考虑岩体结构面组合的区域崩塌灾害易发性评价

黄肖萍，郑 莉，杜 娟，冯 霄

(1.中国地质大学(武汉)湖北巴东地质灾害国家野外科学观测研究站，湖北 武汉 430074；2.重庆一零七市政建设工程有限公司，重庆 401120；3.中国地质大学(武汉)环境学院极端天气气候与水文地质灾害研究中心，湖北 武汉 430078)

崩塌是山区城镇和交通沿线主要的地质灾害类型，由于破坏力大、突发性强，常造成建筑物损毁、公路堵塞及人员伤亡。区域崩塌灾害易发性评价是崩塌灾害风险管控的基础，其评价方法可分为知识驱动法[1](启发式模型)、数据驱动法(统计模型)[2-3]和确定性力学模型。近年来，支持向量机、遗传算法等人工智能模型在崩塌灾害易发性评价中的应用成为研究热点，相关学者针对不同算法的适用性和评价结果的精度开展了大量的研究[4-7]。然而，对于数据驱动方法，评价指标的合理性是影响评价结果精度的重要方面。

危岩体的失稳破坏受控于岩性组合条件等内在要素以及降雨、人类工程活动等外界因素的共同影响。针对区域尺度的崩塌灾害易发性评价，大量学者采用了岩性组合等岩体结构要素、地形坡度等地形要素、地表汇流等水文地质要素以及公路切坡等人类工程作用要素等多种评价指标[8-10]。其中，岩体结构特征和地形条件是控制崩塌灾害成生的重要孕灾因素，以往的研究对坡体优势结构面发育情况的考虑较为简化，如采用岩体结构面发育密度等表征岩体完整性的指标[11]，或仅考虑岩体结构面与斜坡坡向的夹角来刻画两者之间的组合关系[12]；对于地形坡向指标也仅从太阳光照作用或斜坡结构类型等方面入手进行分析[13-14]，而忽略了岩体优势结构面与斜坡坡向的空间组合关系对崩塌灾害失稳破坏模式的控制作用以及对崩塌灾害易发性的影响。单体岩质斜坡的稳定性评价常常基于岩体结构面与斜坡坡向的空间组合关系来分析潜在不稳定块体的发育情况，但如何将岩体结构面产状、岩体结构面与斜坡坡向的空间组合模式、岩体结构面发育密度等精细化信息应用于区域尺度的崩塌灾害易发性评价是研究的难点。

本文以重庆市万州区铁峰乡为研究区，针对发育于中厚层砂岩和砂岩夹泥页岩地层中的崩塌灾害开展了易发性评价研究，提出了基于岩体优势结构面组合分析的崩塌灾害易失稳斜坡坡向的计算模型，实现了区域尺度上对控制崩塌灾害成生的岩体结构指标的精细化刻画，并在此基础上，结合岩性组合、地形坡度、植被指数(NDVI)、岩体优势结构面与斜坡坡向组合、地表水汇流影响和切坡建筑加载6个评价指标，采用人工神经网络模型对研究区崩塌灾害易发性进行了分区，评价结果取得了较高的精度，对研究区崩塌灾害的风险管控工作具有一定的指导意义。

1 研究区概况与崩塌灾害失稳破坏模式

1. 1 研究区概况

研究区铁峰乡位于重庆市万州区的北部山区，以构造剥蚀-侵蚀中低山河谷地貌为主；构造上位于川东隔档式褶皱铁峰山背斜北西翼，受杨家河侵蚀切割形成谷地，河谷南侧构成顺向坡，北侧为逆向坡。由铁峰山背斜核部向翼部依次发育三叠系巴东组(T2b)、须家河组(T3xj)，侏罗系珍珠冲组(J1z)、自流井组(J1-2z)、新田沟组(J2x)和下沙溪庙组(J2xs)地层(见图1)，地层走向呈SWW-NEE向展布，与铁峰山背斜轴线方向基本一致，各地层岩性段剖面见图2。

根据调查结果显示，研究区共发育崩塌灾害106处，其中坠落式崩塌灾害65处，平面滑移式崩塌灾害31处，楔形体滑移式崩塌灾害10处。研究区内崩塌灾害多发生于中厚层半坚硬-较软弱砂岩组夹泥页岩组中，这类工程地质岩组的岩石多为微风化或弱风化，岩体结构面的发育密度较大，一般发育2～3组主控结构面，结合程度一般甚至差，岩体结构较破碎，崩塌灾害较为发育。研究区内已查明的崩塌灾害失稳破坏模式和在各地层内的分布情况，如图1所示。

1. 2 研究区崩塌灾害失稳破坏模式

岩体结构面发育特征是控制崩塌灾害成生的重要因素，岩体优势结构面与斜坡临空面的空间组合关系决定了崩塌灾害的失稳破坏模式。本文针对研究区崩塌灾害的3种失稳破坏模式，对其相应的岩体结构面空间组合特征进行了分析。

1.2.1 平面滑移式崩塌灾害

平面滑移式崩塌灾害(见图3)形成的边界条件包括充当滑面的岩体结构面a以及起侧向切割作用的岩体结构面b1、b2，所形成的危岩体沿着岩体结构面a向斜坡临空面滑移。滑移面a由贯通的岩体结构面或软弱岩层层面形成，其倾向与斜坡临空面坡向基本一致或小角度相交，且倾角小于坡面坡角，但大于岩体结构面内摩擦角。图4为研究区内发育的典型平面滑移式崩塌灾害点，该边坡发育贯通性好且以与斜坡坡向基本一致的节理面充当滑面，两侧发育两组近垂直的节理面切割形成崩塌体的左右边界。

图1 研究区地层与崩塌灾害失稳破坏模式空间分布图

图2 研究区各地层岩性段剖面图

图4 平面滑移式崩塌灾害典型照片

1.2.2 楔形体滑移式崩塌灾害

楔形体滑移式崩塌灾害(见图5)由两组异倾向的岩体结构面和斜坡临空面共同切割而成，这两组岩体结构面的交线a′需倾向斜坡临空面且与其交角较小，交线倾角需小于坡角且大于岩体结构面综合内摩擦角[15-16]。图6为研究区内发育的典型楔形体滑移式崩塌灾害点，该边坡岩体被两组结构面共同切割成楔形体，边坡开挖形成临空面后，岩体结构面的交线倾角小于斜坡临空面的倾角，楔形体沿着岩体结构面交线滑出。

图5 楔形体滑移式崩塌灾害失稳破坏模式示意图

图6 楔形体滑移式崩塌灾害典型照片

1.2.3 坠落式崩塌灾害

图7 坠落式崩塌灾害失稳破坏模式示意图

坠落式崩塌灾害(见图7)由陡倾节理或裂隙a、b1、b2切割形成，同时由于岩体差异风化、下部岩块掉落或人工开挖无法对上部岩体提供支撑，危岩体在重力作用下失稳坠落而发生。图8为研究区内发育的典型坠落式崩塌灾害点，该边坡岩体岩性为上部厚层硬质砂岩，下部泥质粉砂岩夹薄煤层的软弱岩层，岩体差异风化在坡脚处形成凹腔，边坡岩体由岩层层面和侧向近直立节理面切割，在重力作用下发生坠落式失稳破坏。该边坡岩体内发育的结构面主要对岩体的完整程度和块体的切割程度产生影响，岩体结构面方向与斜坡临空面坡向的空间组合关系不是危岩体失稳的主要控制因素。

图8 坠落式崩塌灾害典型照片

2 岩体优势结构面与斜坡临空面的空间组合模式分析

基于上述崩塌灾害失稳破坏模式及岩体结构面组合特征的分析，崩塌灾害的成生受关键岩体结构面(滑移面和切割面)与斜坡坡向空间组合关系的控制，同时岩体优势结构面与斜坡临空面的空间角度关系影响了崩塌灾害发生的难易程度。由此，本文提出考虑岩体优势结构面与斜坡临空面空间组合模式的斜坡单元内崩塌灾害发生概率的计算方法，计算了不同斜坡坡向单元内发生平面滑移式崩塌灾害和楔形体滑移式崩塌灾害的概率，并分析崩塌灾害的易发坡向。

对于坠落式崩塌灾害，由于其失稳破坏主要受下部临空面及侧向切割面发育程度的影响，岩体结构面与斜坡坡向的空间组合关系对其发生概率的影响相对较弱，在满足存在下部临空面及侧向切割面分离形成独立岩块的前提下，可以认为不同斜坡坡向发生坠落崩塌灾害的概率基本相同。

岩体结构面的发育规律主要受地层岩性和构造活动的控制。研究区内的地层岩组界线与主要构造——铁峰山背斜的轴线方向基本一致，因此依据地层岩组界线将研究区划分为5组地层、共21个分区进行了岩体结构面统计(巴东组地层因出露面积极小不参与统计；受通行条件限制，难以测得须家河组地层1～4岩性段的数据，故将其合并为一段进行统计)。基于野外岩体结构面测量数据(见图9)，绘制了研究区各分区岩体结构面和结构面交线的等密度图，本文以5组地层的岩体结构面和岩体结构面交线等密度图为例进行了展示，见图10和图11，从而得到研究区岩体优势结构面的发育规律。

图9 研究区岩体结构面测量点平面分布图

将斜坡临空面坡向以20°为间隔划分成18个不同斜坡坡向的小单元[见图12(a)]，分别计算每个斜坡坡向单元与岩体优势结构面组合后发生平面滑移式崩塌灾害的概率Pp和楔形体滑移式崩塌灾害的概率Px，并通过某一角度范围内岩体结构面的发育密度来表征该方向内出现该岩体优势结构面的概率，由此定义岩体结构面等密度概率P，其计算公式为

图10 研究区岩体结构面等密度图

图11 研究区岩体结构面交线等密度图

图12 崩塌灾害破坏概率计算模式图

(1)

式中：Ni为岩体结构面密度等级，根据岩体结构面密度值将其划分为10个等级，N1=1，N2=2,…，N10=10；Si为斜坡坡向单元内岩体结构面密度等级Ni对应的面积(m2)；r为岩体结构面等密度圆的半径(m)。

根据崩塌灾害破坏概率计算模式图[见图12(b)]，结合图12(a)的统计结果，将与滑移面a倾向相垂直的方向向两边各延伸20°作为岩体结构面b1、b2的倾向计算范围，采用式(1)计算每个斜坡坡向单元内岩体结构面a的等密度概率Pa和岩体结构面b1、b2的等密度概率Pb1、Pb2，以及楔形体滑移式崩塌灾害中岩体结构面交线a′的等密度概率Pa′。

根据崩塌灾害破坏模式的分析，除岩体结构面倾向外，控制崩塌灾害岩体结构面的倾角也需要满足一定的要求。经统计，研究区内历史平面滑移式崩塌灾害中充当滑移面的岩体结构面a最小倾角为12°，侧向切割面b1、b2的最小倾角为60°[见图13(a)]。因此，针对研究区，Pa的计算只考虑岩体结构面倾角大于12°的范围，Pb1、Pb2的计算只取岩体结构面倾角大于60°的范围；另外，发生楔形体滑移式崩塌灾害的岩体结构面交线的最小倾角为41°[见图13(b)],故Pa′的计算只取岩体结构面交线倾角大于41°的范围。

图13 研究区平面滑移式和楔形体滑移式崩塌灾害 岩体结构面倾角统计

某一斜坡坡向单元内平面滑移式崩塌灾害的发生概率Pp等于该斜坡坡向单元内滑移面a的等密度概率Pa与侧向切割面b1、b2的等密度概率Pb1、Pb2的加权之和，即：

Pp=mPa+n(Pb1+Pb2)

(2)

但由于滑移面对崩塌灾害的贡献度大于侧向切割面，故取其权重系数分别为m=0.7、n=0.3。

楔形体滑移式崩塌灾害主要受两侧向岩体结构面交线的控制。不同斜坡坡向单元内楔形体滑移式崩塌灾害的发生概率Pw的计算原理与平面滑移式崩塌灾害相同，区别在于计算中只考虑岩体结构面交线的等密度概率Pa′，则有:

Pw=Pa′

(3)

滑移式崩塌灾害发生的总概率Ps等于平面滑移式崩塌灾害发生概率Pp与楔形体滑移式崩塌灾害发生概率Pw之和，即：

Ps=Pp+Pw

(4)

对每一斜坡坡向单元内滑移式崩塌灾害发生的总概率Ps进行归一化处理后，按0≤Ps<0.2(Z1),0.2≤Ps<0.4(Z2)、0.4≤Ps<0.6(Z3)、0.6≤Ps<0.8(Z4)、0.8≤Ps<1(Z5) 的原则划分斜坡坡向危险等级，得到研究区不同地层内斜坡坡向危险等级的划分结果，见图14。

图14 研究区不同地层内斜坡坡向危险等级分区图

研究区内部分平面滑移式崩塌灾害的滑移面由岩层层面充当，除接近铁峰山背斜核部地段外，岩层层面倾角较小，均小于斜坡坡角，由此当斜坡坡向与岩层倾向(NNW)大致相同时，发生滑移式崩塌灾害的概率较大。因此，研究区斜坡坡向危险等级结果呈现NNW向为相对危险坡向(顺向坡)、SE向为相对安全坡向(逆向坡)的整体趋势。

3 基于人工神经网络模型的崩塌灾害易发性评价

3. 1 评价范围确定

研究区崩塌灾害主要发育于地形陡峻的自然斜坡和公路切坡，因此研究区崩塌灾害易发性的评价单元包含自然斜坡评价单元和公路切坡评价单元两类。

据统计，研究区已发生崩塌灾害的自然斜坡最小坡度为40°，故提取自然斜坡坡度大于40°的区域作为崩塌灾害易发性的评价范围。本文采用斜坡单元作为崩塌灾害易发性评价单元[17]，基于研究区数字高程模型(DEM)数据，沿地形控制的山脊、沟谷线确定基础斜坡评价单元，并在斜坡坡向明显变化处、地层岩性段分界处进一步分割获得斜坡评价单元，确保评价单元内的地形地貌、斜坡结构、地层岩组及崩塌灾害类型相一致(见图15)。

图15 研究区崩塌灾害易发性评价单元

公路开挖形成的岩质切坡坡度均较陡，且在卸荷作用下容易形成崩塌灾害。野外调查过程中，对研究区内道路开挖形成的岩质切坡进行了详细测量，记录了切坡段的位置、长度和改造后的坡度等信息，但由于开挖切坡难以在平面图中通过面文件表达，因此本文通过切坡对应的道路线段来表征切坡单元，并用于后续评价指标的获取。

3. 2 评价指标与模型选取

基于研究区崩塌灾害的分布规律和成因机制，选取岩性组合、地形坡度、植被指数(NDVI)、岩体优势结构面与斜坡坡向组合、地表水汇流影响和切坡建筑加载6个评价指标来综合评价研究区崩塌灾害易发性。

工程地质岩组中岩性的软硬程度和软硬岩的组合关系会影响崩塌灾害的成生，如软硬相间岩层的差异风化会促进下部凹腔和岩体裂隙的形成；较陡的地形坡度提供了崩塌灾害发生的临空条件；地表水汇流量较大形成的裂隙渗流及充水是促进危岩体失稳和冲刷裂隙面、降低裂隙面结合程度的主要原因；植被覆盖度不同会影响岩体接受光照风化的程度，并且植被根系对岩体结构面的根劈作用会影响危岩体的稳定性；此外，在研究区可见多处切坡建房扰动岩体、上部重力加载而导致的崩塌灾害，故将评价单元内是否有切坡建筑加载作为评价指标之一。

本文采用人工神经网络(artificial neural networks，ANN)模型对研究崩塌灾害易发性进行计算。由于ANN模型无法对输入的语言数据进行检测或提取，因此在对评价指标进行分级的同时还需要对评价指标进行分级和标准化赋值。样本数据选择与预处理的合理性对ANN模型有着重要的影响，故本文按频率比法[18]对评价指标各分级进行崩塌灾害敏感性分析，并通过各评价指标级别与崩塌频率比关系曲线进行评价指标等级划分。研究区崩塌灾害易发性各评价指标分级标准和平面分布图，见表1和图16。

表1 研究区崩塌灾害易发性评价指标分级及标准化赋值表

图16 研究区崩塌灾害易发性评价指标分布图

3. 3 评价结果与分析

本文随机抽取80%的训练样本和20%的检测样本用于ANN模型训练，并将结果模型用于研究区内所有评价单元的崩塌灾害易发性评价，根据评价结果将研究区崩塌灾害易发性进行分区，划分为极高易发区、高易发区、中易发区、低易发区4个易发性等级，见图17。

ANN模型的评价结果表明：研究区崩塌灾害预测变量的重要性排序为：地形坡度>岩体优势结构面与斜坡坡向组合>岩性组合>地表水汇流影响>NDVI>切坡建筑加载，预测模型的总体正确率AUC值为87.1%，说明模型的预测精度较高。

由图17可见，研究区公路开挖形成的陡坡以及南侧深切冲沟内陡峭的自然斜坡为研究区崩塌灾害的极高-高易发区，逆向坡的自然斜坡区域以中-低易发区为主。因此，在公路建设中如必须进行边坡开挖，应注意岩体优势结构面与斜坡坡向的组合关系，尤其对研究区内NNW临空方向开挖的边坡应重视崩塌灾害的监测与防控，以避免崩塌灾害造成的风险。

图17 研究区崩塌灾害易发性分区图

4 结 论

(1) 研究区内的崩塌灾害以平面滑移式、楔形体滑移式和坠落式崩塌灾害为主，针对各类崩塌灾害失稳破坏模式，通过分析其成因机制以及岩体控制性结构面与斜坡临空面的空间组合关系，构建了基于岩体结构面组合模式分析的区域崩塌灾害易发性评价指标体系。

(2) 提出了考虑岩体优势结构面与斜坡临空面空间组合模式的区域崩塌灾害危险坡向计算方法。基于研究区内已发生崩塌灾害的岩体结构面统计数据，确定岩体控制性结构面的临界角度范围，并计算了研究区不同地层段内不同斜坡坡向单元内平面滑移式和楔形体滑移式崩塌灾害的发生概率，获取了崩塌灾害的易发斜坡坡向。结果表明：研究区NNW向为崩塌灾害的危险斜坡坡向，NE向为相对安全的斜坡坡向。

(3) 采取人工神经网络(ANN)模型，考虑研究区内崩塌灾害的岩性组合、地形坡度、植被指数(NDVI)、岩体优势结构面与斜坡坡向组合、地表水汇流影响和切坡建筑加载6个评价指标开展了研究区崩塌灾害易发性评价。评价结果表明：地形坡度、岩体优势结构面与斜坡坡向组合两项指标对研究区崩塌灾害的影响最大；研究区崩塌灾害极高-高易发区主要集中于公路开挖形成的顺向陡坡以及南侧深切冲沟内陡峭的自然斜坡。该评价结果对研究区崩塌灾害风险管控具有一定的指导意义。