王 濤,胡秋韻,張永雙,吳樹仁,辛 鵬
汶川震區(qū)成蘭鐵路關鍵段多尺度滑坡危險性評估
王 濤1,2,胡秋韻3,張永雙1,2,吳樹仁1,2,辛 鵬1,2
(1.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所,北京100081;
2.國土資源部新構造運動與地質(zhì)災害重點實驗室,北京100081;3.中國地質(zhì)調(diào)查局,北京100037)
以穿越汶川震區(qū)的成蘭鐵路龍門山關鍵段為例,探索提出了強震擾動背景下重大工程場區(qū)多尺度滑坡危險性評估方法。利用信息量模型反演評估了汶川地震誘發(fā)的同震滑坡空間分布特征,以此為前提開展了區(qū)域和局地兩種空間尺度的滑坡危險性預測評估。在區(qū)域廊帶尺度上,分別利用可能最大降雨量預測方法和信息量模型,進行了日超越概率10%的最大降雨量時空分布預測及其誘發(fā)滑坡的危險性評估;同時,結合地震危險性區(qū)劃成果,開展了50年超越概率10%的基本地震動誘發(fā)滑坡的危險性評估。在局地場站尺度上,利用基于崩塌運動過程模擬的Rockfall Analyst軟件,開展了柿子園大橋周邊崩塌運動學特征(Runout)模擬和危險性評估?;潞捅浪kU性評估的結果分別為鐵路規(guī)劃選線和場站防護設計提供了不同尺度的地質(zhì)安全依據(jù)。
汶川;地震擾動區(qū);滑坡;多尺度;危險性;成蘭鐵路
鐵路工程滑坡具有分布區(qū)域廣泛、涉及地質(zhì)條件多樣和形成機制復雜的鮮明特色[1]。究其原因,鐵路工程建設的坡體切削、填方和堆載施工均不利于斜坡穩(wěn)定,加之經(jīng)濟和國防建設的需要,又無法回避構造活動強烈和極端氣候區(qū),因此極易在地震和降雨等內(nèi)外動力因素綜合作用下誘發(fā)大量滑坡。如寶成鐵路建成后的35 a間,沿線滑坡密度高達2處/km[2~4]。有些滑坡還會造成重大傷亡和損失,例如寶成線K190滑坡[5]、成昆線鐵西滑坡和滬昆線何坊村滑坡等等[1]。鐵路工程滑坡危險性評估,通過預測沿線滑坡分布及運移特征(Runout),不失為鐵路滑坡風險管控的重要手段之一。鑒于滑坡管理的不同需求,評估不僅需要考慮全線不同段落的滑坡危險性,還應兼顧隧道進出口、橋梁及場站等重點場址的滑坡隱患。因此,需要基于不同尺度和目標開展鐵路工程滑坡的危險性評估。然而,目前國內(nèi)外針對鐵路工程沿線開展滑坡易發(fā)性或危險性評估的研究進展并不多見[6~10],尤其關于多尺度滑坡危險性綜合評估的進展更為欠缺。
成蘭鐵路作為川西北首條鐵路,構建了溝通西北與西南的區(qū)際干線大通道,對推進西部大開發(fā)戰(zhàn)略意義重大;而龍門山關鍵段是成蘭鐵路沿線工程地質(zhì)條件最為復雜、且受到強震擾動的高烈度路段,該段設計和建設工作對保障整條鐵路安全至關重要,前人針對該路段已開展了地質(zhì)選線[11~13]、區(qū)域地質(zhì)災害危險性評估[14]、泥石流單災種評估與防治等問題研究[15]。本文重點關注在汶川地震擾動之后,震裂山體在潛在降雨和地震作用下誘發(fā)新生崩塌和滑坡災害問題,運用統(tǒng)計分析模型與運動學過程模擬結合的手段,分別開展龍門山關鍵路段和柿子園大橋場站兩種尺度的滑坡危險性評估,以期為鐵路線路設計和運營提供地質(zhì)安全依據(jù)。
成蘭鐵路龍門山關鍵段的復雜工程地質(zhì)條件主要體現(xiàn)在構造活動強烈、強震多發(fā)、巖體破碎、崩滑流災害頻發(fā)等方面。
在自然地理方面,地處我國第一階梯向第二階梯的過渡地帶,以龍門山山脈的高山峽谷地貌為主,東臨成都平原,西接岷山山脈,高程介于515~4768 m之間(見圖1);主干河流包括岷江和凱江,自北西向南東流淌;具有山地型立體氣候特征,干雨季分明,降雨集中在龍門山東坡地段[11,13]。
在活動構造和地震方面,發(fā)育多條全新世活動斷裂,包括龍門山山前斷裂帶的灌縣—安縣斷裂和曉壩場斷裂、龍門山中央斷裂帶的映秀—北川斷裂、后龍門山斷裂帶的汶川—茂縣斷裂和九頂山斷裂以及岷江斷裂帶的岷江斷裂和松坪溝斷裂[11,16~17](見圖1)。地處南北地震帶中段,強震活動頻繁[11,13],截至目前區(qū)內(nèi)發(fā)生6.0級以上地震21次,其中包括汶川Ms8.0級地震。在未來百年內(nèi),區(qū)內(nèi)仍處于第二活躍期末期及下一活動周期的相對平靜期內(nèi),不排除發(fā)生7級以上地震的可能[18]。
在地層巖性方面,各時代地層序列出露齊全,巖性紛雜,分布最廣的地層依次為:志留系茂縣群(Smx)千枚巖、片巖和板巖等,第四系(Q)沖洪積砂礫石和黏土,上三疊統(tǒng)侏倭組(T3zh)和中三疊統(tǒng)雜谷腦組(T2z)變質(zhì)砂巖和千枚巖等,震旦系上統(tǒng)(Z2)砂巖和粉砂巖等。巖體受構造活動影響,多表現(xiàn)出強烈的揉皺變形和擠壓破碎,工程性質(zhì)較差[13]。工程地質(zhì)巖組劃分結果顯示以板巖和千枚巖為主的較軟巖組分布最廣,約占區(qū)域面積的46%;其他巖組分布面積由大到小依次為:較硬巖組、松散巖組、堅硬巖組和軟弱巖組(見圖2A)。
成蘭鐵路龍門山關鍵段位于汶川Ms8.0地震主要擾動區(qū),區(qū)內(nèi)滑坡分布和發(fā)育特征主要受控于汶川地震的誘發(fā)作用,后續(xù)的滑坡危險性評估,也應在此地震擾動區(qū)的背景下進行。為此,本文首先反演評估了汶川地震誘發(fā)同震滑坡的空間分布特征,然后分別開展了特定概率水平的潛在降雨和地震誘發(fā)滑坡的危險性評估研究。
圖1 成蘭鐵路龍門山關鍵段區(qū)域地質(zhì)地理背景簡圖Fig.1 Brief regional geological and geographic context map around Longmenshan section of Chengdu?Lanzhou railway
2.1 汶川地震誘發(fā)同震滑坡分布特征反演
為了囊括所有可能對線路有影響的滑坡,保守地截取了成蘭鐵路龍門山段兩側(cè)各10 km的廊帶進行滑坡危險性評估,廊帶面積約2898 km2,共發(fā)育2148處地震滑坡,滑坡密度約0.74處/km2(見圖2B)。筆者此前利用信息量模型[19],定量計算和比較了地震滑坡的各類影響和誘發(fā)因素的信息量值,并剔除了部分致災意義重復或影響微弱的因素,最終提煉出5大類,共計8種關鍵性致災因素(見表1,圖2A,圖2C—2I)。各種因素的信息量計算結果顯示:地質(zhì)構造及地震動參數(shù)的信息量值明顯高于其他因素,反映了發(fā)震構造及地震動力條件在區(qū)域地震滑坡發(fā)育機制中的主控作用。
利用信息量模型,將上述8種單因素圖層重分類賦值,并進行圖層疊加運算,即可獲得汶川地震同震滑坡的危險性反演評估結果(見圖3)。利用成功率曲線檢驗方法[21],可知預測危險性分級與實際滑坡空間分布的吻合成功率達82%,表明反演結果與實際滑坡分布一致性較好。
圖2 成蘭鐵路關鍵段地震滑坡及其影響因素分布圖Fig.2 Seismic landslide and influential factor maps of key section of Chengdu?Lanzhou railway
表1 區(qū)域滑坡關鍵影響和誘發(fā)因素及數(shù)據(jù)來源Table1 Regional crucial landslide influential and inducing factors and data sources
圖3 成蘭鐵路關鍵段汶川地震同震滑坡危險性反演評估及檢驗圖Fig.3 Coseismic landslide hazard inversion assessment induced by Wenchuan earthquake and its validation,key section of Chengdu?Lanzhou railway
分析成蘭鐵路關鍵段同震滑坡危險性反演評估圖(見圖3)可知:①極高危險區(qū)占廊帶總面積的24.18%,主要分布在龍門山斷裂帶地區(qū),在灌縣—安縣斷裂帶和映秀—北川斷裂帶北西側(cè)上盤地段尤為集中,恰好位于成蘭鐵路大拐彎地段,涉及雎水鎮(zhèn)向上行約49 km的路段。②在區(qū)域危險性等級衰減方面,從極高危險區(qū)向龍門山斷裂帶上盤北西方位,危險性等級緩慢連續(xù)降低,直至岷山低危險區(qū);相反向龍門山斷裂帶下盤南東方位,危險性由極高危險區(qū)經(jīng)過狹窄的中危險地帶,驟然降低至成都平原低危險區(qū);龍門山兩側(cè)危險性等級降率“一緩一急”的鮮明對比,反映汶川地震滑坡發(fā)育的“上盤效應”。③極高危險區(qū)發(fā)育多處災難性高速遠程滑坡,例如大光包滑坡和文家溝滑坡等[22](見圖2B,圖3)。參照成功率曲線檢驗結果,可知利用信息量模型和上述8種評估指標進行同震滑坡危險性反演評估,可以取得較為理想的結果。
通過汶川地震同震滑坡危險性反演,在已查明離散分布的地震滑坡基礎上,進一步以區(qū)域連續(xù)的表達方式,在很大程度上揭示了震裂山體或不穩(wěn)定隱患斜坡的空間分布及其活動強度差異,為開展震后潛在降雨或地震誘發(fā)新生滑坡的危險性評估提供了依據(jù)。
2.2 潛在降雨誘發(fā)滑坡危險性評估
在強震過后數(shù)年乃至更長時期內(nèi),由于存在巨大儲量的同震滑坡堆積和震裂山體,降雨誘發(fā)新生崩滑流災害態(tài)勢會比震前突增[23],將嚴重危及鐵路工程。為此,本文搜集了區(qū)域歷史降雨量數(shù)據(jù),開展日超越概率10%的最大降雨量時空分布預測,并結合同震滑坡空間分布的反演結果,進行了潛在降雨誘發(fā)滑坡危險性評估。
2.2.1 潛在降雨時空分布預測
降雨誘發(fā)滑坡危險性評估的實質(zhì),是以條件概率形式描述在特定降雨條件下滑坡發(fā)生的時空概率。不同降雨條件的概率水平不僅限定了滑坡危險性的基礎概率,也決定了滑坡危險性評估結果的有限適用性。因此,在滑坡危險性評估前,至少應明確潛在降雨的發(fā)生概率和強度條件。本文利用氣象學領域的可能最大降雨量預測方法(Probable Maximum Precipitation,簡稱PMP)[24],對區(qū)域潛在日最大降雨量進行了時空分布預測[19],具體流程包括:①搜集歷史汛期日最大降雨量的柵格數(shù)據(jù),針對特定柵格,統(tǒng)計獲得降雨量-時間頻次直方圖;②將頻次直方圖與區(qū)域經(jīng)驗概率密度函數(shù)f(x)(Weibull分布和Lognormal分布)進行一致性檢驗,選取一致性較好的Weibull分布作為預測模型;③利用最小二乘法、最大似然法及矩法等,求解確定Weibull概率密度函數(shù)中的待定參數(shù)和表達式;④利用柯爾莫哥洛夫法、x2法及擬合相關系數(shù)法等,計算不同概率區(qū)間的最大降雨量預測值與實測值的偏差,檢驗擬定概率模型的擬合優(yōu)度,確定最優(yōu)分布函數(shù)F(x);⑤預測任意超越概率或重現(xiàn)期的日最大降雨量值,建立對應不同概率水平的日最大降雨量序列;⑥對評估區(qū)域所有柵格重復上述預測過程,通過插值得到區(qū)域范圍內(nèi)特定概率水平的降雨量分布結果,用于滑坡危險性定量評估。本文利用上述方法預測了成蘭鐵路關鍵段日超越概率10%的最大降雨量分布(見圖4),該結果與龍門山東部迎風區(qū)降雨充沛,西部背風坡岷江河谷區(qū)降雨稀少的氣象背景吻合較好。
2.2.2 潛在降雨誘發(fā)滑坡危險性評估
將區(qū)域日最大降雨量分布指數(shù)化,與同震滑坡危險性反演結果(見圖3)進行合成歸一化運算,即可獲得成蘭鐵路關鍵段日超越概率10%的潛在降雨誘發(fā)滑坡危險性的評估結果(見圖4)。與同震滑坡反演結果對比,可知潛在降雨誘發(fā)滑坡的各危險性分區(qū)界限更加明晰,極高危險區(qū)分布也更加集中,約占廊帶總面積的19.27%,主要分布在灌縣—安縣斷裂帶和映秀—北川斷裂帶之間地帶,涉及成蘭鐵路雎水鎮(zhèn)向上行約32 km的路段。該評估結果主要指示了潛在降雨誘發(fā)震裂山體和同震滑坡堆積物形成新生崩滑流的時空分布特征。在極高危險區(qū)的綿遠河流域,震后歷年強降雨導致文家溝滑坡多次爆發(fā)災難性泥石流證實了評估結果的可靠性[25]。此類災害實例也為極高危險區(qū)鐵路段的工程防護設計提供了警示。
圖4 成蘭鐵路關鍵段日超越概率10%的潛在降雨及其誘發(fā)滑坡危險性評估圖Fig.4 Map showing potential precipitation of 10%daily exceedance probability and the inducing landslide hazard assessment,key section of Chengdu?Lanzhou railway
2.3 潛在地震誘發(fā)滑坡危險性評估
由于降雨天氣變化的周期較短,上述潛在降雨誘發(fā)滑坡危險性評估可為鐵路工程建設提供中短期地質(zhì)安全依據(jù)。為進一步解決強活動構造區(qū)中長期土地利用規(guī)劃中的滑坡危險性問題,本文結合汶川震后修正的地震危險性區(qū)劃成果[26],開展了基本地震動(50 a超越概率10%)誘發(fā)滑坡危險性評估(見圖5)。其中,我國區(qū)域地震危險性區(qū)劃主要利用概率地震危險性分析方法,技術流程主要包括潛在震源區(qū)劃分、不同震級分檔的年發(fā)生概率分析、場地遭受的地震動影響分析以及確定任意概率水平的區(qū)域地震動峰值加速度等[27],這里不再贅述。
圖5 成蘭鐵路關鍵段50 a超越概率10%的潛在地震及其誘發(fā)滑坡危險性評估圖Fig.5 Map showing potential earthquake of 10%exceedance probability in 50 years and the inducing landslide hazard assessment,key section of Chengdu?Lanzhou railway
與潛在降雨誘發(fā)滑坡危險性評估流程類似,將基本地震動區(qū)劃結果指數(shù)化,與同震滑坡反演結果(見圖3)進行合成歸一化運算,即可獲得成蘭鐵路龍門山段潛在基本地震動誘發(fā)滑坡危險性評估圖(見圖5)。結果顯示:極高危險區(qū)占廊帶總面積的23.57%,涉及成蘭鐵路雎水鎮(zhèn)向上行長約47 km的路段。由于地震動區(qū)劃成果采用1∶1000000的小比例尺發(fā)布,數(shù)據(jù)精度較低,制約了地震滑坡危險性評估精度。該結果與降雨誘發(fā)滑坡危險性評估結果(見圖4)相比,顯示不同危險性等級的分區(qū)界限不夠明確,且極高危險區(qū)并不十分集中。
在區(qū)域潛在降雨及地震誘發(fā)滑坡危險性評估的基礎上,考慮重點場站周邊崩滑災害防治工程設計的需求,從區(qū)域評估極高危險區(qū)中選取擬建柿子園大橋場地周邊地段(見圖1,圖4,圖5),利用Rockfall Analyst軟件模塊(簡稱RA)進行局地尺度的崩塌危險性評估[8]。該模塊是利用ArcGIS平臺開發(fā)的擴展模塊,基于運動學原理進行巖崩或滾石的Runout模擬和危險性評估,其核心功能包括滾石運動軌跡的三維模擬和空間分布的柵格建模。柿子園大橋場地周邊地段在汶川地震期間主要發(fā)育巖崩或滾石災害,本文主要以點狀或線狀崩塌源形式,針對此類災害進行模擬和評估。技術流程主要包括4步,即數(shù)據(jù)獲取、參數(shù)設置,模擬分析和危險性評估。
①數(shù)據(jù)獲?。喊ǖ匦文P汀⒈浪磾?shù)據(jù)和地表介質(zhì)類型等3種空間數(shù)據(jù)(見表2)。地形模型通過標準DEM或?qū)嵉販y繪獲取;崩塌源利用遙感影像和DEM組合提取,并通過野外調(diào)查驗證;地表介質(zhì)類型通過綜合遙感影像和地質(zhì)圖解譯提取。
表2 Rockfall Analyst模擬所需空間數(shù)據(jù)一覽表Table2 Spatial data list required for Rockfall Analyst simulation
②參數(shù)設置:對于地表介質(zhì)類型,主要設置Rn(法向回彈系數(shù))、Rt(切向回彈系數(shù))和Fa(摩擦角)等3種參數(shù);對于崩塌源區(qū),主要設置危巖體質(zhì)量、初始速度、陡坎高度、崩滑方向以及崩塌體滾動與飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界參數(shù)等。
③模擬分析:在完成參數(shù)設置和地形等相關數(shù)據(jù)加載之后,即可進行單一危巖體和連續(xù)分布危巖體群2類崩塌模擬計算,獲得崩塌運移路徑(見圖6A,6B)、崩塌體躍高和速度(見圖6C)、崩塌路徑頻率及崩塌能量(見圖6D)等運動學特征參數(shù)分布結果。
④危險性評估:利用上述崩塌躍高、崩塌路徑頻率及崩塌能量等3種模擬結果,通過柵格圖層的加權運算,得到局地尺度的崩塌危險性評估圖(見圖6E)。柿子園大橋場址周邊的崩塌危險性模擬和危險性評估結果表明,典型崩塌體的運移過程剖面可以清晰地顯示運動軌跡和速度變化特征,并且在任意位置具有嚴格的對應關系;在重點場址周邊500 m范圍內(nèi),可以明確判定崩塌體能量和危險性等級,為場站或橋基等設施的工程防護設計提供定量依據(jù)和確切的安全避讓距離。
針對汶川強震擾動區(qū)的成蘭鐵路龍門山關鍵段,利用信息量模型反演評估了同震滑坡的分布特征,初步揭示區(qū)域震裂山體或不穩(wěn)定隱患斜坡體的空間分布特征。基于此開展了區(qū)域特定概率水平的潛在降雨和地震誘發(fā)滑坡危險性評估。利用可能最大降雨量預測方法,預測了日超越概率10%的最大降雨量分布,以及在該概率水平下降雨誘發(fā)滑坡危險性評估,為鐵路工程建設提供了中—短期地質(zhì)安全性依據(jù)。結合區(qū)域地震危險性區(qū)劃成果,開展了50年超越概率10%的基本地震動誘發(fā)滑坡危險性評估,解決強活動構造背景下中—長期土地利用規(guī)劃中的滑坡危險性問題,為鐵路廊帶周邊土地利用規(guī)劃或制定防災規(guī)劃提供了依據(jù)。
圖6 成蘭線柿子園大橋鄰近地段崩塌運動學模擬及危險性評估圖Fig.6 Rock fall runout simulation and hazard assessment map around Shiziyuan bridge site of Chengdu?Lanzhou railway
選取區(qū)域評估極高危險區(qū)中柿子園大橋場址周邊地段,利用基于運動過程模擬的Rockfall Analyst軟件,開展了局地崩塌Runout模擬和危險性評估,為鐵路場站周邊重要場址和設施的防災工程設計提供了定量依據(jù)。
綜上所述,本文初步提出了一種適用于強震擾動區(qū)的鐵路工程廊帶及重要場址區(qū)的多尺度滑坡危險性評估技術方法。
通過對比區(qū)域和局地尺度的滑坡危險性評估方法,可知二者均具有鮮明的優(yōu)越性和局限性?;诮y(tǒng)計分析模型的區(qū)域評估方法較為穩(wěn)健,評估結果可以滿足不同危險性路段劃分和區(qū)域土地利用規(guī)劃的基本要求,但是評估數(shù)據(jù)的空間精度有限,導致評估結果并不適用于單體工程或災害實例分析。基于崩滑過程模擬的局地尺度評估,從具體的災害體模擬出發(fā),評估結果更加貼近于工程設計及單一承災體風險規(guī)避的需求,而且建立了聯(lián)系單體災害研究與局地—區(qū)域評估的橋梁;但是,如果利用該方法開展區(qū)域尺度評估,對空間數(shù)據(jù)質(zhì)量要求和投入工作量,相比基于統(tǒng)計分析的區(qū)域評估方法會成倍增加。由此可見,只有綜合區(qū)域和局地尺度兩種評估方法,二者優(yōu)勢互補,才能滿足鐵路工程滑坡危險性評估和風險控制的實際需求。
未來的多尺度鐵路工程滑坡危險性評估,至少應在以下3方面開展深入研究:①圍繞重要城鎮(zhèn)、重大工程場址等開展地震小區(qū)劃,考慮地震動場地效應,為大比例尺滑坡Runout模擬和危險性評估提供更準確的地震動輸入;②針對重點場址區(qū),采用無人機航測或激光雷達(LiDAR)技術,獲取高精度地形模型,進一步提升斜坡結構及巖土體強度等數(shù)據(jù)質(zhì)量,以期獲取更加符合實際的空間數(shù)據(jù);③針對滑坡過程模擬軟件的開發(fā),應考慮對不同巖土體本構和滑坡運移特征的適用性,并盡可能地體現(xiàn)降雨和地震等不同誘發(fā)機制的差異。
致謝 蘭恒星研究員為本項研究提供了Rockfall Analyst軟件和滾石過程模擬的建議,在此謹表感謝。
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MULTI?SCALE LANDSLIDE HAZARD ASSESSMENT FOR KEY SECTION OF CHENGDU?LANZHOU RAILWAY,WENCHUAN SEISMIC REGION
WANG Tao1,2,HU Qiu?yun3,ZHANG Yong?shuang1,2,WU Shu?ren1,2,XIN Peng1,2
(1.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China;2.Key Laboratory of Neotectonics Movement&Geohazards,Ministry of Land and Mineral Resources,Beijing 100081,China;3.China Geological Survey,Beijing 100037,China)
Taking Longmenshan key section of Chengdu?Lanzhou railway in Wenchuan seismic region as an example,we explore a sort of multi?scale landslide hazard assessing method for major project site in strong earthquake afflicted area.The spatial distribution characteristics of coseismic landslides induced by Wenchuan Ms8.0 earthquake are inverted assessed with information value model.On this basis,landslide hazard assessments in regional and local scale are carried out.In regional railway corridor scale,the temporal and spatial distribution of daily maximum precipitation of 10%exceedance probability is predicted by Probable Maximum Precipitation method.Due to such probable precipitation,the landslide hazard is assessed with information value model.Also,combining seismic hazard zoning result,the landslide hazard is assessed due to basic earthquake ground motion of 10%exceedance probability in 50 years.In local railway station scale,with Rockfall Analyst software based on rolling stone kinematics simulation,runout characteristics and hazard of rockfall around Shiziyuan bridge site are simulated and assessed.All of the landslide and rockfall hazard assessment results above provide geological safety references in different scales for railway plan and line selection,site landslide defense design respectively.
Wenchuan;seismic region;landslide;multi?scale;hazard;Chengdu?Lanzhou railway
P642.22
A
1006?6616(2014)04?0379?13
2014?08?13
國家“十二五”科技支撐計劃課題(2011BAK12B09,2012BAK10B02);國家自然科學基金項目(41102165);中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(12120114035501)
王濤(1982?),男,博士,副研究員,主要從事地震地質(zhì)災害調(diào)查研究。E?mail:wangtao_ig@163.com