坡体结构对地震滑坡发育贡献率研究

曾耀勋，樊晓一，段晓冬

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010)

强烈地震作用下，往往会诱发大量的滑坡灾害，尤其是在山岭地区。我国是地震频发的国家之一，由此引起的滑坡灾害非常严重，如2008年5·12汶川Ms8.0级地震，在约48 700 km2的区域内，地震诱发了不少于48 000处的滑坡灾害［1］;2010年 4·14玉树Ms7.1级地震，触发了2 036次滑坡灾害［2］;2013 年4·20芦山Ms7.0级地震触发了1 800余处具有危害性的地质灾害点，比地震前增加18%［3］。因此，地震滑坡研究具有重要现实意义。

坡体结构对坡体的变形破坏十分关键，坡体波动振荡则是地震滑坡形成的主要原因之一。国内外针对坡体结构与地震滑坡研究颇多，方华等［4］根据汶川地震高速远程滑坡处的坡体结构特点以及坡体对地震的动力响应，研究了地震滑坡体积、高差、坡度以及滑坡运动距离之间的相关性;许强等［5］利用物理模型试验研究斜坡的地震响应，发现当坡体没有控制性结构面时其破坏模式主要受坡度、坡形、坡体组成的影响;乔建平等［6-8］借助GIS技术，采用贡献率分析法研究了三峡水库区云阳一巫山段地层岩性、坡形、高差对滑坡发育的贡献率;成永刚等［9］利用贡献率分析法研究了层面倾角对顺层岩质滑坡的贡献率，得出层面倾角为10°～25°的坡体对顺层岩质滑坡的贡献程度最高。依据5·12汶川地震灾后现场调查与相关文献资料所收集的986个规模超过1万m3的地震滑坡详细资料，基于贡献率分析法及极差分析法，以滑坡数量、面积、体积以及变形长度作为地震滑坡发育指标，分析坡体组成、坡度、坡型、斜坡坡向与地层倾向差和斜坡坡角与地层倾角差共五个坡体结构因素对地震滑坡发育的贡献率。

1 坡体结构分类

贡献率分析法作为一种信息数据处理方法，具有样本分类与系统因素分析的双重功能，是一种定性与定量相结合的广义量化分析方法，应用该方法可以将某一坡体结构因素与地震滑坡的关系定量化，相比传统统计方法可以提高分析结果的准确性和可靠性。坡体结构的具体区间分类如表1所示。

表1 坡体结构区间分类

贡献率分析法的计算公式为

式中:Qij为某坡体结构因素各区间对地震滑坡发育指标的贡献率;nj为各区间的地震滑坡发育指标统计;Nj为该坡体结构因素各区间统计指标之总和。

2 坡体结构的贡献率分析

2.1 滑坡数量贡献率统计

利用坡体结构区间分类表及贡献率分析法的计算公式可以得到坡体结构因素各区间与滑坡数量的贡献率关系，如图1所示。

图1 坡体结构因素对滑坡数量的贡献率

由图1可以发现，在地震作用下，坡体结构与滑坡数量的关系具有如下趋势:

1)软岩类斜坡发生的滑坡灾害最多，硬岩类斜坡发生的滑坡灾害最少。而且相对于土质斜坡，地震作用下，岩质斜坡更易于诱发滑坡灾害(约占70%)。这是由于在强烈的地震动作用下，斜坡主要呈现出以拉裂破坏为主的特征，与常规重力作用下以剪切滑动破坏为主的特征有显著区别，这也是岩质斜坡的动力响应程度大于土质斜坡的结果。

2)坡度为25°～50°时地震滑坡数量最多，即地震滑坡多半发生于坡度为25°～50°的斜坡。一般而言，斜坡的坡度越陡越易触发滑坡，但对于某一地区而言，往往存在着滑坡发育的优势坡度范围，如1974年昭通地震，滑坡发育的优势坡度范围为35°～45°，1973年炉霍地震，滑坡发育的优势坡度范围为 30°～50°［10］。本文所取的地震滑坡数据为汶川地震灾后调查统计所得，因此可以认为2008年汶川地震，滑坡发育的优势坡度范围为25°～50°，这也与文献［11］中关于汶川地震滑坡坡度的研究结果相符。

3)直线形与凸形斜坡有利于滑坡发育，而阶梯形与凹形斜坡则滑坡发育较少。在实际工程中也往往利用这点增加边坡稳定程度，如将边坡挖成阶梯形来防止边坡失稳。

4)坡向与地层倾向差、坡角与地层倾角差跟滑坡数量的关系具有一致性，差值越小则越有利于地震滑坡数目的发育。

2.2 滑坡面积、体积及变形长度贡献率统计

利用式(1)，可以得到坡体结构因素各区间与滑坡面积、体积及变形长度的贡献率关系，如图2～图4所示。

图2 坡体结构因素对滑坡面积的贡献率

图3 坡体结构因素对滑坡体积的贡献率

图4 坡体结构因素对滑坡变形长度的贡献率

从图2～图4可以看出，各坡体结构因素各区间对滑坡面积、体积及变形长度的贡献率基本一致，即硬岩类坡体、坡度＞75°、坡型为凹形，倾向差＞240°以及倾角差＞75°贡献率较低，均不利于滑坡面积、体积及变形长度的发育;而软岩类坡体、坡度25°～50°、坡型为直线、倾向差＜90°以及倾角差＜25°则贡献率较高，有利于此三者的发育。

2.3 地震滑坡发育指标贡献率分析

图1～图4反映了各地震滑坡发育指标的最有利及不利坡体结构因素区间，但尚未综合考虑坡体结构中哪种因素为地震滑坡发育指标的主控因素，因此利用极差分析法，分析各坡体结构因素对地震滑坡发育的贡献程度，确定其主次地位。极差R是度量数据波动大小的一个重要指标，在此代表某坡体结构因素各区间对地震滑坡发育贡献率最大值与最小值的差，极差值大的因素对指标的影响大，是影响指标的主要因素;反之，极差值小的因素对指标影响小，是影响指标的次要因素［12］。计算结果如图5所示。

图5 坡体结构因素与地震滑坡贡献率极差的关系

从图5可以看出，坡度(α)、斜坡坡角与地层倾角差(θ2)是影响各地震滑坡发育指标的最主要坡体结构因素，而其他坡体结构因素的影响程度则随发育指标的不同而略有变动。对于地震滑坡数量及变形长度，其他坡体结构因素影响程度从大到小依次为M＞θ1＞T;对于地震滑坡面积，其他坡体结构因素影响程度从大到小依次为M＞T＞θ1;对于地震滑坡体积，其他坡体结构因素影响程度从大到小依次为T＞M＞θ1。

3 坡体结构综合贡献率评价

通过上述分析得到了坡体结构因素与地震滑坡发育指标(滑坡数量、面积、体积及变形长度)的贡献率关系，采用叠加组合方法就可以得到坡体结构对地震滑坡发育的综合贡献率指数，并利用等距法划分为高、中、低3个等级进行评价。

根据表2对坡体结构因素的贡献率赋值，采用求均值的方法对同一坡体结构因素对地震滑坡发育的贡献值进行叠加统计，得到综合贡献指数。

表2 不同坡体结构因素对地震滑坡发育贡献率赋值

式中:Q(i)代表不同坡体结构因素对地震滑坡发育的综合贡献指数;q1(i)，q2(i)，q3(i)，q4(i)则分别代表同一坡体结构因素对各地震发育指标的赋值大小。

依据表2和式(2)可以得到:Q(M)=2.75;Q(α)=4.00;Q(T)=1.75;Q(θ1)=1.50;Q(θ2)=5.00。因此，各坡体结构因素对地震滑坡发育综合贡献指数按大小排列为

根据已得到的各坡体结构因素对地震滑坡发育综合贡献指数，按式(3)对地震滑坡发育的综合贡献率进行计算。

式中:Q0(i)为综合贡献率;S为各坡体结构因素对地震滑坡发育的综合贡献指数之和。

综合贡献率计算结果见图6。

图6 坡体结构因素对地震滑坡发育的综合贡献率

为了分析不同坡体结构因素对地震滑坡发育的综合贡献率程度，利用等距法划分为高、中、低3个等级进行评价，见表3。

表3 坡体结构因素对地震滑坡发育综合贡献率评价

4 结论

1)坡体结构因素决定地震滑坡的空间分布，以及地震滑坡面积、体积和变形长度。

2)斜坡坡角与地层倾角差、坡度是影响地震滑坡发育的主要因素，其他坡体结构因素的影响程度则随发育指标的不同而略有改变。

3)对于地震滑坡数量及变形长度，其他坡体结构因素影响程度从大到小依次为M＞θ1＞T;对于地震滑坡面积，其他坡体结构因素影响程度从大到小依次为M＞T＞θ1;对于地震滑坡体积，其他坡体结构因素影响程度从大到小依次为T＞M＞θ1。

4)根据上述结论，对坡体结构的综合贡献率作出评价，认为斜坡坡角与地层倾角差、坡度对地震滑坡发育的贡献程度最高，坡体组成对地震滑坡发育的贡献程度中等，坡型、斜坡坡向与地层倾向差对地震滑坡发育的贡献程度最低。

［1］许冲，戴福初，肖建章.“5·12”汶川地震诱发滑坡特征参数统计分析［J］.自然灾害学报，2011，20(4):147-153.

［2］许冲，徐锡伟，于贵华，等.玉树地震滑坡影响因子敏感性分析［J］.科技导报，2012，30(1):18-24.

［3］裴向军，黄润秋.“4·20”芦山地震地质灾害特征分析［J］.成都理工大学学报:自然科学版，2013，40(3):257-263.

［4］方华，崔鹏.汶川地震大型高速远程滑坡力学机理及控制因子分析［J］.灾害学，2010，25(增):120-126.

［5］许强，陈建君，冯文凯，等.斜坡地震响应的物理模拟试验研究［J］.四川大学学报:工程科学版，2009，41(3):266-272.

［6］乔建平，昊彩燕.三峡库区云阳—巫山段斜坡高差因素对滑坡发育的贡献率研究［J］.中国地质灾害与防治学报，2005，16(4):16-19.

［7］乔建平，吴彩燕，田宏岭.三峡库区云阳—巫山段地层因素对滑坡发育的贡献率研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(17):2920-2924.

［8］乔建平，吴彩燕，田宏岭.三峡库区云阳—巫山段坡形因素对滑坡发育的贡献率研究［J］.工程地质学报，14(1):18-22.

［9］成永刚，王玉峰.层面倾角对顺层岩质滑坡贡献率研究［J］.岩土力学，2011，32(12):3708-3712.

［10］ZHOU Bengang，ZHANG Yuming.Some characteristics of earthquake-induced landslides in southwestern China［J］.Northwestern Seismological Journal，1994，16(1):96-103.

［11］姚鑫，许冲，戴福初，等.四川汶川Ms8级地震引发的滑坡与地层岩性、坡度的相关性［J］.地质通报，2009，28(8):1156-1162.

［12］樊晓一，乔建平.“坡”、“场”因素对大型滑坡运动特征的影响［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(11):2337-2347.