宋 志，倪化勇，周洪福，馮 偉

(1.中國地質調查局成都地質調查中心，成都 610081；2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

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基于多層次物理力學參數(shù)的小區(qū)域地震滑坡危險性評估
——以長江上游石棉縣城及周邊為例

宋 志1，2，倪化勇1，周洪福1，馮 偉2

(1.中國地質調查局成都地質調查中心，成都 610081；2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

通過實地調查、遙感解譯、資料收集等手段，獲取滑坡崩塌體編錄、松散堆積層、地質單元的巖土體物理力學參數(shù)，使得滑坡編錄、地質調查數(shù)據(jù)與區(qū)域Newmark位移模型有機結合。研究表明，在滑坡編錄等3個層次中，由第一層次到第三層次，物理力學參數(shù)精度逐漸下降，這也反映了滑坡編錄在危險性評價中所占據(jù)的重要性，更能與實際相吻合。通過對長江上游石棉縣城地質災害潛在危險性的評估，得出了不同尺度峰值加速度下危險性分布區(qū)域與規(guī)律，經(jīng)與危險性線性擬合，在峰值加速度a=0.3時，區(qū)域危險區(qū)面積呈大規(guī)模急劇上升，為區(qū)域毀滅性災難的臨界值。同時，石棉縣城隨著峰值加速度數(shù)值增大，危險區(qū)從滑坡編錄控制逐漸過渡到坡度控制，顯示了多層次物理力學參數(shù)下危險性評估的合理性。

滑坡；危險性；力學參數(shù)；滑坡編錄

0 引言

地震滑坡危險性評估是國內外研究的熱點問題，尤其在近年來地震頻發(fā)的大環(huán)境下，該研究日益引起廣泛重視。地震滑坡危險性評估的技術方法主要分為統(tǒng)計分析法、綜合指標法、確定性評價方法。其中，確定性評價方法，由于其強大的GIS分析功能、斜坡動力的適應性，被廣泛運用到不同尺度的區(qū)域地震滑坡評估[1-2]。

在確定性評價方法中，最具代表性的模型為Newmark位移模型。葛華等[3]將Newmark位移模型運用到映秀震中區(qū)地震滑坡危險性評價，得出了位移圖與滑坡概率分布圖，并開展了編圖示范。王濤等[4]以汶川8.0級地震為例開展了基于簡化Newmark位移模型的區(qū)域地震滑坡危險性快速評估，得出了區(qū)域地震滑坡危險分區(qū)。這些基于Newmark位移模型的地震滑坡危險性研究從源頭到結果采用ArcGIS軟件編制了一系列圖件，取得了較好的認識與結果。但是也存在一些不足，主要表現(xiàn)為區(qū)域地質圖代表巖土體，適用于應急快速評估，而精度不夠，缺乏實際應用；滑坡編錄成果貢獻少，缺乏實例進行相互驗證[5-8]。針對以上不足，本文以巖土體物理力學參數(shù)為出發(fā)點，從不同精確程度、不同獲取方法，以長江上游石棉縣城及周邊為例，開展大比例尺小區(qū)域的地震地質災害危險性評估，以期為復雜山區(qū)地震地質災害的危險性評估和防災減災提供方法技術。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)地理位置

長江上游石棉縣城位于大渡河中游地段，為雅安市石棉縣政府所在地，區(qū)域內人口密集，經(jīng)濟較為發(fā)達，為石棉縣及川西地區(qū)重要的經(jīng)濟、文化、政治中心之一。研究區(qū)平面上呈矩形，長5.5 km，寬4.4 km，總面積為24.2 km2，涵蓋了石棉縣城的企事業(yè)機關單位、人口建筑密集區(qū)，為地質災害風險的重點防治區(qū)[1-4]。

G108線、省道211線與2012年建成通車的京昆高速公路G5在縣城交匯?？h城經(jīng)G5高速公路向北至雅安120 km，距成都260 km，南距西昌150 km；經(jīng)省道211線至瀘定110 km。研究區(qū)作為G5高速與S211的連接點，交通便利，是雅安市南大門，也是川藏南線和川滇西線的交通要道。

1.2 研究區(qū)地質環(huán)境條件

區(qū)內氣象冬季溫暖干燥，春末夏初干旱多風，夏季悶熱，具四季不分明的亞熱帶季風氣候特征。區(qū)內多年平均年降水量為803.1 mm，但在時空上分布不均。降水主要集中在5—9月份，占全年降水量的86.4%；同時，山地降雨多于河谷地帶，且多以暴雨或陣雨出現(xiàn)。研究區(qū)水系主要為三級河流——大渡河及其支流楠椏河，大渡河由西至東貫穿全區(qū)，楠椏河由南至北，于縣城處匯入大渡河。

地形地貌上，研究區(qū)屬于緩脊峽谷地貌，地勢西北、東部、西南高，中部及河谷地帶低。最高點位于大坪崗，海拔2030 m，最低點位于區(qū)內大渡河最下游汪家崗附近，海拔850 m，相對高差1180 m，地形起伏度為487.6 m/km2。受河流強烈切割，研究區(qū)地勢陡峭，坡度由河流面0°至陡坡82°范圍分布。據(jù)ArcGIS坡度統(tǒng)計，區(qū)內平均坡度30.8°，達到陡坡分級標準，切割強度顯著，頻繁引發(fā)各類地質災害。

地質構造上，研究區(qū)位于鮮水河、龍門山、安寧河三大著名斷裂帶的交匯部位，受地質構造作用影響顯著，呈三面河流深切割地形，尤其是安寧河斷裂帶分支——石棉斷裂直接從研究區(qū)近南北向通過(見圖1)，使得區(qū)內巖體破碎，不良工程地質現(xiàn)象發(fā)育[9-11]。

圖1 研究區(qū)石棉斷裂分布簡圖Fig.1 Distribution of Shimian fault in the research area

綜上，從孕災背景條件上，研究區(qū)位于鮮水河、安寧河、龍門山三大著名斷裂帶的交匯部位，構造運動強烈，歷史地震頻發(fā)。研究區(qū)地質環(huán)境條件脆弱，主要表現(xiàn)為：構造運動強烈且石棉斷裂直接從縣城通過，位于暴雨中心常發(fā)生群發(fā)性地質災害，山體深切割巖體破碎具有滑坡高易發(fā)的孕災背景，人類工程活動強烈加劇地質災害的發(fā)生幾率，是地震活動頻繁和地質災害高易發(fā)區(qū)。

2 計算方法與過程

2.1 Newmark位移模型方法簡述

Newmark位移模型基于極限平衡理論開展累積位移分析，主要的原理是：在地震加速度等耦合作用下，滑坡沿滑動面發(fā)生瞬時位移，并不斷累積，在施加的地震加速度大于斜坡臨界荷載加速度情況下，滑坡便產(chǎn)生，并通過二者加速度的差值進行二次積分，得到永久位移值[12]。模型的基本原理示意見圖2。

ac—臨界加速度；a—地面加速度；D—Newmark位移量圖2 Newmark位移模型原理圖Fig.2 Schematic diagram of Newmark displacement model

先利用邊坡靜力學公式計算滑坡靜態(tài)安全系數(shù)F，再通過重力加速度g、邊坡坡度β以及安全系數(shù)F間接求出臨界加速度ac，最后通過地震加速度a與臨界加速度ac的差值部分進行二次積分，獲取Nermark位移量D，從而進行不同尺度下地震滑坡危險性預測評估。在施加臨界加速度ac的過程中，目前研究的方法基本相似，唯一的區(qū)別在于靜力學平衡方式選取的不同?？紤]到研究區(qū)地震時，處于少雨或無雨季節(jié)，可不考慮地下水的影響，將靜力學方程進行簡化處理。各公式如下：

(1)

(2)

式中，c′—有效內聚力，N/m2；—巖土體重度，N/m3；z—破壞面深度，m；β—邊坡坡度傾角，(°)；′—有效內摩擦角，(°)；F—靜態(tài)安全系數(shù)，無量綱；g—重力加速度，9.8 m/s2；ac—臨界加速度，m/s2。

Newmark位移計算過程中需進行地震加速度與臨界加速度差值的二次積分，涉及區(qū)域數(shù)據(jù)量大，且隨時程變化地震參數(shù)難以獲取，難以進行有效的地震滑坡區(qū)劃。為此許多學者采用經(jīng)驗公式與簡化地震參數(shù)方法開展計算。如Jibson[12]通過大量數(shù)據(jù)與實際滑坡進行對比分析，得出顯著回歸方程，最終驗證精確率高，滿足地震滑坡累計位移量的需要。該方程的優(yōu)點在于地震滑坡位移計算僅涉及峰值加速度、矩震級2個區(qū)域地震參數(shù)，計算結果滿足地震滑坡預測評估需要。其中，歷史地震的矩震級Mw利用面波震級Ms，通過經(jīng)驗公式換算得到。具體公式如下：

(3)

Mw=0.844Ms+0.951

(4)

式中，D—Nermark位移，cm；Mw—矩震級；Ms—面波震級；a—峰值加速度(可近似代替地面加速度值)，m/s2。

以上基于回歸估計的Nermark位移經(jīng)驗公式，優(yōu)點在于根據(jù)預測需要將區(qū)域面波震級、峰值加速度進行賦值，便能進行不同尺度下地震滑坡危險性評估，簡化了流程，可操作性強。

2.2 多層次物理力學參數(shù)獲取

危險性評價的準確度取決于參數(shù)獲取的精度，其中，物理力學參數(shù)是影響滑坡危險性評價的重要因子。由于研究區(qū)為1∶5000高精度地形圖，不能根據(jù)以往傳統(tǒng)小比例尺按1∶50000地質圖進行巖組劃分，而是采用實地調查的巖組進行大比例尺細分。

巖土體的劃分分為3個層次，第一層次為已調查的滑坡崩塌體編錄數(shù)據(jù)，第二層次為松散堆積層遙感解譯數(shù)據(jù)，第三層次是區(qū)域地質圖件反映的地質單元數(shù)據(jù)。在3個層次中，由第一層次到第三層次，物理力學參數(shù)精度逐漸下降，這也反映了滑坡編錄在危險性評價所占據(jù)的重要性，更能與實際相吻合。

研究區(qū)內滑坡編錄的數(shù)量為17個，區(qū)域點密度為0.7個/km2。松散堆積層的物理力學指標與地質單元相差甚大，不以單純的區(qū)域地質圖上的地質單元確定，而是進行不同類別的詳細劃分。松散堆積層主要分為沖洪積堆積、冰水堆積、殘坡堆積、崩坡堆積、殘坡堆積，區(qū)內共劃分22組不同物理力學指標的松散堆積層，編號為SS01—SS22；地質單元則根據(jù)區(qū)域地質圖件直接勾繪，劃分為6組，編號為DZ01—DZ06；河流不參與參數(shù)劃分(見表1、圖3)。

表1 研究區(qū)物理力學參數(shù)取值

圖3 研究區(qū)不同物理力學參數(shù)分布圖Fig.3 The distribution diagram of different physical and mechanical parameters in research area

通過對研究區(qū)開展大比例尺的不同物理力學參數(shù)的劃分，涵蓋了滑坡編錄的重點參數(shù)、松散堆積層的次重點參數(shù)以及區(qū)域地質單元的次要參數(shù)，將區(qū)域巖土體的劃分有機組合在一起，有針對性地開展研究區(qū)滑坡危險性評價。

3 結果與分析

通過獲取的物理力學參數(shù)值和坡度值，利用ArcGIS柵格計算功能，對研究區(qū)斜坡靜態(tài)安全系數(shù)F按照公式(1)、臨界加速度ac按照公式(2)開展計算，結果見圖4、圖5。

根據(jù)上節(jié)所述，對于預測性Nermark位移危險性評估，地震動參數(shù)只需要峰值地震加速度a、面波震級Ms便能利用Jibson[12]的回歸方程進行計算。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》[13]以及相關資料查詢，設定研究區(qū)的基本地震參數(shù)分別為：①a=0.1g、Ms=7；②a=0.2g、Ms=7；③a=0.3g、Ms=8；④a=0.4g、Ms=9。為了便于簡化，不同尺度以動峰值加速度單因子為準。

通過公式(3)、公式(4)開展Nermark位移值D計算，并將其值作為不同工況下地震危險性評價依據(jù)。同時在ArcGIS中采用自然斷點法分為4類，分別代表高、中、低、極低危險性程度，計算結果見圖6。

從圖6可以看出，高危險區(qū)范圍隨動峰值加速度的增長而增大，呈顯著正相關。利用ArcGIS軟件的柵格重分類功能，得到不同地震工況下高、中危險區(qū)分布面積(見表2)。

圖4 靜態(tài)安全系數(shù)F圖Fig.4 The image of static safety coefficient

圖5 臨界加速度ac圖Fig.5 The image of critical accelaration

地震工況分布面積/km2高危險區(qū)中危險區(qū)a=01g278401a=02g412629a=03g6781002a=04g11621428

對包括汶川地震在內的歷史地震誘發(fā)的滑坡進行統(tǒng)計分析，滑坡數(shù)量規(guī)模隨震級(動峰值加速度)呈顯著正相關，并且存在一個危險區(qū)面積急劇上升的拐點。該拐點是區(qū)域大面積災難的臨界值，一旦震級(或動峰值加速度)逼近或達到該拐點，對區(qū)域滑坡災害將是毀滅性的。

對表2不同峰值加速度對應的高、中危險區(qū)面積分布的相關性分析，得出冪函數(shù)線性擬合曲線。其中，高危險區(qū)與峰值加速度的R2值為0.9950、中危險區(qū)與峰值加速度的R2值為0.9966，相關性均好。高、中危險區(qū)線性擬合曲線(見圖7)顯示，在峰值加速度a=0.3g時，區(qū)域危險區(qū)面積呈大規(guī)模急劇上升，為區(qū)域毀滅性災難的臨界值。

圖7 高、中危險區(qū)與峰值加速度擬合曲線Fig.7 The fitted curves of medium and high risky areas and peak acceleration

3.1a=0.1g危險區(qū)分布特征

當峰值加速度為0.1g時，全區(qū)高危險分布面積為2.78 km2，占全區(qū)面積11.49%，中危險分布面積為4.01 km2，占全區(qū)面積16.57%。調查區(qū)危險區(qū)總體受地震影響較弱，危險區(qū)分布區(qū)域與常規(guī)滑坡危險區(qū)編錄調查一致，主要分布于河谷到山地陡坡地段，受單體滑坡影響顯著。地震作用影響小，區(qū)域危險區(qū)范圍受已有滑坡編錄控制。

3.2a=0.2g危險區(qū)分布特征

當峰值加速度為0.2g時，全區(qū)高危險分布面積為4.12 km2，占全區(qū)面積17.02%，中危險分布面積為6.29 km2，占全區(qū)面積25.99%。危險區(qū)面積較a=0.1g時顯著增長，增長率達48.02%。高危險區(qū)分布特征表現(xiàn)為：沿河谷地形急變陡坡呈帶分布，高海拔區(qū)域受地形坡度控制顯著，已有滑坡調查成片分布。

3.3a=0.3g危險區(qū)分布特征

當峰值加速度為0.3g時，全區(qū)高危險分布面積為6.78 km2，占全區(qū)面積28.02%，中危險分布面積為10.02 km2，占全區(qū)面積41.40%。危險區(qū)面積較a=0.2g時顯著增長，增長率達64.56%。表現(xiàn)的特征為已有危險區(qū)域向四周范圍擴散且順坡向增長明顯、坡度巖性控制顯著、危險區(qū)成群成片發(fā)育等。

3.4a=0.4g危險區(qū)分布特征

當峰值加速度為0.4g時，全區(qū)高危險分布面積為11.62 km2，占全區(qū)面積48.02%，中危險分布面積為14.28 km2，占全區(qū)面積59.01%。危險區(qū)面積較a=0.3g時顯著增長，增長率達71.38%。a=0.4g工況下區(qū)內危險區(qū)面積呈幾何倍數(shù)增長，遠超低峰值時增長速度，全區(qū)基本被高、中危險區(qū)域包圍。區(qū)內表現(xiàn)的特征為：危險區(qū)面積分布急劇上升，環(huán)境承載力達到極限，山體危險區(qū)成片發(fā)育，坡度成為危險性主控因素。石棉縣城及附近區(qū)域危險區(qū)廣泛發(fā)育，除平緩河谷地帶外，基本為高、中危險區(qū)。

4 結論

與以往地震滑坡危險性評估相比，本文基于多層次物理力學參數(shù)下小區(qū)域地質災害潛在危險性評估方法是通過實地調查、遙感解譯、資料收集手段，獲取滑坡崩塌體編錄、松散堆積層、地質單元的巖土體物理力學參數(shù)，使得滑坡編錄、地質調查數(shù)據(jù)與區(qū)域Newmark位移模型有機結合。在滑坡編錄等3個層次中，由第一層次到第三層次，物理力學參數(shù)精度逐漸下降，這也反映了滑坡編錄在危險性評價所占據(jù)的重要性，更能與實際相吻合。

通過對長江上游石棉縣城地質災害潛在危險性評估，得出了峰值加速度a分別為0.1g、0.2g、0.3g、0.4g尺度下危險性分布區(qū)域。當a=0.1g時，研究區(qū)危險區(qū)受單體滑坡影響顯著，受已有滑坡編錄控制；當a=0.2g時，危險區(qū)呈現(xiàn)沿河谷地形急變陡坡呈帶分布、高海拔區(qū)域受地形坡度控制顯著、已有滑坡調查成片分布；當a=0.3g時，已有危險區(qū)域向四周范圍擴散且順坡向增長明顯、坡度巖性控制顯著、危險區(qū)成群成片發(fā)育；當a=0.4g時，危險區(qū)面積分布急劇上升，環(huán)境承載力達到極限、山體危險區(qū)成片發(fā)育、坡度成為危險性主控因素。隨著峰值加速度數(shù)量增大，危險區(qū)從滑坡編錄控制逐漸過渡到坡度控制，顯示了多層次物理力學參數(shù)下危險性評估的合理性。通過對高、中危險區(qū)線性擬合曲線分析，在峰值加速度a=0.3g時，區(qū)域危險區(qū)面積呈大規(guī)模急劇上升，為區(qū)域毀滅性災難的臨界值。

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RISK ASSESSMENT OF SEISMIC LANDSLIDE WITHIN SMALL REGION BASED ON MULTI-LEVEL PHYSICAL AND MECHANICAL PARAMETERS: A CASE STUDY OF SHIMIAN AND ADJACENT AREAS IN THE UPPER REACHES OF YANGTZE RIVER

SONG Zhi1 2, NI Hua-yong1, ZHOU Hong-fu1, FENG Wei2

(1.Chengdu Institute of Geology and Mineral Resources, Chengdu 610008, China;2.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Compared to the risk assessments of seismic landslide before, this paper achieves the landslide and collapse inventory, loose accumulated layer and the physical and mechanical parameters of rock soil mass of geological units by field survey, remote sensing interpretation and data collection. It makes an organic integration of landslide inventory, geological survey and regional Newmark displacement model. During three degrees of the landslide inventory, it can been seen that the physical and mechanical parameters get smaller gradually from the first degree to the third degree, which also inflects the importance of the landslide inventory for risk assessment and that it accords better with reality. The dangerous areas and regular under different peak acceleration are got by assessing the potential risk of geological hazard in Shimian City on the upper Yangzi River. Through the linear fitting of risks, when peak acceleration is 0.3, the dangerous areas increase greatly on the large scale that is the critical value of the regional devastating disaster. Meanwhile, the dangerous area gradually transit from that under the control of landslide inventory to that of slope, which shows the validity of the risk assessment under multi-level physical and mechanical parameters.

landslide; risk; mechanical parameters; landslide inventory

1006-6616(2016)03-0760-11

2016-04-09

中國地質調查局“成渝經(jīng)濟區(qū)宜賓—萬州沿江發(fā)展帶1∶5萬環(huán)境地質調查”項目(121201010000150015)

宋志(1982-)，男，四川省宣漢縣人，高級工程師，主要從事巖土工程、地質災害研究。E-mail：35842126@qq.com

P642.22

A