基于gis的重慶市萬州區(qū)農(nóng)機(jī)技工滑坡災(zāi)害風(fēng)險預(yù)測

基于gis的重慶市萬州區(qū)農(nóng)機(jī)技工滑坡災(zāi)害風(fēng)險預(yù)測

滑動風(fēng)險是滑動自然屬性和社會經(jīng)濟(jì)屬性共同作用的結(jié)果。在預(yù)測風(fēng)險時，我們需要考慮滑動風(fēng)險和滑坡經(jīng)濟(jì)損失。近年來滑坡災(zāi)害風(fēng)險研究一直是一個熱點和難點問題。我國與經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密度小的國家不同,我們要在明知是高風(fēng)險區(qū)和有限的生存區(qū)尤其是山區(qū)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)活動,會出現(xiàn)人為誘發(fā)滑坡災(zāi)害的情況。因此,導(dǎo)致滑坡的治理和經(jīng)濟(jì)水平之間產(chǎn)生了博弈。自然災(zāi)害系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng),減災(zāi)方案必須建立在風(fēng)險分析的基礎(chǔ)上,盲目的減災(zāi)投入對發(fā)展中國家可能意味著災(zāi)難性的后果。目前,滑坡領(lǐng)域的相關(guān)專家和學(xué)者大多致力于滑坡災(zāi)害的機(jī)理、防治等研究上,而對于滑坡災(zāi)害產(chǎn)生風(fēng)險的研究投入不太多,趕不上上述各項研究。即使是在風(fēng)險研究方面,大多數(shù)專家或?qū)W者進(jìn)行的是災(zāi)后風(fēng)險評價或是區(qū)域性滑坡風(fēng)險評價,而對于災(zāi)前單體滑坡災(zāi)害風(fēng)險預(yù)測研究甚少。目前,國內(nèi)外從事滑坡災(zāi)害災(zāi)前風(fēng)險預(yù)測研究的有黃崇福、張業(yè)成和張梁、彭滿華等、羅文強(qiáng)等、Dai等。但是對于單體滑坡災(zāi)害而言,其預(yù)測思路還沒有被系統(tǒng)的提出。本文以重慶市萬州區(qū)農(nóng)機(jī)技?；聻槔?系統(tǒng)的闡述了單體滑坡災(zāi)害風(fēng)險預(yù)測的基本思路和方法,也為滑坡災(zāi)害防治工程立項、政府部門進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警決策提供依據(jù)。1工程地質(zhì)和剖面圖農(nóng)機(jī)技?；碌靥幹貞c市萬州區(qū)天城移民開發(fā)區(qū)沙河子鎮(zhèn),屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū),該區(qū)雨量豐沛,降雨集中于5-9月,且多為大雨、暴雨?；虑芭R長江二級支流長生河,屬堆積層滑坡。地面坡度5～32°,滑坡主滑方向104°,面積1.05×105m2,體積1.49×106m3?；虑昂缶壐叱谭謩e為142.40m和225.00m,從滑坡前緣至后緣,滑體表面形成明顯的三級平臺?；w平均厚度14.20m,最厚達(dá)32.75m,主要由粉質(zhì)粘土夾碎塊石組成,下伏地層從上至下分別為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組紫紅色泥巖夾紫色長石砂巖、灰白色細(xì)粒長石砂巖及紫紅色粉砂巖夾泥巖,巖層傾向302～330°,為逆向坡,傾角為2～5°,近乎水平?；嫘纬捎诘谒南邓缮⒍逊e物與下伏基巖之間,前緣反傾,滑面物質(zhì)為棕紅色、灰白色、灰綠色粉質(zhì)粘土,局部為粘土。其工程地質(zhì)剖面圖見圖1所示。該滑坡現(xiàn)已治理,為研究需要,本文討論的是2002年滑坡處于蠕滑變形階段的狀況。農(nóng)機(jī)校滑坡區(qū)內(nèi)有多個企事業(yè)單位及密集的建筑群,滑坡區(qū)內(nèi)175m水位線以下有74戶共321人、房屋建筑面積10247.54m2,175m水位線以上有蔬菜地4hm2、林地4.67hm2、魚塘0.113hm2、道路(四級)1.5km、188戶2576人、房屋建筑面積134655.63m2,其中包括10家單位1953人,房屋建筑面積16164.09m2。2滑動過載的風(fēng)險預(yù)測2.1滑坡滑帶土模型采用常用的傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性計算。由于滑坡處于蠕滑變形階段,計算時采用的強(qiáng)度參數(shù)均為殘余值。由室內(nèi)實驗獲取的強(qiáng)度參數(shù)值見表1。雖然滑面的強(qiáng)度參數(shù)由試驗提供,但是由于試驗誤差、土體在空間分布的不均勻性等原因,該參數(shù)實質(zhì)上是隨機(jī)變量,具有某種概率分布的特點,從而決定了穩(wěn)定性系數(shù)也應(yīng)該是一個隨機(jī)變量,具有對應(yīng)的期望值和方差。已有研究表明,重慶市萬州地區(qū)滑坡滑帶土參數(shù)服從表2所表達(dá)的規(guī)律形式。即天然和飽和狀態(tài)下的粘聚力服從對數(shù)正態(tài)分布,而內(nèi)摩擦角服從正態(tài)分布。在采取Monte-Carlo方法進(jìn)行滑坡破壞概率模擬計算的過程中,可以采用抽樣公式R=?2lnR1??????√×cos2πR2R=-2lnR1×cos2πR2。其中,R1,R2是用計算機(jī)產(chǎn)生的(0,1)區(qū)間均勻分布的隨機(jī)數(shù),R是服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布N(0,1)的隨機(jī)變量。變換公式為X=σR+μ或lnX=σR+μ,其中,X或lnX為服從均值為μ,方差為σ的正態(tài)分布隨機(jī)變量。考慮到三峽庫區(qū)在運(yùn)行階段的幾種水位情況,本文設(shè)有6種工況,對每種工況先后討論其穩(wěn)定性系數(shù)和破壞概率。由表3中計算結(jié)果可知,除在145m水位工況下滑坡處于臨滑狀態(tài)外,其他工況下滑坡均將失穩(wěn)。且滑坡145m水位工況下穩(wěn)定性系數(shù)最高,破壞概率最小;在175m降至145m水位工況下穩(wěn)定性系數(shù)最小,破壞概率最大。由于篇幅有限,本文僅列出滑坡處于145m水位工況下的破壞概率計算結(jié)果(見圖2)。2.2行業(yè)質(zhì)量分析和動摩擦系數(shù)進(jìn)行滑坡災(zāi)害風(fēng)險預(yù)測的前提條件是要確定出災(zāi)害的影響范圍?？蓮膬蓚€方面考慮:一方面是滑坡在孕育、變形過程中所涉及到的周邊范圍,可以結(jié)合滑坡區(qū)內(nèi)裂縫發(fā)育規(guī)律、地層產(chǎn)狀以及建筑物變形情況圈定;另一方面是滑坡破壞后滑程大小。目前,對于滑程的預(yù)測通常視滑坡體積規(guī)模分為2類考慮,一般滑坡(體積小于106m3)和超大型滑坡兩種類型。根據(jù)參考文獻(xiàn),利用能量守恒原理(見圖3),推算出滑程的估算公式(1)。如圖3所示,設(shè)w為滑體的重量,β為滑坡某一條塊滑面與水平面間的夾角,M為滑面的最低點,S1,S2分別表示條塊運(yùn)動的AM和ME的距離。條塊從A點運(yùn)動到E點的過程中其能量轉(zhuǎn)化關(guān)系為:W×(H1-H2)=f×W×cosβ×(S1+S2),即W×(H1-H2)=f×W×(L1+L2),則f=H1?H2L1+L2=HL1+L2=tgf=Η1-Η2L1+L2=ΗL1+L2=tgα。如果滑塊運(yùn)動到M點后作水平運(yùn)動到E′點停止,則f=HL1+L2=tgf=ΗL1+L2=tgα。當(dāng)滑塊運(yùn)動到的任意點P時,其能量轉(zhuǎn)化關(guān)系為:W×H?f×W×L=W×v22×gW×Η-f×W×L=W×v22×g,則v=2×g×(H?f×L)????????????????√v=2×g×(Η-f×L)。當(dāng)v=0時,可以得到滑程為:Lmax=Hf(1)Lmax=Ηf(1)其中,f為動摩擦系數(shù),對于不同規(guī)模的滑坡,計算方法不同。對于體積達(dá)到106m3的超大型滑坡,其摩擦系數(shù)可參考謝得格爾法,即通過滑坡的體積大致確定滑坡的摩擦系數(shù):logf=alogV+b(2)logf=alogV+b(2)式中a=-0.15666,b=0.62219;對于一般體積滑坡,動摩擦系數(shù)可采用上述推導(dǎo)結(jié)論;也可采用工程地質(zhì)類比法,通過對典型滑坡的反演分析確定。計算過程中,應(yīng)根據(jù)需要適當(dāng)選取。農(nóng)機(jī)技?；麦w積約為1.49×106m3,屬超大型。145m水位工況下,動摩擦系數(shù)可根據(jù)謝得格爾公式(2)確定為0.45?；碌钠拭鎴D表示,滑體重心到庫水位的垂直距離為27m。將動摩擦系數(shù)和重心高度代入公式(1)可估算出滑程為60m。通過滑坡周邊裂縫的展布方位、發(fā)育規(guī)律以及建筑物的變形情況調(diào)查,可大致確定滑坡后緣和側(cè)緣的影響范圍。綜合以上兩個方面,滑坡災(zāi)害最終的影響范圍見圖4。3易損性的定量評價受災(zāi)對象(也稱承災(zāi)體)的易損性是相對于風(fēng)險源而言的,是風(fēng)險源與受災(zāi)對象相互作用水平的度量。承災(zāi)體的類型不同,易損性的評價方式不一樣。例如,房屋、倉庫、公路、橋梁等的易損性與承災(zāi)體自身的抗破壞性能有關(guān),具體包括建筑物自身結(jié)構(gòu)類型、地基基礎(chǔ)、成新度等。人口的易損性與居民自身的防災(zāi)意識、年齡、受教育程度等有關(guān)。易損性的定量評價從理論上講應(yīng)建立在對歷史滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、物理模擬試驗或數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上。由于作者缺乏滑前承災(zāi)體的詳細(xì)資料記錄,且一兩個滑坡災(zāi)害的分析數(shù)據(jù)不能說明問題。所以暫時只能通過現(xiàn)場調(diào)查,分析滑坡速度以及滑坡滑程范圍內(nèi)承災(zāi)體的變形情況,結(jié)合前人在其他區(qū)域或地區(qū)得到的易損性經(jīng)驗數(shù)據(jù)來估算承災(zāi)體的易損性值。具體數(shù)據(jù)見表4。4滑坡災(zāi)害形成的經(jīng)濟(jì)效益采用美國著名滑坡專家VARNES提出并被聯(lián)合國教科文組織認(rèn)可的風(fēng)險定義:風(fēng)險是某種特定的災(zāi)害現(xiàn)象對生命、財產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)活動等所可能造成的損失,其定量表達(dá)為受威脅對象(也稱承災(zāi)體)、災(zāi)害發(fā)生的概率以及承災(zāi)體的易損性三者的乘積。因此,要衡量風(fēng)險的大小,就是衡量損失的多少。而損失包括經(jīng)濟(jì)損失和非經(jīng)濟(jì)損失兩個方面的內(nèi)容,經(jīng)濟(jì)損失可以定量表達(dá),而非經(jīng)濟(jì)損失則只能采取定性的方式。在此,本文只討論經(jīng)濟(jì)損失的定量表達(dá)。國內(nèi)著名災(zāi)害經(jīng)濟(jì)學(xué)研究學(xué)者鄭功成先生認(rèn)為,災(zāi)害是可以計量的經(jīng)濟(jì)損失。由此,可以用滑坡災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失來衡量滑坡災(zāi)害的風(fēng)險大小。S=∑i=1nH×Vi×Wi×Ai(3)S=∑i=1nΗ×Vi×Wi×Ai(3)S:滑坡災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失(元);i:承災(zāi)體種類數(shù);Vi:第i類承災(zāi)體的易損性值;Wi:第i類承災(zāi)體計量單位的經(jīng)濟(jì)價值(元/m2);Ai:第i類承災(zāi)體的計量單位。當(dāng)分析對象為建筑物、農(nóng)作物、耕地和林地等時表示面積;為居民財產(chǎn)時表示戶數(shù);為公路、鐵路、橋梁等線狀工程時表示長度;為人口時表示人數(shù);H:滑坡發(fā)生的概率。在具體的計算過程中,可以利用MAPGIS的圖形疊加功能,將不同承災(zāi)體類型圖件疊加并賦予易損性屬性值和經(jīng)濟(jì)價值,最后估算總的經(jīng)濟(jì)價值損失值,其計算結(jié)果見表4所示。結(jié)果表明(見圖5),滑坡在145m水位+暴雨工況下風(fēng)險最大,在175m水位工況下風(fēng)險最小。這與前述滑坡穩(wěn)定性系數(shù)最大和最小所對應(yīng)的工況不同,并非最危險的工況下滑坡風(fēng)險最大。結(jié)果表明,滑坡災(zāi)害風(fēng)險不僅與滑坡危險性有關(guān),還與受災(zāi)對象有關(guān)。5滑坡治理方案是否可行(1)據(jù)中國建筑西南勘察研究院對該滑坡的治理設(shè)計,將投入2800萬元進(jìn)行治理,采取的治理方案為在175m水位線附近位置設(shè)置單排抗滑樁,并在樁頂設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索。由表6的結(jié)果可知,在不考慮人口風(fēng)險的情況下,175m水位工況對應(yīng)的投入產(chǎn)出比大于1,其他工況對應(yīng)的投入產(chǎn)出比小于1;如果依據(jù)三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃崩塌滑坡搬遷避讓項目中規(guī)定的三峽移民標(biāo)準(zhǔn)按縣城移民標(biāo)準(zhǔn)為4萬元/人估算,考慮滑坡影響范圍內(nèi)2576人的風(fēng)險,所有工況下對應(yīng)的投入產(chǎn)出比都遠(yuǎn)大于1。即防治工程效益明顯,產(chǎn)出大于投入。因此,可以確定該滑坡治理方案是可行的。(2)本文根據(jù)三峽庫區(qū)水位變化情況,動態(tài)預(yù)測