岩土混合型滑坡识别模型研究——以武汉市东湖高新技术开发区为例

王 兵， 姜祝强， 李祖春， 柴 波， 施星宇

(1.湖北省地质局 武汉水文地质工程地质大队,湖北 武汉 430051； 2.湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430050；3.中国地质大学(武汉) 环境学院,湖北 武汉 430074)

目前,国内外对于滑坡或其它类型的地质灾害风险管理体系的研究已有不少成果。对于地质灾害的重要隐患点进行实地调查、评价,尤其是重点防治区和防治重点的地质灾害隐患点的掌握情况,对其危险性进行评估,以及在此基础上提出防治对策建议等具有重要意义。早期对于地质灾害风险研究主要集中在滑坡。20世纪70年代,大量学者对滑坡稳定性和危险分区已作了较为成熟的研究与应用。20世纪90年代以来,地质灾害风险评价理论在泥石流治理工程、地震防治、单体滑坡灾害治理工程以及高陡边坡稳定性等多个领域广泛应用。以滑坡为例,主要包括概率分析方法[1-4]、数理统计分析方法[5]和确定性模型分析方法[6]。

从武汉市东湖高新技术开发区的地质背景和调查结果看,灾害隐患点的变形迹象不明显,可利用样本不多,仅仅依靠面上调查,很难准确圈定真正的灾害隐患点,需要围绕地质灾害隐患点识别方法开展更为深入的研究。本文基于调查结果,结合控制斜坡稳定性各项参数的敏感程度,综合分析各类斜坡结构叠加降雨和人类工程活动后的稳定性,建立武汉市东湖高新技术开发区地质灾害隐患点识别模型,并给出描述斜坡稳定性的量化参数,该模型可以有效提高地质灾害识别率,为地质灾害预防、预警提供借鉴。

1 地质环境概况

1.1 地理位置

研究区位于武汉市东南部,地处东湖、南湖与汤逊湖之间,总面积518.11 km2。研究区内国道G316、国道G70、高新大道、花山大道等城市主干道穿插,形成了横贯东西、纵通南北的交通主干网,公路通达,交通便捷。

1.2 地形地貌

研究区可划分为剥蚀低山丘陵区和剥蚀堆积垄岗平原区,丘陵总体走向为东西向,与平原相间出现。

(1) 剥蚀低山丘陵。主要分布在花山街以南,九峰街以北,关东街以东,豹澥街以北等区域。山体呈近东西走向分布。其海拔高程约为80～200 m,坡度10°～35°不等。 山体多呈穹形,主要由志留系砂页岩、泥盆系石英砂岩和二叠系硅质岩组成。

(2) 剥蚀堆积垄岗平原。主要分布在关东街、九峰街和豹澥街的剥蚀低山丘陵区之间。其中有高垄岗倾斜平原,海拔60～90 m,与区域Ⅳ级阶地高程对应，经长期地表流水剥蚀,形成垄岗与坳沟起伏相间的地貌形态,相对高差5～15 m；低垄岗倾斜平原,海拔高程25～45 m,对应于区域Ⅲ级阶地高程,相对高差2～10 m。

1.3 地质构造与地层岩性

研究区在中志留系统—中三叠系世,受加里东运动和华力西运动的影响,地壳整体抬升和沉降,发生了相对频繁地海进海退,在S2/D3、C1/C2、C2/P1和P1/P2之间形成平行不整合接触,并沉积了前述的碳酸盐岩地层。中三叠系世末的印支运动,华北板块和扬子地块拼合,秦岭造山带形成隆起,也造成了拼接部位扬子地块形成前陆褶皱带,在研究区内表现为一系列走向NWW—SEE的逆冲褶皱带和断层,区内可见褶皱南侧倒转、北侧正常倾斜。燕山晚期,受太平洋板块的俯冲作用,区内形成一系列NNE向的走滑断层。

区内基岩出露较少,绝大部分隐伏于第四系地层之下。区内出露的地层主要有：第四系全新统残坡积层、冲积层、湖积层、洪冲积层、洪泛堆积层；第四系中上更新统风积层、湖冲积层、冲积层；第四系中更新统残坡积层、冲积层、洪冲积层；第四系下更新统洪冲积层；区内主要岩性特征可分为：新近系广华寺组泥岩、白垩—古近系公安寨组砂岩,三叠系下统大冶组灰岩,二叠系中统孤峰组硅质岩、页岩及栖霞组灰岩；石炭系上统黄龙组白云质灰岩、石炭系下统高骊山组粘土岩夹砂岩；泥盆系上统黄家磴组石英砂岩夹页岩及云台观组石英砂岩,志留系中统坟头组泥岩、泥质砂岩等。

1.4 气象水文

研究区属亚热带季风性湿润气候,有雨量充沛、日照充足、夏季酷热、冬季寒冷的特点。年平均气温15.9～17.9 ℃,极端最高气温39.6 ℃,极端最低气温-12.8 ℃。年总降水量889.2～1 862.6 mm,多年平均降雨量为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,极端日降雨量248.3 mm。降雨时间集中在4—8月份,7月份为降雨峰值期,也是地质灾害最容易发生的月份。

2 研究区斜坡稳定性影响因素

研究区斜坡结构和诱发因素相对简单,影响斜坡稳定性的内在因素主要为地形地貌、岩土结构和地质构造,外部触发因素主要为降雨和人类工程活动。

(1) 地形地貌。良好的临空条件是斜坡失稳的主要必备条件[7],研究区的斜坡主要分布在低山丘陵区,总体上,临空条件一般。临空条件可通过坡度、坡形和高差来表达。从大量实践经验看,在其他地质条件一致的情况下,坡度越大、高差越大，灾害体临空条件越好。坡度和高差不仅影响斜坡坡体的应力状态,而且对滑坡规模、地表水径流等起着重要的控制作用[8]。研究区内天然边坡由于坡度较小,大部分较为稳定,但局部地段存在陡坡,道路和城市建设的挖方区往往削坡后形成陡坡。斜坡剖面形态可分为凸形、直线形与凹形3类,其中凸形坡临空条件好,在坡脚和坡肩应力集中现象明显,斜坡稳定性差；凹形坡则有利于斜坡稳定。调查发现区内直线形和凸形坡较少,凹形坡数量最多。

(2) 岩土结构。自然斜坡由覆盖土层、风化层和新鲜基岩组成,覆盖层和风化层厚度大,新鲜基岩相对完整时,降雨容易在覆盖层和风化层内部形成强径流饱水带,此时,容易发生覆盖层的滑动。

(3) 地质构造。地质构造是岩质滑坡滑动的主要影响因素,本区岩质滑坡主要沿层面或者大型节理面滑动,因此,结构面或组合交线的倾向与坡向相同,相对贯通的结构面是影响此类滑坡的主要构造因素。

(4) 降雨。研究区年平均降雨量达709 mm,且主要集中在7—9月,研究区滑坡灾害与暴雨有密切关系。

(5) 人类工程活动。研究区内人类工程活动的影响主要体现在高新区发展过程中开挖斜坡和人工堆土,前者改变坡体形态，后者制造灾害源。此外,局部地段存在破坏地表植被的活动,改变了斜坡覆盖性质,加大了降雨入渗。

3 基于正交试验的斜坡稳定性影响因素敏感性分析

根据前述斜坡稳定性的影响因素,主要考虑地形地貌和岩土结构两个因素的影响。

区内剥蚀低山丘陵区斜坡坡度分布在0°～30°,调查灾害点的坡度均在15°以上,为此,考虑不稳定斜坡坡度范围为15°～30°,按照5°进行等间距设计。斜坡纵剖面形态划分为凹形、直线形和凸形3类。

野外调查剖面显示,地表土层厚度0～1 m,按照0.3 m、0.6 m和1.0 m将覆盖土分为薄、中和厚3个等级。由于地面调查难以全面获取风化层厚度,此处以开挖边坡风化层厚度的均值作为斜坡结构的基准值。在丘陵间的垄岗、谷地普遍分布有红粘土,红粘土渗透性低,斜坡覆盖土层在坡脚处覆盖在红粘土层之上,阻碍地下水径流,容易形成局部的溢出带。部分区域,红粘土层不同程度地遭受侵蚀,为此,在分析时要考虑坡脚是否存在红粘土层。

综上所述,在分析斜坡水文过程时,应考虑坡角、剖面坡形、岩土层结构(厚度依次为：表层粘性土、碎石土、全风化层、强风化层)和是否有红粘土层4个方面的影响因素(表1),通过影响因素正交试验可建立典型斜坡体。

表1 斜坡水文过程分析的影响因素及设计值Table 1 Influencing factors and design values of slope hydrologic process analysis

利用SPSS软件进行正交试验组的生成,共生成16组正交试验,具体参数及组合见表2。

表2 正交试验分组设计表Table 2 Design table of orthogonal test grouping

(1) 非饱和模型敏感性分析。利用Slope/W模块求取各项在饱和、非饱和状态下的稳定性系数,其结果如表3。

表3 正交试验稳定性统计表Table 3 Stability statistics of Orthogonal test

SPSS分析同一暴雨过程斜坡稳定性与斜坡结构参数之间的关联性,计算结果见表4。表中各列的意义分别是方差来源(源)、平方和(Ⅲ型平方和)、自由度(df)、均方差(均方)、方差检验量(F值)及显著值(Sig)。显著性越小代表敏感性越高,斜坡结构对其稳定性的影响程度依次为：坡度>坡形>覆盖层厚度>有无红粘土。有关红粘土的Sig显著值过大,无统计学上的显著意义。

表4 斜坡稳定性与斜坡结构方差分析表Table 4 Analysis table of landslide stability and slope structure variance

(2) 无限斜坡模型敏感性分析。无限斜坡模型中稳定性影响因素主要与坡角、覆盖层厚度、重度、抗剪强度和水位高度有关。本文主要考虑微地貌的条件,故设置一样的力学指标,考虑降雨后饱和条件下坡角与覆盖层厚度的敏感性。

表5 无限斜坡稳定性与计算参数方差分析表Table 5 Analysis table of variance of infinite slope stability and calculated parameters

由表5可以看出,覆盖层厚度与坡度的显著性均为0,可见二者敏感性都很高,尤其是坡度,其平方和达到了0.832,具有极其显著的统计学意义。

上述两种方法,在一定程度上可以相互印证,坡度为斜坡稳定性最为敏感的因素,坡形以及覆盖层厚度对于斜坡稳定性的敏感性都较高。

4 考虑微地貌和降雨过程的斜坡隐患点识别模型及判别标准

4.1 斜坡单元

对重点区采用基于斜坡的不规则单元作为评价基本单元,首先依据地形线,以山沟线、山脊线为斜坡单元边界,保证一个单元内不跨越两个不同的地貌单元,所划分网格具有明确的地质意义,构成独立斜坡岩体结构(图1)。此外,采用斜坡单元和规则栅格的叠加获取斜坡属性,斜坡单元建立后,一个斜坡单元内部有若干个记录着斜坡坡度、坡向、高程、岩性等属性的栅格,采用平均或极值获得单元的属性数据(图2)。

图1 斜坡单元划分规则图
Fig.1 Division graph of slope unit

1.等高线；2.依山脊山谷划分(1)；3.依坡度划分(2)；4.依坡向划分(3)。

图2 斜坡单元与栅格单元混合求解属性图
Fig.2 Mixed attributed graph of slope element and grid element

4.2 易发性指标评价体系

由于方法的局限性,部分影响因素在上述敏感性分析中不能体现,但是对于研究区斜坡稳定性具有重要的意义,包括曲率、坡向、植被覆盖、公路等,综合前述敏感性分析结果,结合区内已有地质灾害的定性分析,确定各参数影响斜坡稳定性的权重。按照1～9的标度确定各影响因素的分值,详见表6。

表6 斜坡稳定性影响因素分值及权值表Table 6 Slope stability factors score and weight table

将典型斜坡按照表6的分值和权重,按照简单的加权指数计算,得到斜坡综合指数。根据不同重现期暴雨条件下斜坡的破坏概率,可以计算斜坡的年破坏概率(表7)。继而,绘制斜坡综合指数与破坏概率关系图(图3)，反映了斜坡在暴雨条件下,斜坡综合指数和破坏概率、年概率的关系。

表7 典型斜坡综合指数及破坏概率Table 7 Typical slope composite index and failure probability

图3 斜坡综合指数与破坏概率关系图
Fig.3 Graph of slope composite index and failure probability

当综合分值<3时,斜坡破坏概率接近0,不容易发生失稳；当综合指数为3～4时,暴雨条件下的破坏概率为0～0.3,所对应的年概率为0～0.035；当综合指数为4～5时,暴雨条件下的破坏概率为0.1～0.7,所对应的年概率为0.035～0.09；当综合指数为5～6时,暴雨条件下的破坏概率为0.4～1.0,所对应的年概率为0.09～0.18；同时,推演当综合指数为6～7时,暴雨条件下的破坏概率为0.6～1.0,所对应的年概率为0.18～0.24；当综合指数为7～8时,暴雨条件下的破坏概率为0.8～1.0,所对应的年概率为0.24～0.30；当综合指数为8～9时,暴雨条件下的破坏概率为0.9～1.0,所对应的年概率为0.30～0.35。

5 评价方法及结果

采用综合指数法计算斜坡单元i的综合指数SIi,即：

(1)

式中：Sij为斜坡单元i中第j个影响因子的分值；Ij为第j个影响因子的权值。

在ArcGIS中计算得到所有单元的综合指数,按照自然断点进行分类,得到斜坡单元的易发性分级后的结果图(图4)。

图4 重点区地质灾害易发性分区图
Fig.4 Regional map of geological disaster susceptibility in key areas

1.极低易发区；2.低易发区；3.中易发区；4.高易发区；5.极高易发区；6.地质灾害点。

极高易发区的共10个斜坡单元,占比2%；高易发区的,共117个斜坡单元,占比13%,高易发区、较高易发区多与已发生灾点契合,零星分布在重点区坡度大及公路切坡处。区内中等、低和极低易发区占比分别为24%、31%和30%,中易发区在重点区西南部小范围集中出现。

6 结论及建议

(1) 研究区内主要斜坡类型为自然斜坡、填土边坡和挖方边坡。自然斜坡自上而下由表层粘性土、碎石土、全、强和弱风化层组成。按照滑坡物质和滑动面的形态特征,斜坡破坏模式可归纳为三类：堆积层平面滑动、堆积层圆弧滑动和岩体平面滑动。

(2) 斜坡结构对其稳定性的影响程度依次为：坡度>坡形>覆盖层厚度>有无红粘土。

(3) 坡角<15°的缓坡,暴雨条件破坏概率基本为0。随着斜坡变陡,其破坏概率增加,当斜坡坡角达到30°时,任何重现期的降雨量其破坏概率均>0.1。在凸形坡和直线型斜坡,其破坏概率达0.8以上。

(4) 考虑斜坡的坡度、坡向、曲率、植被覆盖、坡形、土厚和人工切坡7项指标,计算斜坡综合指数,通过综合指数和年概率识别地质灾害隐患点,标准为：综合分值<3,斜坡破坏概率接近0；综合指数为3～4,暴雨条件的破坏概率为0～0.3,年概率为0～0.035；综合指数为4～5,暴雨条件的破坏概率为0.1～0.7,年概率为0.035～0.09；综合指数为5～6,暴雨条件的破坏概率为0.4～1.0,年概率为0.09～0.18；综合指数为6～7,暴雨条件的破坏概率为0.6～1.0,年概率为0.18～0.24；综合指数为7～8,暴雨条件的破坏概率为0.8～1.0,年概率为0.24～0.30；综合指数为8～9时,暴雨条件的破坏概率为0.9～1.0,年概率为0.30～0.35。