三峡库区地质灾害类型和灾害机理研究

陈 才

(重庆三峡学院，重庆 404100)

三峡库区地质灾害频生[1]，每年因地质灾害直接或间接带来的经济损失巨大，因此，研究三峡库区地质灾害类型和灾害机理具有十分重要的作用[2]。传统地质灾害研究方法存在较多的问题。例如，简文星等[3]在分析三峡库区软岩的矿物成分过程中采用X射线衍射方法，并研究消落带软岩的风化崩解机理，只分析地质灾害的内在因素，忽略了外在因素，分析不全面；杨何等[4]研究了滑坡堆积体的土—水特征对三峡库区地质灾害防治的影响，但该方法只研究三峡库区降雨量对地质灾害的影响，但未考虑地质灾害产生的内在因素，整个分析过程并不全面；卢书强等[5]研究了三峡库区阶跃型滑坡动态变形特征和机理，预测其动态变形发展趋势，但该方法预测结果误差较大；卢应发等[6]研究推移式滑坡地质灾害机理，未考虑其他类型地质灾害，局限性较高。针对上述文献中研究存在的问题，提出新的三峡库区地质灾害类型和灾害机理研究方法，实现详细、准确的地质灾害研究。

1 三峡库区地质灾害类型和灾害机理研究

1.1 地质灾害发育度研究

三峡库区受当前地质环境与人文环境影响的地质灾害发育程度，即地质灾害发育度[7]，包括地质灾害的空间生发率、面积及体积分布概率的整体表现水平。由此能够得出，三峡库区地质灾害发育度的表达式为：

K=k(k,S,V)。

(1)

式中：K表示发育度、k表示地区灾害频率、S表示面积、V表示体积。

为了建立体现真实情况的库区地质灾害发育度计算模型，需要无量纲化处理或归一化处频率、面积和体积这三个指标[8]，这三个指标也就是基础因子。本文以灾害发育度计算到第i单元为例构建模型并进行分析计算。

(1)地质灾害频率比。第i单元中，用ki表示地质灾害频率、Si表示单元面积和表Pki示单元中灾害的频率比密度、S表示库区内研究区域面积、k表示灾害总量和ρk表示总频率密度。第i单元中地质灾害频数比为：

Rki=ρki/ρk。

(2)

式中：ρki=ki/Si；ρk=k/S。

(2)地质灾害面积模数比。第i单元中，用Si表示地质灾害体分布面积、ρsi表示灾害面积模数、si表示灾害点总面积和ρs表示总面积模数。第i单元中面积模数比为：

Rsi=ρsi/ρs。

(3)

式中：ρsi=si/Si；ρs=s/S。

(3)地质灾害体积模数比。第i单元中，用ti表示地质灾害点总体积、ρti表示灾害的体积模数、t示灾害点的总体积和ρt表示总体积模数。第i单元中体积模数比为：

Rti=ρti/ρt。

(4)

式中：ρti=ti/Si；ρt=t/S。

根据式(2)、式(3)、式(4)，可将式(1)转化为：

Ki=k(Rfi,Rsi,Rti)。

(5)

式中：(Rfi,Rsi,Rti)统称发育因子。

根据以往研究结论及三峡库区地质灾害整体研究[9]，可得一般公式：

(6)

式中：第i单元中，Ki表示灾害发育度、Rki表示灾害频数比、Rsi表示灾害面积模数和Rti表示灾害体积模数比、r表示修正指数，通常取值为1.5～2.0。

将三峡库区真实地质环境与区域地质灾害发育度评价模型相结合，对不同单元发育度实施运算[10]，依照运算结果能够得到整体地质灾害发育度的平均程度，用Ki=3表示。

依照运算结果的分布规则，宏观研究不同类型致灾因素与三峡库区真实环境，分割地质灾害发育度等级：

(a)不发育地区：0≤Ki<3；

(b)低发育区：3≤Ki<6；

(c)中发育地区：6≤Ki<9；

(d)高发育地区：Ki≥9。

1.2 地质灾害潜势度研究

在某区域中排除外在诱发因素条件下地质灾害发生的潜在能力，即地质灾害潜势度[11]。潜势度作为不同类型地质灾害趋势预测的前提，可经由地质灾害基础因子和回应因子的运算过程获取，得到三峡库区地质灾害潜势度表达式：

Q=(q1,q2,q3,…,qn)。

(7)

式中：q1,q2,q3,…,qn表示体现地质灾害潜势的因素值。利用综合指数模型将使式(7)转化为：

(8)

式中：第i单元中，Qi表示潜势度指数，j表示评价因子，xi和yj表示第i单元内第j个评价因子的赋值，m和n表示第j个评价因子的权重，评价单元数和评价因子数。

按照以往三峡库区地质灾害的研究报告以及地质灾害因子研究结论[12]，在确定地质灾害潜势度计算的判别因子时分别选取基础因子及响应因子。其中，基础因子中涵盖地形地貌、植被、岩组和构造[13]；响应因子等同于发育因子。再次划分基础因子内的地形地貌及地质构造因子如表1。在分割地质灾害潜势度的过程中，采用综合指数模型得到，地质灾害潜势度曲线在1.5、2、2.3及2.7四处表现为跃变，因此在分割时将这4处充当分界点，将灾害潜势度分割为5级。

表1 基础因子和响应因子指标量值与权重

1.3 地质灾害预警模型

预报地质灾害形成条件是地质灾害预报的核心[14]，基于统计学角度，将上小节获取的影响库区地质灾害形成的影响因子、基础因子条件和地质灾害发生与否分别作为自变量和分类因变量。使用同归对数线性模型推导自变量和分类因变量两者的关系。

在对数线性模型中，Logistic回归模型是较为典型模型，若P表示某类型地质灾害形成的概率，[0,1]表示其取值范围，em表示自变量，Ki表示库区地质灾害发育度，Qi表示潜势度，构建地质灾害预警的回归方程如下所示：

log[P/(1-P)]=Ki+Qi+β1e1+β2e2+…+βmem。

(9)

式中：α表示常数和βi(i=1,2,…,m)表示逻辑回归系数。

以滑坡泥石流地质灾害为例，在分析降雨与泥石流地质灾害之间的关系时，往往利用“前期有效降雨量”的定义，也就是地质灾害发生前期降雨在岩土体内保存，直至地质灾害形成当日的雨量，以地质灾害发生当日和前几日的逐日降雨量分析滑坡泥石流地质灾害[15]。式(10)为保存在岩土体内降雨量的计算公式：

ca=fc1+f2c2+…+fncn。

(10)

式中：ca表示地质灾害形成当日的有效降雨量；f表示有效降雨系数(通常为0.84)；cn表示前n天的降雨量。通过式(10)获取地质灾害发生当日某时刻3 h后的激发雨量为：

C=B3+C21。

(11)

式中：B3表示3 h的雨量预报和C21表示21 h内的真实累计降雨量。不同网格点内，某时刻3 h后真实累计降雨量为：

B(i,j)=C(i,j)+ca(i,j)

=B3(i,j)+C21(i,j)+ca(i,j)。

(12)

根据三峡库区以往泥石流滑坡地质灾害的研究可知，前期有效累计降雨量与地质灾害发生当日降雨量导致地质灾害形成的最小降雨量界限及最大降雨量界限(最小降雨量界限以下发生地质灾害概率为0%，最大降雨量界限以上发生地质灾害概率为100%)。通过降雨量界限获取灾害形成概率的回归方程及预警指数为：

log[P/(1-P)]=-3.847+0.04c+0.043cx；

(13)

W(i,j)=A×N(i,j)+Y×P(i,j)。

(14)

式中：W(i,j)表示预警指数；N(i,j)表示地质灾害易发分级指数；P表示地质灾害形成概率和A、Y表示权重系数。

2 模型验证及分析

为验证本文提出的三峡库区地质灾害类型和灾害机理研究方法的有效性，在三峡库区坡岸岩土地质结构类型下，使用本文方法研究自三峡库区形成以来的地质灾害类型，并通过Geo-studio软件模拟仿真滑坡地质灾害，分析导致滑坡地质灾害形成的原因，结果如表2、图1和图2所示。分析表2能够得到，在三峡库区发生滑坡地质灾害、崩塌地质灾害、泥石流地质灾害以及滑坡体变形的次数分别为38次、39次、7次和13次。其中，小型地质灾害和中型地质灾害分别占总体地质灾害的50%～85.7%和10.3%～23.1%，大型地质灾害和特大型地质灾害分别占总体地质灾害的0～26.3%和0～2.6%。实验结果表明，使用本文方法能够有效研究三峡库区地质灾害类型。

表2 三峡库区地质灾害类型研究结果

图1 滑坡地质灾害变形过程

由图1a～图1c(灾害形成过程中前2.8 s)能够看出，滑坡地质灾害变形初始形成的位置在土体底部，由土体底部过度至土体中部，上升至土体顶部，也就是受外部动力作用的灾害初始阶段，滑坡地质灾害的变形是由下向上传递的；在灾害形成过程的第3.4 s，滑坡土体大致复原；由图1e能够看出，滑坡土体前、后两侧形成变形的时间一致，滑坡土体前侧变相方向为坡体内侧，而后侧变形方向恰好相反，中间位置无显著变形；在灾害过程的第6.2 s时，滑坡土体中间位置向上变形，前后两侧变形恢复，之后如图1g所示滑坡土体整体恢复至原态；在图1h～图1j中，滑坡土体出现反方向的循环变形，滑坡后侧形成塑性变形。实验结果表明，使用本文方法能够有效分析三峡库区地质灾害形成过程。

分析图2可知，影响滑坡稳定性的基本原因包括：地震惯性力、土体强度和孔隙水压。无外动力影响、且各条件一致时，滑坡的稳定性系数为1.15 Fs；单独考虑地震惯性力时，滑坡的稳定性系数变化范围为0.84 Fs～1.52 Fs，说明滑坡的稳定性系数受地震惯性力的影响较明显。既考虑地震惯性力，又考虑孔隙水压力时，滑坡稳定性系数的变化情况同单独考虑地震惯性力时的差距较小，说明滑坡稳定性系数受孔隙水压力的影响较弱。既考虑地震惯性力、孔隙水压力，由兼顾土体强度时，滑坡稳定性系数的变化较为明显，在整体过程内基本低于1 Fs。实验结果表明，在地震动力作用下形成滑坡地质灾害的主要原因是地震惯性力和土体强度，本文方法能够准确分析三峡库区地质灾害机理。

图2 不同致滑因素影响下土体的稳定性系数研究

滑坡土体中不同点受地震动力加速度的影响，形成有所差异的反应加速度，实验采用本文方法对三峡库区滑坡地质灾害的加速度变化规律进行研究，得到的结果如图3和图4所示。

分析图3和图4可得，与外动力加速度相比较，滑坡土体上层加速度存在较为显著的提升，且其加速度显著高于滑带处，说明滑体上层震动提升。滑坡土体上层前侧的加速度时程曲线与后侧加速度相比，其震动强度显著高于后侧，表明随着地表高度的上升，地震动的能量有所消耗。实验结果表明，使用本文方法能够有效分析滑坡地质灾害的加速度变化规律。

图4 历史记录点反映加速度时程曲线

为验证本文方法对地质灾害机理研究的准确性，通过对比本文方法和基于X射线衍射方法获取的地震位移数据准确度来进行。使用Geo-studio软件模拟三峡库区某区域地质灾害发生环境，分别使用本文方法和基于X射线衍射的三峡库区地质灾害研究方法获取地震位移数据，并将不同方法获取的结果同实际结果相比较结果如图5所示。

图5 不同方法获取的地震位移数据对比结果

分析图5可知，使用本文方法获取的地震位移数据和实际地震位移数据相接近，数据误差控制在2 mm以下，而基于X射线衍射的三峡库区地质灾害研究方法与实际地震位移数据的存在较大误差，数据误差在2～5 mm之间，实验结果说明使用本文方法对三峡库区地质灾害机理研究具有较高的准确性。

在以往三峡库区地震灾害研究方法对地质灾害的机理研究都存在一定的错误率，所以实验为验证本文方法的在实际研究过程中的稳定性，对本文方法和基于X射线衍射方法测得的三峡库区地震位移数据进行错误率对比分析(表3)。分析表3可得，随着实验次数的增多，不同方法的错误率具有不同程度的上升，本文方法的错误率最高为4%，而基于X射线衍射的研究方法的错误率最大达到14%，实验结果表明，对灾害机理进行分析研究时，使用本文方法的稳定性较高。

表3 不同方法获取地震位移数据错误率对比

3 结 论

本文提出新的三峡库区地质灾害类型和灾害机理研究方法，从地质灾害发育度方面研究，根据灾害频数比、灾害面积模数比和灾害体积模数比这三个发育因子(响应因子)将灾害发育度分割为4个等级；从地质灾害潜势度研究方面研究，将发育因子与基础因子相结合，利用综合指数模型，将灾害潜势度分割为5个等级。使用Logistic回归模型，基于库区地质灾害发育度以及潜势度的表达式，综合考虑二者的基础因子、响应因子以地质灾害是否发生，构建地质灾害预警模型，实现库区地质灾害的有效预警。经实验证明，本文方法分析得到三峡库区发生滑坡地质灾害、崩塌地质灾害、泥石流地质灾害以及滑坡体变形的次数分别为38次、39次、7次和13次，能够有效分析三峡库区地质灾害机理和滑坡地质灾害的加速度变化规律，获取的地震位移数据和实际地震位移数据误差控制在2 mm以下，误报率最高为4%，这些结果说明使用本文方法能够详细、准确的分析三峡库区地质灾害类型和灾害机理，并预警地质灾害。