地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (1): 106-114
引用本文
樊晓一, 张睿骁, 胡晓波. 沟谷地形参数对滑坡运动距离的影响研究[J]. 地质力学学报, 2020, 26(1): 106-114.
FAN Xiaoyi, ZHANG Ruixiao, HU Xiaobo. Study on the influence of valley topographic parameter on the moving distance of landslide[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(1): 106-114.
沟谷地形参数对滑坡运动距离的影响研究
樊晓一, 张睿骁, 胡晓波    
西南科技大学土木工程与建筑学院, 四川 绵阳 621010
摘要:滑坡运动场地上的沟谷地形,对滑坡运动产生约束、偏转、导流、阻止等作用,导致了滑坡运动距离的差异。根据滑坡滑源区、运移区的运动方向与沟谷堆积区延伸方向的夹角,将沟谷型滑坡划分为沟谷顺直型和沟谷偏转型两种类型。通过建立滑坡体积、沟谷地形参数与运动参数的非线性回归模型,分析体积及地形参数变化率对沟谷型滑坡运动距离变化的影响特征。研究表明:随体积增加,沟谷顺直型和沟谷偏转型滑坡的运动距离差异逐渐增大。体积作为滑坡运动距离的显著性因素,其原因在于滑坡体积在数量级上的差异,而在同一数量级内,体积变化仅对沟谷型滑坡最大水平运动距离变化的影响最大;滑源区和沟谷堆积区坡度的变化对垂直运动距离和堆积区水平运动距离影响大于滑坡体积。偏转角度对沟谷偏转型滑坡运动距离的影响较小,其原因在于沟谷区地形坡度显著影响了偏转角度对滑坡运动距离的作用。研究结果为沟谷型滑坡的致灾程度评估提供了参考依据。
关键词沟谷地形    运动距离    体积    地形参数    滑坡    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.01.011     文章编号:1006-6616(2020)01-0106-09
Study on the influence of valley topographic parameter on the moving distance of landslide
FAN Xiaoyi, ZHANG Ruixiao, HU Xiaobo    
School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, Sichuan, China
Abstract: The valley topography, located on the landslide motion path, can restrain, deflect, divert and prevent the landslide movement and result in the difference of landslide moving distance. The valley topography of landslide is divided into straight-valley and deflection-valley based on the angle between the moving direction of the landslide source area and the migration area and the extension direction of the valley accumulation area. The nonlinear regression models, related to landslide volumes and valley topographic parameters, were deduced. On the basis of the models, the laws that the volumes and the topography parameters influenced on the landslide moving distance were revealed. The results show that, the difference of the moving distance between the straight-valley and deflection-valley landslides increases gradually with the increase of volume. The reason of volume as a significant factor for landslide moving distance lies in the difference of landslide volume in order of magnitude. However, in the same order of magnitude, the volume change only is the greatest influence factor of the maximum horizontal moving distance of valley landslide, and the angle change of the slope is more significant than volume for the vertical moving distance and horizontal moving distance of the accumulative area. The deflection angle is a minor factor for deflection-valley landslide moving distance, because the valley slope significantly affects the effect of the deflection angle on the landslide moving distance. The results provide future reference for the disaster assessment of valley landslide.
Key words: valley topography    moving distance    volume    topographic parameter    landslide    
0 引言

沟谷型滑坡是指在滑坡的运动路径上分布有沟谷地形,沟谷地形对滑坡运动产生约束、导流、偏转等作用,从而对滑坡运动距离产生影响。沟谷型滑坡的主要运动方向与沟谷(河谷)下游的走向一致或呈一定的角度相交,滑坡的运动未受到地形的完全阻止,滑坡物质沿沟谷(河谷)下游方向运动一段距离后停止。

目前对滑坡运动距离的研究提出了多种滑坡运动距离的预测模型和方法,如:经验统计预测模型、确定性预测模型和数值模拟预测模型(Dai et al., 2014; 郝明辉等, 2014; Xing et al., 2014; 杨龙伟等, 2018),建立了滑坡规模与运动距离之间的关系,但都缺乏区分沟谷型滑坡的地形参数与其他类型的地形参数对滑坡运动距离的作用(Qi et al., 2011; Yoshida et al., 2012)。由于滑坡运动受沟谷地形条件的作用,产生启动、加速、持速、减速等运动过程以及撞击、偏转、阻止等作用方式,影响了滑坡运动距离(樊晓一等,2015詹威威等,2017陆鹏源等,2018胡晓波等2019)

由于滑坡运动机理的复杂性和地形因素作用的不确定性,滑坡运动是一个复杂的非线性运动过程。滑坡体积和地形条件是影响滑坡滑动距离的两个重要因素,由于未考虑地形条件的影响,虽然运用理论分析和数值模拟分析滑坡运动参数时,可获得较为一致性的变化趋势,但不同研究方法得到的结果存在较大的差异(许强等,2009Ouyang et al., 2017Yin et al., 2016)。李秀珍和孔纪名(2010)分析了滑坡体积、滑坡前后缘高差以及原始斜坡坡角与滑坡水平滑动距离的关系,建立了汶川地震滑坡水平运动距离的二元线性回归模型;孟华君等(2017)研究表明都江堰地区地震滑坡滑动距离的主要因素包括滑坡体积、滑坡平面形态、滑坡前后缘高差、斜坡坡度,并建立了多元线性回归模型。但滑坡运动距离与影响因素以及影响因素之间的量纲不同和取值范围的巨大差异,线性回归模型不能完全诠释滑坡运动距离与影响因素之间的关系。Legros(2002)建立了火山滑坡、非火山滑坡、海底滑坡、火星滑坡以及泥石流的最大水平、垂直运动距离与体积的幂率关系模型,虽然对滑坡类型进行了划分,但未能考虑地形条件的影响,导致其负相关系数较低。

沟谷的地形条件作为滑坡运动过程中的边界条件而不是作用(影响)因素来评估滑坡的致灾机制是不充分的。由此,未考虑地形条件的作用而建立的滑坡运动距离的经验关系和预测模型可能导致较大的误差而丧失应用价值和实际指导意义。

滑坡体积是影响滑坡运动参数的关键因素,但滑坡体积的精确测量存在难度,不同学者对同一滑坡获得的参数存在一定的差异,给滑坡运动参数的研究带来不确定性。通过沟谷型滑坡数据建立运动参数及体积、沟谷地形参数的非线性回归模型,探讨体积、地形参数的变化对运动参数的影响,对沟谷型滑坡运动参数的预测和致灾评估具有重要的意义。

1 滑坡数据

2008年5月12日,汶川地震诱发了大量的滑坡,为滑坡分布、成因机制、运动特征等提供了实例数据。地震滑坡在强大的加速度惯性力作用下启动, 受其规模、岩性、地形地貌、坡体结构以及前缘沟谷地形走向等因素影响表现出不同的运动性特征。这些启动机制受控于滑坡区所处的地质环境条件、坡体结构以及岩性特征,并在地震滑坡发育特征的研究上取得了丰富的研究成果。虽然地震烈度对滑坡的启动机制具有主要的影响,但启动机制对滑坡运动性的影响还不明确,而滑坡启动后的运动主要受滑坡体积和运动路径上地形参数的影响(朱守彪等, 2013; Tang et al., 2015)。

滑坡数据资料来源于《汶川大型滑坡研究》(许强等, 2009)、google earth pro、Spot4和航空影像(http://www.scgis.net/scgcmap/map.html#)。其中,对滑坡影像资料的解译,滑坡体积的估算运用Larsen等(2010)提出的体积-面积幂率关系:V=0.146A1.332,其方程包括了超过4000处滑坡数据以及考虑了滑坡岩土体特征(土质和岩质),具有较好的适用性。由此获得了汶川地震诱发的79处体积大于104 m3的沟谷型滑坡数据(表 1)。

表 1 沟谷型滑坡数据 Table 1 Data of the valley landslides

根据沟谷型滑坡运动场地的地形条件,分析滑坡体积、滑源区落差和地形参数(滑源区和运移区坡度α、沟谷区坡度β、滑源区和运移区的运动方向与沟谷堆积区下游的延伸方向的夹角θ)与滑坡最大垂直运动距离、最大水平运动距离和堆积区水平运动距离的关系,探讨这些因素对滑坡运动距离的影响及作用机制。

2 沟谷型滑坡地形条件与运动距离 2.1 沟谷型滑坡地形条件分类

根据滑坡体积与运动距离分析,将滑源区和运移区运动方向与沟谷堆积区下游的延伸方向的夹角(θ)划分为小于和大于30°时,滑坡最大水平运动距离与滑坡体积变化之间具有显著差异(图 1),由此,确定大于30°作为沟谷型滑坡的分类标准,划分为:沟谷顺直型(θ≤30°)(图 2)和沟谷偏转型滑坡(θ>30°)(图 3)。沟谷型滑坡的沟口或前缘地形相对平坦,是山区人们社会经济活动的集中区域,灾难性沟谷型滑坡常导致了严重的人员伤亡和财产损失。

图 1 沟谷型滑坡体积与最大水平运动距离的关系 Fig. 1 The relationship between volume and maximum horizontal moving distance of the valley landslides

图 2 沟谷顺直型滑坡 Fig. 2 Straight-valley landslide

图 3 沟谷偏转型滑坡 Fig. 3 Deflection-valley landslide
2.2 沟谷型滑坡地形参数与运动距离

沟谷型滑坡的地形条件包括滑源区的高差(H1)、滑源区的平均坡度(α)、沟谷区的平均坡度(β)滑源区的主滑方向(θ1)、沟谷下游的延伸方向(θ2),θ1θ2构成的夹角θ是滑坡运动的偏转角度(图 3)。

滑坡的运动堆积参数主要包括最大水平运动距离L,表示了滑坡的整体的运动特征,反映了滑坡近程、远程、超程运动特征;最大垂直运动距离H,表示了滑坡最大落高,即滑坡垂直方向上的运动距离,反映了运动具有的势能,是滑坡致灾强度评估的主要指标;堆积区水平运动距离L1,表示了滑坡在相对平缓的堆积区域上的运动距离,由于其位置正是山区人类社会活动的主要区域,也是滑坡导致严重人员伤亡和财产损失的关键参数(图 4)。

图 4 沟谷型滑坡地形参数与运动距离示意图 Fig. 4 The topographic parameters and moving distances of the valley landslide
3 地形条件对运动距离的影响 3.1 沟谷顺直型

沟谷顺直型滑坡地形的特征包括滑源区和沟谷运动堆积区,滑源区坡度(α)和沟谷区坡度(β)是影响滑坡运动距离的因素。滑坡的运动特征划分为两个阶段:滑源区、运动堆积区。滑坡的运动过程经历滑源区的启动加速阶段、沟谷后部中部的加速持速阶段和沟谷前部的减速运动阶段。影响坡沟谷顺直型滑坡运动的主要参数为滑坡体积(V)、滑源区的落差(H1)、滑源区坡度(α)、沟谷区坡度(β)。滑坡数据各参数的范围为:1×104 m3 < V < 5000×104 m3,40 m < H1 < 620 m,20° < α < 40°、5° < β < 40°。由于滑坡运动机制的复杂性和地形影响因素的不确定性,滑坡运动是一个复杂的非线性运动过程,将滑坡运动参数与影响因素的非线性回归模型描述为:

$ \begin{array}{*{20}{c}} {y = \exp \left( {c + {a_1}\ln V + {a_2}\ln {H_1} + {a_3}\ln (\tan \alpha ) + } \right.}\\ {{a_4}\ln (\tan \beta )} \end{array} $ (1)

其中:y为滑坡的运动参数分别为HLL1c为常数;a1a2a3a4分别为滑坡体积(V)、落差(H1)、滑源区坡度(α)和沟谷区坡度(β)的回归系数。对沟谷顺直型滑坡数据进行回归分析,可以得到如下的非线性回归方程:

$ \begin{array}{*{20}{c}} {H = 4.301 \times {V^{0.384}} \times H_1^{0.071} \times {{(\tan \alpha )}^{0.508}} \times }\\ {{{(\tan \beta )}^{0.752}}\quad {R^2} = 0.965} \end{array} $ (2)
$ \begin{array}{*{20}{c}} {L = 4.107 \times {V^{0.406}} \times H_1^{0.035} \times {{(\tan \alpha )}^{0.047}} \times }\\ {{{(\tan \beta )}^{0.275}}\quad {R^2} = 0.974} \end{array} $ (3)
$ \begin{array}{*{20}{c}} {{L_1} = 2.713 \times {V^{0.602}} \times H_1^{ - 0.398} \times {{(\tan \alpha )}^{0.592}} \times }\\ {{{(\tan \beta )}^{0.413}}\quad {R^2} = 0.945} \end{array} $ (4)

对回归结果进行检验:复相关系数R分别为0.965、0.974和0.945,接近1,临界值(如果RRα(f),f为检验时残差的自由度,则在显著性水平α下显著,此时的Rα (f)值称为临界值)为:R0.05(24)=0.563,R0.01(24)=0.643,RR0.01(24)>R0.05(24),说明观测值与回归方程拟合程度高,回归效果显著。

为直观比较分析地形条件参数对滑坡运动参数的影响特征,以中型规模滑坡体积(105m3 < V < 106m3)为例,根据滑坡体积(V)、滑源区落差(H1)、滑源区坡度(α)、沟谷区坡度(β)的变化范围,分析各地形参数的变化率对运动参数影响特征(图 5)。

图 5 沟谷顺直型滑坡地形参数变化率对运动距离的影响 Fig. 5 The influence of the change rate of topographic parameters on the moving distance of the straight-valley landslide

滑坡最大垂直运动距离(H)随滑源区坡度(α)和沟谷区坡度(β)的变化而显著增加,当滑源区坡度(α)和沟谷区坡度(β)增加4倍时,最大垂直运动距离(H)分别增大4倍和3.2倍;滑坡体积(V)的增加4倍时,最大垂直运动距离(H)增加1.7倍;滑源区落差(H1)的变化对H值基本没有影响。对滑坡最大水平运动距离(L)而言,虽然滑坡体积(V)和沟谷区坡度(β)的变化影响最大,但当Vβ数值增大4倍时,L增大仅约1.76、1.54倍;滑源区落差(H1)和滑源区坡度(α)的变化对L的无影响;因此对于沟谷顺直型滑坡而言,最大水平运动距离(L)主要受滑坡体积(V)和沟谷区坡度(β)的作用。滑坡体积(V)、滑源区坡度(α)和沟谷区的坡度(β)的变化对堆积区水平运动距离(L1)具有明显的增距作用;与滑源区落差(H1)的变化影响呈负相关。

3.2 沟谷偏转型

沟谷偏转型滑坡(θ>30°)在运动过程中,受到山体、沟谷等凸出地形的作用,运动方向发生明显变化,导致偏转前后滑坡运动速度变化,滑坡运动能量的消耗,运动距离变化。滑坡运动经历启动加速、撞击偏转、减速运动阶段。与沟谷顺直型滑坡运动的主要影响参数比较而言,偏转型滑坡增加了偏转角度(θ)的影响。滑坡数据各参数的范围为:1×104m3 < V < 2000×104m3,40 m < H1 < 850 m,25° < α < 65°、5° < β < 40°、30° < θ < 80°。

运用公式(1)的非线性拟合方程,对沟谷偏转型滑坡数据进行回归分析,可以得到如下的非线性回归方程:

$ \begin{array}{*{20}{l}} {H = 2.574 \times {V^{0.164}} \times H_1^{0.581} \times {{(\tan \alpha )}^{0.107}} \times }\\ {{{(\tan \beta )}^{0.318}} \times {{(\tan \theta )}^{ - 0.012}}\quad {R^2} = 0.979} \end{array} $ (5)
$ \begin{array}{*{20}{c}} {L = 3.239 \times {V^{0.325}} \times H_1^{0.196} \times {{(\tan \alpha )}^{ - 0.150}} \times }\\ {{{(\tan \beta )}^{0.039}} \times {{(\tan \theta )}^{ - 0.016}}\quad {R^2} = 0.964} \end{array} $ (6)
$ \begin{array}{*{20}{l}} {{L_1} = 2.262 \times {V^{0.560}} \times H_1^{ - 0.390} \times {{(\tan \alpha )}^{0.415}} \times }\\ {\quad {{(\tan \beta )}^{0.094}} \times {{(\tan \theta )}^{0.001}}\quad {R^2} = 0.945} \end{array} $ (7)

对回归结果进行检验:复相关系数R分别为0.979、0.964和0.945,接近1,临界值为:R0.05(54)=0.440,R0.01(54)=0.504,RR0.01(54)>R0.05(54),说明观测值与回归方程拟合程度高,回归效果显著。

为直观比较分析地形条件参数对滑坡运动参数的影响特征,以中型规模滑坡体积(105m3 < V < 106m3)为例,根据滑坡体积(V)、滑源区落差(H1)、滑源区坡度(α)、沟谷区坡度(β)、偏转角度(θ)的变化范围,分析各地形参数的变化率对运动参数影响特征(图 6)。

图 6 沟谷偏转型滑坡地形参数变化率对运动距离的影响 Fig. 6 The influence of the change rate of topographic parameters on the moving distance of the deflection-valley landslide

滑坡最大垂直运动距离(H)随滑源区落差(H1)的变化影响显著,沟谷区坡度(β)和滑坡体积(V)的变化影响相对较小,滑源区坡度(α)和偏转角度(θ)的变化基本没有影响。对滑坡最大水平运动距离(L)而言,虽然滑坡体积(V)和滑源区落差(H1)的变化影响最大,但当坡体积(V)和滑源区落差(H1)数值增大4倍时,L增大分别增加1.57、1.31倍;沟谷区坡度(β)和偏转角度(θ)的变化对L的无影响,与滑源区坡度(α)的变化影响呈负相关;因此对于沟谷偏转型滑坡而言,最大水平运动距离(L)主要受滑坡体积(V)和滑源区落差(H1)的作用。堆积区水平运动距离(L1)随滑坡体积(V)、滑源区坡度(α)的变化显著增加,沟谷区坡度(β)和偏转角度(θ)的变化基本没有影响,与滑源区落差(H1)的变化影响呈负相关。

上述结果表明偏转角度对沟谷偏转型滑坡地运动距离的影响较小,而模型试验的结果显示偏转角度为0°~60°时,其滑坡最大水平运动距离变化幅度为10%~20%(杨海龙等,2017)。而且当实际滑坡的偏转角度接近90°时,常产生堵江效应。其原因在于滑坡运动偏转后的沟谷地形坡度的影响,模型试验中偏转后的沟谷地形坡度为0,实际堵江滑坡的沟谷区域的地形坡度也较小,导致偏转角度对滑坡运动距离产生显著影响。而文中统计分析的沟谷偏转型滑坡沟谷区的地形坡度主要为10°~30°之间,因此沟谷区地形坡度显著影响了偏转角度对滑坡运动距离的作用。

4 结论

(1) 沟谷型滑坡的运动区域可分为滑源区、沟谷区。根据滑源区主滑方向与沟谷下游延伸方向的构成夹角对滑坡运动距离产生影响,根据夹角的特征将沟谷型滑坡的地形条件划分为沟谷顺直型和沟谷偏转型两种类型。结合体积和地形参数对运动距离的分析,非线性回归模型可显著地拟合沟谷型的滑坡运动距离。

(2) 沟谷顺直型滑坡的最大垂直运动距离主要受滑坡源区坡度和沟谷区坡度的影响;最大水平运动距离受滑坡体积和沟谷区坡度的共同作用;堆积区的水平运动距离变化受滑源区坡度、滑坡体积和沟谷区坡度的作用,并且滑源区坡度的变化影响大于滑坡体积的变化。

(3) 沟谷偏转型滑坡的最大垂直运动距离的变化受滑坡源区落差、沟谷区坡度和滑坡体积的影响;最大水平运动距离变化主要受滑坡体积和滑源区落差变化控制;堆积区的水平运动距离受滑坡体积和滑源区坡度变化的影响。

(4) 偏转角度虽然作为沟谷型滑坡地形条件的划分依据,但在滑坡运动距离的预测模型中,其变化对运动距离的影响较小,其原因在于沟谷区地形坡度显著影响了偏转角度对滑坡运动距离的作用。

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