張家界城市核心區(qū)域—南莊坪組團地質災害風險評價

段煉　王璨

摘 要：本次研究充分利用已有地質資料，結合野外調查結果，分析研究了張家界城市核心組團南莊坪組團內地質災害發(fā)育的特點，將研究區(qū)劃分為滑坡、崩塌2類不同災種的風險評價區(qū)，針對災害成生特點，選取了不同評價單元、指標、方法，開展了地質災害風險評價。其創(chuàng)新點：（1）將柵格單元與斜坡單元相結合;（2）風險評價的結果不僅僅是劃分風險區(qū)，而是具體到建筑物、道路的不同路段、人口分布、財產(chǎn)分布。提高了城鎮(zhèn)重要地區(qū)的地質災害風險評價的精細化程度，能更好的指導地質災害的風險管控。

關鍵詞：城市核心組團;柵格單元;斜坡單元;穩(wěn)定概率;破壞概率;經(jīng)濟風險

中圖分類號：P642 22 文獻識別碼：A 文章編號：1672-5603（2022）03-21-08

Risk Assessment of Geological Hazards in the Core of Zhangjiajie City-Nanzhuangping

Duan Lian Wang Can

（1. Hunan Geological Survey Institute， Changsha Hunan 410116;

2. Hunan Geological Disaster Investigation and Monitoring Institute， Changsha Hunan 410009）

Abstract： This study made full use of the existing geological data， combined with the field survey results， analyzed and studied the characteristics of the development of geological disasters in Zhangjiajie urban core area and Nanzhuangping area， divided the study area into two types of risk assessment areas： landslide and collapse， and selected different assessment units， indicators and methods to carry out the risk assessment of geological disasters according to the characteristics of disasters. Its innovations are as follows： firstly， the grid element is combined with the slope element; Second， the results of risk assessment are not only the division of risk areas， but also specific to different sections of buildings and roads， population distribution and property distribution. It improves the refinement of geological disaster risk assessment in important urban areas， and can better guide the risk management and control of geological disasters.

Keywords： urban core area; grid cells; ramp unit; stability probability; failure probability; economic risk.

1 研究區(qū)概況

1.1 孕災地質背景條件

南莊坪組團為張家界市以市政府地塊為核心的行政辦公組團，規(guī)劃區(qū)內形成了“一帶三軸六區(qū)”的空間結構。濱臨澧水河風光帶，是張家界市的行政辦公區(qū)、旅游服務接待區(qū)、商業(yè)居住區(qū)、配套服務區(qū)、個體商業(yè)區(qū)、體育公園區(qū)。

研究區(qū)屬丘陵、沖積平原類型地貌，地勢南高北低，海拔180～809 m。區(qū)內出露地層主要有白堊系、志留系及第四系。志留系地層主要為龍馬溪組，巖性為頁巖、粉砂質頁巖、風化破碎。白堊系洞下場組含礫砂巖分布在中部，裸露基巖易風化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，覆蓋厚約0.5～2.0 m的含礫粘土。第四系主要分布于山坡下部、緩坡、山麓、沖溝中，主要為碎石土、含礫粉質粘土及砂卵石。

1.2 地質災害發(fā)育特征

研究區(qū)地質災害類型主要有滑坡、崩塌兩大類。規(guī)模雖小，但發(fā)育在人類活動地區(qū)，因此對安全影響巨大，存在重大隱患[1]。

崩塌主要發(fā)育在場地的西部，沿省道S306東南側發(fā)育，特點是數(shù)量多，規(guī)模小，對交通安全產(chǎn)生了較大的影響。這主要是由于此處的地層巖性所致。路旁地層為志留系龍馬溪組頁巖和粉砂巖，硬度相對較低，易于破碎，再加上風化作用和人類開鑿修建活動的影響，最終導致沿路存在大量小型崩塌。而且公路東南側的斜坡較為高陡，當發(fā)生崩塌時，塊體的速度和動能較大，即使規(guī)模較小，破壞力仍然很強，對過往的車輛造成巨大威脅[2]。

滑坡主要發(fā)育在研究區(qū)的東部丘陵區(qū)的溝谷人類切坡活動強烈處，如南莊坪街道三眼橋村干柴峪滑坡。該滑坡發(fā)生時間為2003年7月1日，毀壞房屋2間，毀壞道路10 m，造成直接經(jīng)濟損失10萬元，目前仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。該滑坡屬于推移式滑坡，規(guī)模為小型。其所處地層為白堊系洞下場組，巖性為泥巖，較為軟弱，經(jīng)過風化后可形成土壤，遇暴雨容易形成滑坡。原始斜坡坡度為31°，斜坡結構類型為橫向斜坡[3～5]。主滑方向232°，滑坡體為碎屑，滑體厚度2.5 m，體積為2 100 m3。主要由于人工活動引起。

由于崩塌和滑坡的形成原因和作用范圍不同，本次研究將南莊坪場地總研究區(qū)劃分為滑坡風險評價研究區(qū)和崩塌風險評價研究區(qū)，如圖1所示[6]。

2 滑坡地質災害風險評價

2.1 評價單元劃分

本次研究的評價單元采用柵格單元與斜坡單元結合的方式：考慮50年重現(xiàn)期暴雨工況，一方面，基于GIS系統(tǒng)將整個滑坡地災研究區(qū)劃分為5 m×5 m柵格單元，共143 357個;另一方面，根據(jù)坡體形態(tài)、斜坡及巖土體結構、地貌特征、水文單元等特征將此區(qū)分為39個斜坡單元，如圖2所示。

采用無限斜坡模型分別計算出每個柵格單元的穩(wěn)定系數(shù)，統(tǒng)計每個斜坡單元內不穩(wěn)定柵格數(shù)，將不穩(wěn)定柵格數(shù)與每個斜坡單元內柵格總數(shù)的比值作為每個斜坡單元的破壞概率。

2.2 斜坡單元破壞概率

坡度直接影響斜坡的穩(wěn)定性，是斜坡穩(wěn)定性分析的重要因素。以DEM作為基礎數(shù)據(jù)，應用GIS空間分析求解地形坡度數(shù)據(jù)。根據(jù)斜坡坡度劃分標準，將整個場地按斜坡坡度劃分為四類：緩坡（0～15°）、中等坡（15～30°）、陡峻坡（30～45°）、陡坡（>45°），統(tǒng)計不同斜坡類型的面積與所占整個區(qū)域的比例，圖3為整個場地內的斜坡坡度分布圖，緩坡所占比例為42.36%，中等坡所占比例為42.21%，陡峻坡所占比例為14.76%，陡坡相對分布較少[7～8]。

在斜坡坡度分布分析的基礎上，可以計算每個柵格單元的穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)鄭穎人院士根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)對斜坡穩(wěn)定狀態(tài)的分類，可以把整個場地按照穩(wěn)定性系數(shù)的大小分為：不穩(wěn)定（Fs≤1），潛在不穩(wěn)定（1將各個斜坡單元內不穩(wěn)定柵格數(shù)與各個斜坡單元內的柵格數(shù)的比值作為其破壞概率，得到39個斜坡單元的破壞概率，如圖5所示。

其中，13號和37號斜坡單元破壞概率相對其他斜坡較大，依次達到了48.80%和44.00%，23號和22號斜坡單元次之，依次為39.20%和34.30%，有18個斜坡單元破壞概率小于10.00%。

2.3 承災體易損性分析

大部分承災體地處南莊坪場地中部和南部，是場地南部的建筑尤其密集，這些建筑均在滑坡影響范圍內。根據(jù)遙感數(shù)據(jù)解譯和現(xiàn)場調查核實，研究區(qū)內共有374棟建筑物，大部分分布在較為平緩的地區(qū)，少數(shù)分布在坡面之上。建筑物主要包括居民房屋、辦公樓、學校、酒店等，其中居民房屋占大多數(shù)，約為82%，主要為磚混結構;酒店等旅游設施次之，約為12%，辦公樓和學校建筑數(shù)量較少。

綜合考慮結構類型、維護狀況、使用年限等因素，得到最終的承災體易損性，如表1所示。

2.4 滑坡風險分析

本次研究集中于滑坡每年對其所在范圍內的財產(chǎn)造成的風險，稱為滑坡年風險，計算公式如下：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 本次研究中，破壞概率即為滑坡失穩(wěn)概率，到達概率和時空分布概率均設為1.0，上節(jié)得到易損性值。另外，根據(jù)實地調查并結合當?shù)亟ㄖ飭畏皆靸r，得到了每個建筑物的框架價值，即為承災體價值。將這些數(shù)據(jù)按上式計算，最終得到滑坡年風險。

按照風險損失值的大小對研究區(qū)進行分區(qū)，并譜上不同的顏色以區(qū)別整個場地的風險值差異。圖6展示了研究區(qū)滑坡在50年建筑物風險值的情況。

根據(jù)滑坡風險分析結果，其風險主要分布在不穩(wěn)定斜坡的前緣，斜坡前緣一帶建筑物風險值高，可在斜坡坡腳開挖處設置抗滑樁、擋土墻等工程防治措施。

3 崩塌地質災害風險評價

3.1 崩塌易發(fā)性評價

3.1.1? ?評價方法的選取

3.1.2? ?評價因子的選擇與確定

本次評價基于搜集到的數(shù)據(jù)和野外調查資料，利用ARCGIS技術提取出對高程、坡度、坡向、道路、河流等相關因子，建立起區(qū)域地質災害易發(fā)性評價指標體系。

（1）高程

崩塌的發(fā)生與其分布高程密切相關，一方面由于高程使地形坡度具有差異性;另一方面，不同的高程范圍內人類工程活動強度不同，使得不同高程的臨空面條件具有差異性，因而髙程是孕災環(huán)境的重要因子。通過重分類工具可以將高程因素劃分五個級別：165～180 m、180～195 m、195～210 m、210～230 m、230～254 m，如圖7A所示。

（2）坡度

地形坡度對崩塌的發(fā)展演化具有重要作用，可以影響斜坡體地表水的徑流、坡體內地下水的補給與排泄以及崩坡積物的搬運與堆積、斜坡體應力分布特征等。通過重分類工具可以將坡度因素劃分四個級別：0°～10°、10°～20°、20°～30°、30°～59°，如圖7B所示。

（3）坡向

地形坡向對滑坡的影響主要表現(xiàn)在其接受太陽輻射的不同導致不同坡向坡體產(chǎn)生小氣候與水熱比的差異性，進而影響坡體上的植被覆蓋與水體蒸騰。通過重分類工具可以將坡向因素劃分9個級別：平坦、北、北東、東、南東、南、南西、西、北西，如圖7C所示。

（4）道路

在本次評價中，崩塌對道路的影響是一個非常重要的方面，因此道路是一個非常重要的影響因子。而且山區(qū)修建公路是人類活動引發(fā)崩塌的一個重要方面。山體開挖破壞了表層植被和巖體完整性，增大了坡體的臨空面，使得原始比較緩的坡度變得陡峭，上覆土體易于在暴雨的誘發(fā)下產(chǎn)生滑坡。山體基巖暴露在外的面積增加從而巖體更易風化，易于造成坡體的失穩(wěn)?；趯嶋H工作經(jīng)驗，將道路進行三級緩沖：0～50 m、50～100 m和>100 m，如圖7D所示。

（5）河流

河流是誘發(fā)崩塌發(fā)生的主要外因之一。距離河流近的地方，長期沖蝕和浸泡岸坡，改變了坡體形態(tài)和結構，為崩塌提供了良好的臨空條件?；趯嶋H情況，將河流進行四級緩沖：0～50 m、50～100 m、100～150 m和>150 m，如圖7E所示。

4 評價結果

將各個因子圖層信息量疊加后得到研究區(qū)易發(fā)性分布圖，具體將其分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)，如圖7F所示。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，高易發(fā)區(qū)往往分布在道路附近以及高程較大、坡度較陡的地區(qū)。這是由于人工活動和自然因素綜合影響造成的。修建道路破壞了表層植被和巖體完整性，增大了坡體的臨空面，而且這些高易發(fā)區(qū)本身就位于高程較大的地方，坡面較為陡峭，這些因素使得發(fā)生崩塌的可能性大大增加。

4.1 崩塌危險性分析

根據(jù)現(xiàn)場調查分析，采用工程類比法，類比滑坡風險研究區(qū)的破壞概率，將高易發(fā)區(qū)的破壞概率定為50%，中易發(fā)區(qū)破壞概率定為5%，低易發(fā)區(qū)破壞概率定為0.5%。

4.2 承災體易損性分析

崩塌研究區(qū)承災體除了與滑坡風險研究區(qū)相同的建筑物和室內人員外，還有道路、道路上的行駛車輛、車輛內人員。為簡化計算建筑物易損性取值范圍，房屋易損性取值標準與滑坡風險研究區(qū)相同，室內人員由于沒有調查數(shù)據(jù)不進行易損性估算，現(xiàn)對道路、道路上的車輛和車內人員易損性進行如下規(guī)定。

將道路易損性均定為0.5，車量易損性定為0.8，車內人口的易損性定為0.3。

4.3 崩塌風險風險

4.3.1 經(jīng)濟風險

（1）建筑經(jīng)濟風險

通過計算得到的破壞概率，時空分布概率設為1.0，到達概率通過考慮塊體運動距離和運動方向得到，上文通過分析得到易損性。同樣根據(jù)實地調查走訪并結合當?shù)亟ㄖ飭畏皆靸r，綜合考慮使用年限和維護狀況，得到了每個建筑物的框架價值。將這些數(shù)據(jù)按照公式計算，最終得到崩塌年風險。

按照風險損失值的大小對研究區(qū)進行分區(qū)，并譜上不同的顏色以區(qū)別整個場地的風險值差異。圖8展示了研究區(qū)崩塌在50年重現(xiàn)期暴雨工況下建筑物風險值的情況。

（2）道路經(jīng)濟風險

道路擁堵程度不用，導致通行量和平均通行時間均不同，即承災體的數(shù)量和時空概率均不相同，如圖9所示，根據(jù)路段擁堵程度將崩塌風險研究區(qū)路段劃分為擁堵和較擁堵兩個區(qū)段。如下圖路段a、路段c為較擁堵路段，路段b為擁堵路段。

對比道路擁堵分區(qū)圖與崩塌災害易發(fā)性圖，發(fā)現(xiàn)路段b大部分位于崩塌災害高易發(fā)區(qū)，路段a和路段b位于崩塌災害中易發(fā)區(qū)。將路段b年破壞概率定為50%，崩塌災害到達概率定為70%;路段a和路段b年破壞概率定為5%，崩塌災害到達概率定為30%。道路的易損性定為0.5。道路路經(jīng)濟風險計算表格如表2所示。

（3）車輛經(jīng)濟風險

統(tǒng)計三個路段日通行量，路段a和路段c較路段b日通行量較大，設置車輛單價為12萬;路段b較為擁堵，設置其通行的平均車速為30 km/h，路段a和路段車輛通行的平均車速為40 km/h?？捎嬎愠銎骄枯v車通過該路段的平均時間，進而得到車輛的時空概率。車輛的易損性定為0.7，車輛經(jīng)濟風險計算表格如表3所示。

4.3.2 人員風險

假設每輛車內平均有兩個人，可以估算得到三個路段的人員日通行量，人員的時空概率與車輛的時空概率相同，人員的的易損性定為0.4。車內人員的年風險值如表4所示。

5 結論

本次對湖南省張家界市永定區(qū)南莊坪場地地質災害的風險評價，得到場地建筑物年經(jīng)濟風險分布圖及人員風險分布圖分別如圖10、圖11所示，評價取得了以下成果和結論：

（1）對于滑坡風險研究區(qū)，綜合考慮滑坡的自身參數(shù)與外界誘發(fā)因素的不確定性，分析其穩(wěn)定性和破壞概率。該場地13號和37號斜坡單元破壞概率相對其它斜坡較大，依次達到了48.80%和44.00%，23號和22號斜坡單元次之，依次為39.20%和34.30%，有18個斜坡單元破壞概率小于10.00%。

（2）對于崩塌風險研究區(qū)，綜合考慮崩塌的自身參數(shù)與外界誘發(fā)因素的不確定性，分析其穩(wěn)定性和破壞概率。承災體大多分布在研究區(qū)東部。風險值較高的承災體往往分布在坡腳、坡面一帶。總體上來看，大多數(shù)風險值小于5萬元。

（3）根據(jù)理論模型并結合實際情況分析承災體脆弱性。本次選取承災體最關鍵且易于獲取的屬性特征作為脆弱性的評價指標。對于建筑物和道路承災體選取位置分布、結構類型、使用年限、維護狀況和與滑體沖擊力的夾角指標;人員承災體選取年齡結構、健康狀況、防災意識、人流情況（道路）和災害預警系統(tǒng)完善程度指標。對比脆弱性指標參考取值計算得到研究區(qū)內所有承災體的脆弱性，給出建議值。

（4）風險分析結果與表達。在危險性、易損性和承災體價值分析的基礎上，對承災體總風險值、年風險值、建筑物風險值進行表達，并且對各個成果圖譜上不同的顏色以區(qū)別整個場地的風險值差異，便于快捷直觀地識別風險。①針對受災體，計算其風險值，借助GIS平臺按照風險損失值的大小其進行分區(qū)。②滑坡坡風險研究區(qū)房屋年經(jīng)濟風險值為81.909萬元，崩塌風險研究區(qū)房屋年濟風險值為167.427萬元，道路經(jīng)濟風險值為11.878萬元，車輛年經(jīng)濟風險值為93.185萬元。

（5）該報告對房屋人員以在崩塌風險評價研究區(qū)內道路上車輛內人員進行了災害風險評價，得到研究區(qū)內道路上的車輛內人員年風險值最大為34人。高人員風險主要分布在崩塌風險評價區(qū)沿道路一側。

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