本發(fā)明涉及一種地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)技術(shù)，具體涉及一種山地滑坡預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

滑坡是一種全球普遍存在并產(chǎn)生嚴(yán)重破壞力的自然地理災(zāi)害。山地滑坡主要是指山地斜坡的土體或巖體，在受到河流沖刷、地下水活動(dòng)、地震以及人類(lèi)破壞的因素的影響下，受重力作用，沿軟弱面或軟弱帶，整體的或分散的順坡面向下滑動(dòng)的自然現(xiàn)象。我國(guó)是世界上滑坡災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，全國(guó)有70％的地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，滑坡分布廣泛，目前，受到滑坡災(zāi)害威脅的地區(qū)已占全國(guó)陸地面積的1/5～1/4?？茖W(xué)及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)滑坡發(fā)生的時(shí)間、空間范圍，就顯得十分重要，具有著重要的學(xué)科理論意義和工程實(shí)踐意義。

日本學(xué)者齋藤(M.Satio)在20世紀(jì)60年代提出的滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)公式，可以作為滑坡預(yù)報(bào)研究工作的開(kāi)端。滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)廣義而言，包括時(shí)間預(yù)報(bào)、空間預(yù)測(cè)及災(zāi)害預(yù)測(cè)。嚴(yán)格地說(shuō)，只有上述三個(gè)問(wèn)題得到全部解決，才能說(shuō)做出了全面的滑坡預(yù)測(cè)，才能有效地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，才能最大限度地減輕滑坡災(zāi)害損失。從狹義的角度，滑坡的預(yù)測(cè)又僅指滑坡滑動(dòng)時(shí)間的預(yù)報(bào)。

通?？梢圆扇煞N方式來(lái)進(jìn)行滑坡的空間預(yù)測(cè)，第一種是基于物理確定模型和工程地質(zhì)的方法，將物理機(jī)制作為滑坡發(fā)生的基礎(chǔ)，并使用數(shù)學(xué)模型對(duì)斜坡穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行定量的描述。顯然，這種定性模型的確定需要收集大量的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)等方面的數(shù)據(jù)，一般只適合與特定滑坡的監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，很難實(shí)現(xiàn)大范圍的滑坡評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)；第二種則是基于統(tǒng)計(jì)分析理論，該方法不必大量收集物理特性方面的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)歷史滑坡事件失穩(wěn)因素的特征分析進(jìn)而預(yù)測(cè)未來(lái)滑坡的產(chǎn)生趨勢(shì)，可見(jiàn)對(duì)于大范圍的滑坡區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)滑坡發(fā)生的地形、地質(zhì)等內(nèi)部條件確定的情況下，諸多外部因素中，降水無(wú)疑成了激發(fā)滑坡產(chǎn)生的最主要的外因之一。國(guó)內(nèi)外眾多研究者在充分考慮地形地貌、地質(zhì)條件與力學(xué)性質(zhì)等內(nèi)在因素下，研究降水、徑流量、地下水等因素與滑坡在時(shí)空分布上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而開(kāi)展區(qū)域滑坡災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)研究，并已取得了顯著成效。

大多數(shù)滑坡發(fā)生在降雨作用期間，降雨是滑坡活動(dòng)最主要的觸發(fā)因素與動(dòng)力來(lái)源。因此，多數(shù)滑坡的發(fā)生時(shí)間都與雨季對(duì)應(yīng)，尤其是與暴雨、大暴雨的頻次相關(guān)聯(lián)，短時(shí)間的持續(xù)暴雨，會(huì)導(dǎo)致災(zāi)害群的出現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)外利用降水作為滑坡預(yù)報(bào)的臨界值，基本方法都是采用統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)歷史滑坡和當(dāng)?shù)亟邓Y料進(jìn)行分析，選擇統(tǒng)計(jì)意義上的臨界點(diǎn)來(lái)作為降水誘發(fā)滑坡災(zāi)害的臨界值。

土壤含水量又是一個(gè)影響坡面土壤侵蝕和水文過(guò)程的重要因素，它會(huì)導(dǎo)致坡面形成不同的濺蝕和水蝕速率，其作為影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙、入滲以及徑流初始時(shí)間的重要因素已被大量相關(guān)研究所證實(shí)。土壤含水量會(huì)影響降雨過(guò)程中入滲和徑流的分配，隨之影響滑坡的發(fā)生時(shí)間，土壤含水量的升高降低了土壤吸濕量，在長(zhǎng)時(shí)間的濕潤(rùn)狀態(tài)下，土壤顆粒吸水膨脹，使顆粒間空隙縮減，這是坡面產(chǎn)流受土壤含水量影響的基本原因。

土壤入滲是指水分進(jìn)入土壤形成土壤水的過(guò)程，它是降水、地面水、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。土壤滲透性是描述土壤入滲快慢的極為重要的土壤物理特征參數(shù)之一，土壤滲透性越好，地表徑流就會(huì)越少，土壤流失量就相應(yīng)減少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種山地滑坡預(yù)測(cè)方法，其能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)山體滑坡的位置與時(shí)間。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種山地滑坡預(yù)測(cè)方法，包括下述的步驟：

繪制山體等高線(xiàn)圖；

測(cè)量出山體土層厚度，繪制山體基巖等高線(xiàn)圖；

根據(jù)山體等高線(xiàn)圖和山體基巖等高線(xiàn)圖，預(yù)測(cè)山體滑坡地點(diǎn)，所述地點(diǎn)基巖坡度變化在25.0～45.0°之間，且土層厚度在15cm以上；

在預(yù)測(cè)的山體滑坡地點(diǎn)處對(duì)其土壤進(jìn)行入滲率的測(cè)量；

由下式預(yù)測(cè)山體滑坡時(shí)間t：

其中，H為土層厚度，mm；pb為土壤容重，g/cm³；i為土壤入滲率，mm/h。

在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述繪制山體等高線(xiàn)圖是由野外實(shí)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，先生成Delaunay三角網(wǎng)，再利用內(nèi)插法生成閉合等高線(xiàn)圖。

在一個(gè)具體實(shí)施例中，根據(jù)山體不同海拔高度等級(jí)測(cè)量山體土層厚度，在此基礎(chǔ)上繪制山體基巖等高線(xiàn)圖，將兩個(gè)等高線(xiàn)圖進(jìn)行疊加，預(yù)測(cè)易發(fā)生滑坡區(qū)域。

在一個(gè)具體實(shí)施例中，入滲率的測(cè)量利用點(diǎn)源入流測(cè)量法。

在一個(gè)具體實(shí)施例中，入滲率的測(cè)量是每隔一定時(shí)間拍下土壤濕潤(rùn)的照片，識(shí)別與計(jì)算地表濕潤(rùn)面積。

在一個(gè)具體實(shí)施例中，t_n時(shí)刻入滲率i_n，單位mm/h：

q為供水流量，L/h；ΔA_n為t_n-t_n-1時(shí)段地表增加的濕潤(rùn)面積，mm²。

本發(fā)明基于滑坡產(chǎn)生的機(jī)理?xiàng)l件，對(duì)滑坡預(yù)測(cè)進(jìn)行系統(tǒng)化研究分析，確定合適的數(shù)學(xué)模型。本發(fā)明的滑坡預(yù)測(cè)方法是依據(jù)山體土壤隨時(shí)間的變化關(guān)系，將山體等高線(xiàn)圖、山體基巖等高線(xiàn)圖、坡度、土層厚度作為評(píng)價(jià)因子預(yù)測(cè)山地滑坡地點(diǎn)，考慮了不同海拔重力作用下，山體基巖坡度變化較大的位置，導(dǎo)致土層受力不用，因此能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)滑坡位置。而且根據(jù)土壤入滲率、土壤容重、土壤含水量等參數(shù)，進(jìn)行公式計(jì)算出預(yù)測(cè)山地滑坡時(shí)間，從而比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)山地滑坡的時(shí)間。

附圖說(shuō)明

圖1為閉合等高線(xiàn)圖；

圖2、3為山體基巖等高線(xiàn)圖；

圖4為流水灣滑坡剖面圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

本發(fā)明提供的一個(gè)具體實(shí)施例的滑坡預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟1：繪制山體等高線(xiàn)圖，將山體按等高線(xiàn)劃分為不同海拔等級(jí)：由野外實(shí)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)(坐標(biāo)、實(shí)測(cè)高程)，利用專(zhuān)用儀器采集后生成點(diǎn)類(lèi)型的數(shù)據(jù)文件。通過(guò)VBA開(kāi)發(fā)的等高線(xiàn)自動(dòng)繪制程序?qū)朐摂?shù)據(jù)文件，生成Delaunay三角網(wǎng)。搜索第一個(gè)等值點(diǎn)，利用內(nèi)插法，在三角網(wǎng)邊上計(jì)算等值點(diǎn)坐標(biāo)，然后按某一方向進(jìn)行等值點(diǎn)追蹤。如果追蹤回到起點(diǎn)，則生成閉合等高線(xiàn)圖，如圖1。

步驟2：測(cè)量出山體土層厚度，根據(jù)步驟1的方法，得到新的高程，繪制山體基巖等高線(xiàn)圖，得到圖2，圖3；

此時(shí)將兩個(gè)等高線(xiàn)圖進(jìn)行疊加，可清楚界定不同海拔，基巖坡度變化突出位置，以及該位置的土壤深度狀況；兩者的疊加更加直觀的觀測(cè)出，在山體基巖上的土壤深度與山體坡度分布情況，從而得到可能發(fā)生滑坡的山體位置與滑坡體。

研究發(fā)現(xiàn)，基巖坡度變化在25.0～45.0°之間，且土層厚度在15cm以上的地點(diǎn)，滑坡發(fā)育概率最高。由此確定山地滑坡的位置。

步驟3：在步驟2確定的山體滑坡的位置處對(duì)其土壤進(jìn)行入滲速率的測(cè)量，利用現(xiàn)有的點(diǎn)源入流測(cè)量法。該試驗(yàn)方法原理簡(jiǎn)單、相對(duì)省水，對(duì)土表要求較低，能夠較好地適用于野外測(cè)量，同時(shí)也能達(dá)到較高的測(cè)量精度。該方法最大限度地克服了降雨法雨滴打擊或雙環(huán)法快速濕潤(rùn)土壤產(chǎn)生的地表土壤結(jié)果破壞/結(jié)皮對(duì)土壤入滲性能的影響，因此測(cè)量得到的是土壤本身所固有入滲性能。

基于土壤入滲性能以及點(diǎn)源入流測(cè)量方法的基本原理結(jié)合相應(yīng)數(shù)學(xué)計(jì)算模型估計(jì)試驗(yàn)過(guò)程中土壤的入滲性能。運(yùn)用水量平衡原理得出在入滲過(guò)程中入滲率與供水流量的關(guān)系：

式中，q為供水流量，L/h；i為入滲率，mm/h；A為濕潤(rùn)面積，m²；K為量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)。

由上式得到t_n時(shí)刻入滲率i_n，單位mm/h：

ΔA_n為t_n-t_n-1時(shí)段地表增加的濕潤(rùn)面積，mm²。

土壤入滲率自動(dòng)計(jì)算原理：采用土壤入滲測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)相機(jī)每隔一定時(shí)間拍下土壤濕潤(rùn)面積的照片，同步傳輸入計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)中自動(dòng)記錄地表濕潤(rùn)面積圖像的時(shí)間間隔，并通過(guò)圖像處理軟件，根據(jù)土壤濕潤(rùn)程度的灰度值對(duì)圖像進(jìn)行解析，從而識(shí)別與計(jì)算地表濕潤(rùn)面積。具體來(lái)說(shuō)，包括如下步驟：

1)平整好試驗(yàn)區(qū)域，均勻撒上一層過(guò)2mm篩后的干土(以便系統(tǒng)識(shí)別)；

2)連接好設(shè)備各個(gè)部分(連接供水裝置、裝好相機(jī)并與電腦相連)；

3)打開(kāi)恒定供水裝置，設(shè)好轉(zhuǎn)速為56r/min即恒定出水流量為10.8L/h。并記錄好時(shí)間；

4)啟動(dòng)土壤入滲測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)拍攝與分析；

5)在計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)中輸出數(shù)據(jù)。

研究發(fā)現(xiàn)，在容重為1.20g/cm³至1.40g/cm³范圍內(nèi)，穩(wěn)定入滲率的變化幅度為±9.59％，土壤穩(wěn)定入滲率受坡體內(nèi)土壤孔隙程度影響較小。坡體土壤水分含量未飽和時(shí)，濕潤(rùn)鋒在土體內(nèi)部變化過(guò)程中，土壤入滲率無(wú)明顯變化，且入滲率趨于穩(wěn)定過(guò)程中，均下降速度快，趨于穩(wěn)定入滲速率的時(shí)間縮短。由此我們假定在降雨過(guò)程中入滲率的平均速度即為穩(wěn)定入滲率的速率，且不考慮坡體下方有支撐的情況下。可以由此推算出滑坡時(shí)間：

當(dāng)土體下方形成水膜時(shí)滑坡開(kāi)始，此時(shí)土體內(nèi)的田間含水量V1為：

V₁＝S*H*K*0.7

其中，S為土體橫截面積(mm²)，H為土層厚度(mm)，K為土壤孔隙度，其計(jì)算公式為：

其中，pb為土壤容重(g/cm³)，2.65為土壤密度(g/cm³)。而土體中的水分體積還可由土壤入滲過(guò)程計(jì)算得出：

V₁＝t*S*i

其中，t為滑坡時(shí)間(h)，S為土體橫截面面積(mm²)，H為土層厚度(mm)，i為土壤入滲率(mm/h)。由以上三式可得出：

S*H*K*0.7＝t*S*i

驗(yàn)證實(shí)例：

2010年7月14日09:00，重慶市黔江區(qū)舟白街道平壩社區(qū)二組(29°30'5″N，108°49'34″E，海拔為435-550m)流水灣坡體向阿蓬江方向發(fā)生大規(guī)模滑動(dòng)。

1、滑坡位置的確定

如圖4，山體坡度處于25.0°-45.0°之間為滑坡發(fā)育概率最高地，流水灣滑坡位于阿蓬江的右岸，原始斜坡呈微凹形，平均地形坡角約35°。坡體前緣臨阿蓬江，為陡坡，坡角約50°，坡高5-10m。前緣高程435m，后緣高程550m，相對(duì)高差115m?；潞缶墳槎秆?，坡體結(jié)構(gòu)類(lèi)型為土質(zhì)反向斜坡?？梢灶A(yù)測(cè)出流水灣為滑坡發(fā)生地點(diǎn)。

2、滑坡時(shí)間的確定

參考容重對(duì)土壤水分入滲能力影響模擬試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)得出3.90-4.30cm的大粒徑碎石混合過(guò)程中容易形成大孔隙，故混合物初始入滲速率較高，入滲較快，均勻夯實(shí)情況下初始入滲速率為1.01mm/min，穩(wěn)定入滲速率為0.13mm/min，穩(wěn)定入滲時(shí)間331.03min。根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r取入滲速率7.8mm/h。

此滑坡區(qū)的地表物質(zhì)組成多為礫巖塊碎石、粉砂巖、泥巖碎石土及粉質(zhì)粘土，塊碎石含量約65％，粒徑5-35.7cm，土體厚度為4-12m。粉砂巖的平均容重為2.59g/cm³，粉質(zhì)粘土的平均容重為2.52g/c m³，泥質(zhì)粘土的平均容重為2.28g/cm³，取其平均值作為滑坡區(qū)域的土壤容重2.46g/cm³。

通過(guò)公式可以計(jì)算出t為51.5h。2010年7月8－11日，黔江區(qū)遭受了持續(xù)3d的強(qiáng)降雨，7月14日09:00發(fā)生滑坡災(zāi)害，即降水后57h后發(fā)生滑坡，與理論值的誤差僅在11.6％。

由于缺乏當(dāng)?shù)厝霛B率與土壤容重?cái)?shù)據(jù)，僅參考其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)估算當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到預(yù)算時(shí)間準(zhǔn)確率依然較高，說(shuō)明此滑坡響應(yīng)時(shí)間計(jì)算模型能夠?qū)曼c(diǎn)進(jìn)行較準(zhǔn)確的估測(cè)。