降雨作用下黃土淺層滑坡的危險性分析

同 霄, 彭建兵,2, 朱興華, 馬鵬輝, 孟振江

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054)

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降雨作用下黃土淺層滑坡的危險性分析

同 霄1, 彭建兵1,2, 朱興華1, 馬鵬輝1, 孟振江1

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054)

摘要：[目的] 在不同的降雨條件下,對黃土淺層滑坡進(jìn)行危險性分析,為評價黃土地區(qū)淺層滑坡提供有效手段。[方法] 以甘肅省天水市為例,根據(jù)SHALSTAB模型,在ArcGIS中進(jìn)行二次開發(fā),編寫不同降雨量時淺層滑坡危險性分析程序,計算不同降雨量下淺層黃土滑坡分布預(yù)測。[結(jié)果] 隨著降雨量的增加,淺層滑坡數(shù)量明顯增多,所占面積比例從5 mm/d的0.166%增加為320 mm/d的3.624%,上升了20倍左右。 [結(jié)論] 當(dāng)降雨量較小時,淺層滑坡分布于雨水集中匯積的區(qū)域,隨著降雨的增加,淺層滑坡沿著黃土溝谷向上游延伸。通過和實(shí)際發(fā)生滑坡災(zāi)害進(jìn)行對比分析,證明計算結(jié)果準(zhǔn)確可信。

關(guān)鍵詞：黃土; 淺層滑坡; SHALSTAB模型; 危險性分析

文獻(xiàn)參數(shù)： 同霄, 彭建兵, 朱興華, 等.降雨作用下黃土淺層滑坡的危險性分析[J].水土保持通報，2016,36(3)：109-113.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.020

中國黃土分布面積為6.40×105km2，約占中國陸地面積的6.3%，在黃河中游地區(qū)，西起賀蘭山，東到太行山，北起長城，南到秦嶺幾乎全部被黃土覆蓋[1]。黃土滑坡是黃土地區(qū)最為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計在陜北發(fā)育有16 616個黃土滑坡和土崩，密度超過5個/km2。在隴東和隴西，從20世紀(jì)的50年代末到1992年，共發(fā)生14 109個黃土滑坡，密度超過6個/km2[2]。在中國西北黃土地區(qū)，降雨季節(jié)分布不均，集中在7—9月，且多暴雨。黃土滑坡發(fā)生的時間及分布區(qū)域與降雨集中的季節(jié)及空間變化密切相關(guān)，降雨是滑坡發(fā)育最為活躍的動力因素之一[3]。1984年8月，隴南、天水因降大暴雨，共誘發(fā)了938處黃土滑坡，造成了嚴(yán)重的人身傷害和財產(chǎn)損失[4]。黃土滑坡災(zāi)害每年造成大量的損失，因此在黃土地區(qū)進(jìn)行降雨型滑坡預(yù)測顯得尤為重要。

近30 a來，降雨型滑坡預(yù)測一直是滑坡研究中的核心問題，研究的主要內(nèi)容是探究降雨與滑坡的關(guān)系，并且預(yù)測未來的滑坡狀態(tài)。預(yù)測的內(nèi)容包括：時間預(yù)測、強(qiáng)度預(yù)測和空間預(yù)測。時間預(yù)測主要是研究滑坡災(zāi)害發(fā)生的臨界降雨強(qiáng)度，解決何時會發(fā)生滑坡這一科學(xué)問題。強(qiáng)度預(yù)測是研究不同降雨條件下滑坡的規(guī)模、滑坡發(fā)生的頻次、滑坡的速度以及滑坡沖程等。空間預(yù)測的重點(diǎn)是降雨型滑坡區(qū)域性的頻發(fā)區(qū)和易發(fā)區(qū)劃分。隨著GIS技術(shù)的廣泛應(yīng)用，采用半定量、定量方法，編制滑坡敏感性分區(qū)圖在全世界已非常普遍。如今利用各種概率模型和災(zāi)害模型對區(qū)域危險性進(jìn)行評價和劃分已成為滑坡空間預(yù)測研究的主要趨勢[5-7]。

國內(nèi)外的眾多學(xué)者對降雨誘發(fā)的滑坡進(jìn)行了較全面的研究。Dietrich等[8]1995年在假定穩(wěn)態(tài)水文條件的基礎(chǔ)上提出了針對淺層滑坡穩(wěn)定性的SHALSTAB模型。Pack等[9]1998年在SHALSTAB 模型的基礎(chǔ)上建立了SINMAP模型。Baum等[10]2002年基于DEM耦合了降雨入滲導(dǎo)致的瞬態(tài)孔隙壓力變化模型和無限斜坡穩(wěn)定性模型，提出了定量評價斜坡失穩(wěn)的區(qū)域地形穩(wěn)定性的TRIGRS模型。蘭恒星等[11]2003年考慮降雨引起地下水的不同分布所造成的靜水壓力及地下水滲流產(chǎn)生的動水壓力對滑坡穩(wěn)定性的影響，提出了改進(jìn)的SINMAP模型。

黃土地區(qū)淺層滑坡發(fā)育非常廣泛，由于其具有分布規(guī)律性差、前期變形跡象小、分布范圍大、面小點(diǎn)多等特征，目前還無法進(jìn)行有效預(yù)測，因此給黃土地區(qū)工程安全帶來嚴(yán)重威脅[12]。本文擬根據(jù)SHALSTAB模型，在ArcGIS中進(jìn)行二次開發(fā)，編寫出不同降雨量時淺層滑坡危險性分析程序，將分析程序應(yīng)用到黃土地區(qū)，以天水市為例，計算得到不同降雨量下淺層黃土滑坡分布預(yù)測，選取由于降雨誘發(fā)的潘集寨大橋滑坡，對比計算結(jié)果，證明危險性分析結(jié)果準(zhǔn)確可信，以期為黃土淺層滑坡危險性分析評價提供有效手段。

1研究區(qū)概況

天水市位于甘肅東南部，六盤山以西，秦嶺北麓，隴西盆地東南部，天水、秦安、通渭一帶。本文研究區(qū)域?yàn)樘焖械那刂輩^(qū)和麥積區(qū)，面積5 300 km2。自古近紀(jì)末至新近紀(jì)初，天水地區(qū)受東昆侖—秦嶺斷裂系左旋走滑活動控制，形成北西—南東向拉張盆地與隆起山地交錯的古地形面貌[13-14]。第四紀(jì)初期隴西盆地隨青藏高原及周圍山地一起抬升，剝蝕面解體，渭河及其支流下切，沿河兩岸形成6級階地，呈現(xiàn)出黃土梁、峁地貌以及山梁、溝壑等地形[15]。研究區(qū)域海拔最高為2 693 m，最低為736 m，以山谷溝壑地形為主。東側(cè)地區(qū)與南側(cè)地區(qū)由于構(gòu)造運(yùn)動形成山梁地貌。局部地區(qū)由于東西向的構(gòu)造帶斷裂，形成渭河地塹，加上水流沖擊與侵蝕堆積，最終出現(xiàn)渭河河谷地帶。天水市城區(qū)建設(shè)、居民生活集中在北部地形平坦處，呈條帶狀展布，為典型的山間河谷盆地。在城市周邊黃土溝谷發(fā)育，地形破碎、溝壑縱橫，溝谷上游和下游海拔差較大，成V字形，切割深度大，斜坡高而且陡，從而使斜坡上部產(chǎn)生臨空面，這為產(chǎn)生黃土滑坡、泥石流提供了地形條件。研究區(qū)域內(nèi)巖性自下而上分別為白云巖、大理巖、板巖和片麻巖，其上覆蓋了第三紀(jì)紅色砂礫巖，紅色、灰綠、青灰色黏土質(zhì)泥巖，最上層依次為午城期、離石期和馬蘭期黃土，土層深厚，土質(zhì)松軟，這為滑坡、泥石流提供了物源條件。在降雨條件下，黃土力學(xué)性質(zhì)降低，每年都會發(fā)生多處淺層滑坡災(zāi)害，造成道路封閉、溝谷堵塞、植被森林破壞。多期淺層滑坡形成的堆積物強(qiáng)度較低，多孔疏松，在降雨條件下會引發(fā)大規(guī)模滑坡，甚至轉(zhuǎn)換為泥石流，由溝谷上游向下部平坦地區(qū)高速運(yùn)動，造成嚴(yán)重的人身財產(chǎn)損失。

2SHALSTAB模型

SHALSTAB模型是由美國伯克利大學(xué)的Dietrich和華盛頓大學(xué)的Montgomery在1995年提出并完善的。該模型主要是針對降雨誘發(fā)的淺層滑坡進(jìn)行危險性分析。

SHALSTAB模型以摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則為基礎(chǔ)：

τ=c+(σ-u)tanφ

(1)

式中:τ——土壤的抗剪強(qiáng)度(Pa);c——黏聚力(Pa);σ——正應(yīng)力(Pa);u——孔隙水壓力(Pa);φ——內(nèi)摩擦角(°)。下同。

如圖1所示，基于無限邊坡模型，假設(shè)地表、地下水位線、滑動面三者是平行的，將(1) 式變換為：

ρsZcosθsinθ=c+(ρsZcos2θ-ρwhcos2θ)tanφ

(2)

(3)

式中:ρs——土的密度(kg/m3);ρw——水的密度(kg/m3);Z——土壤厚度(m);θ——坡角(°);h——地下水位線高度(m)。下同。

期中考試后，蔣海峰得了獎學(xué)金，請水仙芝吃飯，在學(xué)校外面的暖水閣，紫云作陪。火鍋燃起，對坐一方小桌，心靈的距離，近在咫尺。他那鷹隼般的目光，靜默在燈影里。

圖1　SHALSTAB模型示意圖

在考慮有效降雨量，即降雨量減去蒸發(fā)量，以及地形水文參數(shù)，結(jié)合TOPOG模型將達(dá)西定律方程轉(zhuǎn)換為：

qa=bkhcosθsinθ

(4)式中:q——降雨量(mm/d);a——匯水面積(m2);b——排水寬度(m);k——滲透系數(shù)(m/day); 下同。

將滲透系數(shù)用土壤導(dǎo)水系數(shù)和土壤深度來表示，(4)式可整理為：

Tbsinθ=bkZcosθsinθ

(5)

式中:T——土壤導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)。下同。

綜合(4)和(5)式得到：

(6)

(3) 式為無限邊坡穩(wěn)定性模型，(6)式為水文模型，將二者結(jié)合可以得到新的計算模型：

(7)

式中:T/q——降雨指標(biāo)，當(dāng)q>T時，表明降雨量大于土體下滲能力，即在地表形成徑流，當(dāng)q

(8)

3危險性分析

3.1計算結(jié)果

本文根據(jù)SHALSTAB模型，在ArcGIS軟件中進(jìn)行了二次開發(fā)，編寫得到不同降雨量時淺層滑坡危險性分析程序，導(dǎo)入研究區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，輸入土體的密度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、導(dǎo)水系數(shù)、土壤厚度和降雨量。參數(shù)輸入后，ArcGIS自動進(jìn)行計算，計算完成后得到淺層滑坡危險性分析圖。本文采用的天水地區(qū)DEM數(shù)據(jù)分辨率為30 m×30 m，計算參數(shù)如表1所示。降雨量選取考慮小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨這6種不同情況，具體取值如表2所示。

表1　危險性分析計算參數(shù)

表2　降雨等級劃分　mm

圖2　不同降雨等級時誘發(fā)的黃土淺層滑坡數(shù)量

將不同降雨等級時不穩(wěn)定土體數(shù)量、計算得到不穩(wěn)定百分比，以及統(tǒng)計得到由降雨誘發(fā)的滑坡數(shù)量等，整理如表3所示。可以看出當(dāng)降雨等級為小雨時，降雨誘發(fā)的淺層滑坡面積占整個研究區(qū)域面積的0.166%，當(dāng)降雨等級上升至特大暴雨時，該數(shù)值上升為3.624%。

本文DEM數(shù)據(jù)分辨率為30 m×30 m，計算中選取的淺層滑坡深度為2 m，通過計算可以得到不穩(wěn)定淺層滑坡的方量。當(dāng)降雨等級為小雨時，不穩(wěn)定的滑坡方量為1.90×107m3，相當(dāng)于2個特大型滑坡災(zāi)害，而當(dāng)降雨等級變?yōu)樘卮蟊┯陼r，不穩(wěn)定的滑坡方量為4.15×108m3，相當(dāng)于發(fā)生了40個特大型滑坡災(zāi)害。經(jīng)過統(tǒng)計，小雨時，共誘發(fā)滑坡381處，每處滑坡平均方量為5.00×104m3；特大暴雨時，共誘發(fā)滑坡420處，每處滑坡的平均方量為9.88×105m3。

表3　黃土淺層滑坡危險性分析結(jié)果

觀察危險性分析結(jié)果，當(dāng)降雨量較小時，淺層滑坡數(shù)量很小，只有零星一些，隨著降雨量的增加，淺層滑坡數(shù)量變多。初始階段，淺層滑坡分布在溝谷下游處，因?yàn)镾HALSTAB模型是基于地形因素計算得到柵格的匯水比和降雨入滲能力之間的關(guān)系，以此來判斷柵格是否穩(wěn)定的，所以在溝谷下游局部地區(qū)為雨水匯積的區(qū)域，出現(xiàn)淺層滑坡可能性較大。隨著降雨量的增大，淺層滑坡數(shù)量也隨之增加，多分布在發(fā)育在黃土溝谷中，且向著溝谷上游不斷延伸，這說明當(dāng)溝谷下部土體發(fā)生淺層滑坡后，隨著降雨量的增加，溝谷上部的土體發(fā)生失穩(wěn)滑坡的可能性變大。當(dāng)降雨量進(jìn)一步增大時，大量溝谷中淺層滑坡貫通出現(xiàn)，這表明溝谷內(nèi)易發(fā)生大面積的淺層滑坡，堵塞溝壑，對下游造成破壞。

3.2實(shí)例分析

天水市是中國滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的城市之一，史料記載的較大滑坡災(zāi)害達(dá)300余次[16]。根據(jù)統(tǒng)計，天水市全年降水量一般在400～700 mm之間，但是年內(nèi)降水分配不均，降雨多集中在夏、秋兩季，占年總降水量77.4%[17]。

本文選取在2011年9月12日17時，由于降雨誘發(fā)的潘集寨大橋滑坡災(zāi)害，通過對比SHALSTAB危險性分析結(jié)果和實(shí)際災(zāi)害情況，以此驗(yàn)證危險性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

由于陰雨天氣影響，在2011年9月12日17時左右，G310國道甘肅省天水市麥積區(qū)境內(nèi)，潘集寨大橋東側(cè)約100 m處的牛北公路發(fā)生了山體滑坡。所幸事發(fā)當(dāng)時沒有車輛經(jīng)過，此次滑坡災(zāi)害沒有造成人員傷亡。滑坡堆積物掩埋了G310國道，阻礙了交通，很大程度上影響了民眾的生產(chǎn)生活。圖3a為滑坡堆積體掩埋公路和滑坡后壁的照片。圖3b為滑坡處的衛(wèi)星影像。

(a) 滑坡照片 (b) 滑坡衛(wèi)星影像

圖3天水市麥積區(qū)G310潘集寨大橋滑坡

圖4為危險性分析計算結(jié)果。選取陰雨天氣，降雨量為20 mm/d進(jìn)行計算。計算結(jié)果表明，在該降雨條件下，潘集寨大橋東側(cè)約100 m處有不穩(wěn)定的滑坡點(diǎn)。對比SHALSTAB危險性計算結(jié)果和衛(wèi)星影像，可以看出危險性計算結(jié)果和現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際情況能較好的吻合。

圖4　SHALSTAB危險性計算結(jié)果

黃土地區(qū)淺層滑坡發(fā)育廣泛，預(yù)測難度大，本文通過ArcGIS二次開發(fā)后，編寫得到了不同降雨量下的淺層滑坡危險性分析程序，在輸入實(shí)際降雨量后便可以進(jìn)行實(shí)際預(yù)報分析。程序所需參數(shù)簡單，只需輸入具有代表性的土體物理參數(shù)即可進(jìn)行淺層滑坡危險性分析。通過和實(shí)際災(zāi)害點(diǎn)的對比，可以看出危險性分析結(jié)果準(zhǔn)確可信，這為黃土地區(qū)淺層滑坡評價提供了有效手段。該方法依然有很多需要改進(jìn)的地方，比如土壤厚度Z值的確定以及如何考慮根系強(qiáng)度等等，并且為了能更加精確的進(jìn)行危險性分析，需要獲取高精度的DEM數(shù)據(jù)。這些都需要進(jìn)一步研究，將計算結(jié)果和實(shí)際情況更好的吻合。

4結(jié) 論

(1) 隨著降雨量的增加，淺層滑坡數(shù)量明顯增多，所占面積比例從5 mm/d的0.166%增加為320 mm/d的3.624%，上升20倍左右。

(2) 當(dāng)降雨量較小時，淺層滑坡分布于雨水集中匯積的區(qū)域，隨著降雨的增加淺層滑坡沿著黃土溝谷向上游延伸直至整個溝谷內(nèi)整體貫通。

(3) 通過和實(shí)際發(fā)生的由降雨誘發(fā)的滑坡災(zāi)害進(jìn)行對比分析，證明計算結(jié)果準(zhǔn)確可信，該危險性分析程序?yàn)辄S土地區(qū)淺層滑坡評價提供了有效手段。

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收稿日期：2015-09-08修回日期：2015-11-23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0109-05

中圖分類號：P642.22

Risk Analysis of Loess Shallow Landslides Under Different Rainfall Conditions

TONG Xiao1, PENG Jianbing1,2, ZHU Xinghua1, MA Penghui1, MENG Zhenjiang1

(1.CollegeofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China; 2.KeyLaboratoryofWesternMineralResourcesandGeologicalEngineeringofMinistryofEducation,Xi’an,Shaanxi710054,China)

Abstract：[Objective] To analyze the risk analysis of loess shallow landslide under different rainfall conditions in order to provide an effective way for the loess shallow landslide hazard analysis and evaluation. [Methods] The paper took Tianshui City of Gansu Province as a case study and wrote a program to analyze the shallow landslide hazard according to SHALSTAB model under ArcGIS platform. Then the distribution of shallow loess landslide was predicted with consideration of different rainfall conditions. [Results] With the increase of rainfall, the shallow landslides increased significantly, and the proportion increased from 0.166% to 3.624% when the rainfall increased from 5 mm/d to 320 mm/d, increased by 20 times. [Conclusion] When the precipitation is low, shallow landslides area main distributed in rainfall concentrated area. When the precipitation increases, shallow landslides extend upward along the loess valley. The comparison with the actual landslide disasters showed that the calculation results are accurate and reliable.

Keywords:loess; shallow landslide; SHALSTAB model; risk analysis

資助項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“黃土重大災(zāi)害及災(zāi)害鏈的發(fā)生、演化機(jī)制與防控理論”(2014cb744702); 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目“涇河南岸高速遠(yuǎn)程滑坡運(yùn)動機(jī)理試驗(yàn)研究”(自然科學(xué)類基礎(chǔ)研究項(xiàng)目)(310826151046)

第一作者：同霄(1987—),男(漢族),陜西省三原縣人,博士研究生,研究方向?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害。E-mail:tong@chd.edu.cn。