吳良杰，薄景山,2，常晁瑜,2，閆東晗，焦淙湃

(1.防災(zāi)科技學院, 河北 三河 065201；2.中國地震局工程力學研究所地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

我國黃土高原地區(qū)大多為地震高烈度區(qū)，地震活動強烈，地震災(zāi)害損失嚴重?！吨袊卣饎訁?shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)顯示，黃土高原地區(qū)地震烈度Ⅶ度(0.10g)以上的區(qū)域占其總面積的54.21%。歷史地震資料顯示，在黃土高原上發(fā)生的數(shù)次特大地震都產(chǎn)生了極為嚴重的地質(zhì)災(zāi)害，其中近90%為滑坡與崩塌等災(zāi)害[1]。地震滑坡是斜坡在地震作用下的失穩(wěn)滑坡現(xiàn)象，是地震留下的地質(zhì)遺跡。研究這一問題具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價值。研究地震誘發(fā)滑坡的機理以及通過地震滑坡研究地震動的特性都需要建立供分析使用的滑坡地質(zhì)模型和力學模型，需要斜坡失穩(wěn)前的原始地形資料。然而，由于地震古滑坡形成的年代久遠，無法利用遙感影像或地形圖等資料獲取其原始地形的信息。因此，如何恢復(fù)地震古滑坡的原始地形就成為研究黃土地震古滑坡的關(guān)鍵問題[2]。盡管少數(shù)研究者在這一方面開展了一些研究，但是問題遠沒有解決。本文在總結(jié)已有研究的基礎(chǔ)上，介紹了現(xiàn)有方法的基本原理，評述了現(xiàn)有方法存在的問題。提出了開展這一領(lǐng)域研究的若干思想和想法。本文的成果對推動這一領(lǐng)域的研究工作有一定的參考價值。

1 黃土地震滑坡形成的災(zāi)害

黃土地震滑坡是黃土地區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害之一，其不僅規(guī)模大，還具有滑程遠、滑速高、致災(zāi)范圍廣、社會危害大等特點[3]。歷史上，黃土地區(qū)曾發(fā)生過多次特大地震(如圖1所示)，其中也包含一些中強地震，這些地震都誘發(fā)了嚴重的黃土滑坡災(zāi)害。地震所誘發(fā)的黃土滑坡造成的損失遠遠大于地震本身所造成的損失。如1654年甘肅天水南8.0級特大地震，誘發(fā)了上百處滑坡，死傷上萬人[4-5]；1920年寧夏海原8.5級特大地震，誘發(fā)了675起大規(guī)模的黃土滑坡，滑坡總面積達4000～5000km2，造成了10萬余人遇難，占據(jù)了此次地震遇難總?cè)藬?shù)的一半左右[6-7]。本文就歷史上黃土地區(qū)歷次大地震所誘發(fā)的滑坡災(zāi)害進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果列于表1。

本文通過對黃土地區(qū)歷史上7次特大地震所誘發(fā)的黃土滑坡災(zāi)害進行統(tǒng)計，可以看出地震所誘發(fā)的黃土滑坡的危害性巨大，致災(zāi)范圍廣。通過分析可以看出，一般滑坡主要是沿著震中及斷裂帶周圍集中分布；且滑坡一般發(fā)生在河流、溝谷的附近區(qū)域；特大地震易引發(fā)大規(guī)模的滑坡群，且滑坡的數(shù)量較多，滑程也較遠。震害調(diào)查表明，地震滑坡是黃土地區(qū)致災(zāi)的主要原因。研究黃土地區(qū)地震滑坡的形成機理、評價方法和風險評估對減輕地震災(zāi)害損失意義重大，對這些地震古滑坡而言，開展這一研究首先要解決的是地震滑坡的原始地形恢復(fù)問題。

2 黃土古滑坡原始地形恢復(fù)方法研究現(xiàn)狀

本文所研究的地震古滑坡不同于地質(zhì)學中古滑坡的定義，是泛指缺乏相關(guān)滑前地形資料的滑坡。鑒于古滑坡滑前相關(guān)地形資料的缺乏及其原始地形對于古滑坡研究的重要意義，有必要開展古滑坡原始地形恢復(fù)方法的研究。然而過去相關(guān)學者在做滑坡穩(wěn)定性分析時都是通過簡單的假設(shè)來確定古滑坡的原始地形，對古滑坡原始地形恢復(fù)的研究不夠深入。目前關(guān)于古滑坡原始地形恢復(fù)的研究仍然較少，且過去相關(guān)學者在進行滑坡穩(wěn)定性研究時，通常都是通過滑坡現(xiàn)今地形的坡頂與坡腳連線的傾角來簡單的假定其滑前的坡度，利用坡度建立一個簡單的斜坡地質(zhì)模型來進行穩(wěn)定性計算與分析，并無合理的恢復(fù)方法。自從21世紀初，已開始有人針對古滑坡原始地形的恢復(fù)方法開展了研究，如李忠生[19]提出一種基于最易失穩(wěn)安全系數(shù)與滑坡體滑前與滑后體積相等的原則來恢復(fù)古滑坡滑前原始地形；李萍[20]提出一種簡單的等高程點互插的辦法來近似的恢復(fù)滑坡原始地形剖面；鄭旭輝[21]提到了一種基于滑坡滑前坡度與周邊斜坡坡度一致以及滑前與滑后滑坡體體積相等的原則來恢復(fù)古滑坡原始地形。這些方法較過去的假定方法考慮了不同的因素對滑坡滑前地形恢復(fù)的影響，方法有改進，結(jié)果的精度有提高，但是仍存在較多因素考慮不夠全面。還遠不能滿足黃土地震滑坡分析的要求。

國外學者亦關(guān)注古滑坡地形恢復(fù)方法的研究，如Conoscenti C等[22]在其研究中提出了一種基于線性插值的數(shù)學方法和滑坡區(qū)域以外地區(qū)的地表形態(tài)于滑前與滑后不變原則的恢復(fù)方法。該方法主要是以ArcGis為平臺利用現(xiàn)今未滑區(qū)域的DTM數(shù)字高程數(shù)據(jù)通過線性插值算法得出滑坡區(qū)域滑前的高程數(shù)據(jù)，根據(jù)這些高程數(shù)據(jù)建立滑坡滑前原始地形。該方法所采用DTM數(shù)據(jù)精度較高，能夠較有效地還原滑坡滑前的地表形態(tài)。但是該方法的恢復(fù)原則存在極大的不確定性，因為地形是復(fù)雜多變的、線性插值存在誤差、沒有考慮體積等因素，其合理性有待進一步驗證。國外對滑坡的研究更多的是側(cè)重對現(xiàn)今未發(fā)生失穩(wěn)的邊坡以及滑坡進行穩(wěn)定性評價，以及對現(xiàn)今的滑坡發(fā)生復(fù)活的可能性進行分析與評價。主要是對不穩(wěn)定的斜坡與滑坡在地震、降雨等因素的影響下發(fā)生失穩(wěn)的可能性進行評估，以及可能產(chǎn)生的破壞形式及致災(zāi)規(guī)模進行估計和預(yù)測[23-26]。如Diala T[27]通過現(xiàn)場考察滑坡的地質(zhì)條件并利用Plaxis 2D軟件建立了一個滑坡數(shù)值模型，在此模型中引入地震與降雨因素影響指數(shù)來評價邊坡穩(wěn)定性。Torgoev A[28]通過現(xiàn)場調(diào)查創(chuàng)建了一種二維地震邊坡穩(wěn)定性動態(tài)模擬方法?？傮w來說，國外關(guān)于古滑坡原始地形恢復(fù)方法的研究很少，主要研究近幾十年來具備滑前地形資料的滑坡。

綜合國內(nèi)外當前關(guān)于古滑坡原始地形恢復(fù)方法的研究現(xiàn)狀，可見目前古滑坡原始地形恢復(fù)方法的研究還尚不成熟，仍需要進行深入的研究。

3 古滑坡原始地形恢復(fù)方法的原理

盡管目前古滑坡原始地形恢復(fù)的研究還尚不成熟，但是它是開展古滑坡研究必不可少的一項內(nèi)容。本文就現(xiàn)有的幾種古滑坡原始地形恢復(fù)方法的原理進行介紹，分析每種方法的優(yōu)缺點，總結(jié)現(xiàn)有方法的不足。

3.1 基于滑前安全系數(shù)與等體積原則的恢復(fù)方法

李忠生[19]提出了一種基于最易發(fā)生斜坡失穩(wěn)安全系數(shù)與滑坡體的體積在滑前和滑后相等的原則恢復(fù)地震古滑坡原始地形的方法。其原理為，第一步，假定滑體在滑動前的安全系數(shù)為1.05，因為只有在這種情況下，斜坡在受到地震、暴雨等外界因素的觸發(fā)時比較容易發(fā)生失穩(wěn)；第二步，在采集現(xiàn)今滑坡地形地貌數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用OASIA軟件大致估算出滑坡體滑后的體積；第三步，基于滑后坡體的體積假定一個適當?shù)幕禄靶逼碌钠露龋诖似露鹊幕A(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)今滑坡的地形數(shù)據(jù)建立一個滑坡滑前初始模型；第四步，利用滑坡滑前初始模型估算出滑坡體滑前體積，并將其與第二步所給出的滑后滑體的體積進行對比。通過前后平行移動斜坡剖面的位置來使得滑前和滑后滑體的體積相等。在此基礎(chǔ)上，計算出此時斜坡的安全系數(shù)，判斷其是否等于1.05。若不相等，則通過調(diào)整斜坡面的傾角使得安全系數(shù)等于1.05；第五步，返回第四步繼續(xù)計算滑坡滑前體積，依次類推，形成迭代格式，直到滿足滑前與滑后的坡體體積相等、斜坡安全系數(shù)等于1.05，并以此來確定滑坡滑前的地形。

該方法比較簡單，在缺少相關(guān)滑前地形資料的情況下，能夠比較有效地復(fù)原斜坡失穩(wěn)前斜坡剖面的大致形狀，但沒有考慮到滑坡剪出口位置的影響?；录舫隹谑腔瑒用孀钕露伺c原地面相交的破裂口，它可以作為滑坡最下端滑出界限的約束。此方法只側(cè)重對坡度的恢復(fù)，沒有考慮坡體原始形狀的恢復(fù)，不同的坡體形狀對斜坡的穩(wěn)定性計算也會帶來不同的影響。該方法雖然可得到斜坡剖面的二維地質(zhì)模型，但是無法得到到其三維地質(zhì)模型。

3.2 基于等高程點互插的恢復(fù)方法

李萍[20]通過對滑坡實地測量，提出了一種等高程點互插的古滑坡原始地形恢復(fù)方法。該方法的步驟為：首先，根據(jù)滑坡的實測數(shù)據(jù)建立三維坐標系統(tǒng)，并利用滑坡主滑方向及實測地形數(shù)據(jù)確定一條滑坡主軸線，根據(jù)主軸線在水平面的投影確定一條投影直線，并建立平面直線方程；第二，根據(jù)實測地形數(shù)據(jù)勾繪出滑坡周界，并以滑坡主軸線為界，兩側(cè)周界的點各自向?qū)γ嬉粋?cè)插上等高程點，并通過插值公式和已知坐標信息求出插值點的空間坐標；第三，根據(jù)得到的插值點空間坐標，將等高程的點兩兩相連，得到不同高程的平面直線，并得到其各自的平面線性方程；第四，將不同等高程點的連線與主軸線的平面投影線的平面線性方程聯(lián)合起來求解，得到各個等高點的連線與主滑軸線平面投影線的交點。賦予這些交點對應(yīng)的高程，得到其空間坐標，將這一組空間坐標點視為原地形主滑剖面上的點；第五，利用主滑剖面上的點繪制滑坡滑前斜坡的主滑剖面。

該方法計算簡單，對數(shù)據(jù)采集的要求不高，方便在野外能快速得到其原始地形剖面。但是此方法很多因素尚未考慮，如滑坡體的體積、坡體形狀，滑動面等。同時滑坡周界采樣點的密度要求也不高，因此這種方法的恢復(fù)精度通常受限。且滑坡滑前斜坡的主滑剖面并不是滑坡周界兩側(cè)等高程的點簡單的互連，有可能與實際不符。

3.3 基于滑坡原始坡度與周邊地形坡度一致及等體積原則恢復(fù)方法

鄭旭輝[21]通過對滑坡實地測量及結(jié)合相關(guān)建模軟件，提出了一種基于滑坡滑前斜坡的坡度與周邊未滑區(qū)域斜坡的坡度一致和滑坡體滑前與滑后體積相等原則的古滑坡原始地形恢復(fù)方法。該方法步驟為：首先，假定滑坡周界以外未發(fā)生失穩(wěn)滑動的斜坡坡面的坡度在震前震后保持不變，以滑坡側(cè)壁和后壁周界作為失穩(wěn)滑動約束邊界；第二，將滑坡周界以外未發(fā)生失穩(wěn)滑動的坡面坡度作為滑坡失穩(wěn)前斜坡的坡度，假定滑坡的主滑方向為斜坡失穩(wěn)前坡脊線方向；第三，根據(jù)現(xiàn)場實地測量，采集滑坡的地形數(shù)據(jù)，估算出滑坡體的體積，假定滑坡體滑前與滑后體積相等；第四，將現(xiàn)場實測的滑坡數(shù)字高程模擬數(shù)據(jù)利用Midas GTS軟件生成滑坡現(xiàn)今的三維地形，選取一定的滑坡區(qū)域按照不同的剖分距離值對現(xiàn)今滑坡的地表進行網(wǎng)格化剖分，勾繪出滑坡兩側(cè)壁與后壁的周界線；第五，刪除滑坡周界以內(nèi)現(xiàn)今滑坡體的地表網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)，根據(jù)實測的滑坡體體積、未滑動區(qū)域斜坡的坡度以及滑坡主滑方向確定滑前斜坡的坡脊線；第六，以未刪除的坡面網(wǎng)格數(shù)據(jù)，滑坡周界及坡脊線為約束條件，采用樣條曲線勾繪出滑前斜坡的坡面控制節(jié)點曲線，根據(jù)坡面控制節(jié)點曲線生成滑前斜坡地表三維形態(tài)；第七，多次重復(fù)第四至第六步，得到光滑的坡面形態(tài)，生成原始的滑坡地形。

該方法較前兩種方法更為合理，前兩種都只考慮了其二維斜坡剖面地質(zhì)模型，這種方法通過引入坡脊線這一要素利用Midas GTS軟件建立滑坡滑前的三維地形，使得恢復(fù)結(jié)果更加符合實際，也更加直觀，但是此方法恢復(fù)過程中坡脊線的形狀是用直線來代替，但斜坡的坡脊線并不一定都呈直線狀，也許呈折線型，外凸線型或其它的不規(guī)則線性，且不同坡脊線會產(chǎn)生不同的斜坡坡面形狀，不同的坡面形狀也會對斜坡的穩(wěn)定性分析產(chǎn)生影響[29]，因此該方法對坡脊線形狀的考慮有待改進，同時對滑動面、剪出口的合理位置考慮的也不夠充分。

除了以上恢復(fù)方法以外，王東輝等[30]通過物探、鉆孔以及開挖地震探槽等勘查措施對古滑坡的原始地形也做了一些工作，主要是指出了古滑坡恢復(fù)過程中需要考慮的因素以及古滑坡恢復(fù)的大致流程，為古滑坡的恢復(fù)提供思路。同時通過對古滑坡的現(xiàn)今地形進行精密的測繪，確定了滑坡的基本要素和滑坡體的土層結(jié)構(gòu)成分，通過滑坡體的土層結(jié)構(gòu)成分大致確定滑前斜坡地形。這種方法雖然考慮了滑坡體的土層結(jié)構(gòu)成分，但是成本代價高，不具備普遍適用性。此外，閆東晗等[31]提出了利用滑坡側(cè)壁周圍地形的趨勢線來大致確定滑坡滑前地表形態(tài)的方法。

4 討論與建議

在滑坡的研究領(lǐng)域，人們主要關(guān)注現(xiàn)代斜坡的穩(wěn)定性問題，這是因為現(xiàn)代斜坡的穩(wěn)定對工程建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。對古滑坡人們主要關(guān)注的是其再次滑動的可能性及可能造成的危害。因此，人們對古滑坡原始地形恢復(fù)研究的興趣不高，進展不大。雖然，不同的研究者提出了一些古滑坡地形恢復(fù)的方法，對促進這方面的研究起到了積極的推動作用，但還不能滿足研究古滑坡與地震關(guān)系的精度要求。地震古滑坡地形恢復(fù)問題的研究存在極大的難度，主要困難是古滑坡年代久遠，若干滑坡要素難以辨別和精準測量；還有古滑坡的原始地形存在極大的不確定性。地形恢復(fù)是研究古滑坡與地震動關(guān)系不能逾越的問題。為進一步推動這一領(lǐng)域的研究工作，本文提出如下7個方面的研究建議，這些研究思路可為對這一方面研究感興趣的科研人員提供參考[32-38]。

(1)采集黃土地區(qū)不同地貌單元的斜坡特征參數(shù)，為滑坡地形恢復(fù)提供宏觀地貌數(shù)據(jù)支持。黃土在漫長的地質(zhì)歷史中，在以流水為主的外動力地質(zhì)作用下形成了墚、峁、塬等典型的溝間地貌，不同地貌與溝壑間的斜坡體有不同的幾何形態(tài)，利用現(xiàn)代衛(wèi)星遙感等資料和相關(guān)軟件可大量采集這些斜坡體的幾何參數(shù)并總結(jié)出微地貌特征。為形成在不同的地貌單元上的地震古滑坡的地形恢復(fù)提供幾何參數(shù)的宏觀把控。

(2)通過野外調(diào)查，利用各種勘察手段精準的確定滑坡要素，為地震古滑坡原始地形恢復(fù)提供斜坡體的宏觀輪廓。主要查清滑坡的后壁、側(cè)壁、剪出口、滑床以及滑體松散堆積物前緣的位置。通過滑坡要素的分析。給出滑體的主滑方向和視摩擦角。

(3)在滑坡要素調(diào)查的基礎(chǔ)上，確定滑坡原始斜坡周界，通過地形測量給出原始斜坡周界及外擴一定范圍的地形高程數(shù)據(jù)，為古滑坡的地形恢復(fù)提供斜坡體的幾何數(shù)據(jù)。重點測量滑坡后壁頂部地面的高程、剪出口的高程和兩側(cè)側(cè)壁頂部沿斜坡不同點的高程以及滑坡堆積體原始地面的高程。

(4)利用滑坡原始周界和滑坡堆積體高程測量的結(jié)果，估算滑坡體的體積，為滑坡原始地形恢復(fù)提供地貌形態(tài)依據(jù)?；麦w積的估算對地形恢復(fù)至關(guān)重要，由于古滑坡年代久遠，人類改造的能力有限，有些古滑坡在黃土高原少量地區(qū)保存的比較完好，采用多種手段來估計其體積可以滿足研究的需要。

(5)采用等體積的原則確定古滑坡原始地貌形態(tài)，為原始斜坡地表面的曲線擬合提供依據(jù)。調(diào)查表明，黃土地區(qū)的斜坡的地表形態(tài)大致可分為上凸型、下凹型和平直型三種，若把含有滑坡后壁頂部最高點和剪出口最低點連線并與滑面平行的平面看成是滑坡原始斜坡的地表面，則利用該平面和滑面以及側(cè)壁等信息可估計滑坡的體積。如果該體積與前面估算的滑體的體積大約相等，則可認為其原始地表面為平直型；如果大于前面估算的滑體的體積，則為下凹型；如果小于前面估算的滑體的體積，則可確定為上凸型。

(6)通過曲面擬合等數(shù)學方法和微地貌調(diào)整給出滑坡原始斜坡的地表形態(tài)，為建立滑坡地質(zhì)模型奠定基礎(chǔ)。至此，地震古滑坡原始斜坡地形恢復(fù)的問題可歸結(jié)為光滑曲面的擬合問題。在提供豐富的高程數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，數(shù)學上解決這一問題并無困難，可以給出具有高程信息的地震古滑坡原始斜坡地形。

(7)利用恢復(fù)的地震古滑坡原始斜坡地形，可以建立滑坡三維地質(zhì)模型，為研究地震作用下滑坡的穩(wěn)定性分析和利用地震滑坡反演地震動以及地震動場的研究提供計算模型。在滑坡地質(zhì)模型建立的過程中，滑坡體的巖土組成和結(jié)構(gòu)可參照滑坡鄰近的未滑動地質(zhì)體給出，由此給出的三維地質(zhì)模型基本可滿足滑坡地震動力反應(yīng)分析的要求。

5 結(jié)論

地震古滑坡原始地形恢復(fù)是開展古滑坡研究的一項基礎(chǔ)性工作，它既是這一研究領(lǐng)域無法逾越的問題，也是探索古滑坡與地震動關(guān)系的一座橋梁。盡管黃土的地形條件復(fù)雜，存在極大的不確定性，使得古滑坡的原始地形恢復(fù)很難做到精細的復(fù)原，但是通過滑坡要素與滑前地形的關(guān)系及滑前和滑后的坡體體積相等的原則并選擇合適的數(shù)學方法能夠得到滿足古滑坡研究精度要求的滑前地形。通過考察國內(nèi)外地震古滑坡原始地形恢復(fù)方法的研究現(xiàn)狀，我們可以看到，這一方面的研究總體上還尚不成熟，有必要深入研究。本文所提出的7個方面的研究思路與改進建議能夠給對這方面研究領(lǐng)域感興趣的科研人員提供一定的參考價值。以期起到拋磚引玉的作用，推動這一領(lǐng)域的研究工作。