基于降雨响应的黄土丘陵区滑坡危险性预测研究——以宝鸡市麟游县为例

辛 鹏, 吴树仁*, 石菊松, 王 涛, LIU Zhen

1)中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;

2)国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081;

3)Department of Civil & Environmental Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, United States

基于降雨响应的黄土丘陵区滑坡危险性预测研究
——以宝鸡市麟游县为例

辛 鹏1,2), 吴树仁1,2)*, 石菊松1,2), 王 涛1,2), LIU Zhen3)

1)中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;

2)国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081;

3)Department of Civil & Environmental Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, United States

极端降雨易造成群发滑坡灾害, 难以作为单体预测。为预测评估黄土丘陵区不同降雨强度诱发滑坡灾害危险性, 论文在区域滑坡灾害特征研究的基础上, 分析降雨强度特征及滑坡分布特征。以岭南滑坡为代表分析降雨诱发黄土-丘陵区滑坡的形成机制, 介绍了无限斜坡模型原理、参数选取, 利用 GIS空间建模与分析功能, 定量完成了无降雨、25 mm、50 mm、75 mm四种情况下, 滑坡灾害的危险性研究, 并对误差进行了分析。结果表明: (1)黄土丘陵区滑坡灾害与地形地貌、岩土体力学性质相关, 降雨、地表水的溯源侵蚀作用是滑坡灾害发育的宏观背景。(2)降雨在麟游县等黄土丘陵区易诱发浅表层黄土滑坡, 形式上表现为黄土泥流、浅层滑坡。(3)降雨量相同时, 区域斜坡单元的响应机制不相同, 高危险区、中危险区与低危险区集中在不同区域产生, 差异明显。在无降雨、25 mm、50 mm、75 mm四种不同降雨量下, 中部分水岭地区、北部天堂镇、丈八乡是高危险区, 极易形成降雨滑坡灾害。(4)降雨诱发灾害的高危险区, 威胁附近村镇居民安全, 需要采用监测预警和相应防治措施。中等危险区汛期需要采用群测群防预警措施。低危险面积汛期需提高警惕, 防止突发事件发生。(5)无限模型适合计算降雨诱发的浅表层滑坡, 能够很好反映降雨量诱发滑坡灾害响应, 得出的危险性分布具有符合实际情况, 危险性计算的误差与地理底图分辨率、计算参数有关。

降雨; 黄土丘陵; 滑坡; 无限斜坡模型; 危险性

黄土高原一直是我国滑坡、崩塌、地裂缝等地质灾害频发地区之一。宝鸡位于黄土高原与秦岭山区交界处, 是黄土滑坡易发区。据不完全统计, 截止到2010年, 滑坡灾害已造成全市230人死亡, 直接经济损失约13432万元。在这些地质灾害事件中, 雨季汛期群发灾害最为集中, 带来财产经济损失较大。其中2003年8月麟游县全县强降雨诱发11处地质灾害, 2005年9月20日麟游县降雨101 mm, 在县境范围内引发25处滑坡、泥石流。强降雨诱发的群发滑坡灾害成为麟游县区域地质灾害防治的重要研究对象。因此, 如何确定强降雨响应机制下区域斜坡单元爆发灾害的可能性及强度, 这对于防灾减灾具有重要意义。

地质灾害风险评估和管理作为有效的防灾方式,日益受到关注(Van Westen et al., 1999; 姚玉增等, 2010)。用地质灾害分布密度大小刻画区域灾害的易发程度, 是风险评估的第一层次。用地质灾害强度、能量大小进行危险性评价, 是风险评估的第二层次。然而危险性的定量评价尚存在模糊的认识, 特别是强降雨作用诱发的滑坡, 大多数作为危险性评价(石菊松等, 2005; 吴树仁等, 2009), 例如, 国家汛期气象暴雨地质灾害预警, 相当于危险性评价, 也有学者作为易发性评价(张春山等, 2009; 殷坤龙等, 2001)。近年来, 定量表达危险性的大小的研究成为热点问题, 吴树仁等(2005, 2006)系统论述地质灾害风险评估技术与管理的流程, 提出通过计算灾害的强度、大小、能量来考虑地震、降雨诱发灾害的危险性。齐信等(2010)、王涛等(2009)在汶川地质灾害易发分析基础上, 叠加区域历史最大降雨量, 对汶川灾区北川县及绵远河流域进行了 1:50000地质灾害的危险性区划。以上研究对于地质灾害危险性评价理论完善均有重要意义, 然而, 上述研究都未能解决危险性定量分级问题, 特别是斜坡单元对不同强度降雨的响应特征分析仍是难题。

论文利用宝鸡地区的地质灾害数据库, 在分析麟游县群发滑坡灾害的降雨量特征、岩性组合与降雨滑坡空间分布关系的基础上, 分析以岭南滑坡为代表的降雨诱发黄土-丘陵区滑坡的形成机制, 在GIS环境中, 应用改进的无限斜坡模型计算麟游县在无降雨、25 mm、50 mm、75 mm四种工况下滑坡灾害的危险性, 分析区域斜坡单元对不同强度降雨的响应特征, 以及在同样降雨量条件下区域斜坡响应的差异。

1 区域工程地质环境概况与滑坡灾害

1.1 区域工程地质环境概况

宝鸡市麟游县位于关中平原最西端, 黄土高原西南边缘, 南部为岐山山脉, 西部为六盘山及其支脉陇山。总体地势西北高、东南低, 中部分水岭呈东西向隆起, 成为区内泾河支流水系与渭河支流水系的分水岭, 最高海拔1664 m, 最低海拔740 m。黄土梁峁地貌在全境大量分布。白垩纪后期形成的古风化地形成为基底形态, 控制了区域地貌格局。县区域岩层产状平缓, 地层总体成单斜构造, 向 NW或NNW方向倾斜, 岩层倾角一般1°～10°。

图1 麟游县工程地质与灾害分布简图Fig.1 Sketch map showing engineering geological conditions and distribution of geohazard points

按工程性质, 区域岩土体可分为4套(图1): 松散类土、红色粘土、砂砾岩与碳酸岩。基岩以碳酸岩、白垩系砂岩为主, 在南部丘陵地区及沟谷出露。松散类土以第四系黄土为主, 出露面积占全区面积的2/3, 第三系红色粘土集中于分水岭。基岩、第三系红色粘土、第四系黄土均呈不整合接触。白垩系与第三系晚期的两期沉积间断面影响全区斜坡稳定性。第四系黄土工程性质表现为粉质, 厚度在浅层乃至薄层之间, 披覆于基岩(包括红色粘土)之上。黄土厚度在坡顶与坡脚差异大, 平均厚度 10～20 m;穿越东西的泾渭分水岭地区黄土厚度在8～10 m之间。第三系(N2G)红色粘土分布于分水岭及北部冲沟两侧, 最大厚度在20 m左右。浅层、薄层黄土成为该区地质灾害的控制性地质环境因素。

1.2 滑坡灾害基本特征

(1)白垩系古风化壳与第三系红色粘土接触面是区域性易滑地层面, 岩层出露的中部分水岭与沟谷地区, 上覆黄土层在降雨、地震等因素作用, 极易顺此软弱层面滑动。滑坡的运动类型受黄土厚度与诱发因素的影响有所不同, 大多数黄土滑坡表现为近于水平或缓倾角的砂、泥岩层顶面小规模溜滑, 现今局部活动方式为前缘小规模泥流或者崩滑, 例如,岭南滑坡(图 1F)与何家湾滑坡(图 1B), 少数黄土塬边滑坡规模较大, 表现为块体快速滑动特征, 例如,脊背梁滑坡(图1A)和西坡滑坡(图1D)。

(2)分水岭两端地形继承了古地形的形态, 红色粘土与黄土先后以风成的形式堆积在白垩系风化古地形之上, 平行假整合的接触堆积。同时红色粘土渗透性差, 粘滞性强, 隔水性质明显, 诱发了高密度的降雨滑坡灾害。黄土堆积较厚的常丰乡、天堂镇与丈八乡残塬沟壑区, 大型滑坡发育。麟游县县城以南的基岩山区, 包括南部的九成宫镇, 地形上表现为丘陵和台塬地貌, 上层覆盖黄土少, 沟谷发育小型岩石崩塌。

(3)调查研究表明麟游县 156处地质灾害中, 有83处灾害点的诱发因素是降雨, 有54处灾害威胁到352人, 目前有38处滑坡点雨季仍有变形破坏现象。2009年8月份、2001年9月份出现了罕见的极端降雨天气, 在区域诱发了25处的滑坡灾害。

2 降雨诱发滑坡特征

滑坡受到诱发因素、斜坡的内部结构的共同控制, 强降雨等极端天气是滑坡灾害群发的诱发因素。麟游县的强降雨过程记录与历史地质灾害记录资料良好对应性, 反映了降雨量大小对区域斜坡稳定的影响。降雨滑坡的发育除具有群发的时间特征外, 受县境内易滑地层浸水后粘聚力、内摩擦角强度衰减性质、出露位置的影响, 降雨滑坡亦具有区域集中的空间特征。一次降雨群发滑坡灾害的数量、区域性历史降雨滑坡的集中程度都是降雨滑坡危险性大小的尺度。

2.1 降雨滑坡的分布特征

分析2008年建立的麟游县地质灾害1:5万地质灾害空间数据库发现: 全县 156个地质灾害点中有83个灾害点因降雨引起。滑坡体均由黄土组成, 滑动面或为白垩系砂砾岩, 或为第三系红色粘土(图 1)。该类黄土-基岩组合的滑坡分布于地形起伏大的常丰乡黄土塬边、中部分水岭、天堂镇、丈八乡等海拔高的黄土梁区, 中部分水岭两侧的黄土梁则是滑坡分布密度最大地区。与之对应的, 基岩出露的河沟, 地质灾害近乎不发育。除岩性组合、地形的起伏度外, 沟谷汇水的能力、沟谷的密度等地貌因素间接影响了滑坡的发育。岭南滑坡的降雨变形破坏特征是麟游县降雨滑坡的代表。

2.2 岭南降雨滑坡

岭南滑坡地理位置上位于县境地质灾害最为发育的分水岭区, 地貌上系中高山黄土梁区, 海拔1200～1400 m之间(图1F)。滑坡平面上表现为后缘尖棱的三角形(图 2), 东西向最大纵长 280 m, 中部宽近100 m, 前缘宽度在270 m左右, 平均厚度8 m左右, 体积近50 m3。新老滑坡体呈等轴状, 主滑方向为98°, 平均坡度20°～30°。

岭南滑坡体存在完整的 3级弧形滑动边界, 边界陡坎高度从外向内逐次降低(图 3), 从 D到 C到 B, 表明滑坡存在多次块体滑动。最外层边界为老滑坡的活动边界(D边界), 其北侧边界走向NE40°, 表现为1～4 m滑坡陡坎, 南侧边界走向SE35°, 表现为1～3 m滑坡陡坎。内部的边界(边界B)为最新活动边界, 保留完整, 下挫陡坎勘测时仍可以清晰见到。2008年9月降雨出现新的不连续裂缝陡坎F, 呈南北走向。

为了解斜坡土体结构与物质成分组成, 对岭南滑坡前缘隆起的部位开展4.5 m的探槽开挖, 取3组试样(图2中S4、S5、S6), 利用X衍射试验进行粘土矿物组成综合测定。结果显示斜坡黄土状土的粘土矿物以伊利石、蒙脱石、混层矿物占粘土矿物的相对含量的 49%～69%, 其混层比约为 45%左右,属中等混合比矿物, 伊利石、蒙脱石、混层矿物占天然干土重的 12.1%～36.6%(绝对含量), 伊利石占4.3%～15%, 高岭石占 0.5%～2.6%。土体属于粉质黄土, 粘粒(＜0.005 mm)含量大都在 32%～42%左右, 胶粒(＜0.002 mm)含量平均在26%～32%左右。同时根据膨胀势判断标准(图4), 滑坡土体表现为中等膨胀性。整个土体具有物理化学活性和亲水性,饱和土体渗透作用下具有土体结构失效的趋势。

为了解土体的应力应变性质、孔隙水压力特征影响滑坡体的破坏、运动机制, 依据降雨的应力路径制定, 采用固结不排水剪切试验, 本次试验土样采用岭南滑坡坡体中1 m、2 m、3 m深度处土体, 试验土样采用标准的试样尺寸。由北京市勘测设计研究院三轴测试系统完成, 试验结果(图5、图6)表明:

①不同围压下, 孔隙水压力均有峰值状态出现,在弹性阶段, 孔隙水压力剧烈增加, 特别是峰值应变出现区; 塑性阶段, 孔隙水压力下降, 低围压下(σ3≤100 kPa), 压力增大过程中, 固结不排水的土样体积增大, 致使孔隙水压力出现负值。高围压下孔隙水压力变化均为正值。

②土样的应力-应变曲线表现应变硬化型, 具有剪胀性质。在中、低围压下(σ3≤200 kPa), 弹性极限、屈服强度与峰值应变均随着围压的增大而增大。

③土体剪胀性质改变了土体的孔隙特征, 影响变形速率、孔隙水压力变化, 但影响范围有限, 土体最终强度与结构完全丧失。

暴雨影响斜坡体内地下水位, 对土体而言带来了不同的应力过程。暴雨入渗条件下, 土体经历非饱和至饱和过程, 斜坡土体破坏应力路径, 表现为所受偏应力 q不变, 平均有效应力 p逐渐减小。当降雨为连阴雨时, 地下水位以上土体初始应力路径与暴雨入渗相同, 土体所受偏应力 q不变, 平均有效应力 p逐渐减小, 所受总应力σ1、σ3随降雨入渗增大, 而后经历总应力σ1、σ3随降雨入渗保持不变,土体内孔隙水压力继续增加。

图2 滑坡分布平面图Fig.2 Plan view of Lingnan landslide

图3 岭南滑坡A-A’剖面图Fig.3 Profile A-A’ of Lingnan landslide

图4 膨胀性判断图Fig.4 Judging diagram of swelling trend

图5 固结不排水应力应变关系Fig.5 Stress-strain curve for undrained compression test

图6 孔隙水压力—应变关系Fig.6 Relation between pore water pressure and axial strain

土体强度特征与滑坡变形破坏的关系研究较多(Dai et al., 2002; 张永双等, 2005), 土体应力应变实验表明滑坡土体具有强度软化特征, 同时表现出剪胀特征。斜坡坡脚的黄土泥流多在暴雨天气出现,暴雨入渗条件下, 斜坡土体破坏应力路径应为土体所受偏应力 q不变, 平均有效应力 p逐渐减小的过程, 总应力σ1、σ3增大, 土体内孔隙水压力逐渐增加。对于剪胀型土, 孔隙比增加, 孔隙水压力减小。暴雨过程中孔隙水压力的降低因雨水快速入渗而迅速恢复, 滑动土体的剪切滑动变形可以持续, 变形的持续与雨水入渗的速率及入渗量有关, 高含水量导致难以形成统一滑动面, 黄土表层近饱和土体缓慢向下流动, 势能高的地区土体流动速度可能较大(Sharma et al., 2008; Sassa, 1984; Hunger, 1995;)。浅层变形破坏是麟游县降雨滑坡的主要特征, 具体表现为黄土泥流、滑坡(Iverson, 2000; Hunger et al., 2001)。

2.3 诱发灾害的降雨强度特征

经历一次强降雨过程, 区域斜坡在雨水渗透、裂隙导水、强度弱化、非饱和到饱和转换、地下水位上升、土体强度降低等一系列物理力学作用下,形成大面积的滑坡、泥流灾害。降雨量大小主导了这个过程中的土体渗透、浸润土体厚度的变化、土体变形, 最终导致斜坡的变形失稳。随降雨量增大,群发滑坡灾害强度变大: 2007年8月9日降雨量达到103 mm., 达到30年来最大日降雨量, 诱发滑坡、黄土泥流灾害14处; 2005年9月20日降雨量达到101 mm, 在县境范围内引发 25处滑坡、泥石流。1989年7月16日, 麟游县两亭镇、招贤等乡镇特大暴雨16 h降雨量达97 mm, 造成13处滑坡和泥石流灾害。类似的日降雨强度超过100 mm的极端天气,一般都会诱发大面积滑坡灾害。强降雨具有改变土体含水量, 引起地下水水位变动的作用。

3 降雨诱发滑坡危险性分析

降雨带来的地表汇流、饱和土体厚度变化、岩土体性质弱化是诱发2005年9月20日县境同时发生25处滑坡的主要原因。考虑雨水浸润厚度、岩土体力学性质对斜坡单元的降雨响应, 进行定量的计算分析, 可以完成区域滑坡灾害危险性的分级、分区。改进的无限斜坡模型与GIS空间分析环境为进行上述危险性分析的提供了有效手段(Guzzetti et al., 2008; Salciarini et al., 2006; Xie et al., 2004)。

无限斜坡模型为确定性的数学力学方法, 最早用于计算地震诱发滑坡, 反映区域在不同烈度参数下地震滑坡的分布(Xie et al., 2004; Tsai et al., 2010; Capparelli et al., 2010a, b; Ko et al., 2004)。麟游县的黄土梁峁形态, 满足无限斜坡模型的层状结构假设,因此论文选择改进的无限斜坡模型方法, 通过简化斜坡结构, 分析不同降雨量下区域斜坡单元的浸润土体厚度变动、物理力学稳定性的大小, 以定量反映区域危险性的空间分布特征。完成不同降雨强度下斜坡单元稳定性的间断动态分析。

3.1 无限斜坡模型

基于无限斜坡模型的滑坡危险性区划, 在ARCGIS提供的空间建模模块中, 将地形DEM、岩土力学性质、斜坡坡度等参数图层栅格化成小单元体, 对每一栅格单元体进行稳定性计算。计算过程由两部分完成: 降雨浸润土体厚度的计算、迭代浸润土体厚度的稳定性分析。浸润土体厚度的计算通过达西定律实现(图7), 定律假设雨水入渗为稳定或准稳态地下水。公式(1)为达西定律, 反映降雨的坡面地表水流量与渗透系数、水力梯度、断面面积的关系。公式(2)是渗透系数在坡面分量, 与土体厚度相关。公式(3)是经过降雨渗透地下水水位达到的高度。计算过程由公式(1)、(2)、(3)顺次完成。

计算参数含义为: 降雨量q(Q)、土体渗透系数K、土体厚度H、斜坡坡度θ、渗流面积a。计算过程分别建立起6个计算参数的对应图层。

无限斜坡模型的力学稳定性同样通过栅格块体单元完成(图8): (1)假设每个斜坡栅格单元都为刚性块体; (2)假设每个单元的稳定性与其周围单元相互独立。将地形DEM的栅格化得到的离散斜坡块体单元, 综合考虑块体单元的粘聚力、内摩擦力、浸润土体厚度变动下土体强度变化(如图4)。每个离散的块体单元稳定性FS根据与地下水高度相关水压力项Fw(公式5)、土体强度项Fc(公式6)、土体内摩擦角项Ff(公式7)三部分的和作用来判断。

图8 水文地质模型Fig.8 Hydrogeological structure

图9 无限斜坡计算模型Fig.9 Infinite slope model

计算参数含义为土体粘聚力c、内摩擦角φ、土体浸水前后的重度γ、斜坡坡度θ、土体的厚度h。将斜坡划分为不同的栅格单元。采用一维无限斜坡分析, 来确定每个栅格单元FS数值。栅格叠加的计算结果中当FS大于1.0, 表明稳定, 为低危险; FS小于1.0表明斜坡不稳定, 为高危险, FS值越大, 说明斜坡越稳定。

3.2 参数选取

运用达西定律进行浸润土体厚度计算时, 土体渗透系数、地形参数分别通过试验与GIS地形分析建立(图10, 11), 降雨量参数较难选取。地质灾害历史数据记录较多的是极端天气情况, 降雨量低于50 mm的记录很少。论文在计算分析过程中参考麟游县历史极端降雨资料, 统计分析计算滑坡数量与降雨量之间对应关系, 同时参考全球降雨滑坡体积与降雨量之间的关系, 选取自然无降雨、25 mm、50 mm与75 mm四类不同的雨量值作为降雨强度。

图10 区域地形DEMFig.10 Digital elevation model of the region

图11 区域岩性分布Fig.11 Distribution of rocks and soils

运用无限斜坡模型进行区域危险性分析时, 将黄土覆盖的梁峁塬区的斜坡的结构简化为上覆松散体、下伏基岩的层状结构, 这种简化与全区第四系黄土、红色粘土、白垩系砂砾岩之间两两叠置的层状地貌结构接近。无限斜坡模型涉及到的试验计算参数, 根据麟游县全境 56个勘测点的岩土体力学参数与渗透系数的试验结果, 力学参数按照分四组的不同降雨量下土力学强度参数测试(表1), 各岩性地层的粘聚力、内摩擦角、重度随降雨量的变化, 渗透系数为固定值。土体深度的控制参考调查中的实测剖面。

3.3 危险性计算

在 ARCGIS提供的空间建模模块, 较容易实现地理数据的空间分析、建模与方程表达。计算分析最为重要的从地形 DEM 到斜坡计算单元网格的转换。单元网格的划分直接影响着滑坡危险性的评估的合理性。本文中危险性评价分析选取25 m×25 m大小的网格进行分析, 主要考虑 1:50000地理底图的分辨率。分别选取自然无降雨、25 mm、50 mm与75 mm四种状态, 计算对应的地下水位、斜坡单元稳定性。按照步骤逐层叠加计算。

表1 模型计算参数简表Table 1 Parameters of the model

计算结果显示: 在自然无降水情况下, 高危险区面积占全区7.75%; 降雨量25 mm时, 高危险区面积占全区9.54%; 降雨量50 mm时, 高危险区面积占全区10.12%; 降雨量75 mm时, 高危险区面积占全区 15.43%。随着降雨强度的增大, 危险斜坡单元范围上呈区域性、数量上呈递增型变化。

4 计算结果与误差分析

4.1 危险区分布特征

栅格统计分析发现, 自然无降雨、25 mm、50 mm与75 mm计算结果表明, 随着降雨量的增大,高危险区增长较快, 高危险区的数量从无降雨7.75%增长至28.43%, 增加了近4倍。低危险区的面积从自然状态的61%减少到50.59%, 与中危险区从31.25%减少到20.98%变化幅度相同。降雨强度的增大导致低危险、中危险、高危险的次序变化。

通过计算得出的危险性分区图, 反映了区域斜坡单元在不同降雨强度下斜坡的响应特征。按照计算公式高危险、中危险及低危险的划分, 在无降雨情况下, 全县的危险程度差异不大, 高危险区零星分布, 集中在坡度较高的黄土梁梁顶部(图12)。降雨25 mm时, 滑坡高危险区集中出现, 除中部分水岭地区高危险区断续出现, 黄土梁沟谷地区较集中(图13); 降雨50 mm时, 地质灾害危险性成带成片发育特征明显, 中部分水岭地区、北部天堂镇、丈八乡均出现高密度的滑坡危险区(图14)。降雨75 mm时,危险区所在范围与50 mm降雨差异不大, 因采用栅格计算原因, 在高危险区除了在区域上具有集中发育特征外, 在同一地区, 随着降雨强度的增大, 危险单元数量也出现显著变化(图15)。

无降雨、25 mm、50 mm与75 mm下的危险区域发育特征分析可以为临界降雨量的获得提供依据,当降雨强度超过临界值时, 进入相应的地质灾害预警状态。由于物理力学模型的简化, 计算分析没考虑渗透速率, 因而上述分析还不能完全作为监测预警的判据, 但在同样降雨强度下县境斜坡的已表现出不同的响应机制, 对比分析可以看到, 显示出高危险区成带发育的特征中部分水岭地区、北部天堂镇、丈八乡是降雨滑坡的高危险区。

4.2 误差分析

计算分析得到的危险区范围(图 15)与调查的地质灾害的分布(图1)具有一定的吻合性, 其中高危险区所在的中部分水岭地区、北部天堂镇、丈八乡与实际情况相符。在麟游县南部的基岩山区危险区一直处于低危险状态, 稍有偏差。分析其主要原因:

(1)计算结果中反映出的中部分水岭对降雨的敏感, 与实际地质灾害分布图的一致性, 反映了地形起伏度、土体强度是该区域降雨滑坡发育的主要影响因素, 而南部碳酸盐丘陵地区危险区计算的误差间接说明, 论文选择的无限斜坡模型参数可能与降雨诱发基岩山区滑坡的参数有差异, 这是南部小面积危险性计算存在误差的主要原因。

(2)分析计算选取的是麟游县数字化的1:50000地理地图, 分辨率较低, 导致空间分析网格划分中斜坡单元尺寸较大。计算结果只能宏观地反映岩性单元、大的地貌单元在不同降雨强度下的危险性。难于刻画微地貌陡坎、沟壑对滑坡形成的影响。体积较小的黄土崩滑、黄土泥流、黄土侵蚀更难考虑。

(3)GIS信息处理系统目前只能完成栅格计算分析。利用一维无限斜坡模型与达西定律结合, 对区域地质灾害危险性进行定量评价, 难于处理实际情况中的三维剖面; 计算中的栅格单元是独立计算单元, 不能反映力、地下水在栅格单元之间传递的物理过程, 特别是孔隙水压力与土体侧压力的传递。

危险区计算因误差的存在, 有多方面不足。但计算分析的结果一定程度上反映该地区滑坡灾害危险性的空间差异和分布特征, 具有可参考性。

图12 无降雨危险性Fig.12 Factor of safety under the condition of no rainfall

图13 25 mm降雨危险性Fig.13 Factor of safety under the condition of 25 mm rainfall

5 结论

降雨易在黄土丘陵区诱发浅表层滑坡灾害, 论文以麟游县为例, 进行了降雨诱发浅表层黄土滑坡灾害研究。在通过对麟游县地质灾害信息数据库数据分析的基础上, 完成了降雨滑坡的变形破坏特征的分析, 基于无限斜坡模型定量完成了区域斜坡对不同降雨强度的响应, 滑坡灾害的分区分级, 客观反映了降雨量增大对黄土丘陵区滑坡的危险性影响。

(1)黄土丘陵区滑坡灾害与地形地貌、岩土体力学性质相关, 降雨、地表水的溯源侵蚀作用是滑坡灾害发育的宏观背景。

(2)岭南典型降雨滑坡形成机制分析表明, 降雨在麟游县等黄土丘陵区易诱发浅表层黄土滑坡, 以黄土泥流为主。

图14 50 mm降雨危险性Fig.14 Factor of safety under the condition of 50 mm rainfall

图15 75 mm降雨危险性Fig.15 Factor of safety under the condition of 75 mm rainfall

(3)降雨量相同时, 区域斜坡单元的响应机制不相同, 高危险区、中危险区与低危险区集中在不同区域产生, 差异明显。在无降雨、25 mm、50 mm、75 mm四种不同降雨量下, 中部分水岭地区、北部天堂镇、丈八乡是高危险区, 极易形成降雨滑坡灾害。

(4)降雨是诱发麟游县滑坡灾害群发主要因素。降雨诱发灾害的高危险区, 威胁附近村镇居民安全,需要采用监测预警和相应防治措施。中等危险区汛期需要采用群测群防预警措施。低危险面积汛期需提高警惕, 防止突发事件发生。

(5)无限模型适合计算降雨诱发的浅表层滑坡,能够很好反映降雨量诱发滑坡灾害响应, 得出的危险性分布具有符合实际情况, 危险性计算的误差与地理底图分辨率、计算参数有关。

齐信, 唐川, 铁永波, 梁京涛.2010.基于 GIS技术的汶川地震诱发地质灾害危险性评价——以四川省北川县为例[J].成都理工大学学报(自然科学版), 37(2): 160-167.

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中国地质科学院开展纪念第43个世界地球日系列活动

2012年4月22日, 是第43个“世界地球日”。今年“世界地球日”的主题是, “珍惜地球资源, 转变发展方式。推进找矿突破, 保障科学发展”。中国地质科学院开展了一系列科普活动, 纪念第43个“世界地球日”。

4月 21日, 中国地质科学院邀请北京大学附小、北京市第二实验小学的“李四光中队”少先队员们来院听科普讲座, 参观大陆构造国家重点实验室、大陆动力学博物馆和深部探测研究中心。

董树文副院长主持了科普讲座, 他代表中国地质科学院欢迎“李四光中队”少先队员们的到来, 并向队员们介绍了世界地球日的由来以及我国矿产资源的现状和面临形势。著名古生物专家季强研究员为少先队员们做了《鸟类的前世与今生》科普讲座, 他以生动形象的语言向少先队员们讲解了鸟类的演化, 上了一堂生动的鸟类知识课, 季强研究员现场回答了学生们的提问, 现场气氛热烈。

在听完讲座后, 少先队员们参观了大陆构造国家重点实验室和大陆动力学博物馆, 许志琴院士在百忙中抽出时间, 亲自为“李四光中队”少先队员们担当讲解员, 她为学生们介绍了大陆科学钻, 生动地讲解了岩芯标本的奥秘。

在参观深部探测研究中心时, 少先队员们听取专家讲解地震或地电探测地球深部的理论与方法, 认识了大地电磁仪、深层地震仪等最新型地质勘探仪器设备, 观看了“地球深部探秘”系列影片和“走进地球深部”电视短片。

4月22日全天, 中国地质科学院所属的深部探测研究中心、生态地球化学重点开放实验室、无机实验室、有机实验室、电子探针实验室、激光拉曼光谱实验室、同位素地质重点实验室、大陆构造重点实验室、大陆动力学重点实验室、地层与古生物重点实验室、地应力测量实验室、高温高压实验室、古地磁重点实验室等国家、部门、院级重点实验室向社会开放。

本刊编辑部 采编

A Predictive Study of the Hazardousness of Landslides in Loess Hilly Region Based on Rainfall Response: A Case Study of Linyou County, Baoji City

XIN Peng1,2), WU Shu-ren1,2), SHI Ju-song1,2), WANG Tao1,2), LIU Zhen3)
1) Institute of Geomechanics ,Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081;
2) Key laboratory of Neotectonic Movement and Geohazards, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081;
3) Department of Civil & Environmental Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, USA

Extreme rainfall may easily lead to mass landslide disasters, which, however, cannot be predicted as a monomer.To predict and evaluate the hazards of landslide disasters induced from different rainfall intensities in the loess hill regions, the authors analyzed the characteristics of rainfall intensity and landslide distribution on the basis of studying the characteristics of regional landslide disasters, introduced the principle of the infinite slope model and parameter selection by analyzing formation mechanism of landslides in loess-hilly areas induced by rainfall with Lingnan landslide as an example, completed quantitative studies of hazards of landslide disasters under four different rainfall conditions, i.e., no rainfall, 25 mm, 50 mm and 75 mm respectively using GIS spatialmodeling and analysis and analyzed their errors.The results show that: (1) landslide disasters in loess hilly areas are related to topography, mechanical properties of rock bodies and earth.Headward erosion of rainfall and surface water is macro background of developing landslide disasters.(2) Rainfalls in loess hilly areas such as Linyou County are prone to inducing shallow strata loess landslide, represented by loess mudflow and shallow landslides.(3) For the same amount of rainfall, different units in slope areas have different response mechanisms, and high risk zones, middle risk zones and low risk zones are generated in areas with significant differences.Under the four different rainfall conditions of no rainfall, 25 mm, 50 mm and 75 mm, watershed area in the middle, Tiantang Town in the north, and Zhangba Township are high risk zones which are prone to generating rainfall landslide disasters.(4) In high risk zones with rainfall induced disasters, the situation threatens safety of residents of nearby villages and small towns, and hence monitoring, warning and corresponding preventive measures should be taken.In middle risk zones, mass monitoring, preventing and warning measures should be taken in flood seasons.In low risk zones, people should be vigilant in preventing unexpected incidents in flood seasons.(5) The infinite model is fit for calculating shallow slides induced by rainfall, reflecting response to rainfall induced landslide disasters soundly.The derived hazard distribution meets actual conditions.The errors of calculating hazards are related to resolution of geographic base maps and selection of calculating parameters.

rainfall; loess hills; landslide; infinite slope model; hazard

P642.22; P694

A

10.3975/cagsb.2012.03.09

本文由国家自然基金项目(编号: 40802085; 41102165)、科技部十二五科技支撑项目(编号: 2012BAK10B02)和中国地质科学院地质力学所基本科研业务费项目(编号: DZLXJK201111)联合资助。

2012-01-21; 改回日期: 2012-02-25。责任编辑: 闫立娟。

辛鹏, 男, 1984年生。博士研究生。主要从事滑坡灾害机理及其风险评估研究。E-mail: xxiinnpp@126.com。

*通讯作者: 吴树仁, 男, 1956年生。研究员, 博士生导师。主要从事工程地质研究。E-mail: shurwu@cags.net.cn。