蓄水區地質災害勘察治理集成技術系統研發

鄧正宇， 汪 凱， 周其健， 薛文坤， 陶 嘯

(中建西南勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610031)

我國幅員遼闊，擁有眾多的山區河流地區，在這些地區由水庫運行和城鎮搬遷建設而引發的地質災害問題也應重視。近幾十年來，我國對山區河流地質災害進行了大規模的勘察治理，積累了十分豐富的經驗，掌握了大量詳實且經過實際工程驗證的治理工程資料。目前，面對大量的地質災害勘察治理經驗和相關資料，如何將這些經驗和資料進行系統深入的研究歸納總結，是目前各大生產單位及科研院校迫切期望研究的重點和熱點。中建西南勘察設計研究院根據西南地區大量山區河流地質災害治理研究、勘察、設計、施工工作成果，以地質災害勘察治理技術集成為指導思想，充分利用現代數據處理和計算機技術，開發編制了一套蓄水區地質災害數據系統。該系統以地質災害數據為基礎，具有數據查詢、治理工程輔助設計和方案估計決策分析等功能，可服務于地質災害的勘察治理工作。該系統可以將長期以來各個單位對山區河流地質災害的工程勘察和治理積累的大量成果信息資料，建成集中管理和高效共享地質災害全面系統的信息，為地質災害的勘察治理提供決策性幫助。同時，通過集成在系統中的應用模塊，可以集成運用已有的成果和技術，對地質災害的勘察和治理做出快速決策。

1 地質災害勘察治理技術集成

地質災害勘察治理集成技術即是把相對獨立的勘察或治理技術整合到一起，提出相應的系統模式和技術解決方案，以系統的高度為地質災害的勘察治理需求提供幫助。蓄水區地質災害數據系統(以下稱為TGGD系統)正是一套基于Windows平臺開發，選用Visual FoxPro、Map Objects和Visual Basic程序作為空間數據庫開發組件的地質災害勘察治理集成技術系統，能夠為勘察治理提供系統的輔助決策。

1.1 系統組成

系統主要由數據存儲設備、數據輸出設備、軟件和數據四部分組成，可運行于Windows XP及以上的系統。TGGD系統數據來源多種多樣，涉及基礎地理地質圖件、地質災害點的勘察、治理和監測資料等。其系統信息界面如圖1所示，界面中主要包括查詢欄、圖表欄、信息欄、圖片(數據)欄和文檔欄。

圖1 系統信息界面

1.2 系統功能

TGGD系統是將災害點的空間數據和屬性數據以一定的格式輸入、存儲、查詢顯示和綜合分析應用的系統，主要具有以下功能。

1.2.1 數據管理功能

數據庫的管理功能是其基本功能之一，利用數據庫管理系統功能實現對數據的管理，包括從數據庫中檢索滿足條件的數據、向數據庫中添加數據、刪除數據庫中的數據、修改數據庫中的數據和修改表結構。

1.2.2 查詢功能

系統提供的查詢方式包括以下幾種：按災害點名稱查詢、按行政區查詢、按WGS84坐標查詢、按地質災害類型查詢和自由查詢。

1.2.3 模擬計算與估計功能

模擬計算和估計分別是對已勘察災害點和未勘察災害點進行穩定性分析和治理措施選擇。模擬計算的主要功能是分析災害點敏感性因子、評價災害點治理措施的合理性；估計功能則是在已知少量必須數據的條件下，對災害點穩定性和治理措施選擇進行估計。

1.2.4 統計與輔助設計功能

分為分類統計、分布統計、自定義統計、按工程類型統計和按物質組成統計五類。

夏小春看著她，似乎明白了什么。兩年過去了，溫簡也終于明白當初顧青為什么那么輕易地和她分手了。因為他不想拖累她，他對自己充滿了懷疑，覺得自己給不了溫簡想要的幸福。那個時候，他弟正需要大把的錢，他借了很多的錢，包括夏小春的。那次溫簡見到夏小春和顧青在一起，其實是夏小春送錢來給顧青。

1.2.5 報表與檔案功能

系統提供災害點信息輸出功能，將災害點信息輸出到電子表格里，可以實現打印功能。將災害點勘察、設計、監測資料按照要求加工后存儲在硬盤中，實現系統的檔案功能。

2 地質災害信息查詢功能

地質災害的勘察應在充分搜集以往地質資料的基礎上，熟悉所調查地區的有關地質資料，根據需要進行勘察工作。根據地質災害空間分布性和其自身的特點，系統設置了按災害點名稱查詢、按行政區查詢、按WGS84坐標查詢、按災害類型查詢等幾種方式。另外，根據不同整治工程類型的特點，設置了自由查詢功能。

地質災害點分布范圍廣，具有空間性，按照行政區劃查詢災害點可以快速了解不同區域范圍內的災害點分布特點，準確定位查詢某一地區的災害點。系統采用國家標準行政區劃編號，設定區縣、鄉鎮、村三級地名。按行政區劃查詢方法適用于已知目標地區，例如查詢目標地區是奉節縣永安鎮金盆村，則查詢結果如圖2所示。

圖2 按行政區查詢示例

同樣，根據地質災害點具有空間分布的特點，系統設置了按經緯度查詢，該查詢適用于已知災害點具體地理坐標的情況，經緯度可準確地定位地質災害點具體地理位置，對待勘察災害點的資料收集工作有很大的幫助。通過此功能，能快速確定本地區一定范圍內已勘察點的信息，有助于對待勘察點的估算和分析。按經緯度查詢時可按輸入坐標點距離由近及遠變換查詢范圍，搜索范圍內的地質災害點，選定災害點后在基本信息界面顯示其詳細信息。例如某勘察災害點坐標經度為109.516°，緯度為31.067°，以這一經緯度為原點，查詢結果如圖3所示(中心坐標1 km范圍內工點)。

圖3 按經緯度查詢結果示例

目前系統中大類的地質災害有滑坡、塌岸、邊坡、危巖四大類，其中每一類又可以細分為更多種，如滑坡又可分為土質滑坡、順層滑坡和切層滑坡等。因此還設置了按地質災害類型查詢功能，查詢時先選擇地質災害類別，然后選擇次級分類，選擇滿足條件的災害點，查看災害點詳細信息。對于某種地質災害來說，按地質災害類型查詢災害點更具有針對性，例如按滑移型塌岸查找的災害點結果如圖4所示。

圖4 按地質災害類型查找結果示例

圖5 自由查詢結果示例

3 模擬計算與估計功能

系統災害點的穩定性模擬計算分別采用極限平衡法和工程類比法分析已知災害點的穩定性。采用極限平衡法計算時可分析災害點參數敏感性，從而為參數取值和治理措施的合理選擇提供參考。采用工程類比法分析時，可驗證災害點的穩定性和治理措施的合理性。模擬計算功能為參數取值、災害點穩定性分析和治理工程決策提供參考，使參數取值更準確，穩定性分析更可靠，治理工程的選擇更具有針對性，以最少的投資取得最佳的工程效果。圖6為采用極限平衡法分析滑坡穩定性的主界面。

圖6 滑坡模擬計算(極限平衡法)

極限平衡法是分析滑坡穩定性的定量方法，工程類比法則是定性分析滑坡穩定性，將二者結合起來使得滑坡穩定性分析更可靠。

采用工程類比法對某滑坡穩定性進行分析。圖7為數據庫中采用工程類比法分析水井灣滑坡穩定性主界面，界面上顯示了和本滑坡相似滑坡的信息和本滑坡穩定性的結論。點擊主界面上的參數頁框，在參數頁框里顯示了相似滑坡類比因素和本滑坡對應因素間的距離，距離越小，表明本滑坡和相似滑坡在此種因素上最類似。例如，和本滑坡最類似的南橋頭滑坡，類比因素的滑體物質和滑帶物質與本滑坡的距離是0，表明南橋頭滑坡的滑體物質和滑帶物質與本滑坡完全一致(圖8)。

圖7 滑坡工程類比分析主界面

圖8 相似滑坡各類比因素和本滑坡對應因素的距離

另外，巖質邊坡(危巖)穩定性估計時要求獲取的野外數據為：坡高、坡度、坡向、巖類、塊寬、地面坡度、風化程度、地震烈度、地下水情況、層理的產狀、層理延伸長度、層理間距、節理產狀(不超過3組)、節理延伸長度、節理間距、后緣裂隙深度、后緣裂隙至邊坡坡肩點的寬度、裂隙內水深。按照要求填寫野外獲取的數據后，系統給出巖質邊坡的赤平投影圖，根據赤平投影圖可初步判定邊坡的破壞模式和穩定狀況。據圖9的赤平投影圖，可初步判斷邊坡處于基本穩定狀態，但可能產生塊體崩落現象。

根據邊坡可能產生的破壞模式分析邊坡的穩定性。采用極限平衡法分析邊坡穩定性時，采用的巖土體物理力學參數以數據庫中同種類巖土體的統計數據為依據，剩余推力以三種破壞模式中穩定系數最小的破壞對應的剩余推力為準，可知此邊坡為平面破壞，目前穩定。在圖9中，虛線為推薦的邊坡坡度設計線。另外，采用工程類比方法定性分析巖質邊坡的穩定性，工程類比結果如圖10所示，和此邊坡相似度最高的邊坡目前處于基本穩定狀態，可采取的治理措施為錨固。

圖9 極限平衡法計算結果

圖10 工程類比結果

4 統計與設計輔助功能

系統對大量分散的地質災害數據進行統計分析，得到災害點分布特征、巖土參數統計值等，為災害點的勘察和治理工作提供支持。

分布統計是對災害體的數值型條件做統計，得到其分布特征。統計項目包括地災的幾何特征和不同結構類型的設計參數。在試驗的基礎上對巖土體物理力學參數進行統計，得到近似的概率分布模型，對其規律性的認識可為區域內的某一災害點的小樣本巖土參數的檢驗和優化奠定基礎。例如，統計數據庫中黏土的飽和重度，得到圖11所示的分布頻度直方圖，可知黏土的飽和重度近似呈正態分布，而且具有變異系數很小的特點，變異系數僅為0.002 1。因此土的容重參數取值時可取頻度最大的樣本所對應的值。

圖11 分布統計示例

分類統計是對描述型條件做統計，得到描述型條件的分布扇形圖。統計項目包括各地災類型的規模、物性、地層、破壞類型、整治工程類型等。例如，對研究區的危巖破壞模式進行統計，統計結果如圖11所示，共計376個樣本，傾倒式169個占總數的44 %，墜落式121個占總數的32 %，滑移式79個占總數的21 %，混合式7個占總數的1 %。通過對統計結果的分析，可推斷研究區的危巖以傾倒式破壞居多，其次是墜落式和滑移式，混合式的破壞模式最少。

根據不同的地災類型特點，系統設置了自定義統計功能，用戶可以選擇統計方法、統計項目、項目屬性，構建范圍表達式，對同一種地災類型實現描述型參數和數值型參數的共同統計。例如，統計萬州區抗滑樁的樁距值，結果如圖12所示，可知萬州區的抗滑樁樁距有5 m、6 m和7 m，其中以6 m為最多。

圖12 自定義統計示例

專題統計專門為災害點的穩定性分析和整治工程設計提供參數取值支持，可滿足穩定性分析和整治工程設計時對巖土參數的查詢取值要求，起到強大的輔助設計功能。根據地質災害治理流程，首先分析災害點穩定性，利用按物質組成統計功能統計穩定性計算時所需的巖土參數值；分析完災害點穩定性后，如災害點不穩定則需采取治理措施，此時利用按工程類型統計功能為治理工程選擇和治理工程設計參數選擇提供服務。

例如，研究區某滑坡滑體物質和滑帶物質均為黏土，滑體為泥巖。在按物質統計界面上選擇黏土，統計得到黏土的重度、粘聚力值、內摩擦角和滲透系數的分布頻度直方圖和范圍值，如圖13所示，取值時可參考這些參數的統計值。

如滑坡不穩定，則需選擇治理措施治理滑坡。假設選擇抗滑樁作為治理此滑坡的措施，在按工程類型統計界面工程類型選為抗滑樁，巖土類別選為泥巖，統計結果如圖14所示。統計得到泥巖的重度、巖體粘聚力值、巖體內摩擦角值、地基系數、泥巖與錨固體的粘結強度、抗滑樁設在泥巖中的樁長、樁距、最大樁界面寬度、錨固深度等抗滑樁設計時所需的全部巖土參數。在進行抗滑樁設計時可參考系統的統計結果，例如，在泥巖地層中設置抗滑樁時，樁距最小值為4 m，最大值為6.5 m，平均值為5.42 m，設計抗滑樁時可考慮將樁距設置為5 m或6 m；泥巖與錨固體的粘結強度最小值為150 kPa，最大值為600 kPa，分布頻度直方圖顯示選用375 kPa為粘結強度值較多，根據統計得出的結果，可根據常用的設計方案和參數進行計算。

圖13 按物質組成統計功能示例

圖14 泥巖與錨固體的粘結強度統計結果

5 體會與結論

通過使用蓄水區地質災害勘察治理數據系統可以發現，該系統實現了地質災害信息地統一管理與信息資源地共享，利用軟件能完成地質災害信息地檢索與查詢、數據統計、空間分析以及輸出等各種管理目標，為地質災害防治、城市建設、資源評價、生態環境治理地決策分析提供技術支持。在實際地質災害勘察治理過程中，可以采用集成技術輔助勘察設計人員的一般工作，利用查詢功能能夠得到周邊地質災害的特性，在未到達現場之前既能掌握現場的大致情況，又利用對比估算系統大致估算出地質災害規模，并根據類比分析在設計工作中尋找類似的工程，根據已有的成功案例輔助新災害的治理工作。極大的方便了勘察設計人員的工作，并為工程的設計施工也提供了更廣泛便利的參考方法。