考虑岩体结构面组合的区域崩塌灾害易发性评价_黄肖萍.pdf

引用格式：黄肖萍，郑莉，杜娟，等考虑岩体结构面组合的区域崩塌灾害易发性评价安全与环境工程，（）：，y y d ，（）：考虑岩体结构面组合的区域崩塌灾害易发性评价黄肖萍，郑莉，杜娟，冯霄（中国地质大学（武汉）湖北巴东地质灾害国家野外科学观测研究站，湖北 武汉 ；重庆一零七市政建设工程有限公司，重庆 ；中国地质大学（武汉）环境学院极端天气气候与水文地质灾害研究中心，湖北 武汉 ）摘要：崩塌灾害是山区城镇和交通沿线主要的地质灾害类型，岩体优势结构面与斜坡临空面的空间组合关系是崩塌灾害失稳破坏的主要控制因素之一。针对平面滑移式、楔形体滑移式和坠落式崩塌灾害，综合考虑岩体优势结构面与斜坡临空面的空间组合模式以及岩体结构面的发育密度，提出斜坡单元内崩塌灾害发生概率的计算方法，分析崩塌灾害的易发斜坡坡向，构建适用于区域崩塌灾害易发性分析的岩体结构面组合模式评价指标体系，并以重庆市万州区铁峰乡为研究区，综合考虑崩塌灾害的岩性组合、地形坡度、植被指数（）、岩体优势结构面与斜坡坡向组合、地表水汇流影响和切坡建筑加载个评价指标，以斜坡单元作为崩塌灾害易发性评价单元，采用人工神经网络模型对研究区崩塌灾害易发性进行定量评价。评价结果表明：地形坡度和岩体优势结构面与斜坡坡向组合是影响研究区崩塌灾害易发性的关键因素，预测模型的总体正确率 值为 ，说明模型的预测精度较高。该评价结果对研究区崩塌灾害风险管控具有指导意义。关键词：区域崩塌灾害；易发性评价；岩体结构面组合；人工神经网络模型中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）作者简介：黄肖萍（），女，硕士研究生，主要研究方向为地质灾害预测预报与风险评价。：通讯作者：杜娟（），女，博士，副研究员，主要从事地质灾害气象预警与风险评价方面的研究。：o o o o o o o o o ，（.d d d，y （），；.，d.，；.d dy d d，d ，y （），）：，y ，y ，y y y y y ，y y ，y y ，（），第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 y ，y ，y y y ，y y o ：；y ；y；崩塌是山区城镇和交通沿线主要的地质灾害类型，由于破坏力大、突发性强，常造成建筑物损毁、公路堵塞及人员伤亡。区域崩塌灾害易发性评价是崩塌灾害风险管控的基础，其评价方法可分为知识驱动法（启发式模型）、数据驱动法（统计模型）和确定性力学模型。近年来，支持向量机、遗传算法等人工智能模型在崩塌灾害易发性评价中的应用成为研究热点，相关学者针对不同算法的适用性和评价结果的精度开展了大量的研究。然而，对于数据驱动方法，评价指标的合理性是影响评价结果精度的重要方面。危岩体的失稳破坏受控于岩性组合条件等内在要素以及降雨、人类工程活动等外界因素的共同影响。针对区域尺度的崩塌灾害易发性评价，大量学者采用了岩性组合等岩体结构要素、地形坡度等地形要素、地表汇流等水文地质要素以及公路切坡等人类工程作用要素等多种评价指标。其中，岩体结构特征和地形条件是控制崩塌灾害成生的重要孕灾因素，以往的研究对坡体优势结构面发育情况的考虑较为简化，如采用岩体结构面发育密度等表征岩体完整性的指标，或仅考虑岩体结构面与斜坡坡向的夹角来刻画两者之间的组合关系；对于地形坡向指标也仅从太阳光照作用或斜坡结构类型等方面入手进行分析 ，而忽略了岩体优势结构面与斜坡坡向的空间组合关系对崩塌灾害失稳破坏模式的控制作用以及对崩塌灾害易发性的影响。单体岩质斜坡的稳定性评价常常基于岩体结构面与斜坡坡向的空间组合关系来分析潜在不稳定块体的发育情况，但如何将岩体结构面产状、岩体结构面与斜坡坡向的空间组合模式、岩体结构面发育密度等精细化信息应用于区域尺度的崩塌灾害易发性评价是研究的难点。本文以重庆市万州区铁峰乡为研究区，针对发育于中厚层砂岩和砂岩夹泥页岩地层中的崩塌灾害开展了易发性评价研究，提出了基于岩体优势结构面组合分析的崩塌灾害易失稳斜坡坡向的计算模型，实现了区域尺度上对控制崩塌灾害成生的岩体结构指标的精细化刻画，并在此基础上，结合岩性组合、地形坡度、植被指数（）、岩体优势结构面与斜坡坡向组合、地表水汇流影响和切坡建筑加载个评价指标，采用人工神经网络模型对研究区崩塌灾害易发性进行了分区，评价结果取得了较高的精度，对研究区崩塌灾害的风险管控工作具有一定的指导意义。研究区概况与崩塌灾害失稳破坏模式 研究区概况研究区铁峰乡位于重庆市万州区的北部山区，以构造剥蚀侵蚀中低山河谷地貌为主；构造上位于川东隔档式褶皱铁峰山背斜北西翼，受杨家河侵蚀切割形成谷地，河谷南侧构成顺向坡，北侧为逆向坡。由铁峰山背斜核部向翼部依次发育三叠系巴东组（）、须家河组（），侏罗系珍珠冲组（）、自流井 组（）、新 田 沟 组（）和 下 沙 溪 庙 组（）地层（见图），地层走向呈 向展布，与铁峰山背斜轴线方向基本一致，各地层岩性段剖面见图。根据调查结果显示，研究区共发育崩塌灾害 处，其中坠落式崩塌灾害 处，平面滑移式崩塌灾害 处，楔形体滑移式崩塌灾害 处。研究区内崩塌灾害多发生于中厚层半坚硬较软弱砂岩组夹泥页岩组中，这类工程地质岩组的岩石多为微风化或弱风化，岩体结构面的发育密度较大，一般发育组主控结构面，结合程度一般甚至差，岩体结构较破碎，崩塌灾害较为发育。研究区内已查明的崩塌灾害失稳破坏模式和在各地层内的分布情况，如图所示。研究区崩塌灾害失稳破坏模式岩体结构面发育特征是控制崩塌灾害成生的重要因素，岩体优势结构面与斜坡临空面的空间组合关系决定了崩塌灾害的失稳破坏模式。本文针对研究区崩塌灾害的种失稳破坏模式，对其相应的岩体结构面空间组合特征进行了分析。平面滑移式崩塌灾害平面滑移式崩塌灾害（见图）形成的边界条件安全与环境工程 ：第 卷108 20 0 Eo 108 22 0 Eo 108 24 0 Eo 108 26 0 Eo 108 28 0 Eo 31 0 0 No 300 No59 30 58 0 No 300 No57 30 56 0 No 31 0 0 No 300 No59 30 58 0 No 300 No57 30 56 0 No 108 20 0 Eo 108 22 0 Eo 108 24 0 Eo 108 26 0 Eo 108 28 0 Eo 灾害灾害灾害杨家河图研究区地层与崩塌灾害失稳破坏模式空间分布图 y 图研究区各地层岩性段剖面图 y ab1b2图平面滑移式崩塌灾害失稳破坏模式示意图 包括充当滑面的岩体结构面以及起侧向切割作用的岩体结构面、，所形成的危岩体沿着岩体结构面向斜坡临空面滑移。滑移面由贯通的岩体结构面或软弱岩层层面形成，其倾向与斜坡临空面坡向基本一致或小角度相交，且倾角小于坡面坡角，但大于岩体结构面内摩擦角。图为研究区内发育的典型平面滑移式崩塌灾害点，该边坡发育贯通性好且以与斜坡坡向基本一致的节理面充当滑面，两侧发育两组近垂直的节理面切割形成崩塌体的左右边界。楔形体滑移式崩塌灾害楔形体滑移式崩塌灾害（见图）由两组异倾向的岩体结构面和斜坡临空面共同切割而成，这两组岩体结构面的交线 需倾向斜坡临空面且与其交角较小，交线倾角需小于坡角且大于岩体结构面综合内摩擦角 。图为研究区内发育的典型楔形体滑移式崩塌灾害点，该边坡岩体被两组结构面共同切割成楔形体，边坡开挖形成临空面后，岩体结构第期黄肖萍等：考虑岩体结构面组合的区域崩塌灾害易发性评价图平面滑移式崩塌灾害典型照片 y 面的交线倾角小于斜坡临空面的倾角，楔形体沿着岩体结构面交线滑出。a图楔形体滑移式崩塌灾害失稳破坏模式示意图 图楔形体滑移式崩塌灾害典型照片 y 坠落式崩塌灾害坠落式崩塌灾害（见图）由陡倾节理或裂隙、切割形成，同时由于岩体差异风化、下部岩块掉落或人工开挖无法对上部岩体提供支撑，危岩体在重力作用下失稳坠落而发生。图为研究区内发育的典型坠落式崩塌灾害点，该边坡岩体岩性为上部厚层硬质砂岩，下部泥质粉砂岩夹薄煤层的软弱岩层，岩体差异风化在坡脚处形成凹腔，边坡岩体由b2b1a图坠落式崩塌灾害失稳破坏模式示意图 岩层层面和侧向近直立节理面切割，在重力作用下发生坠落式失稳破坏。该边坡岩体内发育的结构面主要对岩体的完整程度和块体的切割程度产生影响，岩体结构面方向与斜坡临空面坡向的空间组合关系不是危岩体失稳的主要控制因素。图坠落式崩塌灾害典型照片 y 岩体优势结构面与斜坡临空面的空间组合模式分析基于上述崩塌灾害失稳破坏模式及岩体结构面组合特征的分析，崩塌灾害的成生受关键岩体结构面（滑移面和切割面）与斜坡坡向空间组合关系的控制，同时岩体优势结构面与斜坡临空面的空间角度关系影响了崩塌灾害发生的难易程度。由此，本文提出考虑岩体优势结构面与斜坡临空面空间组合模式的斜坡单元内崩塌灾害发生概率的计算方法，计算了不同斜坡坡向单元内发生平面滑移式崩塌灾害和楔形体滑移式崩塌灾害的概率，并分析崩塌灾害的易发坡向。对于坠落式崩塌灾害，由于其失稳破坏主要受下部临空面及侧向切割面发育程度的影响，岩体结构面与斜坡坡向的空间组合关系对其发生概率的影响相对较弱，在满足存在下部临空面及侧向切割面分离形成独立岩块的前提下，可以认为不同斜坡坡安全与环境工程 ：第 卷向发生坠落崩塌灾害的概率基本相同。岩体结构面的发育规律主要受地层岩性和构造活动的控制。研究区内的地层岩组界线与主要构造 铁峰山背斜的轴线方向基本一致，因此依据地层岩组界线将研究区划分为组地层、共 个分区进行了岩体结构面统计（巴东组地层因出露面积极小不参与统计；受通行条件限制，难以测得须家河组地层岩性段的数据，故将其合并为一段进行统计）。基于野外岩体结构面测量数据（见图），绘制了研究区各分区岩体结构面和结构面交线的等密度图，本文以组地层的岩体结构面和岩体结构面交线等密度图为例进行了展示，见图 和图，从而得到研究区岩体优势结构面的发育规律。岩体图研究区岩体结构面测量点平面分布图 y y 将斜坡临空面坡向以 为间隔划分成 个不同斜坡坡向的小单元 见图（），分别计算每个斜坡坡向单元与岩体优势结构面组合后发生平面滑(a)岩体溪庙组(b)新田沟组()自流井组(d)珍珠冲组(e)须家河组施密特密度岩体结构面密度百分比须%0.001.001.002.002.003.003.004.004.005.005.006.007.008.008.009.009.0010.00c图 研究区岩体结构面等密度图 y y 0.001.001.002.002.003.003.004.004.005.005.006.007.008.008.009.009.0010.00(a)岩体溪庙组(b)新田沟组()自流井组(d)珍珠冲组(e)须家河组施密特密度岩体结构面百分密度比分比须%c图 研究区岩体结构面交线等密度图 y y y 0.002.002.004.004.006.006.008.008.0010.0010.0012.0012.0014.0014.0016.0016.0018.0018.0020.006565岩体溪庙组新田沟自田沟流沟 自a沟 自bb2b1a须 aNESW井珍珠珍溪冲须家河施珍溪密特度须%NWSE岩体结构面百珍溪比 15.469 1%S4N4N3S3S1N1N2S2图 崩塌灾害破坏概率计算模式图 y第期黄肖萍等：考虑岩体结构面组合的区域崩塌灾害易发性评价移式崩塌灾害的概率和楔形体滑移式崩塌灾害的概率，并通过某一角度范围内岩体结构面的发育密度来表征该方向内出现该岩体优势结构面的概率，由此定义岩体结构面等密度概率，其计算公式为（）式中：为岩体结构面密度等级，根据岩体结构面密度值将其划分为 个等级，；为斜坡坡向单元内岩体结构面密度等级对应的面积（）；为岩体结构面等密度圆的半径（）。根据 崩 塌 灾 害 破 坏 概 率 计 算 模 式 图 见图（），结合图（）的统计结果，将与滑移面倾向相垂直的方向向两边各延伸 作为岩体结构面、的倾向计算范围，采用式（）计算每个斜坡坡向单元内岩体结构面的等密度概率和岩体结构面、的等密度概率、，以及楔形体滑移式崩塌灾害中岩体结构面交线