基于PFC2D 下的滑坡多源數據融合衍變趨勢模擬分析

羅 超 伍 軍 謝 建 佘金星 鄭 鵬

（1、四川省川核鑫達地質工程有限公司，四川 達州 635000 2、地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610000）

1 概述

機載激光雷達（light detection and ranging , LiDAR）技術是一種新型測繪遙感技術，可以快速高精度獲取地面三維空間信息，同時獲得高分辨率光學影像，其最大的技術優(yōu)勢是激光雷達主動發(fā)射多回波激光束，能一定程度的“穿透”地表植被，捕獲高精度地形形態(tài)結構數據，通過分析真地表地層構造、地形形態(tài)、微小地貌變化以及異常地形特征等信息，綜合判斷地質災害的易發(fā)性和地質環(huán)境的穩(wěn)定性。相較于傳統(tǒng)人工調查效率低下且高山峽谷地區(qū)難以到達，光學遙感技術無法探查茂密植被下的地形特征的缺陷，機載LiDAR 技術具有其獨特的優(yōu)勢。近年來，一些學者將機載LiDAR 技術應用到地質災害調查中，并取得了一定的成效。

本文基于機載LiDAR 技術，開展萬源市草壩鎮(zhèn)測區(qū)地質災害遙感調查，獲取測區(qū)范圍內的激光點云和光學影像數據，以此開展地質災害遙感解譯，查明測區(qū)內地質災害隱患點分布，并結合多源數據，采用PFC2D 開展滑坡數值模擬，分析滑坡在不同工況下的變形破壞特征，為當地防災減災提供參考。

2 測區(qū)地質災害概況

萬源市位于達州市北部，屬于地質災害易發(fā)區(qū)。2019 年四川省核工業(yè)地質局二八三大隊開展了萬源市地質災害“三查”和應急搶險工作，查明了萬源市地質災害隱患發(fā)育分布與情況，為隱患點工程治理、監(jiān)測預警、汛前應急搶險提供有力保障。通過本次地質災害調查搶險工作可見，萬源市地質災害隱患點共計134 處，災害類型以滑坡為主，全市隱患點密度為3.3個/100km2，萬源市轄區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中隱患點數量最多的是草壩鎮(zhèn)，全鎮(zhèn)隱患點密度為23.51 個/100km2，為全市地質災害分布最為集中的區(qū)域。因此草壩鎮(zhèn)地質災害問題突出，地質災害呈現易發(fā)頻發(fā)突發(fā)現象，急需要利用測繪遙感新技術結合工程地質等技術手段開展地質災害隱患調查。

3 基于高精度機載LiDAR 的地質災害隱患識別方法

通過對獲取的點云數據及光學影像數據處理，得到測區(qū)數字正射影像圖（Digital orthophoto map ,DOM）及數字高程模型（Digital elevation model ,DEM），并構建實景三維模型。

對DEM 處理獲得不同方向的山體陰影圖，以期模擬太陽高度角和太陽方位角在山體不同方向時的地面狀態(tài)。利用DEM成果，在解譯軟件中構建高精度地形場景，疊加數字正射影像和山體陰影創(chuàng)建三維解譯環(huán)境，以此開展地質災害解譯工作。通過構建三維解譯標志，綜合區(qū)域地質構造資料以及傳統(tǒng)光學遙感影像資料，開展災害解譯。主要的解譯方法就是基于三維解譯環(huán)境進行目視解譯，利用解譯標志的特征，按照從大到小、由近及遠的步驟開展。

圖2 三維解譯平臺

4 地質災害識別結果

本次工作基于機載LiDAR 技術，綜合其他解譯資料在萬源市草壩鎮(zhèn)測區(qū)共計0.27 平方公里范圍內，共解譯出地質災害4處（HP01～HP04），均為滑坡，其中，中型1 處（HP02），小型3 處（HP01、HP03、HP04）。圖3 為本次整體解譯成果。

圖3 測區(qū)地質災害分布情況

5 滑坡數值模擬

顆粒流離散單元法基于離散元法對顆粒賦予一定的接觸模型和接觸參數，進而對材料的宏觀力學行為進行模擬，模型的基本組成單元為墻體（wall）和顆粒（ball），每個顆粒都是具有一定質量的剛性體，可以實現滑移和滾動。該方法可以真實模擬滑坡體變形破壞過程，是滑坡變形破壞分析中常用的模擬方法。

5.1 模型建立

選取滑坡HP02 為模型實例，采用PFC2D 建立數值模型分析其在不同工況下的變形破壞特征。結合多源數據，獲取該滑坡坡向、坡度、高程和高差等參數。該滑坡整體坡向大致為北偏西13°，地形總體趨勢呈南高北低，滑坡前緣高程約767m，后緣高程約887m，相對高差120m 左右，滑坡縱向長近600m，微地貌為微坡、緩坡、斜坡組成，滑坡整體坡度較緩，一般為10°-20°。坡表為第四系殘坡積層，下覆K1b 砂泥巖不等厚互層,產狀大體一致為13°∠8°。將剖面圖以地層為單位進行多段線的勾繪，然后保存為常用的DXF 格式文件，隨后通過PFC 中進行編程讀入剖面圖文件便可得到斜坡邊界的模型，進而在斜坡邊界墻體內填充顆粒以建立斜坡數值模型，最后根據實際斜坡中巖性分布的不同在數值模型中進行顆粒分組，最終得到數值模型如圖4 所示。

圖4 滑坡PFC 數值模型示意圖

5.2 細觀參數取值

根據巖質邊坡的實際工程特性，接觸模型采用平行粘結模型進行模擬，其模型特點是顆粒能夠承受抗壓、抗剪等外力作用，適用于對巖石對土體材料的模擬研究。巖土體的細觀參數取值結合勘察資料及參考前人采用PFC 模擬斜坡案例的成果，參數具體取值見表1。

表1 數值模型細觀參數

6 滑坡變形破壞過程分析

6.1 天然（自重）工況

天然（自重）工況是指在邊坡穩(wěn)定性分析中主要考慮重力作用條件下的變形發(fā)展演化情況，該工況類型較為常規(guī)單一，主要是通過土體的力學參數對模型進行賦值以實現模擬。從圖中數值模擬結果可看出斜坡整體較為穩(wěn)定，主要變形區(qū)域位于坡體前緣坡表處且變形不劇烈。模擬結果見圖5。

圖5 天然工況坡表位移變化云圖

6.2 暴雨工況

暴雨工況是指在邊坡穩(wěn)定性分析中除了考慮重力作用外還對暴雨條件下的變形發(fā)展演化進行分析的一種情況，其中重點考慮暴雨工況條件對斜坡穩(wěn)定性的影響，該工況類型相對于天然工況稍顯復雜，主要是通過降低土體的力學參數（即粘聚力、內摩擦角等）以實現暴雨工況的模擬。數值模擬一共對其進行了8w 步的迭代，分別取以下四個階段加以分析：（圖6、7）

圖6 暴雨工況不同迭代步數滑坡破壞圖

當模型計算至2 萬步時，滑坡整體較為穩(wěn)定，滑坡前緣坡表處發(fā)生局部松動，臨空面處有個別土體顆粒脫落，此時前緣土體位移很小，變形不劇烈。當模型計算至4 萬步時，滑坡中后緣較為穩(wěn)定，滑坡前緣坡表發(fā)生局部沉降，部分土體顆粒之間發(fā)生脫離而產生孔隙，沉降最大處位于坡腳臨空面且已發(fā)生部分松動和垮塌。當模型計算至6 萬步時，滑坡中后緣基本穩(wěn)定，滑坡前緣坡表處局部沉降量較大且沉降現象較為明顯，土體顆粒之間發(fā)生較大脫離而產生一定數量的孔隙，孔隙較大，沉降最大處位于坡腳臨空面且已發(fā)生松動和垮塌。當模型計算至8 萬步時，滑坡中后緣基本穩(wěn)定，滑坡前緣坡表處沉降量比之前有所增加且沉降現象更為明顯，巖土體松動，坡度變陡，局部泥巖開始出露，土體顆?？紫遁^大且數量較多，沉降最大處位于坡腳臨空面。

6.3 地震工況

圖7 暴雨工況不同迭代步數滑坡前緣局部位移云圖

地震工況主要是指邊坡在自重應力條件的基礎上還受到地震波的作用，且地震工況對斜坡的穩(wěn)定性影響較大，該工況類型相對于天然工況和暴雨工況也更加復雜，模擬過程中主要是通過對斜坡整體施加一定的地震加速度以進行分析評價。模擬過程中總共進行了8 萬時步的迭代計算。模擬結果見圖8。

圖8 地震工況不同迭代步數滑坡破壞圖

從數值模擬結果可發(fā)現變形區(qū)主要集中于坡腳臨空面位置處，且主要以變形垮塌的形式發(fā)生破壞，且坡體前緣部分層面處發(fā)生脫離和錯動變形，變形過程具有緩慢的累積時間效應。初始計算求解時刻坡體無明顯變形跡象，當模型計算至2 萬步時，坡腳臨空面位置處開始出現土體局部松動的現象，土體內部出現不規(guī)則狀的裂縫且貫通性差，隨著計算求解時間的進行坡腳臨空面處的變形程度更加強烈。當模型計算至4 萬步時，坡腳臨空面位置處土體的變形程度更加強烈，土體內部的裂縫逐漸擴展且層面出現脫離的趨勢，坡腳臨空面處土體發(fā)生局部松動和垮塌。當模型計算至6 萬步時，坡體坡腳位置處的變形松動現象更加明顯，坡體前緣內部的裂縫基本呈現出貫通的趨勢，砂巖層和泥巖層開始發(fā)生層間錯動，坡腳臨空面處土體垮塌更加劇烈。當模型計算至8 萬步時，坡體前緣土體的裂縫發(fā)育特征逐漸減弱，但坡腳處土體的垮塌現象嚴重，此外層面處的裂縫也基本貫通，滑坡前緣處層面出現部分脫離。

通過對該滑坡建立PFC 顆粒模型進行天然、暴雨和地震三種工況下的數值模擬，可以發(fā)現，該滑坡在天然工況下基本穩(wěn)定；在暴雨工況下，滑坡前緣處易發(fā)生沉降和局部破壞，在巖土體內部產生相當數量的孔隙，在坡腳臨空面處則發(fā)生松動直至垮塌，推測是由于該滑坡為砂巖和泥巖互層的順層滑坡，當雨水進入邊坡后，一方面會在裂隙和層面交界處產生靜水壓力，使層面抗滑力減小，另一方面水會降低巖土體的力學強度參數，使土體的抗滑力減小，且土體自重增加，加大了土體滑動的可能性，當土體中有較大的孔隙時，還易發(fā)生局部垮塌。當滑坡體前緣發(fā)生破壞和滑動后，會形成新的臨空面，當遇到持續(xù)降雨時，可能會發(fā)展成為牽引式滑坡，使滑坡中后緣逐漸失穩(wěn)而開始滑動；在地震工況下，砂巖層基本穩(wěn)定，滑坡體前緣坡腳臨空面處出現較劇烈的變形和垮塌現象，且在砂巖層和泥巖層層面處出現貫穿裂縫最終導致前緣部分層面錯動。

7 結論

本文介紹了機載LiDAR 技術在萬源市草壩鎮(zhèn)測區(qū)地質災害調查中的應用，通過實踐，證明了機載LiDAR 技術對于地質災害識別具有一定優(yōu)勢。基于PFC2D 對滑坡開展數值模擬，結果表明，該滑坡在天然工況下基本穩(wěn)定；在暴雨工況下，滑坡前緣處易發(fā)生沉降和局部破壞，在地震工況下，滑坡體前緣坡腳臨空面處出現較劇烈的變形和垮塌現象，且在砂巖層和泥巖層層面處出現貫穿裂縫最終導致前緣部分層面錯動。該方法對滑坡的破壞過程具有較好的適用性，可為當地防災減災提供參考。