物理學區劃滑坡隱患方法應用

李存金 王瑞軍 孫永彬 王詵

摘要：物理學在各行各業有著重要的理論和實用價值。文章借助物理學力學理論，設計出滑坡災害的隱患的物理模型，并結合有限元思想將滑坡體分割成等單元體，分別進行計算，量化每個單元體的危險系數，并進行分級，生成滑坡災害隱患區劃圖，為滑坡地質災害靶區快速鎖定，提供了新的思路和方法。

關鍵詞：物理學;滑坡災害區劃;GIS技術;方法

中圖分類號：P642 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0118-04

1概述

滑坡是一定地質條件下，斜坡部分巖石、土壤，在自重作用下受外界因素影響失去穩定性沿著內部軟弱面產生滑動變形的現象。它給各種工程以及周邊人文的安全帶來危害和隱患。我國是世界上滑坡比較嚴重的國家之一，幅員遼闊，三分之二的國土為山地，這決定了我國有大量的自然滑坡，遍布全國各地。近年來我國400多個城市，受到滑坡災害的侵害，數千人死于滑坡。快速且低成本的預測出滑坡、發現滑坡的手段迫在眉睫。

目前滑坡體的危險性評價技術有有限元法，該方法起源于20世紀50年代，主要用于評價單個目標的滑坡體，目前該方法應用于工程中具體的物體二維或三維的趨勢分析，國內外也有了集成化的計算工具。本文主要借鑒有限元的思路去解決批量滑坡尋找的問題，該方法主要應用在二維空間水平平面的滑坡位置的確定方面的研究。

1993年以來隨著GIS軟件的迅猛發展，產生了一些新的災害評價方法，最主要的是權重確定因子疊加的遙感技術方法。目前地質災害預測評價研究的理論主要停留在層次分級，因子疊加，計算出圖，得出預測結果作為參考依據。

本文的創新之處在于繞過多因子權重疊加分析評價的方法，借助物理學工具，從力學角度出發，分析滑坡災害的形成機理，制造質點模型，然后借助微積分思想，聚集算出批量模型質點，并組成數據庫，制作出滑坡隱患區劃圖，在力學理論層面對滑坡地質災害隱患評價方面進行強有力的技術支撐。是一種快速簡單的思想和方法，它能客觀的從受力角度評價滑坡發生的可能性大小，劃分出危險區域，具有一定的科學參考價值。該方法更加客觀的反映出滑坡災害危險性的本質。

本文僅拿出工作成果中的一個樣本，作為研究對象闡述物理學區劃滑坡隱患區方法的示范。

2物理力學方法理論

將滑坡體劃分成小單元，設想位于斜坡上處于穩定靜止狀態，與自然狀態下未發生災害時狀態相吻合。（圖1）計算公式如下：

正常情況下，下滑力與靜摩擦力相等，物源處于穩定狀態（Fx=f）;當發生強降雨時水滲入巖土體或者強震動發生，摩擦系數將會降低，巖體的重量將會增加，最終導致下滑力大于滑動摩擦力（Fx>），產生物理形變和滑坡面方向上的位移，容易發生滑坡災害隱患。

將計算出的單元危險性值積分，并劃分等級，將危險數值高的地區突出表示。

3GIS操作

3.1數據準備

野外采集工作區的滑坡物源信息，用物探、勘探、測量等手段，將工作區不同的物源劃分種類并計算出啟動厚度、分類面積、啟動方量等數據，并搜集高精度DEM數據，生成坡度數據。（圖2、表1）

3.2數據處理與成果分析

用GIS軟件計算出滑坡面坡度（0）數據，以及溝道物源與斜坡物源的范圍，本文研究對象為溝道兩側的滑坡預測，用溝道兩側各25米，作為研究范圍。用DEM數據，計算出坡度值，繪制坡度分布圖（圖3），將單元劃分為10mx 10m，精度與DEM源數據保持一致。溝道的研究寬度可以根據實際工作區的地貌情況人為設計生成，必要時可以手動劃分出來。

求出每個單元體的下滑力（Fx），Fx即為所求滑坡的危險系數。借助GIS軟件和物理理論處理數據，計算出發生災害危險值并劃分危險等級。處理結果如（圖4）。深色部分即為降雨時應當重點監控的地方;淺色部分，為危險等級低的單元。我們可以將危險等級劃分得更詳細一些，本文為了展示成果方便直觀，對成果圖做了簡化處理，將1-4級劃分為低易發區，5-7級劃分為高易發區。

該區域共劃分單元格41960個，研究區總面積4.196km²。將物源分為壩階地堆積物、斜坡面堆積物、溝道堆積物、霧迷山組四段條帶白云巖、霧迷山組三段泥晶白云巖、石槽石英閃長巖、大理巖、石槽南霏細斑巖、其他共9大類，每一類按照危險指數劃分為7個等級，從（表2）可以看出物源類型按照壩階地堆積物、斜坡面堆積物、溝道堆積物、霧迷山組四段條帶白云巖、霧迷山組三段泥晶白云巖、石槽石英閃長巖、大理巖、石槽南霏細斑巖、其他9類單元數量依次減少。從（圖5）看出危險性等級低的單元占據了很大的比例，主要分布在1、2級，泥石流危害，幾乎不存在;危險等級高的單元主要分布在碳酸鹽巖地區，霧迷山組白云巖地區是重點滑坡隱患區;其次分布在火山巖地區，這在我們野外調查中有很重要的指示意義。壩階地堆積物、斜坡堆積物和溝道堆積物存在滑坡危害的單元相對巖性堅硬的地區而言，發生災害的密度要小很多。

4結論

物理學理論與GIS技術的結合從另一個角度解決了工作區滑坡災害隱患的劃分，方法可行，該方法可以有效評價出滑坡災害的危險等級，為我國的地質災害研究和地方災害預防，預防工程布設以及區域規劃建設做出貢獻。

物理學模滑坡型方法可以快速批量生產出大面積的成果圖，成本低，效率高，四萬個單元格，運算起來非常快，相比多因子權重分析疊加來說，不需要太多數據成本就能做出結果。通過該方法，得到了北京市延慶區65高危險泥石流溝條溝的滑坡隱患圖件，完成了新的滑坡分區資料，填補了該地區滑坡危險區劃的空白。

數據精度直接影響了運算結果的精度，高質量的DEM和堆積物精確的測量是做出的高可信度結果的關鍵因素。