李 科
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)
滑坡地質(zhì)災(zāi)害是目前危害較為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一,降雨帶來的滑坡災(zāi)害不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失,甚至?xí)?duì)人們的生命安全造成威脅,嚴(yán)重地影響了人類社會(huì)的發(fā)展[1]。根據(jù)目前自然災(zāi)害國(guó)際數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,從20世紀(jì)初到現(xiàn)在,滑坡地質(zhì)災(zāi)害不僅造成了近百億美元的財(cái)產(chǎn)損失,還有約6萬人死于滑坡地質(zhì)災(zāi)害[2]。由此可見,如何防止滑坡地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)急需解決的重點(diǎn)問題,也是各國(guó)學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)課題。只有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地質(zhì)環(huán)境的變化,獲取造成滑坡地形地質(zhì)災(zāi)害的主要成因,從而有效降低滑坡地質(zhì)災(zāi)害帶來的傷害。但由于滑坡地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性和破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)[3],對(duì)其的預(yù)測(cè)和預(yù)防對(duì)人類來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
國(guó)內(nèi)研究人員構(gòu)建了一種基于降雨強(qiáng)度的滑坡預(yù)測(cè)模型,并對(duì)滑坡數(shù)量與降雨因子的關(guān)系進(jìn)行研究與分析,將湖南省張家界市作為研究區(qū),并調(diào)取該地區(qū)近30年的降雨與滑坡數(shù)據(jù),確定該區(qū)域的降雨量的衰減函數(shù),同時(shí)對(duì)該地區(qū)的歷史滑坡地區(qū)進(jìn)行調(diào)取,獲取有效的降雨強(qiáng)度對(duì)滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害的影響。通過統(tǒng)計(jì)滑坡的規(guī)模和坡度分析降雨量對(duì)其的影響,確定在不同降雨強(qiáng)度下,造成的降雨滑坡地質(zhì)變形災(zāi)害的概率,并獲取降雨強(qiáng)度的閾值,構(gòu)建降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害的等級(jí)劃分。研究結(jié)果表明,該模型對(duì)于低級(jí)別滑坡地質(zhì)災(zāi)害具有較高的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度,高級(jí)別的滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足[4],影響預(yù)測(cè)效果。還有研究人員提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的降雨滑坡變形地質(zhì)預(yù)測(cè)模型,以GPS預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ),對(duì)大溝滑坡的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分時(shí)段監(jiān)測(cè),并根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)降雨滑坡變形地質(zhì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行構(gòu)建,然后利用小波分析,對(duì)該模型內(nèi)的不同降雨量下的降雨滑坡變形地質(zhì)預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比與分析,結(jié)果表明,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的降雨滑坡變形地質(zhì)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度更高,但是無法預(yù)測(cè)Ⅲ級(jí)滑坡地質(zhì)災(zāi)害[5]。還有學(xué)者以老屋基滑坡為例,對(duì)其動(dòng)力破壞模式進(jìn)行了研究,對(duì)周期分量的預(yù)測(cè)結(jié)果表明,LSTM的性能具有良好的動(dòng)態(tài)特性。與傳統(tǒng)的力學(xué)模型相比,混合模型更能預(yù)測(cè)由多因素觸發(fā)的滑坡位移,但是預(yù)測(cè)精度較低,實(shí)際預(yù)測(cè)效果不佳[6]。
基于以上研究背景,本文設(shè)計(jì)一種滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)方法,從而提高預(yù)測(cè)效果,盡可能降低滑坡地質(zhì)災(zāi)害帶來的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。
影響土巖接觸帶降雨滑坡變形的因素主要有3方面:①土巖接觸帶巖土的強(qiáng)度,當(dāng)滑坡內(nèi)巖土的性質(zhì)發(fā)生改變時(shí),會(huì)造成滑坡地質(zhì)變形,滑坡體失去平衡最終造成滑坡地質(zhì)損害[7]。②外部的作用力影響,當(dāng)土巖接觸帶遇到較強(qiáng)的降雨量時(shí),自然地質(zhì)會(huì)由強(qiáng)變?nèi)?,造成滑坡的穩(wěn)定性遭到破壞。當(dāng)受到外界因素影響時(shí),土巖接觸帶的滑坡地質(zhì)會(huì)產(chǎn)生變形,從而形成較為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境,最終承受不住外力的影響導(dǎo)致滑坡地質(zhì)危害的發(fā)生。③外部因素作用的影響過程。根據(jù)上述3方面的影響,可以分析出影響土巖接觸帶降雨滑坡變形的基本因素和觸發(fā)因素[8],影響土巖接觸帶降雨滑坡變形穩(wěn)定性的基本因素如下。
(1)坡度。坡度決定了土巖接觸帶降雨滑坡變形的形式,坡度對(duì)土巖接觸帶滑坡的發(fā)生具有一定的影響,它與斜坡的穩(wěn)定機(jī)制具有一定的聯(lián)系,并形成線性關(guān)系,坡度的大小與滑坡的發(fā)生有很大的聯(lián)系。
(2)坡高。坡高對(duì)土巖帶滑坡也有一定的影響,滑坡的發(fā)生概率受坡度的傾斜率影響,當(dāng)坡度越高斜坡率越大時(shí),下滑力就越大。利用網(wǎng)格評(píng)價(jià)方法對(duì)坡高帶來的滑坡現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)[9],獲取相互的聯(lián)系與規(guī)律。
(3)構(gòu)造。土巖接觸帶的構(gòu)造決定了降雨滑坡變形地質(zhì)的完成性,褶皺會(huì)引起土巖接觸帶的巖層發(fā)生相對(duì)變化,最終導(dǎo)致構(gòu)造活動(dòng)巖體內(nèi)部的地應(yīng)力發(fā)生改變,構(gòu)造的影響是不可忽視的。
(4)河流地質(zhì)作用。河流地質(zhì)影響會(huì)對(duì)土巖接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)造成影響,河流會(huì)對(duì)滑坡起到?jīng)_刷作用,削減了前緣的抗力體,增大了臨面的空間,最終破壞了滑坡的穩(wěn)定性,導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的發(fā)生。
(5)植被覆蓋率。植被覆蓋率越高,土巖接觸帶滑坡的穩(wěn)定性就越高,因?yàn)橹脖坏母鶗?huì)增加滑坡的土質(zhì)的穩(wěn)定性,可以減少其他因素對(duì)于滑坡表面的破壞,減緩降雨的水流的速度,降低下滲速度。
影響土巖接觸帶滑坡變形地質(zhì)穩(wěn)定性的觸發(fā)因素主要包括降雨、地震和人為活動(dòng)影響[10],具體影響如下。
(1)降雨。降雨是造成地質(zhì)變形滑坡地質(zhì)災(zāi)害的主要因素。大多數(shù)的滑坡災(zāi)害都是因?yàn)楸┯暝斐傻?,也可以說是地下水的間接作用造成的滑坡災(zāi)害。當(dāng)降雨量達(dá)到一定基數(shù)時(shí),坡體會(huì)出現(xiàn)下滲的情況,除了坡體本身受到地下水增多的影響,坡體內(nèi)的孔隙也會(huì)發(fā)生劇烈的變化,從而導(dǎo)致土巖接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)的穩(wěn)定性降低。一般在研究的過程中,通過對(duì)日最大降雨量和3 d內(nèi)最大降雨量進(jìn)行分析[11],獲取年降雨量和降雨強(qiáng)度與滑坡之間的關(guān)系。
(2)地震。地震也是影響降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害的一個(gè)原因,地震會(huì)造成大面積的山體滑坡,與暴雨相比災(zāi)害面積更大。利用烈度表示地震的強(qiáng)度大小,進(jìn)而對(duì)滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。
(3)人類活動(dòng)。人為影響對(duì)環(huán)境造成很大破壞,其改造強(qiáng)度和頻率的增大對(duì)滑坡的穩(wěn)定性帶來很大的影響,如修路、開礦等都會(huì)影響滑坡的穩(wěn)定性。
以上從基本因素和觸發(fā)因素2方面,分析了影響土巖接觸帶降雨滑坡變形的因素。
基于以上原因,利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù),對(duì)滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?;伦冃蔚刭|(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。
圖1 滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Flow chart of landslide deformation geological hazard monitoring data processing
對(duì)滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理,不考慮人為因素對(duì)其的影響[12],對(duì)滑坡周圍地區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),將監(jiān)測(cè)誤差降到最低。目前,滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理主要依賴于無線傳輸技術(shù),相對(duì)技術(shù)較為成熟。
通過數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)過程數(shù)據(jù)的處理,但是面對(duì)海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),如何快速提取關(guān)鍵信息的技術(shù)還未成熟。究其根本:①地質(zhì)災(zāi)害的影響因素多種多樣,造成滑坡災(zāi)害的各因素又存在錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系,主控因子的確定對(duì)于目前的技術(shù)來說較為困難;②滑坡線性地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生不是突發(fā)性的,而是有一個(gè)孕育的過程,對(duì)整個(gè)過程的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)復(fù)雜且困難[13]。通過對(duì)土巖接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并利用智能技術(shù)對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理與分析[14],獲取滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害演化特征的監(jiān)測(cè)曲線,并且不需要人工操作,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害曲線的高效繪制,實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡地形地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理。
在預(yù)測(cè)土巖接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)的過程中,需要設(shè)定模型的相關(guān)參數(shù),選取不同的監(jiān)測(cè)信號(hào)[15]。不同的滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害特征中含有不同的特征因子,將Ii設(shè)為輸入信號(hào),另外將Mi設(shè)置為節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,將vi設(shè)置為學(xué)習(xí)速率。根據(jù)上述參數(shù)提升模型的精準(zhǔn)度和實(shí)用性[16],利用式(1)進(jìn)行計(jì)算:
Ki(x)=Ii(x)Mi(x)+vi(x)
(1)
受不可抗因素的影響,滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)模型的監(jiān)測(cè)曲線會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng),無法獲取真實(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律[17]。需要利用平滑方法去除影響準(zhǔn)確性的數(shù)據(jù),具體計(jì)算公式如下:
(2)
其中,ζi為滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害在gi點(diǎn)的平滑值。
利用線性函數(shù),對(duì)土巖接觸地帶降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理[18],則:
(3)
式中,xmax為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)據(jù)量;xmin為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的最小數(shù)據(jù)量值。
滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)方法的誤差平方和用式(4)計(jì)算:
(4)
式中,Ej為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)預(yù)測(cè)值;Sj為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際值;ωi為降雨滑坡變形的災(zāi)害權(quán)重。
GIS技術(shù)以地理空間為基礎(chǔ),采用地理模型分析方法,實(shí)時(shí)提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息,是一種為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)[19-20]。本文方法結(jié)合GIS技術(shù),構(gòu)建滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)模型,對(duì)區(qū)域土巖接觸帶滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè),通過GIS系統(tǒng)采集研究區(qū)域滑坡地質(zhì)環(huán)境基本數(shù)據(jù),比如該區(qū)域坡度、坡高等數(shù)據(jù);提取滑坡堆積物和巖體數(shù)據(jù)信息,對(duì)地理環(huán)境的圖形信息進(jìn)行矢量化單元柵格劃分,確定影響預(yù)測(cè)結(jié)果的因素,在實(shí)現(xiàn)土巖接觸帶降雨滑坡綜合信息管理的同時(shí),還能夠?qū)ρ芯繀^(qū)域的土巖接觸帶滑坡災(zāi)害進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)流程如圖2所示。
圖2 基于GIS技術(shù)的護(hù)坡災(zāi)害預(yù)測(cè)流程Fig.2 Slope protection disaster prediction process based on GIS technology
為了驗(yàn)證本文提出的土巖接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)效果,本文以某一地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)為研究區(qū)域。該區(qū)域位于陜西省東南部,北依秦嶺,南靠巴山,漢水橫貫東西。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨冬季溫暖干燥,四季較為分明,年均溫度在13~22 ℃。研究區(qū)域面積為140 km2左右,區(qū)域內(nèi)有2條流域面積均為1 000 km2以下小河流,植被覆蓋率約65%。該區(qū)域近10年未發(fā)生過3級(jí)以上的地震,也未出現(xiàn)大規(guī)模采礦與修路活動(dòng)。但該區(qū)域經(jīng)常發(fā)生持續(xù)性的大暴雨,降雨主要集中在夏季(7—9月),年平均降雨量高達(dá)720 mm。豐富的降雨量使得該區(qū)域頻繁發(fā)生降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害。結(jié)合GIS遙感影像獲取數(shù)據(jù)得知,該研究區(qū)域出現(xiàn)滑坡位置約有180處,其中基巖滑坡與蠕動(dòng)型滑坡居多。研究區(qū)域處于復(fù)向斜北東段近軸部,主要坡度在10°~45°,坡高45~585 m,褶皺的走向?yàn)楸睎|,在形態(tài)上呈現(xiàn)出背斜緊閉、向斜寬闊的隔擋式梳狀褶皺構(gòu)造。研究區(qū)域土巖接觸帶構(gòu)造如圖3所示,研究區(qū)域附近山體滑坡航拍影像如圖4所示。
圖3 研究區(qū)土巖接觸帶構(gòu)造Fig.3 Structure of soil rock contact zone in the study area
圖4 研究區(qū)域附近山體滑坡航拍影像Fig.4 Aerial images of landslides near the study area
根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H地質(zhì)情況,對(duì)影響滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)結(jié)果的地形條件進(jìn)行分析。該區(qū)域土巖接觸帶坡度空間共計(jì)5個(gè)區(qū)間:包括0°~10°、11°~20°、21°~30°、31°~40°和41°~45°。根據(jù)不同土巖接觸帶坡度區(qū)間的變化,分析對(duì)滑坡發(fā)生比例和信息量的影響。分析結(jié)果如圖5所示。
圖5 坡度區(qū)間變化對(duì)滑坡發(fā)生比例和信息量的影響分析Fig.5 Impact analysis of slope interval change on landslide occurrence proportion and information volume
通過圖5可以看出,該研究區(qū)域在11°~20°、21°~30°這2個(gè)坡度區(qū)間發(fā)生滑坡災(zāi)害的比例較高,并且在此區(qū)間內(nèi)包含的信息量也較大,能夠?qū)ν翈r接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)提供更多的信息。
將該研究區(qū)域土巖接觸帶坡高區(qū)間劃分為11個(gè)部分:0~45 m、46~90 m、91~135 m、136~180 m、181~225 m、226~270 m、271~315 m、316~360 m、361~405 m、406~450 m和451~500 m。根據(jù)不同土巖接觸帶坡高區(qū)間的變化,分析對(duì)滑坡發(fā)生比例和信息量的影響。為了方便繪制,將以上11個(gè)土巖接觸帶坡高區(qū)間按照順序由a—k來表示。分析結(jié)果如圖6所示。
圖6 坡高區(qū)間變化對(duì)滑坡發(fā)生比例和信息量的影響分析Fig.6 Analysis of influence of inter regional variation of slope height on landslide occurrence proportion and information content
通過圖6可以看出,在該研究區(qū)域坡高45~450 m,滑坡災(zāi)害發(fā)生的比例較大,同時(shí)信息量也較多。說明在此坡度區(qū)間內(nèi),能夠有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)土巖接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)。
分析研究區(qū)域近10 d內(nèi)的降雨數(shù)據(jù),并將此數(shù)據(jù)設(shè)置為滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害的分析對(duì)象,預(yù)測(cè)研究區(qū)的滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況。降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)的樣本數(shù)據(jù)見表1。
表1 實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental sample data
將該研究區(qū)域平均日蒸發(fā)量 2.8 mm值作為降雨開始滲入界限,繪制尋常降雨與連續(xù)降雨條件下滑坡發(fā)生比例對(duì)比結(jié)果對(duì)比圖,如圖7所示。
圖7 尋常降雨與連續(xù)降雨條件下滑坡發(fā)生比例對(duì)比結(jié)果Fig.7 Comparison results of landslide occurrence ratio under normal rainfall and continuous rainfall
通過圖7可以看出,在尋常降雨中,由于第5、6、8天的天氣情況均為大雨,第7天為暴雨天氣況,因此這4天內(nèi)發(fā)生滑坡的比例較高;而在連續(xù)降雨條件下,雖然第5—8天的滑坡發(fā)生比例相比其他時(shí)間依舊較高,但是可以看出,在第8天時(shí)的滑坡發(fā)生比例已經(jīng)高達(dá)90%。與此同時(shí),第9天雖然為小雨天氣,降雨量?jī)H為3.94 mm,但是其滑坡比例高于降雨量18.56 mm的第4天和降雨量11.06 mm的第3天。由此可以得知,影響土巖接觸帶產(chǎn)生滑坡災(zāi)害的除了降雨量以外,連續(xù)的降雨天氣也對(duì)滑坡災(zāi)害的發(fā)生具有較大的影響作用。
經(jīng)調(diào)查得知該地區(qū)的土巖接觸帶在夏季(7—9月)滑坡災(zāi)害發(fā)生較為頻繁,采用本文設(shè)計(jì)方法對(duì)該區(qū)域土巖接觸帶的滑坡發(fā)生次數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè),并與該區(qū)域?qū)嶋H發(fā)生的滑坡次數(shù)進(jìn)行對(duì)比,以此驗(yàn)證本文方法的有效性。本文方法預(yù)測(cè)結(jié)果見表2。
表2 本文方法預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.2 Prediction results of this method
7月實(shí)際基巖滑坡65次,實(shí)際蠕動(dòng)型滑坡13次;8月實(shí)際基巖滑坡75次,實(shí)際蠕動(dòng)型滑坡18次;9月實(shí)際基巖滑坡81次,實(shí)際蠕動(dòng)型滑坡23次。
通過數(shù)據(jù)對(duì)比可知,本文提出的預(yù)測(cè)方法能夠有效地對(duì)巖土接觸帶滑坡災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)次數(shù)相對(duì)準(zhǔn)確,誤差不超過±3次,能夠證明本文方法在預(yù)測(cè)工作中穩(wěn)定性較高,具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,有助于降低滑坡災(zāi)害帶來的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。
本文提出了土巖接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)方法研究,利用智能技術(shù)對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理與分析,并結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過實(shí)例分析發(fā)現(xiàn),土巖接觸帶滑坡預(yù)測(cè)中,坡度與坡高是影響最大的基本因素,降雨是造成滑坡災(zāi)害最主要的影響因素。通過實(shí)例驗(yàn)證能夠證明,本文方法在土巖接觸帶滑坡預(yù)測(cè)工作中,對(duì)滑坡次數(shù)和滑坡嚴(yán)重程度的預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確,具有一定的實(shí)用性。
但是由于時(shí)間的限制,本文方法還存在很多不足,在今后的研究中,希望可以擴(kuò)大地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)范圍,提取出滑坡變形的破壞特征,提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的同時(shí),提高實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的能力。