土質滑坡滑前三維地形恢復研究

王振宇,張常亮,周瀟朗,魏巖朔

(長安大學地質工程與測繪學院,陜西 西安 710054)

滑坡作為自然界中一種常見的地質災害,對人類的生命財產(chǎn)安全危害極大,因此要尋找有效的方法對滑坡災害進行防治。

要對滑坡進行有效防治,就需要對其形成機理進行分析,而研究其形成機理則需要從滑坡未破壞前到破壞后的整個過程開展滑坡的應力應變發(fā)展變化分析,這就需要獲得其未滑前的原始地形。通常原始地形的恢復都是借助當前滑坡的形態(tài),根據(jù)滑坡周圍原始地形推測出滑坡原始地形,如李萍等[1]認為滑坡形成后其周界沒有滑動,可將等高程的周界點連接,近似地認為是原地形,根據(jù)滑坡周界和滑坡主軸線上的測量點計算其主滑斷面上的原地形坐標和高程,獲得滑坡主軸線上的原始地形斷面。該方法往往僅能獲得滑坡的主滑二維斷面形態(tài),且因其僅考慮周圍地形的影響,對待具有簡單原始坡形的滑坡可以近似恢復二維地形,對復雜邊坡形成的滑坡則會產(chǎn)生較大誤差。隨著技術的發(fā)展,越來越多的研究人員開始利用INSAR技術對區(qū)域性的滑坡和單點滑坡滑前滑后的形態(tài)進行監(jiān)測,然后利用GIS手段對滑前滑后的地形進行分析,建立滑坡各階段的三維地形模型,如康亞等[2]利用INSAR在烏東德庫區(qū)成功進行了大范圍的滑坡探測;何朝陽等[3]運用INSAR技術進行了潛在滑坡早起變形體的識別;朱文峰等[4]利用INSAR識別與監(jiān)測黑方臺黃土滑坡,證明此技術不僅方便可靠,而且精確度高;張文馨等[5]利用INSAR技術對礦區(qū)地面沉降進行監(jiān)測,進而得到礦區(qū)地面沉降信息;Davis等[6]基于GIS和可視化技術對具有空間性不確定的滑坡進行了可視化建模;Xie等[7]也在GIS支持下建立了滑坡三維穩(wěn)定分析模型,并運用蒙特卡羅法搜索最危險滑動面;喬建平等[8]結合人工智能技術和GIS實現(xiàn)了三維可視化滑坡危險度的判別等;王旭春等[9]利用GIS可視化技術建立了滑坡三維分析模型,進而確定滑坡主滑動方向。這些研究的開展對將滑坡的形成機制研究推展到三維狀態(tài)提供了很好的方法,但也可以看出,此種方法需要長期持續(xù)對滑坡開展監(jiān)測,以獲得每個階段的地形數(shù)據(jù),過程復雜,造價昂貴,且對于未處于監(jiān)測區(qū)域的滑坡無法獲得其原始地形數(shù)據(jù),這也限制了該方法的應用范圍。

為此,以山西省呂梁市針南川河滑坡為研究對象,通過仿真技術對現(xiàn)有滑坡坡形和周圍地形的三維地形數(shù)據(jù)進行模擬,獲得當前滑坡的三維坡形,然后參考滑坡體積量和滑坡周圍原始穩(wěn)定地形,建立多種坡形下的滑前原始三維地形,結合各地層力學參數(shù),利用運動模型[10]對各種坡形下的滑坡進行運動變化分析,獲得滑坡破壞后的三維分布形態(tài)。通過與當前滑坡三維形態(tài)的對比,選擇出最符合當前滑坡運動學特征和分布特征的坡形作為滑坡的原始三維地形。最后利用該三維地形建立其對應的三維數(shù)值模型,分析其應力應變特征和變形特征,驗證該模型的準確性。通過以上方法,研究嘗試建立針對無法獲得原始地形數(shù)據(jù)土質滑坡的原始三維地形恢復方法。

1 研究案例

南川河滑坡位于山西省呂梁市南川河南岸,滑坡前緣為南川河一級階地,后壁到前緣呈波浪狀起伏,長度220 m,最大寬度635 m,滑體厚10～30 m,滑坡體積約85萬m3,滑體覆蓋面積8.7萬m2,最大水平滑動距離30 m。未滑動之前斜坡高121.0 m,坡角45.8°。

滑坡發(fā)生后,現(xiàn)場實測滑坡斷面,根據(jù)鄰近邊坡地形恢復滑前的斷面,滑坡剖面如圖1所示。滑坡地層頂部為60 m厚黃土層,其中Q3厚12 m,Q2厚45 m,Q1厚11 m;中部為厚3 m左右的沖洪積物,底部為砂泥巖互層的基巖,未見地下水出露。通過試驗和規(guī)范得出滑坡區(qū)巖土物理性質數(shù)值,如表1所列。

圖1 南川河滑坡剖面Fig.1 Landslide profile of Nanchuan River

表1 滑坡區(qū)巖土物理性質統(tǒng)計Table 1 Statistics on the physical properties of soil in the landslide area

2 滑坡當前三維地形建立

通過實際勘察測量,獲得滑坡當前地形高程數(shù)據(jù),然后將地形高程數(shù)據(jù)坐標轉化為建模所需的坐標,以一條邊為準,其他點數(shù)據(jù)轉化為相對點,然后模擬符合該地形統(tǒng)計特征的隨機過程,形成一定數(shù)量用來表示地形框架的特征點,結合滑坡模擬所用模擬參數(shù)(見表2),再進行一定的數(shù)據(jù)處理,形成用規(guī)則網(wǎng)格表示的地形整體框架,再利用分形技術中的中點位移的方法產(chǎn)生地形的局部細節(jié),生成與真實地形相似的仿真地形,獲得當前滑坡的三維坡形(見圖2)。

表2 用于滑坡模擬的數(shù)據(jù)Table 2 Data for landslide simulation

圖2 滑坡當前三維地形Fig.2 Three-dimensional terrain of landslide

3 滑坡滑前三維地形推測

黃土滑坡的地貌特征比較明顯,后緣陡壁直立,周界突出,呈圈椅狀,前緣剪出口多在基巖頂面,可以認為滑坡前的原始邊坡是極限狀態(tài),因此認為滑坡后,滑坡后緣及周圍邊界地形沒有變化,根據(jù)滑坡方量與滑坡周圍高程數(shù)據(jù)還原原始地形。而自然界中斜坡一般按照剖面曲率將坡面形態(tài)分為3類(見圖3),曲率<-0.5時為凹形坡;曲率在-0.5～0.5時歸為直線形坡;曲率>0.5時為凸形坡?；潞缶壖斑吔缜闆r已知,控制滑坡方量即得到3種不同坡形的滑坡滑前三維地形(見圖4～圖6)。

圖3 斜坡坡型示意圖Fig.3 Slope diagram

圖4 滑坡滑前凸坡三維地形Fig.4 Three-dimensional terrain of convex slope before landslide

圖5 滑坡滑前凹坡三維地形Fig.5 Three-dimensional terrain of concave slope before landslide

4 推測不同坡形下的運動學分析

4.1 Sassa K模型運動分析基本原理

根據(jù)仿真基本原理(見圖7),滑坡體是由無數(shù)個假想的垂直柱體構成。假設滑坡體的總體積不發(fā)生變化,只有各柱體高程發(fā)生變化,即各高程增加量為0,以此來模擬滑坡運動。

圖6 滑坡滑前直坡三維地形Fig.6 Three-dimensional terrain of constant slope before landslide

圖7 仿真基本原理Fig.7 Basic principle of simulation

滑坡體雙層結構如圖8所示,假設滑動質量由2層組成:第1層是相對連貫的滑動碎屑層,第2層是較薄的滑動區(qū)。上部碎屑層的厚度在滑坡運動過程中會發(fā)生變化?；逻\動過程中,滑坡體厚度變薄,最終形成沉積體是滑坡的普遍現(xiàn)象。根據(jù)該模型,當作用于滑動區(qū)的法向應力減小時,其表觀摩擦系數(shù)將相應增加。如果滑坡運動中的抗剪力是恒定的話,將導致滑坡運動自動停止?；逻\動中,滑體抗剪力、表觀摩擦系數(shù)及其他主要影響因素關系為

τss(h,Bss)=τss+(σ(h)tanφ′r-τss)(1-Bss),

(1)

σ(h)=ρghcos2θ,

(2)

(3)

其中:τss為穩(wěn)定狀態(tài)下滑動區(qū)土體的抗剪力;φ′r為有效殘余摩擦角;Bss為超孔隙壓力累積的可能性;τss(h,Bss)為當滑動質量的厚度在h位置,超孔隙壓力累積的可能性是Bss;φa為滑動區(qū)土壤的表觀摩擦系數(shù)。

圖8 滑坡體雙層結構Fig.8 Double layer structure diagram of landslide

邊坡破壞后,隨著滑坡的加速,抗剪強度將下降到穩(wěn)定狀態(tài)。在滑坡體運動過程中,正應力會減小,導致表觀摩擦角增大,從而導致滑坡運動停止。

4.2 不同坡形運動結果分析

南川河滑坡凸坡三維滑動過程模擬如圖9所示。假設滑前的滑坡地形如圖9(a)所示,原地形較周圍地形較高,形成一凸坡,滑坡的左右兩翼較周圍地形落差較大,等高線密集。對比滑坡見穩(wěn)定后的堆積形態(tài)[見圖9(b)]和實際地形(見圖2)的地面形態(tài),發(fā)現(xiàn)模擬凸坡的滑距較實際大,滑動范圍也比實際地形廣,特別是滑坡前緣左側滑動范圍較實際地形大了好多,滑動后地面形態(tài)有所差別,模擬凸坡中部由于滑前坡體較高,在滑動穩(wěn)定后依然有突起,而實際地面形態(tài)呈平緩下降,由于右側較左側陡,所以滑坡滑動方向稍向左偏,導致滑坡穩(wěn)定后的左側地形與實際地形有較大誤差。因此,在降低此凸坡模擬數(shù)據(jù)高程數(shù)據(jù)基礎上又做了南川河滑坡凹坡三維滑動過程模擬。

圖9 南川河滑坡凸坡三維滑動過程模擬Fig.9 Simulation of the three-dimensional sliding process of landslide of convex slope of Nanchuan River

南川河滑坡凹坡三維滑動過程模擬如圖10所示。相比與之前的凸坡高程,凹坡相對降低了40 m,整體坡形較平緩,等高線較稀疏。對比滑坡凹坡穩(wěn)定后的堆積形態(tài)[見圖10(b)]和實際地形(見圖2)的地面形態(tài),發(fā)現(xiàn)模擬凹坡的滑距比實際小很多,滑動范圍也比實際地形窄,模擬的凹坡只有對比滑坡直坡穩(wěn)定后的堆積形態(tài)[見圖11(b)]和實際地形(見圖2)的地面形態(tài),發(fā)現(xiàn)二者滑距基本一致,滑動范圍基本相同,滑動后地面的形態(tài)基本相似。

圖10 南川河滑坡凹坡三維滑動過程模擬Fig.10 Simulation of the three-dimensional sliding process of landslide of concave slope of Nanchuan River

滑坡前緣的左右兩側發(fā)生少量滑動,滑坡前緣中部基本無滑動,滑動后地面的形態(tài)也有所區(qū)別,雖然滑動方向基本一致,但由于滑坡前緣基本無滑動,滑坡中部坡形基本無變化,并未出現(xiàn)實際坡體中部的低陷,只滑動方向主軸兩側出現(xiàn)了不太明顯的斜溝。此后,又在這二者之間多次結合周圍地形調整高程,得到了在滑動穩(wěn)定后與實際地形較符合的南川河滑坡三維滑動過程模擬,如圖11所示。

圖11 南川河滑坡直坡三維滑動過程模擬Fig.11 Simulation of the three-dimensional sliding process of landslide of constant slope of Nanchuan River

此外,通過導出各狀態(tài)滑坡穩(wěn)定后的實際地形高程數(shù)據(jù),選取控制斷面高程數(shù)據(jù),得到不同坡形滑動穩(wěn)定后同一剖面剖面圖(見圖12)。從圖12中可以看出,凸坡與凹坡在滑動穩(wěn)定后的地形與實際地形存在偏差,而直坡滑動穩(wěn)定后與實際地形基本相似,誤差在允許范圍內(nèi)。

圖12 不同坡形滑動穩(wěn)定后同一剖面對比Fig.12 Same profile after stabilization of different slope sliding

5 最優(yōu)滑前恢復地形的驗證分析

結合模擬所得南川河滑坡滑前原始地形,運用GTS NX建立三維模型,首先導入直坡滑前的高程點,生成面然后用箱體切割出坡體,使用Mohr-Coulomb材料模型,其物理力學參數(shù)見表1,然后以10為尺寸控制播種,進一步進行混合網(wǎng)格劃分,劃分為131 918個節(jié)點,155 120個單元,以Morgenstern-Pric極限平衡法為穩(wěn)定性判別依據(jù)。將地面定義為自由位移邊界,其余5個面為固定位移邊界,建立南川河滑坡三維模型(見圖13),通過查詢資料發(fā)現(xiàn),其所處地方構造活動并不強,故將x軸方向的側壓力系數(shù)K0x和y軸方向的側壓力系數(shù)K0y都設為1.0,建立初始應力場,進行計算分析。研究分析其穩(wěn)定系數(shù)為1.103 8,因此該滑坡處于極限平衡狀態(tài),并得到了滑坡最大剪應力圖(見圖14)和滑坡剪切應變圖(見圖15),根據(jù)所得到應力應變分布云圖進一步分析其劃破破壞范圍。

圖13 南川河滑坡三維模型Fig.13 Three-dimensional model of the Nanchuan River landslide

從圖14和圖15可以看出,滑坡的最大剪應力分布自上往下逐漸增大,這與其應力大小成正比,越往下越大。而且在圖14中可以看出,滑坡左緣出現(xiàn)了剪力突然變大的現(xiàn)象,這表明坡體在此處出現(xiàn)不穩(wěn)定,對應圖15可知,此處剛好是剪切應變集中區(qū),即滑坡破壞的大致范圍,滑坡左前緣首先出現(xiàn)剪應變集中現(xiàn)象,失穩(wěn)下滑進而導致滑坡后緣整體出現(xiàn)滑動,這與Sassa K所做的模擬結果基本相似,因此證明復原的滑前三維地形基本符合,也可以更加直觀的觀察其破壞的范圍。

圖14 滑坡最大剪應力Fig.14 Maximum shearing stress of landslide

圖15 滑坡剪切應變Fig.15 Shearing strain of landslide

6 結論

對滑坡進行有效防治,就需要從滑坡未破壞前到破壞后的整個過程開展滑坡的應力應變發(fā)展變化分析,這就需要獲得其未滑前的原始地形。以山西省呂梁市南川河滑坡為研究對象,對其進行了三維原始地形恢復,得出以下結論:

(1) 利用仿真原理結合滑坡巖土體物理力學參數(shù)與地形高程,建立滑坡當前地形,可以為恢復滑坡滑前地形打好基礎。

(2) 滑坡后,滑坡后緣及周圍邊界地形沒有變化,根據(jù)滑坡方量與滑坡周圍高程數(shù)據(jù)還原原始地形,建立不同坡形來運用Sassa K模型模擬滑坡運動過程,通過滑距、滑動范圍、滑動后地面的形態(tài)等來確認相對合理的滑前地形。

(3) 運用數(shù)值模擬,結合找出的滑前三維地形,滑坡體基本物理力學參數(shù),分析其應力應變特征和變形特征,驗證該模型的準確性。通過這一整套的流程,嘗試建立針對無法獲得原始地形數(shù)據(jù)土質滑坡的原始三維地形恢復方法。

同時,研究內(nèi)容在以下2個方面還有待改進:(1)雖然通過高程數(shù)據(jù)與巖土參數(shù)還原了三維原始地形,但滑坡真正的發(fā)生過程,其內(nèi)部構成物質大小、形態(tài)、力學性質都會影響滑坡的發(fā)展,要完全模擬真實的地形在理論和實踐上都存在很大的困難;(2)對于原始地形雖然有一定進展,但整個模擬過程數(shù)據(jù)分析量龐大,而且分析的工況比較有限,需要加以改進。