赣州市寻乌县滑坡易发性预测及其失稳机制研究

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滑坡作为目前对人类生命财产安全威胁最大的一种自然灾害,具有分布广、历时短、烈度大、破坏严重等特点。随着我国经济建设的快速发展,一系列以大型工程项目为代表的人类活动也在迅速开展,出现了大量工程开挖边坡。由于斜坡体本身就具有先天的致灾特征,人类活动使其原始坡型遭到破坏,加上在降雨等极端天气作用下极易发生滑坡失稳破坏。降雨和工程边坡开挖已俨然成为我国南方丘陵地区的红黏土堆积层滑坡失稳的两个重要致灾因素。因此,有必要对降雨以及人类工程活动对滑坡发育的影响程度以及其致灾机制进行深入探究。据此,本文通过实地调查,获得江西省赣州市的滑坡编录信息,搜集了该研究区的地形地貌、人类活动分布、地层岩性、水文气象特征、地表覆盖等相关信息。针对现存研究中一些环境因子的建模不适宜性以及人类工程活动对滑坡发育的影响程度等问题,将获取的环境因子按照需求分成三组,即原始因子组合(Original factors),包括:高程、坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率、地形起伏度、NDBI、NDVI、岩土类型,距离公路距离、距离河流距离共11个环境因子。在原始因子组合的基础上添加年降雨因子得到的第二组环境因子组合(Original add rainfall factors)。然后在第二组环境因子组合基础上用公路密度与沟壑密度替换距离公路距离、距离河流距离这两个环境因子得到第三组因子组合(improved factors)。进而用频率比分级来分析滑坡发育与各因子之间关系,结合支持向量机(SVM)、逻辑回归(LR)、随机森林(RF)三种机器学习模型获得研究区在各个环境因子组合下滑坡易发性预测概率,利用因子重要性、滑坡易发性图、精度评价以及滑坡易发性指数分布等四种方式分别对每个模型下的各组合滑坡易发性结果进行精度评价分析,通过对比分析滑坡易发性预测结果得出最佳环境因子组合及模型,探究上述各环境因子组合对滑坡易发性建模的适宜性和影响滑坡发育明显的环境因子以及人类工程活动对滑坡易发性的影响程度。此外,为了深入探究人类工程活动和降雨因素对红黏土滑坡失稳机制的影响,本研究根据江西省赣州市滑坡的主要演化与破坏特征,重新构造一个典型的具有普遍意义的红黏土滑坡物理地质模型。根据当地降雨特点将50年一遇累计强降雨量与不同边坡开挖距离与边坡开挖角度相耦合,再通过饱和非饱和渗流理论与非线性有限元法利用Geo-Studio 2007软件计算不同耦合工况的滑坡稳定性与孔隙水压力变化,来揭示红黏土滑坡在强降雨与工程边坡开挖耦合工况下的失稳规律及成灾机理。现主要研究成果如下:(1)在赣南地区滑坡编录信息的基础上,通过对研究区三组不同因子组合因子进行分类并利用区间频率比的方式分析各因子与滑坡之间的关联。表明各不同环境因子对滑坡的发育有不同程度的影响。并结合各组合条件的滑坡易发性结果,可以得到降雨以及人类活动相关的公路密度、沟壑密度等因子能够很好地提高模型预测性能,对滑坡的发育有着非常重要的影响。(2)将研究区三组不同因子组合分别进行数据处理并用于模型的构建与精度测试,然后选取SVM、LR、RF三种机器学习模型对滑坡易发性进行概率预测,进而对易发性结果进行分析。结果显示:三组因子组合在每个模型中的预测性能从高到低分别为Improved factors组合、Original add rainfall factors组合、Original factors组合;模型性能从高到低依次为RF、SVM、LR;在三个模型中RF的预测精度是最高的,Improved factors-RF模型为最优组合,能够极好的体现出模型性能。(3)对比分析Improved factors,Original add rainfall factors和Original factors因子组合的滑坡易发性预测结果,发现考虑公路密度和沟壑密度的连续型环境因子组合相比考虑距离公路距离和距离河流距离的离散型环境因子组合,易发性模型预测精度有更好的提升。其对于滑坡易发性建模更具适宜性,能够有效提高因子表征的精度,并具有更加明确的物理意义且与滑坡的关联更为紧密。(4)无降雨条件下,滑坡稳定性会随着边坡开挖距离与角度的增大而呈现出持续下降的规律。当边坡开挖距离一定时,随着开挖角度的增大滑坡稳定性会呈现出凸型降低的趋势。当边坡开挖角度一定时,随着开挖距离的增大滑坡稳定性呈现均匀降低的趋势。(5)在强降雨条件下,滑坡稳定性下降幅度比无降雨条件下下降幅度更大。在先升后降型降雨条件下滑坡稳定性也呈现出先快速后缓慢的降低趋势。此外,强降雨条件下随着边坡开挖距离与角度的增大滑坡稳定性呈现快速下降的趋势。(6)无降雨条件下,随着边坡开挖距离的不断增大滑坡稳定系数变化率也在不断增大。并且当开挖距离一定时,开挖角度越大,稳定性变化率呈现下降趋势。在施加先升后降型强降雨工况下,滑坡稳定系数变化率与降雨强度呈现正相关,即降雨强度越大稳定系数变化率越大。(7)在连续降雨条件下,沿着潜在滑移面处的孔隙水压力会出现重分布现象,并且随着降雨的持续孔隙水压力也在不断增大。孔隙水压力与滑坡稳定性之间的关系呈现明显反向对应关系。
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