易 武，王 鳴，于冬升，韓晶晶，張金團(tuán)

(1. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002;2. 湖北長(zhǎng)江三峽滑坡國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，湖北 宜昌 443002; 3. 賀州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣西 賀州 542899)

0 引 言

巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)具有爆發(fā)突然，危害巨大的特點(diǎn)，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)極其困難，并且?guī)r質(zhì)層狀邊坡在山區(qū)公路邊坡以及三峽庫(kù)區(qū)非常普遍，因此對(duì)于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問題需要重點(diǎn)關(guān)注[1-3]。巖體完整程度與巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性密切相關(guān)，而邊坡不同的穩(wěn)定性現(xiàn)狀對(duì)于在該區(qū)域開展工程項(xiàng)目或進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)時(shí)顯得尤為重要，因此開展巖質(zhì)邊坡完整程度預(yù)測(cè)是關(guān)乎巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性研究。

傳統(tǒng)的巖體完整程度的確定主要是通過波速計(jì)算或裂隙統(tǒng)計(jì)得到的，工作量較大，而對(duì)于區(qū)域面積較大的范圍，由于受到條件及資源約束無法完全通過實(shí)地調(diào)查得到，因此，筆者利用GIS的空間分析功能，在實(shí)地調(diào)查采集到的有限基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的條件下，建立數(shù)學(xué)模型,并考慮到地層巖性以及地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖體完整程度的影響,對(duì)研究范圍內(nèi)的其他區(qū)域巖體完整程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，該方法可以大大降低統(tǒng)計(jì)工作量。

1 區(qū)域概況

1.1 地理位置

研究范圍位于三峽庫(kù)區(qū)秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)，地處長(zhǎng)江干流右岸，支流青干河以及鑼鼓洞河左岸(見圖1)。

圖1 研究區(qū)域地理位置Fig. 1 Geographical location of the studied area

1.2 研究范圍及地質(zhì)特征

通過實(shí)地調(diào)查得知，研究區(qū)域內(nèi)覆蓋層較薄，主要表現(xiàn)為巖質(zhì)邊坡的的范圍可以劃分為一、二、三區(qū)(見圖2)，并且均表現(xiàn)為順向坡。一區(qū)主要出露侏羅系中下統(tǒng)聶家山組基巖，巖性主要為厚及巨厚層砂巖、薄層和厚層泥巖，坡度15°～35°，二區(qū)主要出露侏羅系中下統(tǒng)聶家山組基巖，巖性主要為厚層砂巖、薄層和厚層泥巖，坡度20°～35°，三區(qū)主要出露侏羅系下統(tǒng)香溪組和三疊系中統(tǒng)巴東組基巖，巖性主要為厚及巨厚層砂巖、薄層和厚層泥巖，坡度20°～40°[2-6]。

圖2 巖質(zhì)邊坡空間分布Fig. 2 Spatial distribution of rock slope

2 影響因子處理

2.1 地層巖性因子

通常在確定巖體完整程度時(shí)，主要與巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度有關(guān)，而最直觀的體現(xiàn)就是巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育狀況。顯然，不同的地層巖性，其成分、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物及膠結(jié)類型等均有差異，而且，風(fēng)化節(jié)理、構(gòu)造節(jié)理等次生節(jié)理的形成往往由于巖體成分結(jié)構(gòu)構(gòu)造等呈現(xiàn)差異化，故在研究巖體完整程度時(shí)，有必要考慮地層巖性。

由圖2可見, 順層邊坡一區(qū)位于鑼鼓洞河左岸，二區(qū)位于青干河左岸，主要分布侏羅系中下統(tǒng)聶家山組巖層，巖性主要為中到強(qiáng)風(fēng)化的泥巖與粉砂巖互層，三區(qū)位于長(zhǎng)江右岸，主要分布三疊系中統(tǒng)巴東組巖層，三區(qū)上游局部出露侏羅系下統(tǒng)香溪組，巖性主要為泥巖、砂巖夾泥灰?guī)r地層。此類地層最大的特點(diǎn)是巖層軟硬相間。巖體穩(wěn)定性與巖石抗壓性能和抗剪能力密切相關(guān)，為此，參考谷德振教授“巖體質(zhì)量系數(shù)”概念，建立評(píng)價(jià)區(qū)域巖體堅(jiān)固性能的“巖體堅(jiān)固系數(shù)”，即

Z=M·f·S

式中：M為地層單層平均厚度(絕對(duì)值，下同)；f為巖層軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱夾層的平均摩擦系數(shù)；S=Rb/100，Rb為巖層平均飽和抗壓強(qiáng)度。

上述巖體堅(jiān)固系數(shù)是建立在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)之上，地層單元巖體堅(jiān)固系數(shù)值越大，巖體抗壓以及抗剪強(qiáng)度越高，巖體穩(wěn)定性也就越好，因此以巖體堅(jiān)固系數(shù)大小作為地層巖性影響因子的輸入值分配的依據(jù)，按照不利于邊坡穩(wěn)定性的巖性賦值越大原則，在ArcGIS中將其賦予對(duì)應(yīng)時(shí)代的巖性柵格像元值，見圖3。

圖3 研究區(qū)域巖性分類值Fig. 3 Lithological classification of the studied area

2.2 地質(zhì)構(gòu)造因子

區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，鑒于其對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響方式，將以距離大小用來衡量地質(zhì)構(gòu)造對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度，在ArcGIS系統(tǒng)中，采用歐式距離進(jìn)行制圖計(jì)算，歐式距離給出的是每個(gè)像元到最近源(在這里指地質(zhì)構(gòu)造要素)的距離，對(duì)于像素單元，通過用xmax于ymax作為三角形兩直角邊來計(jì)算斜邊距離方法，確定其與最近源的歐氏距離，如圖4。

圖4 柵格像元?dú)W式距離計(jì)算示意Fig. 4 Schematic of the Euclidean distance calculation of grid pixels

同樣，為便于計(jì)算顯示，將所有像元至地質(zhì)構(gòu)造要素的歐氏距離分為15個(gè)等級(jí)，具體分類間隔采用自然斷點(diǎn)法分類，自然斷點(diǎn)法主要是基于數(shù)據(jù)本身的固有自然分組，對(duì)分類間隔進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)所有相似值進(jìn)行歸類，使得各類分組的差異性最大，圖5為最終的地質(zhì)構(gòu)造分類。

圖5 地質(zhì)構(gòu)造歐式距離分類Fig. 5 Euclidean distance classfication of geological structure

3 區(qū)域巖體完整程度預(yù)測(cè)

3.1 巖體完整程度定義

參考GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》(2009年版)中關(guān)于巖體完整程度等級(jí)的定性劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)研究范圍內(nèi)巖質(zhì)邊坡的巖體完整程度等級(jí)進(jìn)行劃分[1]，具體分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 巖體完整程度等級(jí)定性劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standard for qualitative classification of rock mass integritydegree

(續(xù)表1)

完整程度結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度組數(shù)/組平均間距/m主要結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度相應(yīng)結(jié)構(gòu)類型較破碎2～31.0～0.4結(jié)合差裂隙塊狀或中厚層≥30.4～0.2結(jié)合好或一般中薄層狀結(jié)構(gòu)破碎≥30.4～0.2結(jié)合差裂隙塊狀≤0.2結(jié)合一般或差碎裂狀結(jié)構(gòu)

3.2 加權(quán)疊加預(yù)測(cè)模型

經(jīng)實(shí)地調(diào)查，根據(jù)表1規(guī)則，可以確定每個(gè)調(diào)查點(diǎn)的巖體完整程度值，此時(shí)為離散值柵格，為了便于計(jì)算分析，采用克里金插值求解得到整個(gè)研究區(qū)域的連續(xù)的巖體完整程度值柵格，作為基礎(chǔ)柵格，并標(biāo)準(zhǔn)化，最后加權(quán)疊加基礎(chǔ)柵格和標(biāo)準(zhǔn)化地層巖性以及地質(zhì)構(gòu)造影響因子這3個(gè)柵格圖層，得到最終的研究區(qū)域巖體完整程度預(yù)測(cè)[7-10]。

對(duì)區(qū)域內(nèi)巖質(zhì)邊坡的巖體完整程度預(yù)測(cè)主要是基于區(qū)域柵格單元進(jìn)行，采用加權(quán)疊加方法進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)Xi,j為第i個(gè)因子的區(qū)域柵格里第j個(gè)像元值，其中i=(1,2,…,m)，j=(1,2,…,n)，又設(shè)yt為第t個(gè)區(qū)域柵格單元的疊加像元值，t=(1,2,…,n)，其計(jì)算公式如下：

yt=λ1·X1,t+λ2·X2,t+…+λi·Xi,t

(1)

式中：λi為第i個(gè)因子的權(quán)重值；Xi,j為標(biāo)準(zhǔn)化之后的柵格像元值。

對(duì)于權(quán)重值，采用相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行確定。利用MATLAB軟件提取研究區(qū)域因子?xùn)鸥駟卧担鎯?chǔ)為因子矩陣，并以基礎(chǔ)柵格作為參考因子，假設(shè)參考因子變量為X0(t)，則Xi(t)為第i個(gè)變量因子的區(qū)域柵格里第t個(gè)像元值,i=(1,2,…,m)，t=(1,2,…,n)，則影響因子兩兩相關(guān)系數(shù)γ計(jì)算公式為

(2)

式中：ρ為分辨率系數(shù)，一般可取0.5。

設(shè)基礎(chǔ)柵格系數(shù)為1，并將與另外兩個(gè)影響因子計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行歸一，MATLAB求解得到的因子最終相關(guān)系數(shù)見表2。

表2 因子相關(guān)系數(shù)Table 2 Factor correlative coefficients

3.3 模型預(yù)測(cè)

受條件所限，在開展野外實(shí)地調(diào)查測(cè)量時(shí)僅僅只能沿調(diào)查線路可以到達(dá)的范圍進(jìn)行，并選取236個(gè)調(diào)查點(diǎn)，總共測(cè)量到437條節(jié)理裂隙的相關(guān)數(shù)據(jù)，具體的節(jié)理裂隙調(diào)查點(diǎn)分布見圖6。

圖6 裂隙調(diào)查點(diǎn)分布Fig. 6 Distribution of fissure survey points

依據(jù)調(diào)查點(diǎn)測(cè)量得到的系列數(shù)據(jù)，可以根據(jù)表1的分類標(biāo)準(zhǔn)，確定每個(gè)調(diào)查點(diǎn)的巖體完整程度等級(jí)，由于篇幅所限，這里只列舉10個(gè)調(diào)查點(diǎn)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表3。

表3 部分調(diào)查點(diǎn)調(diào)查統(tǒng)計(jì)Table 3 Survey and statistics of some survey points

為了得到整個(gè)研究范圍的邊坡巖體完整程度，這里利用已知的236個(gè)基礎(chǔ)調(diào)查點(diǎn)，采用克里金插值(Kriging)計(jì)算得到基于調(diào)查點(diǎn)的整個(gè)范圍巖體完整程度狀況，即基礎(chǔ)柵格。具體計(jì)算結(jié)果經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化之后見圖7。

圖7 基礎(chǔ)柵格Fig. 7 Basic grid

現(xiàn)在采用上述加權(quán)疊加預(yù)測(cè)模型，將地層巖性以及地質(zhì)構(gòu)造因子進(jìn)行加權(quán)疊加得到圖8的預(yù)測(cè)結(jié)果，為了了解預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，將該研究范圍內(nèi)已知滑坡點(diǎn)疊加至圖8。由圖8可知，整個(gè)研究范圍內(nèi)邊坡巖體的完整程度從完整到破碎均有分布，并且從計(jì)算結(jié)果可知，長(zhǎng)江干流邊坡巖體完整程度要明顯差于支流邊坡，深色區(qū)域如木魚包滑坡范圍，臺(tái)子灣東滑坡區(qū)段，紅石溪滑坡區(qū)段等，表明該部分邊坡巖體完整程度非常差，呈破碎狀。

圖8 加權(quán)疊加對(duì)照Fig. 8 Weighted superposition chart

而且從圖8可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)結(jié)果為深色的區(qū)域，比如木魚包滑坡范圍，臺(tái)子灣東滑坡區(qū)段，紅石溪滑坡區(qū)段等，即邊坡巖體完整程度較差區(qū)域均存在已知滑坡災(zāi)害點(diǎn)，特別是大嶺電站滑坡已于2014年發(fā)生滑動(dòng)。綜上預(yù)測(cè)結(jié)果結(jié)合已知滑坡災(zāi)害點(diǎn)對(duì)照?qǐng)D可知，該預(yù)測(cè)結(jié)果符合實(shí)際情況。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者基于GIS空間分析軟件，通過建立顧及多因子的加權(quán)疊加模型，對(duì)秭歸沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)部分區(qū)域內(nèi)的巖質(zhì)邊坡巖體完整程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到了很好的效果，以有限的調(diào)查樣本數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域的巖體完整程度預(yù)測(cè)，并綜合考慮了地層巖性以及地質(zhì)構(gòu)造的影響，這為實(shí)現(xiàn)區(qū)域巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析提供了更為簡(jiǎn)便實(shí)用的方法。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 易武，孟召平，易慶林. 三峽庫(kù)區(qū)滑坡預(yù)測(cè)理論與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2011:55-56.

YI Wu, MENG Zhaoping, YI Qinglin.TheoryandMethodofLandslidePredictioninTheThreeGorgesReservoir[M]. Beijing: Science Press, 2011: 55-56.

[2] 孫玉科，古迅. 赤平極射投影在巖體工程地質(zhì)力學(xué)中的應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，1980.

SUN Yuke, GU Xun.TheApplicationofStereographicProjectionintheRockMassEngineeringGeologyinMechanics[M]. Beijing: Science Press, 1980: 58-71.

[3] 李遠(yuǎn)耀，殷坤龍，程溫鳴. R/S分析在滑坡變形趨勢(shì)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(8):1291-1296.

LI Yuanyao, YIN Kunlong, CHEN Wenming. Application of R/S method in forecast of landslide deformation trend[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2010, 32(8): 1291-1296.

[4] 戴自航,盧才金.邊坡失穩(wěn)機(jī)理的力學(xué)解釋[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2006,28(10):1192-1197.

DAI Zihang, LU Caijin. Mechanical explanations on mechanism of slope stability[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2006, 28(10): 1192-1197.

[5] 戴福初. 從土的應(yīng)力應(yīng)變特性探討滑坡發(fā)生機(jī)理[J].巖土工程學(xué)報(bào),2000,22(1):127-130.

DAI Fuchu. Analysis of landslide initiative mechanism based on stress-strain behavior of soil[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2000, 22(1): 127-130.

[6] 譚萬鵬，鄭穎人，王凱. 考慮蠕變特性的滑坡穩(wěn)定狀態(tài)分析研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(2):5-8.

TAN Wanpeng, ZHENG Yinren, WANG Kai. Stable state of landslides considering creep properties[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2010, 32(2): 5-8.

[7] 李邵軍，KNAPPETT J A，馮夏庭. 庫(kù)水位升降條件下邊坡失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008,27(8)：1586-1593.

LI Shaojun, KNAPPETT J A, FENG Xiating. Centrifugal test on slope instability influenced by rise and fall of reservoir water level[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2008, 27(8): 1586-1593.

[8] 賈官偉，詹良通，陳云敏. 水位驟降對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的模型試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009, 28(9)：1798-1803.

JIA Guanwei, ZHAN Liangtong, CHEN Yunmin. Model test study of slope instability induced by rapid drawdown of water level [J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2009, 28(9): 1798-1803.

[9] 劉禮領(lǐng), 殷坤龍. 暴雨型滑坡降水入滲機(jī)理分析[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(4): 1061-1066.

LIU Liling, YIN Kunlong. Analysis of rainfall infiltration mechanism of rainstorm landslide[J].RockandSoilMechanics, 2008, 29(4): 1061-1066.

[10] 章廣成，唐輝明，胡斌. 非飽和滲流對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響研究[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(5): 965-970.

ZHANG Guangcheng, TANG Huiming, HU Bin. Study of influence of unsaturated seepage on stability of landslide[J].RockandSoilMechanics, 2007, 28(5): 965-970.