng)計表Table 3 Stability statistics of Orthogonal test

SPSS分析同一暴雨過程斜坡穩(wěn)定性與斜坡結構參數(shù)之間的關聯(lián)性,計算結果見表4。表中各列的意義分別是方差來源(源)、平方和(Ⅲ型平方和)、自由度(df)、均方差(均方)、方差檢驗量(F值)及顯著值(Sig)。顯著性越小代表敏感性越高,斜坡結構對其穩(wěn)定性的影響程度依次為：坡度>坡形>覆蓋層厚度>有無紅粘土。有關紅粘土的Sig顯著值過大,無統(tǒng)計學上的顯著意義。

表4 斜坡穩(wěn)定性與斜坡結構方差分析表Table 4 Analysis table of landslide stability and slope structure variance

(2) 無限斜坡模型敏感性分析。無限斜坡模型中穩(wěn)定性影響因素主要與坡角、覆蓋層厚度、重度、抗剪強度和水位高度有關。本文主要考慮微地貌的條件,故設置一樣的力學指標,考慮降雨后飽和條件下坡角與覆蓋層厚度的敏感性。

表5 無限斜坡穩(wěn)定性與計算參數(shù)方差分析表Table 5 Analysis table of variance of infinite slope stability and calculated parameters

由表5可以看出,覆蓋層厚度與坡度的顯著性均為0,可見二者敏感性都很高,尤其是坡度,其平方和達到了0.832,具有極其顯著的統(tǒng)計學意義。

上述兩種方法,在一定程度上可以相互印證,坡度為斜坡穩(wěn)定性最為敏感的因素,坡形以及覆蓋層厚度對于斜坡穩(wěn)定性的敏感性都較高。

4 考慮微地貌和降雨過程的斜坡隱患點識別模型及判別標準

4.1 斜坡單元

對重點區(qū)采用基于斜坡的不規(guī)則單元作為評價基本單元,首先依據(jù)地形線,以山溝線、山脊線為斜坡單元邊界,保證一個單元內(nèi)不跨越兩個不同的地貌單元,所劃分網(wǎng)格具有明確的地質(zhì)意義,構成獨立斜坡巖體結構(圖1)。此外,采用斜坡單元和規(guī)則柵格的疊加獲取斜坡屬性,斜坡單元建立后,一個斜坡單元內(nèi)部有若干個記錄著斜坡坡度、坡向、高程、巖性等屬性的柵格,采用平均或極值獲得單元的屬性數(shù)據(jù)(圖2)。

圖1 斜坡單元劃分規(guī)則圖
Fig.1 Division graph of slope unit

1.等高線；2.依山脊山谷劃分(1)；3.依坡度劃分(2)；4.依坡向劃分(3)。

圖2 斜坡單元與柵格單元混合求解屬性圖
Fig.2 Mixed attributed graph of slope element and grid element

4.2 易發(fā)性指標評價體系

由于方法的局限性,部分影響因素在上述敏感性分析中不能體現(xiàn),但是對于研究區(qū)斜坡穩(wěn)定性具有重要的意義,包括曲率、坡向、植被覆蓋、公路等,綜合前述敏感性分析結果,結合區(qū)內(nèi)已有地質(zhì)災害的定性分析,確定各參數(shù)影響斜坡穩(wěn)定性的權重。按照1～9的標度確定各影響因素的分值,詳見表6。

表6 斜坡穩(wěn)定性影響因素分值及權值表Table 6 Slope stability factors score and weight table

將典型斜坡按照表6的分值和權重,按照簡單的加權指數(shù)計算,得到斜坡綜合指數(shù)。根據(jù)不同重現(xiàn)期暴雨條件下斜坡的破壞概率,可以計算斜坡的年破壞概率(表7)。繼而,繪制斜坡綜合指數(shù)與破壞概率關系圖(圖3)，反映了斜坡在暴雨條件下,斜坡綜合指數(shù)和破壞概率、年概率的關系。

表7 典型斜坡綜合指數(shù)及破壞概率Table 7 Typical slope composite index and failure probability

圖3 斜坡綜合指數(shù)與破壞概率關系圖
Fig.3 Graph of slope composite index and failure probability

當綜合分值<3時,斜坡破壞概率接近0,不容易發(fā)生失穩(wěn)；當綜合指數(shù)為3～4時,暴雨條件下的破壞概率為0～0.3,所對應的年概率為0～0.035；當綜合指數(shù)為4～5時,暴雨條件下的破壞概率為0.1～0.7,所對應的年概率為0.035～0.09；當綜合指數(shù)為5～6時,暴雨條件下的破壞概率為0.4～1.0,所對應的年概率為0.09～0.18；同時,推演當綜合指數(shù)為6～7時,暴雨條件下的破壞概率為0.6～1.0,所對應的年概率為0.18～0.24；當綜合指數(shù)為7～8時,暴雨條件下的破壞概率為0.8～1.0,所對應的年概率為0.24～0.30；當綜合指數(shù)為8～9時,暴雨條件下的破壞概率為0.9～1.0,所對應的年概率為0.30～0.35。

5 評價方法及結果

采用綜合指數(shù)法計算斜坡單元i的綜合指數(shù)SIi,即：

(1)

式中：Sij為斜坡單元i中第j個影響因子的分值；Ij為第j個影響因子的權值。

在ArcGIS中計算得到所有單元的綜合指數(shù),按照自然斷點進行分類,得到斜坡單元的易發(fā)性分級后的結果圖(圖4)。

圖4 重點區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)圖
Fig.4 Regional map of geological disaster susceptibility in key areas

1.極低易發(fā)區(qū)；2.低易發(fā)區(qū)；3.中易發(fā)區(qū)；4.高易發(fā)區(qū)；5.極高易發(fā)區(qū)；6.地質(zhì)災害點。

極高易發(fā)區(qū)的共10個斜坡單元,占比2%；高易發(fā)區(qū)的,共117個斜坡單元,占比13%,高易發(fā)區(qū)、較高易發(fā)區(qū)多與已發(fā)生災點契合,零星分布在重點區(qū)坡度大及公路切坡處。區(qū)內(nèi)中等、低和極低易發(fā)區(qū)占比分別為24%、31%和30%,中易發(fā)區(qū)在重點區(qū)西南部小范圍集中出現(xiàn)。

6 結論及建議

(1) 研究區(qū)內(nèi)主要斜坡類型為自然斜坡、填土邊坡和挖方邊坡。自然斜坡自上而下由表層粘性土、碎石土、全、強和弱風化層組成。按照滑坡物質(zhì)和滑動面的形態(tài)特征,斜坡破壞模式可歸納為三類：堆積層平面滑動、堆積層圓弧滑動和巖體平面滑動。

(2) 斜坡結構對其穩(wěn)定性的影響程度依次為：坡度>坡形>覆蓋層厚度>有無紅粘土。

(3) 坡角<15°的緩坡,暴雨條件破壞概率基本為0。隨著斜坡變陡,其破壞概率增加,當斜坡坡角達到30°時,任何重現(xiàn)期的降雨量其破壞概率均>0.1。在凸形坡和直線型斜坡,其破壞概率達0.8以上。

(4) 考慮斜坡的坡度、坡向、曲率、植被覆蓋、坡形、土厚和人工切坡7項指標,計算斜坡綜合指數(shù),通過綜合指數(shù)和年概率識別地質(zhì)災害隱患點,標準為：綜合分值<3,斜坡破壞概率接近0；綜合指數(shù)為3～4,暴雨條件的破壞概率為0～0.3,年概率為0～0.035；綜合指數(shù)為4～5,暴雨條件的破壞概率為0.1～0.7,年概率為0.035～0.09；綜合指數(shù)為5～6,暴雨條件的破壞概率為0.4～1.0,年概率為0.09～0.18；綜合指數(shù)為6～7,暴雨條件的破壞概率為0.6～1.0,年概率為0.18～0.24；綜合指數(shù)為7～8,暴雨條件的破壞概率為0.8～1.0,年概率為0.24～0.30；綜合指數(shù)為8～9時,暴雨條件的破壞概率為0.9～1.0,年概率為0.30～0.35。