基于gis的重庆市万州区农机技工滑坡灾害风险预测

基于gis的重庆市万州区农机技工滑坡灾害风险预测

滑动风险是滑动自然属性和社会经济属性共同作用的结果。在预测风险时，我们需要考虑滑动风险和滑坡经济损失。近年来滑坡灾害风险研究一直是一个热点和难点问题。我国与经济发达、人口密度小的国家不同,我们要在明知是高风险区和有限的生存区尤其是山区进行经济活动,会出现人为诱发滑坡灾害的情况。因此,导致滑坡的治理和经济水平之间产生了博弈。自然灾害系统是一个复杂的系统,减灾方案必须建立在风险分析的基础上,盲目的减灾投入对发展中国家可能意味着灾难性的后果。目前,滑坡领域的相关专家和学者大多致力于滑坡灾害的机理、防治等研究上,而对于滑坡灾害产生风险的研究投入不太多,赶不上上述各项研究。即使是在风险研究方面,大多数专家或学者进行的是灾后风险评价或是区域性滑坡风险评价,而对于灾前单体滑坡灾害风险预测研究甚少。目前,国内外从事滑坡灾害灾前风险预测研究的有黄崇福、张业成和张梁、彭满华等、罗文强等、Dai等。但是对于单体滑坡灾害而言,其预测思路还没有被系统的提出。本文以重庆市万州区农机技校滑坡为例,系统的阐述了单体滑坡灾害风险预测的基本思路和方法,也为滑坡灾害防治工程立项、政府部门进行灾害预警决策提供依据。1工程地质和剖面图农机技校滑坡地处重庆市万州区天城移民开发区沙河子镇,属亚热带季风性湿润气候区,该区雨量丰沛,降雨集中于5-9月,且多为大雨、暴雨。滑坡前临长江二级支流长生河,属堆积层滑坡。地面坡度5～32°,滑坡主滑方向104°,面积1.05×105m2,体积1.49×106m3。滑坡前后缘高程分别为142.40m和225.00m,从滑坡前缘至后缘,滑体表面形成明显的三级平台。滑体平均厚度14.20m,最厚达32.75m,主要由粉质粘土夹碎块石组成,下伏地层从上至下分别为侏罗系中统沙溪庙组紫红色泥岩夹紫色长石砂岩、灰白色细粒长石砂岩及紫红色粉砂岩夹泥岩,岩层倾向302～330°,为逆向坡,倾角为2～5°,近乎水平。滑面形成于第四系松散堆积物与下伏基岩之间,前缘反倾,滑面物质为棕红色、灰白色、灰绿色粉质粘土,局部为粘土。其工程地质剖面图见图1所示。该滑坡现已治理,为研究需要,本文讨论的是2002年滑坡处于蠕滑变形阶段的状况。农机校滑坡区内有多个企事业单位及密集的建筑群,滑坡区内175m水位线以下有74户共321人、房屋建筑面积10247.54m2,175m水位线以上有蔬菜地4hm2、林地4.67hm2、鱼塘0.113hm2、道路(四级)1.5km、188户2576人、房屋建筑面积134655.63m2,其中包括10家单位1953人,房屋建筑面积16164.09m2。2滑动过载的风险预测2.1滑坡滑带土模型采用常用的传递系数法进行稳定性计算。由于滑坡处于蠕滑变形阶段,计算时采用的强度参数均为残余值。由室内实验获取的强度参数值见表1。虽然滑面的强度参数由试验提供,但是由于试验误差、土体在空间分布的不均匀性等原因,该参数实质上是随机变量,具有某种概率分布的特点,从而决定了稳定性系数也应该是一个随机变量,具有对应的期望值和方差。已有研究表明,重庆市万州地区滑坡滑带土参数服从表2所表达的规律形式。即天然和饱和状态下的粘聚力服从对数正态分布,而内摩擦角服从正态分布。在采取Monte-Carlo方法进行滑坡破坏概率模拟计算的过程中,可以采用抽样公式R=−2lnR1−−−−−−√×cos2πR2R=-2lnR1×cos2πR2。其中,R1,R2是用计算机产生的(0,1)区间均匀分布的随机数,R是服从标准正态分布N(0,1)的随机变量。变换公式为X=σR+μ或lnX=σR+μ,其中,X或lnX为服从均值为μ,方差为σ的正态分布随机变量。考虑到三峡库区在运行阶段的几种水位情况,本文设有6种工况,对每种工况先后讨论其稳定性系数和破坏概率。由表3中计算结果可知,除在145m水位工况下滑坡处于临滑状态外,其他工况下滑坡均将失稳。且滑坡145m水位工况下稳定性系数最高,破坏概率最小;在175m降至145m水位工况下稳定性系数最小,破坏概率最大。由于篇幅有限,本文仅列出滑坡处于145m水位工况下的破坏概率计算结果(见图2)。2.2行业质量分析和动摩擦系数进行滑坡灾害风险预测的前提条件是要确定出灾害的影响范围。可从两个方面考虑:一方面是滑坡在孕育、变形过程中所涉及到的周边范围,可以结合滑坡区内裂缝发育规律、地层产状以及建筑物变形情况圈定;另一方面是滑坡破坏后滑程大小。目前,对于滑程的预测通常视滑坡体积规模分为2类考虑,一般滑坡(体积小于106m3)和超大型滑坡两种类型。根据参考文献,利用能量守恒原理(见图3),推算出滑程的估算公式(1)。如图3所示,设w为滑体的重量,β为滑坡某一条块滑面与水平面间的夹角,M为滑面的最低点,S1,S2分别表示条块运动的AM和ME的距离。条块从A点运动到E点的过程中其能量转化关系为:W×(H1-H2)=f×W×cosβ×(S1+S2),即W×(H1-H2)=f×W×(L1+L2),则f=H1−H2L1+L2=HL1+L2=tgf=Η1-Η2L1+L2=ΗL1+L2=tgα。如果滑块运动到M点后作水平运动到E′点停止,则f=HL1+L2=tgf=ΗL1+L2=tgα。当滑块运动到的任意点P时,其能量转化关系为:W×H−f×W×L=W×v22×gW×Η-f×W×L=W×v22×g,则v=2×g×(H−f×L)−−−−−−−−−−−−−−−−√v=2×g×(Η-f×L)。当v=0时,可以得到滑程为:Lmax=Hf(1)Lmax=Ηf(1)其中,f为动摩擦系数,对于不同规模的滑坡,计算方法不同。对于体积达到106m3的超大型滑坡,其摩擦系数可参考谢得格尔法,即通过滑坡的体积大致确定滑坡的摩擦系数:logf=alogV+b(2)logf=alogV+b(2)式中a=-0.15666,b=0.62219;对于一般体积滑坡,动摩擦系数可采用上述推导结论;也可采用工程地质类比法,通过对典型滑坡的反演分析确定。计算过程中,应根据需要适当选取。农机技校滑坡体积约为1.49×106m3,属超大型。145m水位工况下,动摩擦系数可根据谢得格尔公式(2)确定为0.45。滑坡的剖面图表示,滑体重心到库水位的垂直距离为27m。将动摩擦系数和重心高度代入公式(1)可估算出滑程为60m。通过滑坡周边裂缝的展布方位、发育规律以及建筑物的变形情况调查,可大致确定滑坡后缘和侧缘的影响范围。综合以上两个方面,滑坡灾害最终的影响范围见图4。3易损性的定量评价受灾对象(也称承灾体)的易损性是相对于风险源而言的,是风险源与受灾对象相互作用水平的度量。承灾体的类型不同,易损性的评价方式不一样。例如,房屋、仓库、公路、桥梁等的易损性与承灾体自身的抗破坏性能有关,具体包括建筑物自身结构类型、地基基础、成新度等。人口的易损性与居民自身的防灾意识、年龄、受教育程度等有关。易损性的定量评价从理论上讲应建立在对历史滑坡灾害数据统计分析、物理模拟试验或数值模拟的基础上。由于作者缺乏滑前承灾体的详细资料记录,且一两个滑坡灾害的分析数据不能说明问题。所以暂时只能通过现场调查,分析滑坡速度以及滑坡滑程范围内承灾体的变形情况,结合前人在其他区域或地区得到的易损性经验数据来估算承灾体的易损性值。具体数据见表4。4滑坡灾害形成的经济效益采用美国著名滑坡专家VARNES提出并被联合国教科文组织认可的风险定义:风险是某种特定的灾害现象对生命、财产、经济活动等所可能造成的损失,其定量表达为受威胁对象(也称承灾体)、灾害发生的概率以及承灾体的易损性三者的乘积。因此,要衡量风险的大小,就是衡量损失的多少。而损失包括经济损失和非经济损失两个方面的内容,经济损失可以定量表达,而非经济损失则只能采取定性的方式。在此,本文只讨论经济损失的定量表达。国内著名灾害经济学研究学者郑功成先生认为,灾害是可以计量的经济损失。由此,可以用滑坡灾害造成的经济损失来衡量滑坡灾害的风险大小。S=∑i=1nH×Vi×Wi×Ai(3)S=∑i=1nΗ×Vi×Wi×Ai(3)S:滑坡灾害造成的经济损失(元);i:承灾体种类数;Vi:第i类承灾体的易损性值;Wi:第i类承灾体计量单位的经济价值(元/m2);Ai:第i类承灾体的计量单位。当分析对象为建筑物、农作物、耕地和林地等时表示面积;为居民财产时表示户数;为公路、铁路、桥梁等线状工程时表示长度;为人口时表示人数;H:滑坡发生的概率。在具体的计算过程中,可以利用MAPGIS的图形叠加功能,将不同承灾体类型图件叠加并赋予易损性属性值和经济价值,最后估算总的经济价值损失值,其计算结果见表4所示。结果表明(见图5),滑坡在145m水位+暴雨工况下风险最大,在175m水位工况下风险最小。这与前述滑坡稳定性系数最大和最小所对应的工况不同,并非最危险的工况下滑坡风险最大。结果表明,滑坡灾害风险不仅与滑坡危险性有关,还与受灾对象有关。5滑坡治理方案是否可行(1)据中国建筑西南勘察研究院对该滑坡的治理设计,将投入2800万元进行治理,采取的治理方案为在175m水位线附近位置设置单排抗滑桩,并在桩顶设置预应力锚索。由表6的结果可知,在不考虑人口风险的情况下,175m水位工况对应的投入产出比大于1,其他工况对应的投入产出比小于1;如果依据三峡库区三期地质灾害防治规划崩塌滑坡搬迁避让项目中规定的三峡移民标准按县城移民标准为4万元/人估算,考虑滑坡影响范围内2576人的风险,所有工况下对应的投入产出比都远大于1。即防治工程效益明显,产出大于投入。因此,可以确定该滑坡治理方案是可行的。(2)本文根据三峡库区水位变化情况,动态预测