淺談滑坡敏感性因素

1對我國宏觀滑坡風(fēng)險(xiǎn)的對策滑動滑動影響因素的變化通常通過在研究區(qū)域中配置一些觀測設(shè)備來監(jiān)測，而對于大型區(qū)域，這是一項(xiàng)極其困難和需要時(shí)間的工作。過去的滑坡災(zāi)害研究偏重單體滑坡事例的防治對策研究,而事實(shí)上滑坡災(zāi)害的研究重點(diǎn)應(yīng)是要探索一條從區(qū)域滑坡空間預(yù)測、中長期時(shí)間預(yù)報(bào)到滑坡易發(fā)區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究的系統(tǒng)理論與方法,從而為更有效地減少我國宏觀滑坡的損失發(fā)揮作用。從減少宏觀滑坡災(zāi)害的角度,區(qū)域空間預(yù)測研究要優(yōu)先于單個(gè)滑坡防治研究,中長期預(yù)報(bào)研究比短期預(yù)報(bào)研究重要,山區(qū)土地使用必須進(jìn)行滑坡敏感性評價(jià)。1.1滑坡敏感性分析滑坡的不穩(wěn)定性涉及到很多方面的問題,如地形、地質(zhì)、氣象因素和涉及的范圍等?；碌拿舾行苑治?Susceptibility)包括2個(gè)方面:①滑坡敏感性相關(guān)的各種內(nèi)在的影響因子,如地質(zhì)、坡度、坡向特性、海拔高度、土壤特性、植被覆蓋等因素;②這些因子及其組合使滑坡出現(xiàn)的概率分析。這里指的被研究滑坡區(qū)域,其滑坡敏感性分析是根據(jù)該區(qū)域滑坡的歷史資料,利用航空遙感技術(shù)或GPS開展地面調(diào)查,進(jìn)行滑坡識別、空間分布定位,分析滑坡生成條件、類型特征和活動史,并給出滑坡的詳細(xì)幾何描述。滑坡敏感性評價(jià)不包括任何含義的滑坡發(fā)生時(shí)間上的預(yù)測,這是敏感性評價(jià)的重要特征。1.2滑動適應(yīng)性分析示例滑坡敏感性分析的方法總體上分為定性、定量的方法。1.2.1定性方法主要根據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)對滑坡的變形失穩(wěn)的敏感性進(jìn)行定性描述。定性方法主要是通過研究人員對所研究問題的經(jīng)驗(yàn)判斷。其判斷所需要的數(shù)據(jù)主要來自于現(xiàn)場勘察,或者進(jìn)行航片判讀的結(jié)果,因此這種方法又可以稱為專家評估法。1.2.2敏感性評價(jià)方法對滑坡發(fā)生失穩(wěn)的敏感性進(jìn)行數(shù)學(xué)或數(shù)值算法上的估計(jì)。定量的方法根據(jù)應(yīng)用的工具不同又可以分為統(tǒng)計(jì)分析模型、確定性模型、概率模型,這些方法也各有自己的優(yōu)勢和不足。1)統(tǒng)計(jì)分析模型:通過對各種基本圖件與滑坡分布的統(tǒng)計(jì)分析,進(jìn)行滑坡的敏感性評價(jià)。2)確定性模型:建立在滑坡失穩(wěn)的物理機(jī)制基礎(chǔ)上。一般采用靜力模型如無限斜坡模型,考慮沿敏感滑動面的局部極限平衡條件。但這種方法仍然存在許多局限性,包括模型過于簡單,巖土工程參數(shù)收集困難,參數(shù)空間分布規(guī)律不易獲得,對于各種復(fù)雜的滑坡類型的模型建立十分困難。3)概率模型:用破壞的概率來表示,破壞的概率由穩(wěn)定性系數(shù)決定,而穩(wěn)定性系數(shù)是確定性模型中各種關(guān)鍵性參數(shù)決定的,而除這些參數(shù)的估計(jì)具有不確定性外,同時(shí)還和工作方法的不確定性有關(guān),這些不確定性導(dǎo)致了概率方法的產(chǎn)生。本文主要以統(tǒng)計(jì)分析為理論基礎(chǔ),以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊評判為工具對滑坡的敏感性進(jìn)行分析。2滑動適應(yīng)性分析和步驟2.1邊坡立地條件類型滑坡地質(zhì)災(zāi)害的穩(wěn)定性影響因素,可以分為2大類(WuandSidle1995):1)內(nèi)在因素:即對滑坡體產(chǎn)生滑坡的敏感性具有決定作用的因素,包括巖性L(Lithology)、坡度SG(SlopeGradient)、坡向SA(SlopeAspect)、斜坡高度E(Elevation)、斜坡的類型ST(Slopetypes)、植被V(Vegetable)、水流W(Water)、與斷裂帶距離F(Fracture)、巖石體積密度(γ)、粘結(jié)力(c)、內(nèi)摩擦角(φ)、孔隙壓力比(γu)和土地利用情況LU(Landuse)等。2)外在因素:即主要是起觸發(fā)滑坡的因素,包括強(qiáng)降雨和地震等突發(fā)因素。顯然,滑坡的發(fā)生的可能性由以上2個(gè)方面決定,但外在因素的變化是一個(gè)非常短的過程,一般是很難估計(jì)的;因此正如前述的內(nèi)在因素的分布決定了被研究地區(qū)滑坡發(fā)生的敏感性。2.2滑坡敏感性因素量化方法對影響滑坡的各因素進(jìn)行分類,以區(qū)別某因素中的哪一類對滑坡較敏感。選出對所研究區(qū)域滑坡具有較強(qiáng)影響的因素作為滑坡敏感性分析的因子,主要是巖性、坡度、坡向、斜坡高度、斜坡類型、植被、水流、斷裂因素作為與滑坡敏感性緊密相關(guān)的因素。并對進(jìn)行分類,見表1。在收集滑坡數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,可以對滑坡敏感性因素的類別進(jìn)行量化,量化的結(jié)果只對該區(qū)域有效。因素指標(biāo)的量化的方法一般是選取各因素所包含單位面積的滑坡面積(滑坡面積與所選因素目標(biāo)面積比值)參數(shù)作為描述滑坡與影響滑坡因素的關(guān)系參數(shù)。本文采取滑坡影響因素的不同分布區(qū)間出現(xiàn)的相對頻率對滑坡因素指標(biāo)數(shù)量化,設(shè)RPmi為因素m的第i類出現(xiàn)的相對頻率,則有(1)式:RΡmi=ΡmiΡmRPmi=PmiPm(1)其中Pmi為出現(xiàn)滑坡的i類型面積,Pm為i類型的總面積。用(2)式來表示滑坡的敏感性程度。z=x1+x2+?+xi(i=1~m)z=x1+x2+?+xi(i=1~m)(2)其中xi為各因素相對頻率,顯然,z值大發(fā)生滑坡的可能性也大。為了便于后續(xù)計(jì)算,將z用(3)式作歸一化處理,并按區(qū)間對滑坡敏感的等級進(jìn)行劃分(表2)。s=(11+e-z-0.5)/0.5s=(11+e?z?0.5)/0.5(3)2.3基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法的敏感性評價(jià)方法滑坡現(xiàn)象受多種因素的影響,各種因素所起作用的大小、性質(zhì)是不相同的?？梢赃@樣認(rèn)為,在各種不同的地質(zhì)環(huán)境中,對于滑坡而言,總會存在一種“最佳因素組合”,其中包括最必要的因素個(gè)數(shù)及其具體狀態(tài)。因此,必須綜合“滑坡因素組合”,而不是停留在單個(gè)因素的研究上。1)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法是進(jìn)行滑坡敏感性評價(jià)的較新的方法,它比較突出的特點(diǎn)是不需要建立所研究的問題的物理概念模型,可以較好處理其他方法難以解決的不確定性或非線性的問題,它是一種黑箱分析模型,通過對輸入樣本的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)輸出合理的學(xué)習(xí)結(jié)果。2)由于滑坡體從穩(wěn)定到滑坡中間經(jīng)歷了一個(gè)從量變到質(zhì)變的連續(xù)過渡過程,滑坡體由穩(wěn)定到不穩(wěn)定中間沒用明顯的界限,具有模糊性的特征,利用模糊評判可以對滑坡體進(jìn)行識別和分類。其具體流程如圖1所示。3實(shí)例分析3.1從易暴力性分析初步判斷針對我國香港地區(qū)某區(qū)域的滑坡情況,依(1)式計(jì)算某個(gè)因素下發(fā)生滑坡的相對頻率,結(jié)果如表2所示。根據(jù)因素的相對頻率可對某因素進(jìn)行敏感性分析的初步判斷,從表2可以看出巖性因素中,第3、4類滑坡的敏感性較強(qiáng);斜坡坡度在30°以上的敏感性較高,這類坡度范圍的斜坡最易產(chǎn)生滑坡;對于斜坡的坡向,北向似乎不很敏感;對于高程因素,100m～500m是滑坡最敏感地帶;斜坡類型形態(tài)說明了凹型坡比其他類型的形態(tài)更易產(chǎn)生滑坡。3.2滑動梯度分析3.2.1matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于該區(qū)域滑坡對植被因素和水流因素似乎不太敏感,因此,選取6因素?；旅舾行栽u價(jià)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為5-10-10-1,以Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱為工具,網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元激活函數(shù)均為Sigmoid函數(shù),網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差為10-6,訓(xùn)練最大代數(shù)為1000;利用數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,然后利用訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)對選取的樣本(表3)進(jìn)行驗(yàn)證評價(jià),并與其實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較(表4)。3.2.2各因素權(quán)重分配利用模糊評判法進(jìn)行分析,同時(shí)可以驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析的結(jié)果。因素論域U={u1,u2,…,uN}的模糊子集為:A=Ν∑i=1aiui=a1u1+a2u2+?+aΝuΝ=(a1a2?aΝ)(4)其中,ai表示因素ui(i=1為巖性、2為坡度、3為坡向、4為斜坡、5為高度、6為植被)在總評價(jià)指標(biāo)中所起作用的程度權(quán)重,其值是根據(jù)層次分析法并結(jié)合實(shí)際情況權(quán)衡各因素的重要程度而定的,因素評判權(quán)重分配如表5所示。故A=(0.240.290.080.130.050.21)。取評語集為:Yi=(y1y2y3)i=1~6Y=(Y1Y2Y3Y4Y5Y6)Τ(5)其中,y1表示高敏感,y2表示敏感,y3不敏感。按表1中的各因素(選取6因素)和表3中的滑坡發(fā)生的相對頻率確定各因素屬于這Y中3類的隸屬度。1巖石當(dāng)u1為第3、4類時(shí),Y1=(0.650.350);當(dāng)u1為其他類時(shí),Y1=(00.350.65)。2傾斜當(dāng)u2為3、4、5、6類時(shí),Y2=(0.490.490.02);當(dāng)u2為其他類時(shí),Y2=(0.010.010.98)。34傾斜方向當(dāng)u3為各類時(shí),Y3=(0.330.340.33)。4傾斜當(dāng)u4為第1類時(shí),Y4=(0.620.190.19);當(dāng)u4為第2、3類時(shí),Y4=(0.190.190.62)。5計(jì)算0.97.4.4當(dāng)u5為第2、3、4、5類時(shí),Y5=(0.440.440.12);當(dāng)u5為1、6、7、8類時(shí),Y5=(0.060.060.88)。6組患者高敏感、高敏感、高敏感性評判結(jié)果當(dāng)u6為第1、2、3、4類時(shí),Y6=(0.470.480.05);當(dāng)u6為第5類時(shí),Y6=(0.020.030.95)對表3樣本1進(jìn)行評判,其評判矩陣為:Y=(Y1Y2Y3Y4Y5Y6)T則綜合評判結(jié)果為:B=A×Y=(0.240.290.080.130.050.21)×(0.650.350.000.490.490.020.330.340.330.620.190.190.440.440.120.470.480.05)=(0.530.400.07)按取大原則,樣本1為高敏感。同法對表3其他樣本進(jìn)行評判,結(jié)果見表3。4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)越性1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算值與映射值結(jié)果差值的均值為0,方差為0.001;說明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過樣本學(xué)習(xí)后是可以反映滑坡的敏感程度的;利用模糊評判得到的結(jié)果與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的結(jié)果一致。但2類評判模型的結(jié)果與樣本8和13的實(shí)際情況不一致;說明滑坡的敏感陷阱與不敏感性之間沒有絕對的界限,是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過程。2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身具有高度的非線性映射能力,能夠很好地模擬滑坡的可能性與滑坡各影響因子之間的復(fù)雜關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)模型可以多次運(yùn)行和改進(jìn),具有較大的靈活性。應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對滑坡穩(wěn)定性評價(jià)時(shí),關(guān)鍵在于對滑坡敏感性產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行合理地分析量化后,提取影響滑坡敏感性敏感的因素作為網(wǎng)絡(luò)輸入神經(jīng)元,準(zhǔn)確地建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知模型,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只能模擬滑坡的可能性與影響滑坡各因素之間的映射關(guān)系,不能回