李泊良等：降雨和地震条件下浅层黄土滑坡三维稳定性评价 441. 黄土遇水和加载下，极易发生结构性崩塌和 滑动体沿坡体方向移动，这与实际情况不完全相 强度降低，导致黄土滑坡广泛分布且频发.统计数 同1为了弥补这些二维确定性模型存在的不足， 据显示，我国有1/3的滑坡灾害发生在黄土地区. 有学者指出三维模型得到的预测结果能更符合实 已经造成大量的人员伤亡和财产损失-降雨和 际情况.例如Bromhead等P指出二维模型很难准 地震是浅层黄土滑坡最常见的诱因.降雨在黄土 确地表示岩土性质、地下水条件的空间变化和滑 高原诱发了大量浅层黄土滑坡，诸如兰州、天水、 动面的形状，三维模型则能更准确的表示这些条 宝鸡等地主要是降雨型滑坡B-6然而，这些地区 件.此外，Xie等2指出三维模型得出的结果要比 还是历史地震的高发区和强影响区.诸如1718年 二维方法更可靠.因此，三维确定性模型当前成为 甘肃通渭地震、1920年宁夏海原地震、1995年甘 滑坡稳定性评价中更为关注的方法 肃永登地震都引起了大量的黄土滑坡⑧-0作为滑 Scoops3D是美国地质勘探局开发的三维确定 坡的两大重要的诱因，两者耦合作用下能诱发更 性模型，用来评价和预测研究区内每个栅格的稳 大范围、更广分布、更强破坏的黄土滑坡事件.近 定性2.目前，Scoops.3D已经成功预测了沿海地区 年来，这类灾害链效应在黄土高原已有发生.2013年 火山灰地层的滑坡稳定性2而黄土地层和火山 天水持续降雨诱发大量浅层黄土滑坡后，该地区 灰地层具有一定的相似性，所以考虑利用该模型 又突遇7.22彰县岷县6.6级地震.震后调查显示诱 评价黄土滑坡的稳定性.此外，该模型还可将其他 发以浅层黄土滑坡为主的斜坡灾害2000多处-2 水文模拟软件输出结果作为直接参数输人，具有 已有研究表明，震前的极端降雨事件会严重加剧 将区域复杂水文条件耦合到稳定性评级模型中的 同震滑坡的发生概率和灾害程度因此，加强 优势I)Tran等2应用TRIGRS计算降雨过程中 降雨和地震耦合效应下滑坡灾害的评价，对于不 斜坡动态水文条件并输入到Scoops.3D,对韩国 同尺度滑坡的防灾、减灾、应急都具有重要的指 Umyeon山区进行降雨条件下的稳定性评价，实现 导作用.然而，这类研究在黄土高原滑坡灾害评价 了降雨诱发滑坡的实时早期预警.Scoops.3D模型 中仍不多见 还引入了水平地震加速度系数，用来计算地震条 滑坡灾害危险评价通常包括定性和定量两类 件下的滑坡稳定性，因此，采用Scoops3D三维确 方法.定性方法主要是基于研究区地质条件和专 定模型耦合降雨和地震条件，进而评价黄土地区 家的经验对滑坡进行评级，而定量方法是依据物 的滑坡稳定性， 理模型和数学模型对滑坡进行分析)]定性方法 本文首先介绍了TRIGRS模型和Scoops3D模 依赖专家的主观性，缺少重复性.尽管定量方法可 型的基本原理，并分析了模型各类参数在稳定性 不同程度消除主观性的影响，且具有更好的适用 评价中的敏感性.然后，选择兰州市大沙沟流域作 性，但是需要大量数据的支持和输入，尽管如此， 为研究对象，结合TRIGRS和Scoops3D评价降 定量方法已成为滑坡灾害评价中主要的方法剧 雨、地震和两者耦合条件下区内浅层黄土滑坡的 在各类定量评价的技术中，基于数字高程模型并 稳定性.最后，结合滑坡点分布图，用混淆矩阵法 结合岩土力学参数的确定性模型，已成为流域尺 和受试者工作特征(ROC)曲线法对预测结果进行 度滑坡灾害评价的重要方法 评价，检验了降雨与地震触因及其耦合条件下对 物理确定性模型是通过无限斜坡稳定性模 黄土高原流域尺度黄土滑坡稳定性评价结果的适 型，计算不同水文条件下的坡体稳定性，通常能获 用性 得准确客观的结果9根据计算斜坡的维度，可 1 模型方法 分为二维和三维确定性模型.目前大多数确定性 模型都是基于二维无限斜坡模型评估斜坡稳定 1.1降雨渗透场模拟 性，常见的有基于区域栅格的瞬时降雨人渗的 TRIGRS模型是一种基于栅格数据计算降雨 TRIGRS与考虑稳态水文分布的SHALSTAB202四 入渗的斜坡稳定性模型，该程序能计算降雨入渗 这些模型均可模拟降雨过程中土体中水的渗流 引起的孔隙水压力变化以及随之变化的安全系 场，评估降雨条件下斜坡的稳定性.尽管这些二维 数.该模型结合降雨入渗和地表径流的方法计 确定性模型能一定程度考虑地质条件、水文条件 算饱和与非饱和条件下的一维垂向渗流过程，能 和气候条件，还可较为准确预测滑坡稳定性，但是 够获得降雨过程中土体压力水头和含水率的空间 在计算过程中他们不考虑滑动面的方向，只假设 分布规律.本文采用了降雨入渗的非饱和无限斜黄土遇水和加载下，极易发生结构性崩塌和 强度降低，导致黄土滑坡广泛分布且频发. 统计数 据显示，我国有 1/3 的滑坡灾害发生在黄土地区， 已经造成大量的人员伤亡和财产损失[1−2] . 降雨和 地震是浅层黄土滑坡最常见的诱因. 降雨在黄土 高原诱发了大量浅层黄土滑坡，诸如兰州、天水、 宝鸡等地主要是降雨型滑坡 [3−6] . 然而，这些地区 还是历史地震的高发区和强影响区[7] . 诸如 1718 年 甘肃通渭地震、1920 年宁夏海原地震、1995 年甘 肃永登地震都引起了大量的黄土滑坡[8−10] . 作为滑 坡的两大重要的诱因，两者耦合作用下能诱发更 大范围、更广分布、更强破坏的黄土滑坡事件. 近 年来，这类灾害链效应在黄土高原已有发生. 2013 年 天水持续降雨诱发大量浅层黄土滑坡后，该地区 又突遇 7.22 彰县岷县 6.6 级地震. 震后调查显示诱 发以浅层黄土滑坡为主的斜坡灾害 2000 多处[11−12] . 已有研究表明，震前的极端降雨事件会严重加剧 同震滑坡的发生概率和灾害程度[13−16] . 因此，加强 降雨和地震耦合效应下滑坡灾害的评价，对于不 同尺度滑坡的防灾、减灾、应急都具有重要的指 导作用. 然而，这类研究在黄土高原滑坡灾害评价 中仍不多见. 滑坡灾害危险评价通常包括定性和定量两类 方法. 定性方法主要是基于研究区地质条件和专 家的经验对滑坡进行评级，而定量方法是依据物 理模型和数学模型对滑坡进行分析[17] . 定性方法 依赖专家的主观性，缺少重复性. 尽管定量方法可 不同程度消除主观性的影响，且具有更好的适用 性，但是需要大量数据的支持和输入. 尽管如此， 定量方法已成为滑坡灾害评价中主要的方法[18] . 在各类定量评价的技术中，基于数字高程模型并 结合岩土力学参数的确定性模型，已成为流域尺 度滑坡灾害评价的重要方法. 物理确定性模型是通过无限斜坡稳定性模 型，计算不同水文条件下的坡体稳定性，通常能获 得准确客观的结果[17−19] . 根据计算斜坡的维度，可 分为二维和三维确定性模型. 目前大多数确定性 模型都是基于二维无限斜坡模型评估斜坡稳定 性 ，常见的有基于区域栅格的瞬时降雨入渗的 TRIGRS 与考虑稳态水文分布的 SHALSTAB[20−22] . 这些模型均可模拟降雨过程中土体中水的渗流 场，评估降雨条件下斜坡的稳定性. 尽管这些二维 确定性模型能一定程度考虑地质条件、水文条件 和气候条件，还可较为准确预测滑坡稳定性，但是 在计算过程中他们不考虑滑动面的方向，只假设 滑动体沿坡体方向移动，这与实际情况不完全相 同[23] . 为了弥补这些二维确定性模型存在的不足， 有学者指出三维模型得到的预测结果能更符合实 际情况. 例如 Bromhead 等[24] 指出二维模型很难准 确地表示岩土性质、地下水条件的空间变化和滑 动面的形状，三维模型则能更准确的表示这些条 件. 此外，Xie 等[25] 指出三维模型得出的结果要比 二维方法更可靠. 因此，三维确定性模型当前成为 滑坡稳定性评价中更为关注的方法. Scoops3D 是美国地质勘探局开发的三维确定 性模型，用来评价和预测研究区内每个栅格的稳 定性[26] . 目前，Scoops3D 已经成功预测了沿海地区 火山灰地层的滑坡稳定性[26] . 而黄土地层和火山 灰地层具有一定的相似性，所以考虑利用该模型 评价黄土滑坡的稳定性. 此外，该模型还可将其他 水文模拟软件输出结果作为直接参数输入，具有 将区域复杂水文条件耦合到稳定性评级模型中的 优势[27] . Tran 等[28] 应用 TRIGRS 计算降雨过程中 斜坡动态水文条件并输入 到 Scoops3D，对韩 国 Umyeon 山区进行降雨条件下的稳定性评价，实现 了降雨诱发滑坡的实时早期预警. Scoops3D 模型 还引入了水平地震加速度系数，用来计算地震条 件下的滑坡稳定性. 因此，采用 Scoops3D 三维确 定模型耦合降雨和地震条件，进而评价黄土地区 的滑坡稳定性. 本文首先介绍了 TRIGRS 模型和 Scoops3D 模 型的基本原理，并分析了模型各类参数在稳定性 评价中的敏感性. 然后，选择兰州市大沙沟流域作 为研究对象 ，结 合 TRIGRS 和 Scoops3D 评价降 雨、地震和两者耦合条件下区内浅层黄土滑坡的 稳定性. 最后，结合滑坡点分布图，用混淆矩阵法 和受试者工作特征（ROC）曲线法对预测结果进行 评价，检验了降雨与地震触因及其耦合条件下对 黄土高原流域尺度黄土滑坡稳定性评价结果的适 用性. 1    模型方法 1.1    降雨渗透场模拟 TRIGRS 模型是一种基于栅格数据计算降雨 入渗的斜坡稳定性模型，该程序能计算降雨入渗 引起的孔隙水压力变化以及随之变化的安全系 数[20] . 该模型结合降雨入渗和地表径流的方法计 算饱和与非饱和条件下的一维垂向渗流过程，能 够获得降雨过程中土体压力水头和含水率的空间 分布规律. 本文采用了降雨入渗的非饱和无限斜 李泊良等： 降雨和地震条件下浅层黄土滑坡三维稳定性评价 · 441 ·