袁普金， 姚 赫， 張 勇， 高旭彪

(1.水利部 水土保持監(jiān)測(cè)中心， 100055, 北京; 2.長江水利委員會(huì) 長江流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站， 湖北 武漢 430010)

棄渣場(chǎng)選址是水土保持方案中的重要內(nèi)容，如果選址不當(dāng)，可能造成重大的災(zāi)害，深圳市光明新區(qū)紅坳渣土受納場(chǎng)“12·20”滑坡事故，造成73人死亡，4人下落不明，17人受傷，90家企業(yè)生產(chǎn)受影響，直接經(jīng)濟(jì)損失為8.81億元。國外發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體常將棄渣場(chǎng)納入堆積體災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中進(jìn)行管理[1-5]，因缺乏參照和基礎(chǔ)研究，目前國內(nèi)對(duì)棄渣場(chǎng)渣體失穩(wěn)后運(yùn)移距離的研究尚不成熟[6]。有關(guān)機(jī)構(gòu)在滑坡碎屑流、泥石流運(yùn)動(dòng)規(guī)律上作了一些相關(guān)的研究，但涉及運(yùn)移距離方面的研究尚無定論?；乱?guī)模和影響范圍是決定滑坡致災(zāi)強(qiáng)度的兩個(gè)重要方面，滑坡滑動(dòng)速度和滑動(dòng)距離計(jì)算對(duì)防災(zāi)減災(zāi)工作意義重大[7]。棄渣場(chǎng)作為一種松散堆積體，是一種具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性和各向異性等復(fù)雜特性的力學(xué)介質(zhì)[8]，在一定誘發(fā)因素下易產(chǎn)生滑坡災(zāi)害，通常的誘發(fā)因素有降雨、地震、人類活動(dòng)等，表現(xiàn)形式根據(jù)滑坡時(shí)地形條件和含水量的不同，可分為崩塌、滑坡、滑坡碎屑流、泥石流等。對(duì)于棄渣場(chǎng)滑坡來講，其失穩(wěn)破壞常形式常表現(xiàn)為滑坡和滑坡碎屑流，其滑坡規(guī)模一般不會(huì)超過堆渣量，因此，棄渣場(chǎng)滑坡運(yùn)動(dòng)距離預(yù)測(cè)是棄渣場(chǎng)選址的核心內(nèi)容。近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者為預(yù)測(cè)各種類型滑坡的滑距進(jìn)行了大量研究，建立了一系列經(jīng)典模型，如基于多元回歸模型建立的黃土滑坡滑距預(yù)測(cè)模型[9]、基覆型邊坡滑坡模型[10]、巖質(zhì)修正地震致滑坡預(yù)測(cè)模型[11]等，基于理論修正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如Scheidegger預(yù)測(cè)模型[12]、黃土地震滑坡預(yù)測(cè)模型[13]、地震致無阻礙滑坡預(yù)測(cè)模型[14]、松散堆積體滑坡修正模型[6]等，由于多元回歸模型的數(shù)據(jù)量受限，因此基于理論修正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途邆涓玫牟僮餍院屯茝V性，其中基于理論修正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭凶顬榻?jīng)典的是Scheidegger在1973年提出的Scheidegger經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其模型理論性好，重?fù)精度高，隨后大量學(xué)者在此模型上進(jìn)行修正。Corominas[15]，Inokuchi[16]，Kokusho[17-18]，F(xiàn)inlay[19]，Budetta[20]，Hunter[21]，Li[22]，Yang[23]，Chen[24]等學(xué)者分別提出了溝谷類、山坡類、有阻礙、無阻礙等地形修正經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，地震致、降雨致等誘發(fā)因素修正型，碎屑流、泥石流、火山泥流等發(fā)生形態(tài)修正模型。基于已有的滑體數(shù)據(jù)和不同滑體滑距預(yù)測(cè)模型，研究棄渣場(chǎng)滑坡滑距的分布情況，尋找棄渣場(chǎng)滑坡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探討其渣場(chǎng)安全選址的要求，不僅具有較強(qiáng)的可行性，也具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。本研究對(duì)于棄渣場(chǎng)滑坡規(guī)律研究總結(jié)和棄渣場(chǎng)選址具有重要的理論價(jià)值與指導(dǎo)意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

為量化評(píng)價(jià)棄渣場(chǎng)選址的安全范圍，并考慮地形因素的影響，引入定量指標(biāo)是必不可少的，引入滑坡的移動(dòng)性指標(biāo)有助于評(píng)價(jià)棄渣場(chǎng)滑坡的動(dòng)態(tài)特征，滑坡移動(dòng)性的一個(gè)著名指標(biāo)是垂直落差H與水平距L的比值常被稱為等效摩擦系數(shù)(H/L)，這一比例的倒數(shù)也可稱為流動(dòng)性指數(shù)(L/H，如圖1所示)。

圖1 滑坡運(yùn)動(dòng)圖示

通過統(tǒng)計(jì)整理1 032組國內(nèi)外堆積體、滑坡體、火山流體數(shù)據(jù)[6]，數(shù)據(jù)來源于期刊論文、書籍文獻(xiàn)及國內(nèi)外滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)庫。共得到含有堆積體/滑體體積V，垂直落差H，滑距L的有效數(shù)據(jù)882組，有效數(shù)據(jù)中體積V分布區(qū)間150 m3～2.00×1010m3，垂直落差H分布區(qū)間0.01～4.4 km，滑距L分布區(qū)間3 m～18.9 km，等效摩擦系數(shù)H/L分布區(qū)間0.02～20。其中等效摩擦系數(shù)H/L小于1的共計(jì)783組，占比88.76%，H/L的平均數(shù)是0.75，中位數(shù)是0.58，數(shù)據(jù)分布較為離散。

1.2 處理模型

本研究模型回歸的誤差算法使用為：對(duì)線性回歸模型和一般曲線回歸模型使用最小二乘法估計(jì)參數(shù)，對(duì)對(duì)數(shù)線性回歸模型使用極大似然估計(jì)法估計(jì)參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和顯著性檢驗(yàn)使用SPSS 18.0進(jìn)行分析，模型建立算法控制和擬合使用Matlab 12，數(shù)據(jù)體采用Origin8.0繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 棄渣場(chǎng)失穩(wěn)滑坡特征值分布

2.1.1 滑距L的分布區(qū)間分析 統(tǒng)計(jì)滑坡滑距L，滑坡落差H，滑坡體體積V等特征值觀測(cè)資料，按照其出現(xiàn)的稀有程度，來衡量它的大小和等級(jí)，即該特征值等于或超過某定量的可能出現(xiàn)次數(shù)，可折合成其可能出現(xiàn)的概率，即為發(fā)生頻率。統(tǒng)計(jì)882組滑坡有效數(shù)據(jù)，其滑距L不超過某已發(fā)生值的發(fā)生概率分布如圖2所示。

圖2 滑距L發(fā)生概率圖

其中，滑距L≤500 m的共計(jì)465組，概率52.72%；滑距L≤1 000 m的共計(jì)692組，概率78.46%；滑距L≤1 500 m的共計(jì)772組，概率87.53%；滑距L≤2 000 m的共計(jì)808組，概率91.61%；滑距L≤2 500 m的共計(jì)826組，概率93.65%；滑距L≤3 000 m的共計(jì)836組，概率94.78%；最大觀測(cè)距離為Saidmarreh[25]的泥石流運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，滑距為18.9 km。90%概率以下發(fā)生的事件已很難發(fā)生，p=0.1時(shí)，滑距L為1.829 km，即90%的滑距L小于1.829 km。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，95%的滑距L小于3.257 km，即通常認(rèn)為不可能發(fā)生滑距L大于3.257 km的滑坡事件。進(jìn)一步的從滑體體積V劃分滑距區(qū)間，可得不同體積的滑距L特征值詳見表1。

表1 不同體積滑體的滑距L(km)特征值

注：由于被統(tǒng)計(jì)的滑體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)V超過1.00×107m3的過于分散，而棄渣場(chǎng)絕大多數(shù)不可能超過5.00×107m3，故在>1.00×107m3的區(qū)間重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)了1.00～5.00×107m3的數(shù)據(jù)。下同。

2.1.2 等效摩擦系數(shù)H/L的分布區(qū)間分析 僅統(tǒng)計(jì)不同體積滑體的滑距L，而不考慮其地形影響情況顯然是不合適的，統(tǒng)計(jì)882組滑坡有效數(shù)據(jù)，其等效摩擦系數(shù)H/L超過某已發(fā)生值的發(fā)生概率分布如圖3所示。

圖3 等效摩擦系數(shù)H/L發(fā)生概率圖

其中，等效摩擦系數(shù)H/L≥1的共計(jì)99組，概率11.33%；等效摩擦系數(shù)H/L≥0.5的共計(jì)539組，概率61.11%；等效摩擦系數(shù)H/L≥0.4的共計(jì)663組，概率75.17%；等效摩擦系數(shù)H/L≥0.3的共計(jì)747組，概率84.69%；等效摩擦系數(shù)H/L≥0.2的共計(jì)828組，概率93.88%；等效摩擦系數(shù)H/L≥0.18的共計(jì)839組，概率95.12%；最小觀測(cè)H/L為Pandemonium[26]的泥石流運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，H/L為0.023。90%概率以下發(fā)生的事件已很難發(fā)生，p=0.1時(shí)，H/L為0.25，即90%的滑坡H/L大于0.25。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，95%的滑坡H/L大于0.18，即通常認(rèn)為不可能發(fā)生H/L大于0.18(L/H=5.56)的滑坡事件。等效摩擦系數(shù)(H/L)利于解釋滑體運(yùn)動(dòng)機(jī)理，而流動(dòng)性指數(shù)(L/H)則更利于評(píng)價(jià)選址合理性，不同體積的等效摩擦系數(shù)和流動(dòng)性指數(shù)特征值(表2)。制定不同的H/L參考標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)收集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果詳見表2。

通過統(tǒng)計(jì)可知，V≤5.00×105m3，L/H平均值為1.01，變異系數(shù)1.61，90%概率L/H在2.17以下，95%概率L/H在2.78以下，極值為16.67，可以認(rèn)為V≤5.00×105m3的滑體滑距一般不超過2.78H；同樣的，可以認(rèn)為5.00×1051.00×107m3的滑體滑距一般不超過14.29H。

由于收集的V數(shù)據(jù)過大，部分體積V達(dá)到數(shù)1.00×109m3，對(duì)誤差的貢獻(xiàn)過大，數(shù)據(jù)分布離散度大，代表性不強(qiáng)，對(duì)棄渣場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的統(tǒng)計(jì)典型性不強(qiáng)，建議以1.00×107m3～5.00×107m3之間的運(yùn)動(dòng)作為統(tǒng)計(jì)區(qū)間，當(dāng)1.00×1076.25)，極值為33.33，可以認(rèn)為1.00×107m3

表2 不同體積滑體的等效摩擦系數(shù)和流動(dòng)性指數(shù)征值

2.1.3 不同滑體體積V的滑動(dòng)特征值的典型性分析 從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的總體分布規(guī)律上來看，基本符合滑體體積V越大，滑距L越大，等效摩擦系數(shù)H/L越小，流動(dòng)性系數(shù)L/H越大的規(guī)律。但按照不同體積提取特征值的典型性仍需討論。將不同體積區(qū)段的滑體運(yùn)動(dòng)特征值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，根據(jù)不同體積V進(jìn)行滑距L的劃分具有較強(qiáng)的依據(jù)：除第3組1.00×106

2.2 棄渣場(chǎng)失穩(wěn)預(yù)測(cè)模型

注：數(shù)據(jù)采用DUNCAN檢驗(yàn)，標(biāo)有完全不同小寫字母代表差異顯著(p=0.01)。

圖4不同組別L與H/L值顯著性檢驗(yàn)

通過大量不同類型松散堆積體、滑坡體、固液兩項(xiàng)流體的數(shù)據(jù)擬合可知，大量類似運(yùn)動(dòng)符合提出的經(jīng)驗(yàn)公式，即可用c值來模擬松散堆積體、滑坡體、固液兩項(xiàng)流體等的基本性質(zhì)，即通過c確定c值的區(qū)間來預(yù)測(cè)棄渣場(chǎng)失穩(wěn)發(fā)生位移的大小是可行的。

為更精確的預(yù)測(cè)不同類型棄渣場(chǎng)失穩(wěn)發(fā)生位移大小的可行性，可通過更進(jìn)一步優(yōu)化c值代表區(qū)間，引入對(duì)滑距有顯著影響的巖質(zhì)[11]和水分因素[24]，使其更適宜于不同棄渣場(chǎng)選址，可將模型中c值優(yōu)化為：

c=c0·RT·AL

式中：L估——預(yù)測(cè)距離(m)；H——垂直落差(m)，V——滑體體積(104m3)； RT——巖質(zhì)類型； AL——棄渣場(chǎng)等級(jí)；a——體積修正常數(shù)；b——落差修正常數(shù)；c0——根據(jù)巖質(zhì)、渣量修正的c值?？紤]到式中對(duì)體積V已經(jīng)考慮，故AL僅作區(qū)分，不作計(jì)算。根據(jù)大量相關(guān)研究和行業(yè)內(nèi)區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，可以區(qū)分RT，AL的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)詳見表3—4。

表3 棄渣場(chǎng)巖土劃分等級(jí)

注：巖質(zhì)劃分參考自Guo(2014)等的研究[15]。

表4 棄渣場(chǎng)等級(jí)劃分

注：渣場(chǎng)級(jí)別區(qū)分取自GB51018。

2.2.2 棄渣場(chǎng)失穩(wěn)模型驗(yàn)證 提取的失穩(wěn)預(yù)測(cè)模型可由松散堆積體相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，固定常規(guī)運(yùn)動(dòng)a，b值，即a=-0.182，b=1.107[6]，基于以上區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)和收集相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)修正c值的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行擬合，推薦c0值取值詳見表5。由表5可知，模型適宜于不同巖質(zhì)和渣量的松散堆積體，擬合優(yōu)度均表現(xiàn)出適宜性。其中對(duì)3級(jí)巖質(zhì)、4級(jí)渣場(chǎng)的擬合優(yōu)度高達(dá)0.88。

表5 不同巖質(zhì)不同等級(jí)棄渣場(chǎng)c0值取值矩陣

3 討 論

本文提出了兩種渣場(chǎng)選址參考方法：第一種是根據(jù)散體運(yùn)動(dòng)的特征值的分布概率，確定棄渣場(chǎng)安全失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)距離的發(fā)生可能性，這種方法可被成為歷史發(fā)生頻率選址法；第二種基于理論模型的修正、檢驗(yàn)，利用修正模型來預(yù)測(cè)不同類型不同大小棄渣場(chǎng)滑坡的運(yùn)動(dòng)距離，這種方法可被稱為模型預(yù)測(cè)法。

棄渣場(chǎng)選址與評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的問題，當(dāng)前國內(nèi)外暫無成熟方法參考。本文提出的方法是參考類似滑體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析所得，具有重要的參考價(jià)值，適宜于各類型的棄渣場(chǎng)。考慮到棄渣場(chǎng)獨(dú)特的松散結(jié)構(gòu)特征，在選址和評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)在預(yù)測(cè)安全距離上適當(dāng)進(jìn)行放大，如放大至1.3倍預(yù)測(cè)值，以確保一定的安全冗余度，保證棄渣場(chǎng)周邊對(duì)象的安全。

4 結(jié) 論

4.1 歷史發(fā)生頻率選址法

方法操作較簡(jiǎn)單，考慮了不同渣場(chǎng)的大小和地形條件，容易推廣和實(shí)施，然而僅根據(jù)不同滑體體積進(jìn)行滑距估計(jì)缺乏理論依據(jù)，容易造成選址困難或土地資源浪費(fèi)；而根據(jù)不同滑體體積進(jìn)行等效摩擦系數(shù)估計(jì)則缺乏體積劃分的典型性，需進(jìn)行綜合考量。本文推薦對(duì)于V≤5.0×105m3的棄渣場(chǎng)(5級(jí)棄渣場(chǎng))宜取2.78倍的落差(2.78H)的安全距離，對(duì)于501 000 m3萬m3的棄渣場(chǎng)(1級(jí)棄渣場(chǎng))宜取14.29倍的落差(14.29H)的安全距離。

4.2 模型預(yù)測(cè)選址法