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【研究概况】
中国科学院地质与地球物理研究所许冲(现在应急管理部国家自然灾害防治研究院工作)等总结了当前汶川地震次生滑坡灾害研究的七个主要方面:
区域分布调查与编录:对汶川地震滑坡的区域分布进行了调查和记录。
重点滑坡详细调查:对关键滑坡进行了详细的调查,包括类型、机制、稳定性分析和运动堆积模拟。
特点与分布特征:分析了滑坡的特点和分布特征。
影响因子敏感性分析:研究了影响滑坡的各种因素的敏感性。
滑坡评价:对汶川地震滑坡进行了评价。
泥石流研究:研究了汶川地震区的泥石流。
岩体力学试验研究:进行了滑坡岩体的力学试验研究。。
【区域调查】
1)实地调查
据统计,汶川地震引发的滑坡数量约为20,000个,其中大约500个大型滑坡以面要素的形式表示,其余以点要素的形式表示。面要素表示的滑坡调查内容不仅包括滑坡的位置、形状和体积等基本几何参数,还涵盖了滑坡类型和潜在危害对象等信息。此外,国土资源部还组织了对部分地震灾区滑坡的详细调查。
2)遥感解译
研究人员利用影像开展了滑坡提取方法的研究,包括基于光学遥感数据的多期影像变化检测和SAR数据的特征提取。这些方法能够有效地识别滑坡事件。此外,还有研究人员探讨了多源遥感影像处理方法,提出了解决非标准航空影像处理的思路,并对滑坡地理位置的确定进行了技术研究。
滑坡遥感解译调查方法主要分为两种:目视解译和自动识别。目视解译依赖于专业知识进行滑坡判识,而自动识别方法则包括遥感影像的重分类、决策树分析、面向对象信息提取等。有些研究人员甚至综合使用这两种或多种方法来提取滑坡空间分布信息。
目视解译与自动提取各有优势。自动提取速度快、方法多样、自动化程度高,但目视解译在精度上更高,因此可以作为自动识别结果的验证标准。通常情况下,两者适用于不同类型的遥感数据。对于高空间分辨率的数据和航片,更适合采用目视解译方法;而对于低空间分辨率的影像,则更适合采用自动识别方法。自动识别的结果通常需要进行精度验证,而对于滑坡分布规律统计和危险性评价研究,则更适合使用基于目视解译的可信度高的滑坡分布结果。
由于汶川地震滑坡常常连片发生,目视解译时会有较大的人为差异。因此,滑坡面积常被用作不同研究成果的对比指标。不同研究人员和方法得到的结果存在差异,这需要在后续研究中予以考虑。表1汇总了相关发表的解译成果。
【典型单体滑坡研究】
1)特征参数调查
众多科研单位和个人对汶川地震引发的典型滑坡进行了详细的调查研究,不同文献对滑坡体积的估计存在差异(表2)。此外还统计了大型滑坡的基本参数。对重灾区的多个滑坡点进行了现场测绘、数字影像采集和滑坡灾害评估。
2)运动特点、类型与机制分析
在汶川地震滑坡特点、类型与机制分析方面,相关研究涉及滑坡分类:例如滑坡被分为多种类型和子类,包括溃滑型、溃崩型、抛射型、剥皮型、震裂型等;动力破坏形式:岩体地震动力破坏被划分为滑坡、崩塌、剥落、塌陷等形式;滑坡机制:研究者根据滑坡成因和运动特点,将地震滑坡分为震滑型和崩滑型;运动模式:提出了地震触发滑坡的多种运动模式,包括抛射运动模式和不同的滑动阶段;滑坡特征:分析了滑坡的特征,如岩性破碎、抛掷效应、碰撞效应等;耦合作用:总结了山区地震地质灾害形成过程中内外动力耦合作用的主要表现形式;破坏模式:发现灾区滑坡破坏模式主要以崩塌破坏或崩塌破坏诱发的崩滑式破坏为主;动力学特征:揭示了汶川地震诱发的大型崩滑灾害具有独特的动力学特征。
在单体滑坡失稳、运动堆积方面,相关研究涉及内外动力耦合:分析了滑坡形成中内动力和外动力的作用及其相互耦合;堵江机制:研究了滑坡堵江的过程,包括滑坡体的剪切、拉裂、下滑、气浪形成等;滑坡特征与机理:探讨了大型滑坡的特征和形成机理,提供了研究范例;碎裂滑动型滑坡:阐释了地震碎裂滑动型滑坡的发展过程和控制因素;滑坡运动阶段:划分了滑坡运动的不同阶段,包括启程滑动、飞越、碰撞和流动;高速远程运移机制:研究了滑坡碎屑流的高速远程运移机制;大型滑坡运动特点:揭示了大型滑坡具有的运动特点,如加速起飞、空中滑行、俯冲着陆等。
3)稳定性分析与运动堆积模拟
开展了地震滑坡稳定性分析与失稳、运动、堆积模拟研究工作。研究方法包括工程地质分析、力学分析、数值模拟和试验模拟。稳定性分析:基于现场勘察和工程地质知识进行滑坡稳定性的初步评估;力学计算:使用极限平衡法,根据滑面形状和条块划分进行计算;数值模拟:应用有限差分法、有限单元法、离散单元法等进行地震滑坡模拟;试验模拟:通过相似材料物理试验模拟,与数值模拟相结合进行验证。相关研究成果汇总于表3。
4)地震滑坡速度与距离反演
5)滑坡监测与预警研究
汶川地震后,一些关于滑坡监测与预警的工作也陆续展开。包括监测预警体系构想:提出了具备无线通讯、自动运行、低功耗、实时性等功能的山地灾害监测预警体系;提出技术挑战:关键技术问题包括地震条件下山地灾害形成的临界指标和震后监测预警信息传输网络的适应性;监测仪研制:开发了基于倾角、位移、压力、辐射测量的监测仪,用于地质灾害位置的初步预警;稳定性监测:对紫坪铺左岸坝前堆积体的稳定性进行了连续监测,目前状态稳定。
【区域滑坡特点】
1)总体特点
数量与分布:滑坡数量众多,密集分布,规模大,范围广,呈群集性。
类型:类型多样,以崩塌和岩土混合型为主。
地形效应:滑坡多发生在斜坡中上部,临空面多的山体。
空间分布:沿水系和断裂带分布,上盘效应显著。
方向性:滑坡分布和滑动方向具有优势方向性,主要朝东北和南东方向。
灾害链效应:地震形成大量滑坡堆积体和山体松动,降雨可能引发进一步滑坡或泥石流。
2)滑坡空间分布特征
分析上述成果的基础上,总结滑坡空间分布特征如下:
地形地貌关系:滑坡多发生在800~1800米高程的中上部斜坡,东南坡向多发。
公路分布特点:滑坡沿水系和公路分布,公路建设可能增加滑坡发生风险
3)与以往地震滑坡统计对比
例如基于汶川地震滑坡数据与历史地震滑坡数据,统计了地震滑坡最大分布范围与震级的关系,地震滑坡个数与震级的关系。
【因子敏感性分析】
因子敏感性分析是地震滑坡评价中的一个重要组成部分,包括对单个因子的内部敏感性分析以及不同因子之间的相互敏感性分析。这种分析帮助确定哪些因子在滑坡发生中起着决定性的作用。不同研究人员基于各自的数据和研究区域,研究了滑坡在特定参数(如坡度、与断裂距离等)内的相对易发区间。这些研究结果有助于预测在类似条件下未来可能发生滑坡的区域。通过多种统计和机器学习方法(如Logistic回归、支持向量机SVM、主成分分析等),研究人员分析了不同因子对滑坡发生的影响程度。这些分析揭示了土地利用、坡度、岩性、高程等因素对滑坡发生的贡献。由于使用的基础滑坡数据、研究方法和研究区域的不同,不同研究人员得出的影响因素对滑坡的影响程度大小并不相同。这表明在地震滑坡评价中,地区特定的条件和环境因素需要被考虑在内。
【汶川地震滑坡评价】
1)基于索引图的直接评价
研究人员使用滑坡点密度和面密度分析来评估地震滑坡活动的强度。提出了一种基于栅格法和自然斜坡统计的方法来快速估算地质灾害的最大面密度,并以此作为衡量滑坡活动强度的指标,将其分为8级。基于遥感影像解译结果建立了滑坡发生发育程度图。研究了特定区域的地震滑坡发育密度。这些研究成果为理解汶川地震滑坡的空间分布提供了直观的视图。
2)基于专家知识方法
研究人员基于专家知识方法,采用多种影响因子进行地震滑坡危险性评价。例如,选取了距断裂带距离、坡度、坡型等因子,并使用AHP方法确定因子间权重。选取了崩滑流发育密度等七个影响因子,并对这些因子进行了专家赋值法权重赋值。利用层次分析法对安县地震滑坡危险性进行评价。采用专家赋予的等级方法进行滑坡易发性评价。这些方法的应用,特别是在滑坡分布数据未知的情况下,为震后滑坡危险性的应急快速评价与决策提供了重要的参考。这些成果有助于理解和预测地震滑坡的潜在风险,从而为灾害预防和减轻提供科学依据
3)基于统计方法
结合GIS与AHP方法,通过信息量法和层次分析法进行汶川地震次生地质灾害风险评估。利用二元统计方法和信息量模型对滑坡敏感性进行评价,并通过降雨因子计算危险度。采用了不同的统计模型和GIS技术,如证据权重模型、Logistic回归模型、SVM方法等,对滑坡易发性和危险性进行评估。这些基于统计方法的评价结果,相比基于专家知识的方法,提供了更客观的滑坡危险性评估。
研究人员在风险评价管理与政策方面进行了多项研究,包括探讨的未来强震区城市地质灾害风险管理方法,对成都市地质灾害易损性的评价,讨论滑坡风险评估难点。在定性评估方面,对青川县地质灾害危险性进行了评估,建立了地震诱发公路地质灾害信息管理系统。场地适应性评价方面,评估了汶川地震重灾区的人居环境适宜性,利用GIS进行了地震灾害相关因子的综合评价。研究了地震中工程选址评价方法,强调了地质灾害强度的综合考量。
【地震滑坡对以后泥石流的影响研究】
1)泥石流沟的调查与特点分析
科研人员对汶川地震后泥石流进行了广泛研究,包括沟谷的特征分析、泥石流沟的判识标准建立,以及泥石流的动力学特征调查。研究发现泥石流活动范围广、持续时间长、频率高,且与降雨和地形有密切关系。此外,还分析了滑坡灾害链的特征,为防治泥石流提供了重要信息。这些研究成果对理解和预防地震引发的泥石流具有重要意义
2)泥石流沟评价
例如利用遥感影像与高程模型进行流域划分,研究泥石流的起动和输移过程。分析强降雨和物源区对泥石流发生的影响,特别是北川县境内暴雨诱发的72处泥石流。建立了震后泥石流总量计算方程和单沟泥石流危险性评价模型,对都汶公路沿线的泥石流沟进行了评价。多位研究者对泥石流的发育特征、堵江危害性以及风险评价进行了深入研究。。
3)泥石流计算与数值模拟研究
研究发现,不同因素组合会显著影响碎屑流的运动形态和最大运动距离,其中土体内摩擦角和坡角的影响较为明显。张瑛(2009)则通过计算泥石流的经验峰值流量和流速,为汶川地震区域的泥石流风险评估提供了重要参数。
4)泥石流物理模型研究
对汶川震区的暴雨泥石流特征进行了实验研究。研究了泥石流淤埋条件,通过模拟降雨实验探讨了硬岩地区泥石流的启动条件。研究了软岩地区泥石流运动条件,以及粗颗粒含量对坡体稳定性的影响。
5)震区滑坡泥石流灾害防治
在震后泥石流灾害防治方面,多项研究提供了关键见解和策略。包括分析了四川省汉源县白树沟泥石流的特征与危害性,为防治方案提供了基础资料。探讨了汶川地震后山洪泥石流的灾害预估与应对措施。分析了地震后斜坡灾害地质体的变形演化特征与防治对策。研究了泥石流工程防治的最佳时机,认为3至5年后实施最为合理,并介绍了在建的一些泥石流防治项目。分析了未来5至10年泥石流的发生情况及治理方案。探讨了汶川地震引发的流域管理和减轻泥石流的方法。研究了坡面岩土颗粒侵蚀机理与滑坡植被修复技术。研究了植被恢复法在地震植被重建中的应用。提出了利用废旧轮胎加筋挡墙结合生态护坡治理滑坡的技术。
【滑坡区岩体力学试验研究】
岩体力学与地震滑坡研究紧密相关。相关研究强调了结合岩体力学理论与试验对于地震滑坡研究的重要性。通过对四川省东河口滑坡岩石的抗剪断性质进行力学试验,通过原位试验与室内试验确定了岩土体物理力学参数和潜在滑带土的抗剪强度。进行了汶川地震区扣山古堵江滑坡坝土石样品的室内大型土工试验。对不同滑坡区的岩体进行了粒径级配实验,为汶川地震滑坡研究提供了基础参数。
【问题与展望】
汶川地震滑坡研究硕果累累,但是在某些方面我们还需要进行更加深入的研究,分述如下:
滑坡数据完善:目前汶川地震滑坡的调查结果存在差异,基础数据不全面。建议通过更精确的地形资料和高分辨率影像,完善滑坡分布数据,以建立一个科学的滑坡数据库。
典型滑坡研究:汶川地震产生了多个超大规模滑坡,特别是高速远程滑坡。研究这些滑坡的运动机制是至关重要的,包括进行工程地质调查、获取岩土体力学与水文资料,以及基于数值模拟和模型试验的方法研究滑坡破坏与运动堆积机理。
活动构造关系:活动构造对滑坡的影响研究较少,需要加强对活动断裂与滑坡分布关系的研究,以及活动构造直接或间接导致滑坡失稳的机制研究。
灾害链与风险评估:应加强震后滑坡灾害链的形成机理与致灾机理研究,开展重要滑坡的监测预警工作,加强灾害风险评估的理论与方法研究,并在此基础上进行流域范围内的滑坡易发性评价与风险评估
该文章发表在 地质论评 上,内容详见:许冲,戴福初,徐锡伟.汶川地震滑坡灾害研究综述[J].地质论评,2010,56(06):860-874.