基于数值模拟的单体滑坡定量风险评价研究——以甘肃黑方台黄土滑坡为例

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黄土高原自古便是华夏农耕文明诞生和延续之地,我国黄土主要分布于山西、陕西、甘肃东南部和河南西部地区,由于黄土孔隙较大、水敏性强、力学性质弱及节理裂隙发育等特性,使得黄土滑坡成为我国产生数目最多、危害最严重、影响最恶劣的突发性地质灾害之一。虽群测群防体系不断完善、专业监测站点稳步增多,但我国各地区地质条件复杂、环境差异巨大,目前仍有许多灾难性的单体滑坡发生,造成了巨大人员伤亡和经济损失。开展单体滑坡风险评价,定量划分危险区域并准确判定损失等级,对地质灾害防控和规划选址有重要指导意义。以甘肃黑方台黄土滑坡群为研究对象,基于数理统计分析和数值模拟方法开展此研究。首先,通过26期高精度高程和影像数据对历史滑坡进行解译编录,建立滑坡发生时间-体积规模数据库,并以古典概型理论计算不同体积类型滑坡的复活概率;其次,借助地表灾害动力过程软件Massflow对12起典型黄土滑坡进行数值反演,在空间、动力学方面选取评价指标定量筛选出最优值,依据小样本均匀分布参数的区间估计和极大似然检验法,建立定量数值参数取值概率模型,并以2起滑坡验证该模型的准确性;然后,结合黄土滑坡早期识别标识圈定潜在物源边界并构建数值计算模型,将其与计算参数正交组合后进行危险范围预测和运动特征分析;最后,结合历史滑坡对房屋、道路、农田造成的破坏,定量划分物质和环境承灾体易损性等级,并依据党川地区抽样调查获得的人口结构、教育水平、防灾意识结果,采用Python平台建立人员逃生情景模拟,定量分析滑坡致死率和人员易损性,并给出不同位置的最佳逃生路线。本文主要结论如下:(1)黑方台不同种类滑坡危险性差异较大。从发育类型来看,由于发生频率小且运动距离较近,黄土基岩型滑坡目前为危险性最小的一类,而静态液化型、滑移崩塌型、黄土泥流型黄土滑坡具有较大危险性;从体积规模来看,潜在滑坡体积复活概率由小到大依次为:特大型(>3×10~5 m~3,Pr=0.0306)、大型(1×10~5-3×10~5m~3,Pr=0.1429)、中型(1×10~4-1×10~5 m~3,Pr=0.2755)、小型(<1×10~4 m~3,Pr=0.5510)。(2)基于数值反演建立了定量参数取值概率模型。据滑坡颗粒级配实验结果显示,不同区位的粒组成分相对稳定、空间变异性较小,反演过程中地形限制越大则滑坡重力势能转换动能的过程越慢,即最优结果所需的基底摩擦角δ越大,结合误差分析并剔除异常λ后,采用10起样本建立了区间边界值为0.3799、0.7301的均匀分布参数取值概率模型。(3)定量划分了滑坡危险范围和潜在运动过程。利用三维地形网格变形差分技术,可较好的甄别滑坡发育过程中崩落、垮塌现象,而基于历史影像可解决前者对地裂缝、土洞等地貌特征识别困难的问题,将二者结合可确定潜在物源边界位置;滑坡沿后缘后退率K通常小于0.4,模拟预测结果表明坡体下方水渠、供电线路、房屋及农田将受到严重威胁(Pr>0.1),滑坡失稳后潜在运动时间约30 s-50 s,启动后7 s左右即可达到平均峰值速度,数值模拟速度随体积的增大而急剧变大,其中大型滑坡前缘瞬时速度高达25 m/s。(4)物质易损性差异较大,预警时间可有效提高人员存活概率。在物质易损性评价中,输电线路、通讯线路、灌溉沟渠及排水沟渠、砖混结构的房屋将会被完全损害(V=1);在人口易损性评价中,人员暴露在危险范围内的时间概率为8.09%,党川村主要为小学及以下学历的中老年人,43.6%的受测者倾向于平行于滑动方向向前逃生,若以3 m/s的速度进行情景模拟逃生,在无预警时间、无防灾意识时,垂直于滑坡运动方向最为危险,当人员获得6 s的预警时间后,滑坡致死率可控制在较低范围(<3%);在环境易损性评价中,果园、农田等农业用地将会完全被破坏(V=1),而宅基地、基础设施用地能够抵御滑坡底部侵蚀(V=0)。
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