MapGis、Excel在滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中的應(yīng)用及實(shí)例說(shuō)明

雷育賓，張志棟

(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆烏魯木齊830091)

MapGis、Excel在滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中的應(yīng)用及實(shí)例說(shuō)明

雷育賓*，張志棟

(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆烏魯木齊830091)

以新疆伊寧縣奧依曼希望小學(xué)滑坡為例，利用工程中常用的傳遞系數(shù)法通過(guò)Microsoft Excel軟件編制公式對(duì)其穩(wěn)定性計(jì)算，且應(yīng)用MapGis系統(tǒng)的功能，獲得滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，得出了滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，為今后滑坡防治工作提供了理論依據(jù)。

MapGis；數(shù)據(jù)提??；Excel；滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；傳遞系數(shù)法

MapGis是中地?cái)?shù)碼科技有限公司研發(fā)的具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)軟件平臺(tái)，功能齊全，廣泛應(yīng)用于國(guó)土資源管理、礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)、地質(zhì)災(zāi)害治理、城市規(guī)劃等部門(mén)和行業(yè)，隨著近幾年的普及，MapGis在滑坡勘查中亦得到應(yīng)用；Microsoft Excel是美國(guó)微軟公司研制的電子表格軟件，它具有強(qiáng)大的計(jì)算、制圖、制表和數(shù)據(jù)庫(kù)操作功能，使用較為簡(jiǎn)單、方便，在各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。本文就MapGis、Excel在滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中的應(yīng)用做一探究。

1　Excel在滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中的應(yīng)用

（1）公式選取。本次利用工程中常用的傳遞系數(shù)法通過(guò)Microsoft Excel軟件編制公式進(jìn)行滑坡推力計(jì)算，在DZ/T0218-2006滑坡防治工程勘查規(guī)范中[1]，用傳遞系數(shù)法計(jì)算滑坡的各滑塊剩余下滑力Pi，滑坡計(jì)算模型如圖1所示，計(jì)算公式如下：

圖1　滑坡計(jì)算模型(傳遞系數(shù)法)

式中：Pi——第i條塊的推力，kN/m；

Pi-1——第i條塊的剩余下滑力，kN/m。

當(dāng)Pi-1、Pi為負(fù)值時(shí)取0。

下滑力Ti：

抗滑力Ri：

傳遞系數(shù)Ψ：

孔隙水壓力Nwi：

即近似等于浸潤(rùn)面以下土體的面積hiwLi乘以水的容量rw；

滲透壓力平行滑面的分力TDi：

滲透壓力垂直滑面的分力RDi：

當(dāng)采用孔隙壓力比時(shí)，抗滑力Ri可采用如下公式：

式中:γu——孔隙壓力比。

（2）建立計(jì)算工作表錄入原始數(shù)據(jù)。建立工作表，工作表中需要輸入的項(xiàng)目有分塊編號(hào)、滑體重度、塊體面積、水下面積、水流傾角、地震加速度、粘聚力、內(nèi)摩擦角及設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

錄入數(shù)據(jù)后，需要計(jì)算的項(xiàng)目有滲透壓力水平分力RDi、滲透壓力垂直分力TDi、本段下滑力T、本段抗滑力R、上一段的傳遞系數(shù)ψ、本段穩(wěn)定系數(shù)Kf及滑坡推力。

（3）利用Excel中的公式編輯功能對(duì)各計(jì)算項(xiàng)目錄入公式。Excel中提供了方便的編輯公式功能，可根據(jù)計(jì)算項(xiàng)目的計(jì)算式錄入公式。各計(jì)算公式在Excel中的表達(dá)式見(jiàn)表1。

表1　傳遞系數(shù)法計(jì)算的各項(xiàng)目在Excel中的表達(dá)式

（4）利用Excel的復(fù)制功能對(duì)各條塊的計(jì)算項(xiàng)目進(jìn)行求解。通過(guò)利用Excel提供的句柄復(fù)制功能可以對(duì)各計(jì)算項(xiàng)目進(jìn)行快速的求解。其中，Z列的每一行對(duì)應(yīng)每一條塊的剩余下滑力，W列的每一行對(duì)應(yīng)每一條塊的穩(wěn)定系數(shù)Kf，其余各列為中間成果。

（5）繪制剩余下滑力及穩(wěn)定系數(shù)分布圖。利用以上求得的剩余下滑力及穩(wěn)定系數(shù)，通過(guò)Excel的圖標(biāo)繪制功能生成剩余下滑力及穩(wěn)定系數(shù)分布圖[6]。

通過(guò)以上計(jì)算步驟，即可完成以前繁瑣的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算過(guò)程一目了然，圖件能清晰表達(dá)計(jì)算結(jié)果的分布規(guī)律。

2　MapGis在滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中的應(yīng)用

（1）需要量取的數(shù)據(jù)。根據(jù)以上通過(guò)Excel軟件編制公式進(jìn)行滑坡推力計(jì)算所需量取的數(shù)據(jù)可知，需要量取的數(shù)據(jù)有塊體面積、水上面積或者水下面積、滑面傾角、水流傾角及滑面長(zhǎng)度。

（2）圖切剖面的繪制。一般在滑坡勘查中，通過(guò)理正軟件將鉆孔、探井資料結(jié)合物探成果繪制成工程地質(zhì)剖面，將比例尺設(shè)置為1∶1000(為了在MapGis中量算的長(zhǎng)度、面積直接用于計(jì)算，不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換),保存成“.dxf”格式，通過(guò)MapGis中的文件轉(zhuǎn)換功能，將該剖面保存成MapGis識(shí)別的“.wt”“.wl”格式的文件[3]。

（3）滑體條分。造垂直平行線對(duì)滑體進(jìn)行分割。具體做法是，在編輯子系統(tǒng)中以滑坡后緣為起點(diǎn)，造多條長(zhǎng)度大于滑體高度的垂直線，主要在滑體中地形或者滑面變化較大處進(jìn)行布置，完成對(duì)滑體的條分。

（4）拓?fù)湓靺^(qū)求條塊面積。首先利用MapGis中的自動(dòng)斷線功能間斷線，再用線拓?fù)溴e(cuò)誤檢查功能清除滑體外圍不需要的線段，在檢查無(wú)誤的前提下，線轉(zhuǎn)弧段后拓?fù)湓靺^(qū)，最后通過(guò)屬性庫(kù)管理子菜單輸出全部子區(qū)面積，為下一步計(jì)算條塊的重量做好準(zhǔn)備(水下或水上面積的計(jì)算同上)。

（5）條塊滑面傾角(αi)的量取?？赏ㄟ^(guò)編輯菜單中的其它—整圖變換—鼠標(biāo)定義參數(shù)來(lái)量取。需要說(shuō)明的是該角度是以水平為起始0°，以逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)(水面傾角的計(jì)算同上)。

（6）條塊滑面長(zhǎng)度(Li)的量取。和區(qū)屬性查詢相同，通過(guò)屬性庫(kù)管理子菜單輸出全部條塊滑面的長(zhǎng)度?；掠?jì)算剖面簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2　滑坡計(jì)算剖面簡(jiǎn)圖

（7）計(jì)算。把所獲得的參數(shù)填入Excel滑坡穩(wěn)定性計(jì)算表格中，獲得滑坡穩(wěn)定系數(shù)及剩余下滑力。

3　工程實(shí)例說(shuō)明

3.1工程概況

新疆伊寧縣奧依曼希望小學(xué)滑坡平面呈舌形，整體坡度29°，南北長(zhǎng)約82m，東西寬約58m，面積約4076m2,?；w平均厚度2m，體積約8152m3,為一小型滑坡?；w巖性主要為第四系上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)風(fēng)積黃土，顏色多呈土黃色，結(jié)構(gòu)稍密—密實(shí)，手搓有砂感，土質(zhì)較均勻，含少量礫石，具有一定的濕陷性。

3.2計(jì)算工況與計(jì)算參數(shù)

（1）計(jì)算工況。根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DZ/T0219-2006），防治工程等級(jí)為Ⅲ級(jí)，暴雨工況以10年一遇暴雨考慮；勘查區(qū)處于6度區(qū)，地震加速度為0.15考慮。工況1:自重。工況2:自重+暴雨。工況3:自重+地震。

（2）計(jì)算參數(shù)選擇：

①滑體重度的確定。根據(jù)勘查區(qū)現(xiàn)場(chǎng)大重度試驗(yàn)、室內(nèi)飽和重度試驗(yàn)資料，確定計(jì)算時(shí)采用的滑體土重度值為:天然重度為16.39kN/m3,飽和重度為19.63kN/m3。

②c、φ值確定。

天然狀態(tài)的c、φ值確定:區(qū)內(nèi)滑坡部分雖已變形，但未形成明顯的滑帶，依據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0218-2006），滑帶土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值建議表，天然狀態(tài)下滑帶土抗剪強(qiáng)度c、φ值可取滑體土峰值強(qiáng)度為滑帶抗剪強(qiáng)度。

飽和狀態(tài)的c、φ值確定:根據(jù)伊犁地區(qū)黃土滑坡的已有勘查資料，伊犁地區(qū)黃土以粉粒為主，粘粒含量少，具有不同程度的濕陷性，一般黃土浸水飽和后粘聚力c值降低較多，約為原值0.40倍，內(nèi)摩擦角φ值降低約為原值0.60倍，滑帶土飽和抗剪強(qiáng)度c、φ值根據(jù)該規(guī)律進(jìn)行取值(見(jiàn)表2)。

③滑床巖石物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)室內(nèi)巖石試驗(yàn)成果及類比相關(guān)工程資料確定巖石力學(xué)參數(shù)建議值為:中風(fēng)化砂巖的飽和抗壓強(qiáng)度R=5.75MPa，為軟巖。

④其它參數(shù)確定。本滑坡防治工程等級(jí)為Ⅲ級(jí)，滑體內(nèi)無(wú)地下水，其安全系數(shù)按《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》中滑坡防治工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)推薦表取值。其中，工況1：Ks=1.2；工況2：Ks=1.05；工況3：Ks=1.05。

表2　力學(xué)參數(shù)確定值

3.3穩(wěn)定性分析結(jié)果

在滑坡中選取主剖面Ⅱ-Ⅱ′，得到的剖面滑動(dòng)模式示意圖見(jiàn)圖3。

圖3　滑坡變形體Ⅱ-Ⅱ′剖面滑動(dòng)模式示意圖

按照上述計(jì)算工程和參數(shù)選取原則進(jìn)行計(jì)算取得的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　滑坡變形體穩(wěn)定性計(jì)算成果表

Ⅱ-Ⅱ′剖面在工況1、工況3下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在工況2下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，對(duì)于滑坡變形體來(lái)說(shuō)，其總體為欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)，局部為不穩(wěn)定。結(jié)合實(shí)際調(diào)查，滑坡體的滑動(dòng)正在發(fā)展之中，一系列跡象表明，滑坡在一定條件下會(huì)發(fā)生破壞，因此新疆伊寧縣奧依曼希望小學(xué)滑坡體需要及時(shí)治理。

4　結(jié)語(yǔ)

（1）Excel應(yīng)用于滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中，計(jì)算過(guò)程透明，原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)及最終結(jié)果都顯示在一張表格中，一目了然；同時(shí)，Excel可以完成重復(fù)性計(jì)算，對(duì)需要反復(fù)試算的問(wèn)題或同類工程計(jì)算，只需改變一下有關(guān)參數(shù)，結(jié)果即可產(chǎn)生?？梢?jiàn)利用Excel進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算可大大提高工作效率。

（2）MapGis應(yīng)用于滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，結(jié)合Excel電子表格的計(jì)算功能，可大大降低計(jì)算工作量，提高工作效率，減少人為因素的影響，提高穩(wěn)定性計(jì)算的精度。

（3）滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中傳遞系數(shù)法的使用得出了本次勘查目標(biāo)體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合實(shí)際情況，為了保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，該滑坡體需要及時(shí)治理。

（4）傳遞系數(shù)法由于其本身的適用性強(qiáng)和計(jì)算準(zhǔn)確、方便，已經(jīng)在實(shí)際滑坡防治工程中得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)其他方法也各有優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍，在使用過(guò)程中可進(jìn)行對(duì)比，總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于日常的滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作，傳遞系數(shù)法是一種科學(xué)合理的計(jì)算方法。

[1]中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).DZ/T0218-2006滑坡防治工程勘察規(guī)范[S].

[2]中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).DZ/T0240-2004滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]中地軟件叢書(shū)編委會(huì).MapGis地理信息系統(tǒng)使用教程[R].

[4]張艷嬌.傳遞系數(shù)法在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].北方交通，2007(1):41-42.

[5]滿兵，王禹.滑坡穩(wěn)定性計(jì)算方法探究及工程應(yīng)用[J].山西建筑，2013，39(30):90-92.

[6]呂濤，夏楠.Excel在滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中的應(yīng)用[J].山西建筑，2007，33(32):367-368.

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B

1004-5716(2015)07-0005-05

2014-12-10

2014-12-11

雷育賓（1982-），女（漢族），陜西富平人，工程師，現(xiàn)從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)方面工作。