基于降雨阈值建立TRI GRS 模型对斜坡失稳区分级

倪晓辉

（浙江省地矿勘察院有限公司，杭州 310013）

1 工程概况

玲珑街道地处杭州市临安区东部，全街道总面积113.72 km2，街道办事处驻夏禹桥村，下辖16 个行政村。玲珑街道与杭州直线距离为60 km，东、南、西、北四方分别与临锦南街道、富阳区、天目山镇、锦城街道、太湖源镇相邻，杭徽高速、02 省道穿境而过。泥石流、滑坡、崩塌为玲珑街道主要发育类型，其中包含1 处泥石流隐患、10 处滑坡隐患、25 处崩塌隐患。

2 降雨作用引发斜坡失稳的机理

在降雨作用下，斜坡内部结构趋向不稳定[1]，且大部分通过地下水的作用间接实现。从斜坡安全系数方面来看，地下水对斜坡的作用主要表现为可以增加斜坡下滑力和降低斜坡抗剪强度两方面。其在不同程度上削减了斜坡的安全系数，从而导致滑坡产生。

3 斜坡单元划分

以斜坡单元为个体单位进行针对性的野外调查，调查范围主要为对玲珑街道各行政村居住点有影响的自然斜坡，针对斜坡单元的划分，从地形地貌、岩土体特征及斜坡结构3 个方面进行。

地形地貌方面划分原则按照竖直方向，顶部以分水岭（山脊线）为界，下部以坡脚为界；横向主要以切割深度较深的冲沟为界。岩土体特征划分原则按照组成斜坡的岩土体工程地质类型划分，将斜坡划分为土质斜坡单元和岩质斜坡单元。

4 斜坡地质灾害易发性评价方法

本次斜坡单元的地质灾害易发性评价主要通过定性打分以及定量计算相结合，以定性分析为主、定量分析为辅的方式。

4.1 定性分析

主要通过野外调查收集斜坡的地形地貌特征、地层岩石特性、地质构造发育情况、工程地质岩组特征、斜坡水文特征、斜坡形态特征与结构特征、现今斜坡变形破坏迹象、变形位置及微地貌特征来进行打分评价。

斜坡稳定性现场评价表采用定性与半定量相结合的方法，综合考虑斜坡失稳证据、斜坡形态、斜坡结构类型、地质构造、地震、水的作用、人类工程活动（现状及历史）等要素，结合不同的降雨预警工况（Ⅳ级响应、Ⅲ级响应、Ⅱ级响应、Ⅰ级响应），再通过综合计算打分，对斜坡单元的稳定性进行判别。稳定性评判可以为3 种：稳定、较稳定及不稳定，其判别标准分别为：

1）稳定：斜坡坡度较缓，高差较小，坡体和坡面不存在变形破坏迹象，整体稳定；斜坡岩土体组合结构稳定；人类工程活动强度较小或已采取合理支护措施，对坡体稳定性无影响或影响小；发生地质灾害的可能性很小。

2）较稳定：斜坡坡度较陡，高差较大，坡体和坡面局部存在变形破坏迹象，整体稳定性较差；斜坡岩土体组合结构稳定性较差；人类工程活动强度较大或未采取合理支护措施，对坡体稳定性有一定影响；发生地质灾害的可能性中等。

3）不稳定：斜坡坡度陡，高差大，坡体和坡面有明显的变形破坏迹象，整体稳定性差；斜坡岩土体组合结构不稳定；人类工程活动强度大或未采取支护措施，会极大程度地影响坡体稳定性，也会增加地质灾害发生的可能性。

4.2 定量分析

4.2.1 模型

结合临安区玲珑街道地质灾害隐患点以小型岩土质崩塌及小型浅层滑坡为主的特点，选用TRIGRS 模型进行易发性评价。本次通过TRIGRS 模型定量分析调查评价单元为栅格单元。栅格单元是将全区以2 m×2 m 的栅格划分而成的评价单元。

采用栅格数据计算TRIGRS 模型，一个栅格代表一个属性值，相同位置但属性值不同的栅格单元共同组成栅格单元体。随着栅格的精细化，栅格单元体不但能准确反映斜坡地形和地质信息，还能通过计算结果反映斜坡不同部位的稳定性。在计算复杂水文过程确定性时，对该模型进行简化和假设，主要有：（1）采用斜度稳定性的力学简化模型，即假设滑动面、地下水位线与地表面平行；（2）土体为均质各向同性；（3）超过饱和土体入渗能力的降雨量流向下部单元，未超过部分竖直入渗土体。在已知栅格单元坡度、曲率、流向值以及各类物理参数的情况下，采用以下公式计算每个栅格单元的稳定系数：

式中，φ、c分别为斜坡土体的内摩擦角与有效黏聚力；α 为栅格单元的坡度值；ψ 为土体非饱和状态下的孔隙水压力；Z为斜坡土体的竖直厚度，根据各个斜坡野外调查的状况，本次取平均值2.5 m；t为一次降雨的总历时；γw为土体饱和重度；γs为土体天然重度；d为饱和土体地下水水位线，本次取值0.7 m；β 为常量；Izlt为饱和土体的地表入渗量，按照经验，本次取值为降雨量的10%；Ks为饱和竖直渗透系数。

4.2.2 参数确定及假定

TRIGRS 模型所需参数包含模型控制参数及力学与水文参数。

1）模型控制参数：模型控制参数包括模型的栅格尺寸、行数、列数、地表径流流向等。通过ArcGIS 软件对DEM 模型的空间分析得出调查区模型的控制参数，栅格尺寸为2 m×2 m，列数19 999，行数为18 099。

2）力学与水文参数：包含土体黏聚力（c）、内摩擦角（φ）、土体饱和重度（γw）、土体天然重度（γs）等。本次计算斜坡单元力学与水文参数的确定采用反演、试算与经验数据类比相结合的方法综合求得。据近年来玲珑街道及相邻乡镇地灾勘查设计，所得经验参数见表1。

表1 治理工程勘查报告中力学与水文主要参数建议值

本次反演以典型的祥里村板坞里18 号、19 号屋后地质灾害隐患点为例，该点滑坡方量约500 m3，为近年来潜在方量最大的小型浅层滑坡，其相对应斜坡单元编号为XL16。

根据前期资料对该隐患点现象判断，XL16 在天然工况下处于临界稳定状态，假定稳定系数Fs=1.00，假定φ 值计算c值，计算结果见表2。

表2 天然工况反演计算岩土体物理力学参数

综合治理工程勘查报告岩土体力学参数建议值、土体力学参数反演复核结果，参照地区经验值，最终确定力学与水文参数建议值见表3。

表3 力学与水文计算参数建议值

在定性打分与定量计算对比中，如果Ⅱ级响应定性打分超过60 分，则统计该斜坡总栅格单元中栅格单元计算结果Fs为Fs≤0.8、0.8＜Fs≤1.0 的占比；若Ⅱ级响应定性打分小于60分，则统计该斜坡总栅格单元中栅格单元计算结果Fs为1.0＜Fs≤1.25、1.25＜Fs≤1.5、Fs＞1.5 的占比；若相应比例超过50%，则认为定性打分与定量分析结果相匹配。最终813 个斜坡单元有648 个斜坡单元定性打分与定量分析结果相匹配，预测成功率为80%，最终认为定性打分与定量分析基本可靠，为互相佐证。

4.3 斜坡失稳影响区划分

基于对调查区内斜坡单元在4 种不同降雨预警工况下的稳定性，并结合地质灾害类型、发育分布特征、主要影响因素和成灾模式，通过地质调查数据管理平台的数据模型运算，再结合玲珑街道各行政村两委的意见，构建了斜坡单元影响区的划分体系。

斜坡单元稳定性评价根据4 种不同降雨预警工况进行打分分析，根据分值判定每一个斜坡的稳定性等级（稳定、较稳定、不稳定），按权重打分评判稳定系数K，即稳定（K≤50）；较稳定（50＜K＜60）；不稳定（K≥60）。

4 种降雨预警工况斜坡失稳面积最大的是锦绣村，玲珑街道蓝色降雨预警工况Ⅳ级响应斜坡失稳总面积为6.33 hm2，黄色降雨预警工况Ⅲ级响应斜坡失稳总面积为101.47 hm2，橙色降雨预警工况Ⅱ级响应斜坡失稳总面积为598.10 hm2，红色降雨预警工况Ⅰ级响应斜坡失稳总面积为775.58 hm2。

4.4 斜坡失稳预警机制

基于临界降雨量进行地质灾害气象预警一直是地质灾害预报中的难点。地质灾害气象预警最好的办法就是与气象部门合作建立地质灾害的气象预报预警系统，在达到一定降雨量条件下，通过气象预报节目同期向全体群众发布地质灾害预报信息。但在玲珑街道尚未完全建立突发性地质灾害气象预报预警系统的前提下，还无法实现结合实时降雨量对玲珑街道地质灾害发生概率进行评估与界定，因此，也不能实现对地质灾害发生强度、影响范围、分布概率等做出实时且有效的预报。这就为如何进行地质灾害预警并如何指导监测、巡查人员以及受威胁群众在何种降雨条件下需做哪种程度的预防带来了困难。

其中，将Ⅳ级响应（蓝色）、Ⅲ级响应（黄色）、Ⅱ级响应（橙色）、Ⅰ级响应（红色）通知到镇、村，告知即将出现险情，I 级启动重要地质灾害隐患点的群测群防巡查。Ⅱ级预报预警时间内对重要地质灾害隐患点24 h 监测。Ⅲ预报预警时间内启动地质灾害隐患点群测群防并24 h 监测，采取防御措施。Ⅳ启动受地质灾害隐患点威胁区居民临时避让方案；暂停灾害易发地点附近的户外作业，各有关单位值班指挥人员到岗准备应急措施。

5 结语

综上所述，通过降雨阈值模型研究斜坡稳定性，同时，通过综合分析斜坡的地质条件、地貌地形、坡度、斜坡汇水面积等因素，可确定降雨量和滑坡单元定量之间的关系，为研究斜坡稳定性提供可视化且有效的分析方法。