物理学区划滑坡隐患方法应用

李存金 王瑞军 孙永彬 王诜

摘要：物理学在各行各业有着重要的理论和实用价值。文章借助物理学力学理论，设计出滑坡灾害的隐患的物理模型，并结合有限元思想将滑坡体分割成等单元体，分别进行计算，量化每个单元体的危险系数，并进行分级，生成滑坡灾害隐患区划图，为滑坡地质灾害靶区快速锁定，提供了新的思路和方法。

关键词：物理学;滑坡灾害区划;GIS技术;方法

中图分类号：P642 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）12-0118-04

1概述

滑坡是一定地质条件下，斜坡部分岩石、土壤，在自重作用下受外界因素影响失去稳定性沿着内部软弱面产生滑动变形的现象。它给各种工程以及周边人文的安全带来危害和隐患。我国是世界上滑坡比较严重的国家之一，幅员辽阔，三分之二的国土为山地，这决定了我国有大量的自然滑坡，遍布全国各地。近年来我国400多个城市，受到滑坡灾害的侵害，数千人死于滑坡。快速且低成本的预测出滑坡、发现滑坡的手段迫在眉睫。

目前滑坡体的危险性评价技术有有限元法，该方法起源于20世纪50年代，主要用于评价单个目标的滑坡体，目前该方法应用于工程中具体的物体二维或三维的趋势分析，国内外也有了集成化的计算工具。本文主要借鉴有限元的思路去解决批量滑坡寻找的问题，该方法主要应用在二维空间水平平面的滑坡位置的确定方面的研究。

1993年以来随着GIS软件的迅猛发展，产生了一些新的灾害评价方法，最主要的是权重确定因子叠加的遥感技术方法。目前地质灾害预测评价研究的理论主要停留在层次分级，因子叠加，计算出图，得出预测结果作为参考依据。

本文的创新之处在于绕过多因子权重叠加分析评价的方法，借助物理学工具，从力学角度出发，分析滑坡灾害的形成机理，制造质点模型，然后借助微积分思想，聚集算出批量模型质点，并组成數据库，制作出滑坡隐患区划图，在力学理论层面对滑坡地质灾害隐患评价方面进行强有力的技术支撑。是一种快速简单的思想和方法，它能客观的从受力角度评价滑坡发生的可能性大小，划分出危险区域，具有一定的科学参考价值。该方法更加客观的反映出滑坡灾害危险性的本质。

本文仅拿出工作成果中的一个样本，作为研究对象阐述物理学区划滑坡隐患区方法的示范。

2物理力学方法理论

将滑坡体划分成小单元，设想位于斜坡上处于稳定静止状态，与自然状态下未发生灾害时状态相吻合。（图1）计算公式如下：

正常情况下，下滑力与静摩擦力相等，物源处于稳定状态（Fx=f）;当发生强降雨时水渗入岩土体或者强震动发生，摩擦系数将会降低，岩体的重量将会增加，最终导致下滑力大于滑动摩擦力（Fx>），产生物理形变和滑坡面方向上的位移，容易发生滑坡灾害隐患。

将计算出的单元危险性值积分，并划分等级，将危险数值高的地区突出表示。

3GIS操作

3.1数据准备

野外采集工作区的滑坡物源信息，用物探、勘探、测量等手段，将工作区不同的物源划分种类并计算出启动厚度、分类面积、启动方量等数据，并搜集高精度DEM数据，生成坡度数据。（图2、表1）

3.2数据处理与成果分析

用GIS软件计算出滑坡面坡度（0）数据，以及沟道物源与斜坡物源的范围，本文研究对象为沟道两侧的滑坡预测，用沟道两侧各25米，作为研究范围。用DEM数据，计算出坡度值，绘制坡度分布图（图3），将单元划分为10mx 10m，精度与DEM源数据保持一致。沟道的研究宽度可以根据实际工作区的地貌情况人为设计生成，必要时可以手动划分出来。

求出每个单元体的下滑力（Fx），Fx即为所求滑坡的危险系数。借助GIS软件和物理理论处理数据，计算出发生灾害危险值并划分危险等级。处理结果如（图4）。深色部分即为降雨时应当重点监控的地方;浅色部分，为危险等级低的单元。我们可以将危险等级划分得更详细一些，本文为了展示成果方便直观，对成果图做了简化处理，将1-4级划分为低易发区，5-7级划分为高易发区。

该区域共划分单元格41960个，研究区总面积4.196km²。将物源分为坝阶地堆积物、斜坡面堆积物、沟道堆积物、雾迷山组四段条带白云岩、雾迷山组三段泥晶白云岩、石槽石英闪长岩、大理岩、石槽南霏细斑岩、其他共9大类，每一类按照危险指数划分为7个等级，从（表2）可以看出物源类型按照坝阶地堆积物、斜坡面堆积物、沟道堆积物、雾迷山组四段条带白云岩、雾迷山组三段泥晶白云岩、石槽石英闪长岩、大理岩、石槽南霏细斑岩、其他9类单元数量依次减少。从（图5）看出危险性等级低的单元占据了很大的比例，主要分布在1、2级，泥石流危害，几乎不存在;危险等级高的单元主要分布在碳酸盐岩地区，雾迷山组白云岩地区是重点滑坡隐患区;其次分布在火山岩地区，这在我们野外调查中有很重要的指示意义。坝阶地堆积物、斜坡堆积物和沟道堆积物存在滑坡危害的单元相对岩性坚硬的地区而言，发生灾害的密度要小很多。

4结论

物理学理论与GIS技术的结合从另一个角度解决了工作区滑坡灾害隐患的划分，方法可行，该方法可以有效评价出滑坡灾害的危险等级，为我国的地质灾害研究和地方灾害预防，预防工程布设以及区域规划建设做出贡献。

物理学模滑坡型方法可以快速批量生产出大面积的成果图，成本低，效率高，四万个单元格，运算起来非常快，相比多因子权重分析叠加来说，不需要太多数据成本就能做出结果。通过该方法，得到了北京市延庆区65高危险泥石流沟条沟的滑坡隐患图件，完成了新的滑坡分区资料，填补了该地区滑坡危险区划的空白。

数据精度直接影响了运算结果的精度，高质量的DEM和堆积物精确的测量是做出的高可信度结果的关键因素。