Application of geographic detector in identifying influencing factors of landslide stability: A case study of the Jiangda County, Tibet
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摘要: 高山峡谷区是滑坡灾害频发地区，随着气候变化和人类活动加剧，滑坡呈多发、频发态势。本文选择坐落于横断山高山峡谷区的西藏江达县作为研究区，利用野外调查获取的85个滑坡数据，选取坡度、河流密度、地貌类型、降水量、距断层距离、道路密度、地震动峰值加速度、岩性等8个稳定性影响因素，运用地理探测器对滑坡稳定性的影响因素进行了探测。结果表明：（1）按滑坡体体积划分等级，江达县滑坡主要以中、小型滑坡为主；按其稳定性划分，50%以上的滑坡处于稳定状态；按危险等级划分，以Ⅲ级、Ⅳ级为主；江达县滑坡主要沿河流与道路分布，全县地面调查发现85处滑坡全部分布于河流附近，其中71.76%的滑坡分布于道路两侧。（2）江达县滑坡稳定性的主要影响因子为地貌类型、河流密度、道路密度和距断层距离，其贡献率分别为0.501，0.477，0.465，0.332；当影响因子两两相互作用时，因子解释力总是大于单个因子对滑坡稳定性的解释力，即当两种影响因子相互作用时，对于滑坡的失稳具有促进作用。Abstract: The high mountain and gorge area is an typically area, where geological disasters happen frequently. Especially landslide is one of the most serious geological disasters. Recently relative researches on geological disasters showed that landslides had an increasing trends due to the impacts of both climate change and human activities. In this study, Jiangda County in Tibet Autonomous region was selected as our study area, which located in the high mountain and gorge area of the Hengduan Mountain Region. In addition, using the landslide data for 85 sites based on field survey, choosing Slope, River density, Geomorphic type, Precipitation, the distance from the fault, Road density, the ground motion peak acceleration and Lithology as 8 influencing factors on landslide, and then employing the Geodetector model to analyze the impact of various variables on landslide stability. The results showed that 1) according to the volume of landslide, medium and small landslides are main types in Jiangda County; According to its stability, more than 50% of the landslide is in a stable state; according to the danger level, they are mainly divided into Ⅲ, Ⅳ. In space, it is mainly along rivers and roads in Jiangda County, which caused by the limitations of the field survey besides physical factors. Because all 85 landslide survey sites located near rivers, and more than 71% sites are distributed on both sides of the road. 2) The geomorphic type, River density, Road density and the distance from the fault are major factors to affect the stability of the landslide in Jiangda County, its contribution rate are 0.501, 0.477, 0.465 and 0.332, respectively. When the influence factors interact in pairs, the explanatory power of factors is always greater than that of a single factor to the stability of landslides. In other words, when the two influencing factors interact, they always promote the instability of landslides.
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Keywords:
- landslide stability /
- geographic detector /
- alpine canyon /
- influence factors
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0 引言
曲哇加萨（军功）滑坡位于青海省果洛藏族自治州玛沁县拉加镇，是发育于黄河上游新近系岩层中的巨型老滑坡。滑体前缘长期受黄河强烈侵蚀切割，以及修建公路、坡脚削坡建房等人类工程活动影响，滑体变形迹象明显，历史上曾多次发生局部滑动（图1）。
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图 1 玛沁县拉加镇曲哇加萨滑坡位置图Figure 1. Location map of Quwajiasa landslide in Laga Town, Maqin County1985年7月21日老滑坡体中段发生滑坡。2011年8月12日当地居民在老滑坡体前缘削坡建房引发局部滑动。2013年6月1日、2018年5月2日受降雨影响，老滑坡体局部变形加剧。2019年9月20日老滑坡体上H1、H2、H4滑坡发生滑动，造成国道G227上山路段严重变形，损毁公路400 m，前缘18户居民受灾，51间房屋倒塌。同时，造成老滑坡体中前部，即拉加镇军功路南侧坡体出现变形迹象。2020年3月1日，老滑坡体中前部拉加镇军功路南侧坡体前缘局部变形加剧，威胁住户120户、商铺65户，其中19户139间房屋出现不同程度倾斜、地基下沉、墙体开裂等情况[1-4]。
针对曲哇加萨滑坡复杂的变形破坏特征，程强等 [5]提出：这种特殊的新近系以来沉积的高原红层，成岩时间短，力学强度相对较弱，易发生红层与上覆土体界面的大型滑坡灾害。张永康等 [6]通过现场勘查提出青海高原红层滑坡的具有多区、多级、多层的变形破坏特征，且各滑体滑动速度不同。吴永刚等 [7]通过物理模型试验认为青海高原红层滑坡河谷下切引起的坡体卸荷回弹变形使得浅层滑面位移大于深层滑面位移，雨水浸润引起材料强度软化进一步加剧了变形。殷志强等 [8]指出：黄河上游巨型滑坡主要发育于气候的温暖湿润期和气候变化的快速转型期，具有多期次滑动过程特征。Wang等 [9-13]利用安全系数云图分析法模拟出了茂县梯子槽高位滑坡多层滑面安全系数分布，并据此进行防治结构设计，提出了针对性的小口径组合桩群治理方案。李滨等 [14-19]提出此类特大高位地质灾害易形成泥石流、堵江等灾害链，需加强调查与识别能力、监测预警与风险防范能力以及防灾减灾能力建设。
文章以2019年9月20日19时发生于曲哇加萨老滑坡东北段中前缘 H1滑坡为例，在野外调查、形变数据以及稳定性分析的基础上，研究该滑坡的变形破坏特征，并进一步通过动力学模拟分析滑坡的成灾范围，可为后续的综合防治方案提供科学参考。
1. 研究区地质环境条件
曲哇加萨老滑坡所处位置为黄河强烈下切侵蚀区，河谷形态为峡谷。拉加镇段因黄河呈急剧“S”拐弯形成相对开阔的一小型河谷型盆地，其凸岸发育有黄河Ⅱ、Ⅶ级阶地，阶面地形较为平缓。凹岸坡体和河床直接接触，长期遭受强烈的侵蚀切割，形成高几十米至数百米不等的陡坡、陡崖。滑坡区地形地貌主要为黄河Ⅱ、Ⅶ级阶地组成的河谷平原地貌。黄河Ⅱ级阶地分布于滑坡前缘，现为居民区，黄河Ⅶ级阶地分布于老滑坡后缘。老滑坡西侧坡脚长期受黄河冲刷、侵蚀下切（图1）。
滑坡区北侧发育有拉家压扭性逆断层（F1），该断层位于拉加北山，NE60°方向延展，为逆冲断层，断层破碎带宽度10～30 m。挽近时期的隆拗运动在滑坡区的表现也较明显，其隆拗的长轴方向继承了老构造断裂带的走向，多呈东西向展布。该地区地震活动频繁，地震基本烈度Ⅶ度。
老滑坡整体呈宽簸箕形，坡体发育有3~6级滑移台坎。东、南侧滑坡后壁明显，呈陡坡状，局部为陡崖，高度40～50 m，西侧滑坡边界以深切的塔尔隆沟为界；滑体宽约1900 m，长700～900 m，厚30～100 m，方量约1.67×108 m3，整体坡度约25°，主滑方向307°。滑体后缘高程3225～3340 m，前缘高程3040 m，相对高差185～300 m。老滑坡后缘出露地层上部为“二元结构”黄土状土和卵石，下部为新近系泥岩，泥岩产状NE5°∠25°，组成顺向缓倾坡（图2）。
2. 2019年9月20日滑坡特征
2019年9月20日，曲哇加萨老滑坡东北段中前缘H1、H2、H4滑坡发生滑动，造成路面隆起、损毁公路400 m，18户居民受灾，51间房屋倒塌。H4滑坡滑动后造成原来公路的20根抗滑桩裸露，悬臂5～10 m，出现桩间土坍塌变形，桩后 H3滑坡内也形成多条纵向裂缝。灾害发生后，采取了拆除房屋和回填压脚措施[2]（图3—6）。
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图 3 曲哇加萨滑坡发生前后对比Figure 3. Comparison before and after the occurrence of Quwajiasa landslide由图4—5可以看出，临近公路位置H1、H2滑坡前缘发育多处土体解体，并挤压公路产生多处放射状鼓胀张拉裂缝，裂缝宽度30～60 cm，深度2 m，裂缝走向与滑坡方向平行或呈小角度相交。公路外侧挡墙产生严重的鼓胀变形，裂缝宽度达5 cm。公路下方由于滑坡滑动鼓胀导致地表隆起，造成51间房屋倒塌。滑坡前缘影响范围至公路挡墙和军功路之间。
由图6可以看出，H1滑坡后缘陡坡下错约2.0 m，侧界清晰，滑坡呈现蠕滑特征，表面裂缝遍布。现场后缘可见水体入渗迹象，土体含水量较高。
为避免滑坡进一步变形致灾，灾害发生后，采取了拆除房屋、回填压脚及截排水措施，9天后，该滑坡逐渐趋于稳定状态。
实际上H1、H2、H4历史上曾出现多次变形。2011年8月12日，由于省道S101线（现为国道G227）修建时开挖该区西侧滑体前缘和当地居民削坡建房等工程活动，引发老滑坡前缘部分滑动，使得H1、H2滑坡后缘和右侧缘形成连续的圈椅状陡壁，高2～6 m。滑坡后缘拉张裂缝密集发育。
根据2013年8月—2014年10月地表变形监测数据监测数据分析，监测点的位移量在2014年6月、2014年8月出现两次明显阶跃，最大水平变形累计达到900 mm[1-4]。根据2014年7月—2019年6月时间序列InSAR监测数据，获得滑坡的年平均形变速率超过70 mm，说明曲哇加萨滑坡一直在变形。
从图7可以看出，8月27日—9月22日近1个月累计降雨量为91.5 mm，其中18—20日3日连续降雨量为23.5 mm，占比25.7%。降雨沿着密集发育的裂缝下渗，加速了地下水的渗流作用，进一步降低了岩土体的强度，最终导致北侧滑坡发生滑动。
为更好说明东北段中前缘滑坡发生的相关机理，选择H1滑坡进行具体分析。结合物探、钻探及探井资料， H1滑坡由上至下共发育4层滑面（图8），从上至下分别为滑面1：位于碎石土与粉质黏土交界层前部，深度约5～10 m，饱水，呈泥团状；滑面2：位于碎石土与粉质黏土交界层附近，深度约20～30 m，含水率较高，呈软塑状，局部可见擦痕；滑面3：位于黏土层与粉质黏土交界层处，深度约35～50 m，含水率较高，呈可塑-软塑状，可见擦痕；滑面4：位于基岩与黏土层的交界处，深度约60～80 m，含水率较高，呈硬塑-可塑状。
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图 8 曲哇加萨滑坡典型工程地质剖面（A—A′）Figure 8. Typical engineering geological profile of Quwajiasa landslide (A—A′)选取图8典型剖面进行滑坡稳定性计算，确定降雨对滑坡稳定性的影响程度，根据程柯力等[2]计算结果表明浅层滑面1、滑面2的稳定系数为0.94、1.02，处于不稳定状态和欠稳定状态，易于继续发生变形破坏（图9）。模拟结果很好验证了此次东北段中前缘滑坡主要是由于浅层滑面1蠕滑形成，同时滑面2的滑动可能性也较高，需做相关的动力学预测分析。而深层滑面3、滑面4的稳定系数均为1.35，处于稳定状态，故不需做相关动力学预测分析。
3. 滑坡动力学反演模拟及预测评价
3.1 DAN-W 基本原理
为了分析滑坡剪出后动力学特征和评估成灾范围，采用加拿大Hungr教授开发的DAN-W二维的动力模拟方法进行正演分析。DAN-W是一种基于Windows程序，在连续介质模型基础上将滑体等效为具有流变性质的流体，选用不同的流变模型，通过设定滑坡的滑动路径的参数，从而达到模拟滑坡的运动速度、时间、路程以及堆积体特征效果[20-29]。大量的模拟结果表明摩擦准则和Volleymy准则最能表达滑坡的运动。
摩擦准则是一个单变量的流变准则，其抗剪强度表达式为：
$$ \tau = \sigma \left( {1 - {r_{\rm{u}}}} \right)\tan \varphi $$ (1) 式中：
$\tau $ ——滑坡底部剪应力/Pa；$\sigma $ ——垂直运动方向的总应力/Pa；${r_{\rm{u}}}$ ——孔隙水压力与总正应力之比；$\varphi $ ——摩擦角/（°）。Volleymy准则的抗剪应力表达式为：
$$ \tau=\sigma f+\rho g \frac{v^{2}}{\varepsilon} $$ (2) 式中：f——摩擦系数；
ρ——滑坡的密度/（kg·m−3）；
g——重力加速度/（m·s−2）；
v——滑坡平均速度/（m·s−2）；
ε——湍流系数/（m·s−2）。
该准则中f和ε为两个待定的参数。
3.2 模型建立及反演模拟对比
根据现场调查发现，滑坡主要运动模式是蠕滑，并且前部有公路挡墙和房屋阻挡，并未发生远程滑坡，因此选用摩擦流变模型较为合适。当然，为更好的说明摩擦流变模型的有效性，再选取Volleymy流变模型共同与H1滑坡1号滑面浅层滑动现场调查结果进行对比。采用试参法对摩擦流变模型进行模拟[20]，Volleymy流变模型内摩擦角与摩擦流变模型一致，同时，摩擦系数，湍流系数采取工程类比，从而对已发生滑动的曲哇加萨1号浅层滑面进行运动反演模拟对比分析（表1）。
表 1 模型参数选取Table 1. Model parameters模型 内摩擦角/（°） 摩擦系数 湍流系数/（m·s−1） Frictional 16* - - Vollemy 16 0.20 200 注：*表示饱和状态下，内摩擦角直接快剪试验结果为20.3°。 从图10可以看出，1号滑面浅层滑坡运动后，若按照摩擦流变模型将运动堆积到623 m位置，即挡墙至军功路段国道G227和居民区，暂时不会影响到军功路至黄河段。同时，滑坡体积超过50%基本停留在上部滑面上，其余均匀停留在运动路径上，这与现场调查滑坡堆积特征基本相符。若按照Volleymy流变模型运动堆积到682 m位置，即军功路至黄河段居民区，与现场调查结果不符，大于实际运动距离。同时，滑坡体积主要停留在坡脚位置，也与实际情况不符。
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图 10 1号滑面浅层滑坡运动前后剖面形态对比图Figure 10. Comparation of longitudinal cross-section of No.1 sliding mass before and after sliding3.3 欠稳定状态2号滑面运动预测评价
利用上述反演分析摩擦流变模型的同一套参数（表1）对处于欠稳定状态的2号浅层滑面进行运动预测模拟分析，得出了堆积厚度、范围等运动特征，并与上述1号浅层滑面进行对比（图11）。
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图 11 2号滑面浅层滑坡运动前后剖面形态图Figure 11. Longitudinal cross-section of No.2 sliding mass before and after sliding研究发现：2号滑面浅层滑坡一旦运动后，将运动堆积到673 m位置，即军功路至黄河段居民区。滑坡体均匀停留在运动路径上。模拟结果说明：目前2号滑面浅层滑坡一旦发生滑动，威胁军功路至黄河段居民区及商铺房屋，但不至引起堵塞黄河灾害发生。
4. 结语
（1）曲哇加萨滑坡坡体呈现多区、多级、多层的变形破坏特征，目前变形破坏强烈，尤其是东北段中前缘滑坡近期频繁出现变形破坏。
（2）东北段中前缘滑坡地表监测曲线、形变速率曲线、钻探数据和现场调查表明，降雨沿着密集发育的裂缝下渗，加速了地下水的渗流作用，进一步降低了岩土体的强度，最终导致滑坡发生变形滑动。
（3）以H1滑坡为代表，在降雨稳定性计算基础上进行动力学反演，反演分析发现1号滑面浅层滑坡按照摩擦流变模型运动后，将运动堆积到挡墙至军功路段国道G227和居民区，这与现场调查滑坡堆积特征基本相符，而Volleymy流变模型运动堆积到682 m位置，即军功路至黄河段居民区，与现场调查结果不符，大于实际运动距离。同时，滑坡体积主要停留在坡脚位置，也与实际情况不符。
（4）利用上述反演分析摩擦流变模型的同一套参数对处于欠稳定状态的2号浅层滑面进行运动预测模拟分析，发现2号滑面浅层滑坡运动后，将运动堆积到军功路至黄河段居民区，但不至于引起堵塞黄河灾害发生。
（5）本文的研究内容可为黄河上游该类滑坡运动预测评价方法提供一定参考。
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表 1 地层岩性硬度划分表
Table 1 Stratum lithology hardness division table
类别 代表岩石 稳定性赋值 极硬岩 花岗岩、二长花岗岩、闪长岩、
辉长岩、石英闪长岩、玄武玢岩、
硅质岩、超镁铁质岩类4 次硬岩 碳酸盐岩、碎屑岩、大理岩、白云岩、
石灰岩、中酸性基性火山岩、
赤铁矿、夹灰岩、地层并层等3 次软岩 千枚岩、板岩、灰岩、石膏等 2 极软岩 页岩、黏土岩、泥岩、
砂岩、砾岩及各种土体等1 
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表 2 按滑坡体体积划分的滑坡等级
Table 2 Landslide grade divided by volume
规模 标准/(104 m3) 数量/个 占比/% 小型 V<10 45 52.94 中型 10≤V<100 26 30.59 大型 100≤V<1000 11 12.94 特大型 1000≤V 3 3.53 总计 85 100.00
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表 3 按稳定性划分的滑坡等级
Table 3 Landslide grade divided by stability
稳定性评价 数量/个 占比/% 稳定 14 16.47 较稳定 29 34.12 稳定性较差 4 4.71 不稳定 33 38.82 易发 5 5.88 总计 85 100.00
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表 4 按危险性划分的滑坡等级
Table 4 Landslide grade divided by danger
险情等级 数量/个 占比/% Ⅰ级 0 0.00 Ⅱ级 2 2.35 Ⅲ级 17 20.00 Ⅳ级 66 77.65 总计 85 100.00
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表 5 因子探测结果
Table 5 Factor detection results
坡度 X1 距断层距离 X2 岩性 X3 河流密度 X4 地貌类型 X5 道路密度 X6 降水量 X7 地震动峰值加速度 X8 q值 0.168 0.332 0.101 0.477 0.501 0.465 0.122 0.129
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表 6 交互作用探测结果
Table 6 Interaction detection results
交互因素 交互值 交互值比较 交互结果 坡度∩距断层距离 0.728 >q（坡度）＋q（距断层距离） 非线性增强 坡度∩岩性 0.418 >q（坡度），q（岩性） 非线性增强 坡度∩河流密度 0.677 >q（坡度）＋q（河流密度） 非线性增强 坡度∩地貌 0.827 >q（坡度），q（地貌） 非线性增强 坡度∩道路密度 0.748 >q（坡度），q（道路密度） 非线性增强 坡度∩降水量 0.424 >q（坡度）＋q（降水量） 非线性增强 坡度∩地震动峰值加速度 0.404 >q（坡度）＋q（地震动峰值加速度） 非线性增强 距断层距离∩岩性 0.433 >q（距断层距离）＋q（岩性） 非线性增强 距断层距离∩河流密度 0.739 >Max（q（距断层距离），q（河流密度）） 双因子增强 距断层距离∩地貌 0.938 >q（距断层距离），q（地貌） 非线性增强 距断层距离∩道路密度 0.783 >Max（q（距断层距离），q（道路密度）） 双因子增强 距断层距离∩降水量 0.413 >Max（q（距断层距离），q（降水量）） 双因子增强 距断层距离∩地震动峰值加速度 0.445 >Max（q（距断层距离），q（地震动峰值加速度）） 双因子增强 岩性∩河流密度 0.557 >q（岩性）＋q（河流密度） 非线性增强 岩性∩地貌 0.781 >q（岩性）＋q（地貌） 非线性增强 岩性∩道路密度 0.547 >Max（q（岩性），q（道路密度）） 双因子增强 岩性∩降水量 0.221 >Max（q（岩性），q（降水量）） 双因子增强 岩性∩地震动峰值加速度 0.339 >q（岩性）＋q（地震动峰值加速度） 非线性增强 河流密度∩地貌 0.831 >Max（q（河流密度），q（地貌）） 双因子增强 河流密度∩道路密度 0.700 >Max（q（河流密度），q（道路密度）） 双因子增强 河流密度∩降水量 0.540 >Max（q（河流密度），q（降水量）） 双因子增强 河流密度∩地震动峰值加速度 0.559 >q（河流密度）＋q（地震动峰值加速度） 非线性增强 地貌∩道路密度 0.815 >Max（q（地貌），q（道路密度）） 双因子增强 地貌∩降水量 0.735 >q（地貌）＋q（降水量） 非线性增强 地貌∩地震动峰值加速度 0.544 >Max（q（地貌），q（地震动峰值加速度）） 双因子增强 道路密度∩降水量 0.617 >q（道路密度）＋q（降水量） 非线性增强 道路密度∩地震动峰值加速度 0.521 >Max（q（道路密度），q（地震动峰值加速度）） 双因子增强 降水量∩地震动峰值加速度 0.267 >Max（q（降水量），q（地震动峰值加速度）） 双因子增强
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表 7 生态探测结果
Table 7 Ecological detection results
坡度X1 距断层距离X2 岩性X3 河流密度X4 地貌X5 道路密度X6 降水量X7 地震动峰加速度X8 坡度 距断层距离 N 岩性 N Y 河流密度 Y N Y 地貌 Y N Y N 道路密度 Y N Y N N 降水量 N Y N Y Y Y 地震动峰加速度 N N N Y Y Y N
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