李 科

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

滑坡地質(zhì)災(zāi)害是目前危害較為嚴重的地質(zhì)災(zāi)害之一，降雨帶來的滑坡災(zāi)害不僅會造成經(jīng)濟財產(chǎn)損失，甚至?xí)θ藗兊纳踩斐赏{，嚴重地影響了人類社會的發(fā)展[1]。根據(jù)目前自然災(zāi)害國際數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，從20世紀初到現(xiàn)在，滑坡地質(zhì)災(zāi)害不僅造成了近百億美元的財產(chǎn)損失，還有約6萬人死于滑坡地質(zhì)災(zāi)害[2]。由此可見，如何防止滑坡地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)成為當今社會急需解決的重點問題，也是各國學(xué)術(shù)界研究的重點課題。只有實時監(jiān)測地質(zhì)環(huán)境的變化，獲取造成滑坡地形地質(zhì)災(zāi)害的主要成因，從而有效降低滑坡地質(zhì)災(zāi)害帶來的傷害。但由于滑坡地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性和破壞性強等特點[3]，對其的預(yù)測和預(yù)防對人類來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。

國內(nèi)研究人員構(gòu)建了一種基于降雨強度的滑坡預(yù)測模型，并對滑坡數(shù)量與降雨因子的關(guān)系進行研究與分析，將湖南省張家界市作為研究區(qū)，并調(diào)取該地區(qū)近30年的降雨與滑坡數(shù)據(jù)，確定該區(qū)域的降雨量的衰減函數(shù)，同時對該地區(qū)的歷史滑坡地區(qū)進行調(diào)取，獲取有效的降雨強度對滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害的影響。通過統(tǒng)計滑坡的規(guī)模和坡度分析降雨量對其的影響，確定在不同降雨強度下，造成的降雨滑坡地質(zhì)變形災(zāi)害的概率，并獲取降雨強度的閾值，構(gòu)建降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害的等級劃分。研究結(jié)果表明，該模型對于低級別滑坡地質(zhì)災(zāi)害具有較高的預(yù)測精準度，高級別的滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測精度遠遠不足[4]，影響預(yù)測效果。還有研究人員提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的降雨滑坡變形地質(zhì)預(yù)測模型，以GPS預(yù)測模型為基礎(chǔ)，對大溝滑坡的監(jiān)測點進行分時段監(jiān)測，并根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對降雨滑坡變形地質(zhì)預(yù)測模型進行構(gòu)建，然后利用小波分析，對該模型內(nèi)的不同降雨量下的降雨滑坡變形地質(zhì)預(yù)測進行對比與分析，結(jié)果表明，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的降雨滑坡變形地質(zhì)預(yù)測模型的預(yù)測精度更高，但是無法預(yù)測Ⅲ級滑坡地質(zhì)災(zāi)害[5]。還有學(xué)者以老屋基滑坡為例，對其動力破壞模式進行了研究，對周期分量的預(yù)測結(jié)果表明，LSTM的性能具有良好的動態(tài)特性。與傳統(tǒng)的力學(xué)模型相比，混合模型更能預(yù)測由多因素觸發(fā)的滑坡位移，但是預(yù)測精度較低，實際預(yù)測效果不佳[6]。

基于以上研究背景，本文設(shè)計一種滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測方法，從而提高預(yù)測效果，盡可能降低滑坡地質(zhì)災(zāi)害帶來的人員傷亡及財產(chǎn)損失。

1 土巖接觸帶降雨滑坡變形因素

影響土巖接觸帶降雨滑坡變形的因素主要有3方面：①土巖接觸帶巖土的強度，當滑坡內(nèi)巖土的性質(zhì)發(fā)生改變時，會造成滑坡地質(zhì)變形，滑坡體失去平衡最終造成滑坡地質(zhì)損害[7]。②外部的作用力影響，當土巖接觸帶遇到較強的降雨量時，自然地質(zhì)會由強變?nèi)?，造成滑坡的穩(wěn)定性遭到破壞。當受到外界因素影響時，土巖接觸帶的滑坡地質(zhì)會產(chǎn)生變形，從而形成較為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，最終承受不住外力的影響導(dǎo)致滑坡地質(zhì)危害的發(fā)生。③外部因素作用的影響過程。根據(jù)上述3方面的影響，可以分析出影響土巖接觸帶降雨滑坡變形的基本因素和觸發(fā)因素[8]，影響土巖接觸帶降雨滑坡變形穩(wěn)定性的基本因素如下。

1.1 基本因素

(1)坡度。坡度決定了土巖接觸帶降雨滑坡變形的形式，坡度對土巖接觸帶滑坡的發(fā)生具有一定的影響，它與斜坡的穩(wěn)定機制具有一定的聯(lián)系，并形成線性關(guān)系，坡度的大小與滑坡的發(fā)生有很大的聯(lián)系。

(2)坡高。坡高對土巖帶滑坡也有一定的影響，滑坡的發(fā)生概率受坡度的傾斜率影響，當坡度越高斜坡率越大時，下滑力就越大。利用網(wǎng)格評價方法對坡高帶來的滑坡現(xiàn)象進行預(yù)測[9]，獲取相互的聯(lián)系與規(guī)律。

(3)構(gòu)造。土巖接觸帶的構(gòu)造決定了降雨滑坡變形地質(zhì)的完成性，褶皺會引起土巖接觸帶的巖層發(fā)生相對變化，最終導(dǎo)致構(gòu)造活動巖體內(nèi)部的地應(yīng)力發(fā)生改變，構(gòu)造的影響是不可忽視的。

(4)河流地質(zhì)作用。河流地質(zhì)影響會對土巖接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)造成影響，河流會對滑坡起到?jīng)_刷作用，削減了前緣的抗力體，增大了臨面的空間，最終破壞了滑坡的穩(wěn)定性，導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

(5)植被覆蓋率。植被覆蓋率越高，土巖接觸帶滑坡的穩(wěn)定性就越高，因為植被的根會增加滑坡的土質(zhì)的穩(wěn)定性，可以減少其他因素對于滑坡表面的破壞，減緩降雨的水流的速度，降低下滲速度。

1.2 觸發(fā)因素

影響土巖接觸帶滑坡變形地質(zhì)穩(wěn)定性的觸發(fā)因素主要包括降雨、地震和人為活動影響[10]，具體影響如下。

(1)降雨。降雨是造成地質(zhì)變形滑坡地質(zhì)災(zāi)害的主要因素。大多數(shù)的滑坡災(zāi)害都是因為暴雨造成的，也可以說是地下水的間接作用造成的滑坡災(zāi)害。當降雨量達到一定基數(shù)時，坡體會出現(xiàn)下滲的情況，除了坡體本身受到地下水增多的影響，坡體內(nèi)的孔隙也會發(fā)生劇烈的變化，從而導(dǎo)致土巖接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)的穩(wěn)定性降低。一般在研究的過程中，通過對日最大降雨量和3 d內(nèi)最大降雨量進行分析[11]，獲取年降雨量和降雨強度與滑坡之間的關(guān)系。

(2)地震。地震也是影響降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害的一個原因，地震會造成大面積的山體滑坡，與暴雨相比災(zāi)害面積更大。利用烈度表示地震的強度大小，進而對滑坡的穩(wěn)定性進行判斷。

(3)人類活動。人為影響對環(huán)境造成很大破壞，其改造強度和頻率的增大對滑坡的穩(wěn)定性帶來很大的影響，如修路、開礦等都會影響滑坡的穩(wěn)定性。

以上從基本因素和觸發(fā)因素2方面，分析了影響土巖接觸帶降雨滑坡變形的因素。

2 滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測方法設(shè)計

2.1 滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

基于以上原因，利用動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)，對滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理?；伦冃蔚刭|(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Flow chart of landslide deformation geological hazard monitoring data processing

對滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，不考慮人為因素對其的影響[12]，對滑坡周圍地區(qū)的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，將監(jiān)測誤差降到最低。目前，滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理主要依賴于無線傳輸技術(shù)，相對技術(shù)較為成熟。

通過數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測過程數(shù)據(jù)的處理，但是面對海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如何快速提取關(guān)鍵信息的技術(shù)還未成熟。究其根本：①地質(zhì)災(zāi)害的影響因素多種多樣，造成滑坡災(zāi)害的各因素又存在錯綜復(fù)雜的關(guān)系，主控因子的確定對于目前的技術(shù)來說較為困難；②滑坡線性地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生不是突發(fā)性的，而是有一個孕育的過程，對整個過程的數(shù)據(jù)監(jiān)測復(fù)雜且困難[13]。通過對土巖接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，并利用智能技術(shù)對滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理與分析[14]，獲取滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害演化特征的監(jiān)測曲線，并且不需要人工操作，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害曲線的高效繪制，實現(xiàn)對滑坡地形地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理。

2.2 滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測模型構(gòu)建

在預(yù)測土巖接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的過程中，需要設(shè)定模型的相關(guān)參數(shù)，選取不同的監(jiān)測信號[15]。不同的滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害特征中含有不同的特征因子，將Ii設(shè)為輸入信號，另外將Mi設(shè)置為節(jié)點的數(shù)量，將vi設(shè)置為學(xué)習(xí)速率。根據(jù)上述參數(shù)提升模型的精準度和實用性[16]，利用式(1)進行計算：

Ki(x)=Ii(x)Mi(x)+vi(x)

(1)

受不可抗因素的影響，滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測模型的監(jiān)測曲線會發(fā)生較大的波動，無法獲取真實的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律[17]。需要利用平滑方法去除影響準確性的數(shù)據(jù)，具體計算公式如下：

(2)

其中，ζi為滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害在gi點的平滑值。

利用線性函數(shù)，對土巖接觸地帶降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行歸一化處理[18]，則：

(3)

式中，xmax為監(jiān)測節(jié)點的最大數(shù)據(jù)量；xmin為監(jiān)測節(jié)點的最小數(shù)據(jù)量值。

滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測方法的誤差平方和用式(4)計算：

(4)

式中，Ej為監(jiān)測節(jié)點的目標預(yù)測值；Sj為監(jiān)測節(jié)點的實際值；ωi為降雨滑坡變形的災(zāi)害權(quán)重。

GIS技術(shù)以地理空間為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法，實時提供多種空間和動態(tài)的地理信息，是一種為地理研究和地理決策服務(wù)的計算機技術(shù)系統(tǒng)[19-20]。本文方法結(jié)合GIS技術(shù)，構(gòu)建滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測模型，對區(qū)域土巖接觸帶滑坡地質(zhì)災(zāi)害進行預(yù)測，通過GIS系統(tǒng)采集研究區(qū)域滑坡地質(zhì)環(huán)境基本數(shù)據(jù)，比如該區(qū)域坡度、坡高等數(shù)據(jù)；提取滑坡堆積物和巖體數(shù)據(jù)信息，對地理環(huán)境的圖形信息進行矢量化單元柵格劃分，確定影響預(yù)測結(jié)果的因素，在實現(xiàn)土巖接觸帶降雨滑坡綜合信息管理的同時，還能夠?qū)ρ芯繀^(qū)域的土巖接觸帶滑坡災(zāi)害進行有效預(yù)測。預(yù)測流程如圖2所示。

圖2 基于GIS技術(shù)的護坡災(zāi)害預(yù)測流程Fig.2 Slope protection disaster prediction process based on GIS technology

3 實例分析

3.1 研究區(qū)概況

為了驗證本文提出的土巖接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測方法的預(yù)測效果，本文以某一地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)為研究區(qū)域。該區(qū)域位于陜西省東南部，北依秦嶺，南靠巴山，漢水橫貫東西。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨冬季溫暖干燥，四季較為分明，年均溫度在13～22 ℃。研究區(qū)域面積為140 km2左右，區(qū)域內(nèi)有2條流域面積均為1 000 km2以下小河流，植被覆蓋率約65%。該區(qū)域近10年未發(fā)生過3級以上的地震，也未出現(xiàn)大規(guī)模采礦與修路活動。但該區(qū)域經(jīng)常發(fā)生持續(xù)性的大暴雨，降雨主要集中在夏季(7—9月)，年平均降雨量高達720 mm。豐富的降雨量使得該區(qū)域頻繁發(fā)生降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害。結(jié)合GIS遙感影像獲取數(shù)據(jù)得知，該研究區(qū)域出現(xiàn)滑坡位置約有180處，其中基巖滑坡與蠕動型滑坡居多。研究區(qū)域處于復(fù)向斜北東段近軸部，主要坡度在10°～45°，坡高45～585 m，褶皺的走向為北東，在形態(tài)上呈現(xiàn)出背斜緊閉、向斜寬闊的隔擋式梳狀褶皺構(gòu)造。研究區(qū)域土巖接觸帶構(gòu)造如圖3所示，研究區(qū)域附近山體滑坡航拍影像如圖4所示。

圖3 研究區(qū)土巖接觸帶構(gòu)造Fig.3 Structure of soil rock contact zone in the study area

圖4 研究區(qū)域附近山體滑坡航拍影像Fig.4 Aerial images of landslides near the study area

3.2 地形條件對滑坡災(zāi)害預(yù)測影響

根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H地質(zhì)情況，對影響滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測結(jié)果的地形條件進行分析。該區(qū)域土巖接觸帶坡度空間共計5個區(qū)間：包括0°～10°、11°～20°、21°～30°、31°～40°和41°～45°。根據(jù)不同土巖接觸帶坡度區(qū)間的變化，分析對滑坡發(fā)生比例和信息量的影響。分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 坡度區(qū)間變化對滑坡發(fā)生比例和信息量的影響分析Fig.5 Impact analysis of slope interval change on landslide occurrence proportion and information volume

通過圖5可以看出，該研究區(qū)域在11°～20°、21°～30°這2個坡度區(qū)間發(fā)生滑坡災(zāi)害的比例較高，并且在此區(qū)間內(nèi)包含的信息量也較大，能夠?qū)ν翈r接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測提供更多的信息。

將該研究區(qū)域土巖接觸帶坡高區(qū)間劃分為11個部分：0～45 m、46～90 m、91～135 m、136～180 m、181～225 m、226～270 m、271～315 m、316～360 m、361～405 m、406～450 m和451～500 m。根據(jù)不同土巖接觸帶坡高區(qū)間的變化，分析對滑坡發(fā)生比例和信息量的影響。為了方便繪制，將以上11個土巖接觸帶坡高區(qū)間按照順序由a—k來表示。分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 坡高區(qū)間變化對滑坡發(fā)生比例和信息量的影響分析Fig.6 Analysis of influence of inter regional variation of slope height on landslide occurrence proportion and information content

通過圖6可以看出，在該研究區(qū)域坡高45～450 m，滑坡災(zāi)害發(fā)生的比例較大，同時信息量也較多。說明在此坡度區(qū)間內(nèi)，能夠有助于實現(xiàn)對土巖接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測。

3.3 降雨因素對滑坡預(yù)測影響

分析研究區(qū)域近10 d內(nèi)的降雨數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)設(shè)置為滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害的分析對象，預(yù)測研究區(qū)的滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況。降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的樣本數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗樣本數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental sample data

將該研究區(qū)域平均日蒸發(fā)量 2.8 mm值作為降雨開始滲入界限，繪制尋常降雨與連續(xù)降雨條件下滑坡發(fā)生比例對比結(jié)果對比圖，如圖7所示。

圖7 尋常降雨與連續(xù)降雨條件下滑坡發(fā)生比例對比結(jié)果Fig.7 Comparison results of landslide occurrence ratio under normal rainfall and continuous rainfall

通過圖7可以看出，在尋常降雨中，由于第5、6、8天的天氣情況均為大雨，第7天為暴雨天氣況，因此這4天內(nèi)發(fā)生滑坡的比例較高；而在連續(xù)降雨條件下，雖然第5—8天的滑坡發(fā)生比例相比其他時間依舊較高，但是可以看出，在第8天時的滑坡發(fā)生比例已經(jīng)高達90%。與此同時，第9天雖然為小雨天氣，降雨量僅為3.94 mm，但是其滑坡比例高于降雨量18.56 mm的第4天和降雨量11.06 mm的第3天。由此可以得知，影響土巖接觸帶產(chǎn)生滑坡災(zāi)害的除了降雨量以外，連續(xù)的降雨天氣也對滑坡災(zāi)害的發(fā)生具有較大的影響作用。

3.4 預(yù)測結(jié)果驗證

經(jīng)調(diào)查得知該地區(qū)的土巖接觸帶在夏季(7—9月)滑坡災(zāi)害發(fā)生較為頻繁，采用本文設(shè)計方法對該區(qū)域土巖接觸帶的滑坡發(fā)生次數(shù)進行預(yù)測，并與該區(qū)域?qū)嶋H發(fā)生的滑坡次數(shù)進行對比，以此驗證本文方法的有效性。本文方法預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 本文方法預(yù)測結(jié)果Tab.2 Prediction results of this method

7月實際基巖滑坡65次，實際蠕動型滑坡13次;8月實際基巖滑坡75次，實際蠕動型滑坡18次;9月實際基巖滑坡81次，實際蠕動型滑坡23次。

通過數(shù)據(jù)對比可知，本文提出的預(yù)測方法能夠有效地對巖土接觸帶滑坡災(zāi)害進行預(yù)測，預(yù)測次數(shù)相對準確，誤差不超過±3次，能夠證明本文方法在預(yù)測工作中穩(wěn)定性較高，具有一定的實際應(yīng)用價值，有助于降低滑坡災(zāi)害帶來的人員傷亡及財產(chǎn)損失。

4 結(jié)語

本文提出了土巖接觸帶降雨滑坡變形地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測方法研究，利用智能技術(shù)對滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理與分析，并結(jié)合GIS技術(shù)對地質(zhì)災(zāi)害進行預(yù)測。通過實例分析發(fā)現(xiàn)，土巖接觸帶滑坡預(yù)測中，坡度與坡高是影響最大的基本因素，降雨是造成滑坡災(zāi)害最主要的影響因素。通過實例驗證能夠證明，本文方法在土巖接觸帶滑坡預(yù)測工作中，對滑坡次數(shù)和滑坡嚴重程度的預(yù)測結(jié)果相對準確，具有一定的實用性。

但是由于時間的限制，本文方法還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以擴大地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測范圍，提取出滑坡變形的破壞特征，提高預(yù)測準確性的同時，提高實時預(yù)測的能力。