基于ArcGIS的滑坡單體穩(wěn)定性分析

密長(zhǎng)林，孫德亮，文海家，劉廷祥，王榮華

(1.天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津300072;2.臨沂市國(guó)土資源局，山東臨沂276001;3.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，重慶400047;4.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400047)

一、引 言

滑坡是常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一，它的發(fā)生經(jīng)常導(dǎo)致巨大的環(huán)境破壞、經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。滑坡穩(wěn)定性分析是滑坡災(zāi)害防治中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。影響滑坡穩(wěn)定性的各空間分布趨勢(shì)信息很難在常用的非空間化的滑坡三維穩(wěn)定性分析程序中進(jìn)行分析，解決的方法是選用可以對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和對(duì)空間關(guān)系進(jìn)行分析的工具。而GIS具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理分析能力，可以滿足滑坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)的應(yīng)用。

對(duì)于滑坡研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的學(xué)科角度出發(fā)，已做過(guò)不少研究工作。特別是GIS技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了對(duì)滑坡單體的研究，涌現(xiàn)了大量的研究成果。早在1989年，美國(guó)Michael A.Finney和Nancy R.Bain就運(yùn)用GIS技術(shù)對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行了分析［1］。在國(guó)內(nèi)，近年來(lái)謝謨文等利用遙感技術(shù)對(duì)滑坡特征進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析［2］。謝謨文、江崎哲朗等人利用GIS的空間數(shù)據(jù)分析功能，結(jié)合Hovland三維邊坡穩(wěn)定性分析模型對(duì)三維邊坡的災(zāi)害進(jìn)行了分析，同時(shí)基于MO(MapObjects)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了3D Slope GIS 軟件［3-5］。

本文以重慶市奉節(jié)地區(qū)的猴子石滑坡為例，利用ArcGIS9.2空間分析功能，通過(guò)三維穩(wěn)定性分析計(jì)算出整個(gè)滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)滑坡單體穩(wěn)定性的量化分析，并在此基礎(chǔ)上為猴子石滑坡的治理工程提供參考。

二、研究區(qū)域概況和方法

1.研究區(qū)域概況

猴子石滑坡位于重慶市三峽庫(kù)區(qū)奉節(jié)縣新城區(qū)中心，三馬山小區(qū)平臺(tái)以下的斜坡地帶。范圍西起白楊坪溝，東至水井溝，北至1#連接道，南抵長(zhǎng)江河床，南北長(zhǎng)360 m，東西寬320 m。滑坡平面呈扇形，前緣海拔100 m，后緣海拔250 m，面積12.19×104m2，體積450 ×104m3［6］。據(jù)有關(guān)資料，目前猴子石滑坡體上有奉節(jié)縣汽車(chē)客運(yùn)中心、汽車(chē)運(yùn)輸公司等近20個(gè)遷建單位及大量居民住宅樓(涉及人口約5000人，房屋面積約19×104m2)，此外還有連接道及一座橋梁。

三峽水庫(kù)蓄水前，滑坡穩(wěn)定性受長(zhǎng)江水位變化影響很小，整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。水庫(kù)蓄水后，庫(kù)水浸沒(méi)較大范圍滑體，滑坡整體穩(wěn)定性變差，嚴(yán)重威脅滑坡體上及其影響區(qū)內(nèi)的居民生命、財(cái)產(chǎn)安全。

2.研究方法

(1)滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系確立

對(duì)于單個(gè)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，本文從力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，采用Hovland三維模型，計(jì)算滑坡的穩(wěn)定性。因此，對(duì)于滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要考慮以下幾個(gè)方面：

1)研究區(qū)域地表模型。

2)軟弱結(jié)構(gòu)面(滑面)的位置及傾角。

3)軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(有效粘聚力C和有效內(nèi)摩擦角φ)。

4)巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)。

5)地下水及降雨。

(2)滑坡穩(wěn)定性分析的模型及工具的選取

采用Hovland三維模型，并利用ArcGIS 9.2的空間分析功能，將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合，轉(zhuǎn)化為GIS柵格數(shù)據(jù)層，由柵格數(shù)據(jù)計(jì)算出邊滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

三、模型分析

在巖土、地質(zhì)及土木工程中，滑坡的穩(wěn)定性分析通常采用巖土力學(xué)模型，其穩(wěn)定性定量分析的判別標(biāo)準(zhǔn)是通用的基于力學(xué)模型和物理力學(xué)參數(shù)的穩(wěn)定性安全系數(shù)。當(dāng)將基于安全系數(shù)的定量分析方法與GIS技術(shù)相結(jié)合時(shí)，通常有兩種分析方式，即在GIS內(nèi)部或GIS外部完成定量分析。當(dāng)定量分析在GIS外部完成時(shí)，GIS技術(shù)僅僅作為一種用于輸入、存儲(chǔ)、顯示及更新數(shù)據(jù)庫(kù)的工具。這種處理方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要花時(shí)間和精力將模型整合到GIS系統(tǒng)中，可以直接使用現(xiàn)有的模型;其主要缺點(diǎn)是外部模型數(shù)據(jù)多元化造成數(shù)據(jù)形式的不統(tǒng)一，以及GIS的空間特性和外部模型結(jié)果的非空間特性之間的沖突。而采用在GIS內(nèi)部進(jìn)行定量分析的方法則能克服上述外部模型的缺點(diǎn)，但卻需要在GIS內(nèi)部進(jìn)行復(fù)雜的迭代計(jì)算，以及在二維的GIS中處理滑坡的三維穩(wěn)定性問(wèn)題［7-11］。因此，只有使用復(fù)雜的三維滑坡模型才能較好地解決這個(gè)問(wèn)題。

本文中的滑坡力學(xué)模型采用Hovland三維模型，將整個(gè)滑坡劃分為柵格柱體單元?；w的三維穩(wěn)定性系數(shù)則被定義為

當(dāng)考慮地表荷載P、地震作用力kW及孔隙水壓力U，并引入基于GIS的柵格數(shù)據(jù)時(shí)，三維穩(wěn)定性系數(shù)被表示為

式(1)～式(3)中，SF3D為滑體三維安全系數(shù);W為柵格柱體的重量;A為滑面面積;c為滑面有效凝聚力;φ為滑面有效內(nèi)摩擦角;θ為柱體單元的滑動(dòng)面傾角;θavr為柱體單元的滑動(dòng)面主傾斜方向視傾角;asp為滑面傾向;avr(asp)為滑面傾向平均值;i、j為滑體范圍的柵格編號(hào);U為柱體單元的滑動(dòng)面上的孔隙水壓力;P為柱體單元上的垂直荷載(地表荷載);k為地震水平加速度系數(shù)。

在沒(méi)有GIS技術(shù)支持的情況下，式(2)中滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算將會(huì)是一項(xiàng)復(fù)雜煩瑣的工作，而且數(shù)據(jù)的更新及其他因素的變化也會(huì)對(duì)這項(xiàng)工作產(chǎn)生極大的影響。數(shù)據(jù)的柵格化使研究區(qū)域被劃分為柵格單元的柱體［11］，使模型轉(zhuǎn)變?yōu)镚IS模型。同時(shí)，采用基于GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的滑坡力學(xué)模型，也能進(jìn)一步十分方便和有效地分析滑坡穩(wěn)定性問(wèn)題。

四、基于ArcGIS的猴子石滑坡穩(wěn)定性分析

猴子石滑坡穩(wěn)定性分析主要是從整體上分析滑坡單體的穩(wěn)定性，以研究滑坡整體滑移的可能性。利用ArcGIS的分析功能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性系數(shù)的量化分析。通過(guò)已知的兩個(gè)圖層：猴子石滑坡滑動(dòng)面圖層和猴子石滑坡抗滑面圖層，利用spatial analyst模塊，計(jì)算出柱體單元的滑動(dòng)面主傾斜方向視傾角θavr，再將已知的系數(shù)代入，利用柵格計(jì)算器計(jì)算出滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

1.巖土體物理力學(xué)參數(shù)的選取

(1)容 重

由于樣點(diǎn)分布的局限性，以及滑坡體土成分的復(fù)雜性，本文根據(jù)地質(zhì)報(bào)告的地質(zhì)建議值，按其所占比重將天然綜合容重設(shè)定為23 kN/m3，將飽水綜合容重設(shè)定為23.5 kN/m3。

(2)抗剪強(qiáng)度

從猴子石滑坡物質(zhì)組成看，滑體物質(zhì)主要為巴東組第二段紫紅色粉砂質(zhì)粘土巖、粘土質(zhì)粉砂巖組成的滑坡堆積物。本文根據(jù)地質(zhì)報(bào)告的地質(zhì)建議值，得出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值，C介于20～15 kPa之間，Φ 為21°(水上)/19°(水下)。

2.提取圖形數(shù)據(jù)

基于已有的猴子石滑坡抗滑面數(shù)據(jù)，由ArcGIS生成抗滑面的TIN(不規(guī)則三角網(wǎng))圖層，再由TIN圖層生成柵格數(shù)據(jù)。以該柵格數(shù)據(jù)為依據(jù)，調(diào)用ArcMap中空間分析功能的坡度生成命令和坡向生成命令，建立抗滑面的坡度圖和傾向圖。由此得出參與滑坡穩(wěn)定性計(jì)算的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括抗滑面傾角分布數(shù)據(jù)(如圖1所示)和抗滑面傾向分布數(shù)據(jù)(如圖2所示)。

圖1 猴子石滑坡抗滑面坡度圖層

圖2 猴子石滑坡抗滑面傾向圖層

通過(guò)已知的猴子石滑坡滑動(dòng)面圖層，在ArcGIS中生成滑動(dòng)面的TIN圖層，再由TIN圖層生成柵格高程圖層，結(jié)合抗滑面柵格高程圖層，運(yùn)用柵格計(jì)算器進(jìn)行兩圖層的相減，進(jìn)而得出滑體的厚度圖(如圖3所示)。

圖3 猴子石滑坡的厚度圖層

3.提取分析參數(shù)

三維穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)需先得到抗滑面傾向平均值，再判定抗滑面的主滑方向θavr。本文將柵格轉(zhuǎn)為文本格式，得到傾向值，導(dǎo)入Excel，得出滑面傾向平均值，為93.270 4。根據(jù)式(3)，通過(guò)柵格計(jì)算器，得出抗滑面的主滑方向θavr(如圖4所示)。

圖4 猴子石滑坡主傾斜方向視傾角

4.計(jì)算成果

依據(jù)式(2)，代入?yún)?shù) ci(19 kPa)、φi(20°)值、滑體重度γ(23 kN/m3)，以及上文得出的抗滑面的主滑方向θavr，利用ArcGIS柵格計(jì)算器計(jì)算出猴子石滑坡的抗滑力分布圖(如圖5所示)及猴子石滑坡的下滑力分布圖(如圖6所示)。在滑坡穩(wěn)定性分析中，滑體三維安全系數(shù)實(shí)質(zhì)上是邊坡抗滑力與下滑力之比，由此得出了猴子石滑坡的三維邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.428。

圖5 猴子石滑坡的抗滑力分布圖

5.結(jié)果分析

滑坡穩(wěn)定性安全系數(shù)被定義為沿假定滑裂面的抗滑力與滑動(dòng)力的比值，當(dāng)該比值小于1時(shí)，邊坡即發(fā)生破壞。本文的研究結(jié)果得到猴子石滑坡的三維滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.428，表明猴子石滑坡滿足穩(wěn)定性的要求。但其穩(wěn)定性系數(shù)不高，因而安全儲(chǔ)備不夠，局部可能產(chǎn)生變形，一旦受不合理削填坡、水浸泡、振動(dòng)荷載等因素影響，可能會(huì)向不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，應(yīng)實(shí)施必要的工程治理。

圖6 猴子石滑坡的下滑力分布圖

五、結(jié)論與展望

本文以滑坡單體為研究對(duì)象，利用ArcGIS分析平臺(tái)，進(jìn)行滑坡單體的穩(wěn)定性研究。主要成果及結(jié)論包括：

1)在對(duì)滑坡力學(xué)模型Hovland三維模型及其各個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，探討了基于Arc-GIS9.2平臺(tái)的滑坡穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)方法。在地理信息系統(tǒng)技術(shù)的支持下，利用該平臺(tái)計(jì)算出猴子石地區(qū)的滑坡單體穩(wěn)定性系數(shù)，進(jìn)而對(duì)滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

2)本文研究表明，利用ArcGIS對(duì)滑坡單體進(jìn)行的穩(wěn)定性分析在工程設(shè)計(jì)方面具有一定的應(yīng)用前景，該穩(wěn)定性系數(shù)在工程設(shè)計(jì)方面具有一定的參考價(jià)值，有利于邊坡工程實(shí)踐。

為了提高計(jì)算結(jié)果的精度，需要進(jìn)一步考慮各柵格之間的相互作用力，并建立更加合理的力學(xué)模型，通過(guò)建模改進(jìn)巖土體和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)等參數(shù)的精度。

今后還需進(jìn)行滑坡的風(fēng)險(xiǎn)性研究，在定性分析的基礎(chǔ)上，提出定量的風(fēng)險(xiǎn)危害程度、相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失，以及合理的滑坡管理方案。

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