基于GUI界面的邊坡地震射線可視化研究

黃楠棋

摘 要：為直觀展現(xiàn)地震作用下邊坡中地震波射線的傳播規(guī)律，針對(duì)目前地震射線研究可視性差等特性，文章基于MATLAB軟件中GUI開發(fā)環(huán)境編制程序，基于地震波動(dòng)理論，采用地震動(dòng)合成算法，開發(fā)地震波成像的處理程序，使地震波在邊坡中的傳播規(guī)律可視化，模擬地震波在靜態(tài)均勻介質(zhì)中的傳播路徑。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地震波可視化提供基礎(chǔ)，將地震波的傳播規(guī)律直觀地表現(xiàn)出來。

關(guān)鍵詞：地震波；射線理論；MATLAB；GUI界面

引言

地震數(shù)值模擬技術(shù)的飛速發(fā)展始于20世紀(jì)60年代?，F(xiàn)有多種類型的模擬方法：有限差分法、有限元法和分方程法等。目前運(yùn)用地震波理論對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析的研究主要集中在邊坡局部區(qū)域地震波射線的傳播規(guī)律上，尚未拓展到邊坡整體穩(wěn)定性分析領(lǐng)域。主要原因在于地震波射線在復(fù)雜地質(zhì)邊坡內(nèi)部的傳播路徑很難精確確定。因此，如果能實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡內(nèi)地震波射線路徑的可視化，將有益于地震波理論在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用。

可視化是指用于創(chuàng)建圖形、圖像或動(dòng)畫，以便交流溝通信息的技術(shù)和方法。可視化技術(shù)是一種使人能夠在二維及三維圖形世界中直接與計(jì)算機(jī)交流的技術(shù)，讓人直接對(duì)具有形體的信息進(jìn)行操作。這種技術(shù)已經(jīng)把人和機(jī)器的力量以一種直觀的方式相結(jié)合，極大地提高了工作效率。因此，將地震波在均勻地質(zhì)邊坡中的傳播規(guī)律實(shí)現(xiàn)可視化可極大的提高地震工作者對(duì)于地震波傳播情況的分析效率。

1 建立邊坡模型

選用文獻(xiàn)[1]中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行可視化研究。為了與實(shí)驗(yàn)環(huán)境吻合，可視化計(jì)算中模型為坡角為 60°的均質(zhì)灰?guī)r邊坡。巖體為均勻連續(xù)的各向同性介質(zhì)（材料參數(shù)為： 彈性模量E為8940MPa，泊松比μ為0.2，摩擦角φ為39°，粘聚力C為1600kPa），地震波從底部垂直向上傳播。

2 地震波射線理論

地震波在彈性介質(zhì)中的傳播通過射線理論來分析。由于外力作用或擾動(dòng)而引起位移、應(yīng)力及應(yīng)變?cè)趶椥泽w內(nèi)的傳播過程，就形成了彈性波，地震波通常可以被看成是在巖層中傳播的彈性波[2]。這里考慮的巖體為均勻連續(xù)的各向同性介質(zhì)，地震波是自下而上傳播[3]。考慮到層狀邊坡在斜面和結(jié)構(gòu)面處均會(huì)發(fā)生波場(chǎng)轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象[3]，有兩點(diǎn)需要注意：（1）P波（或SV波）如果以超過臨界角入射到自由表面，將發(fā)生全反射；（2）垂直入射的P波，同樣也會(huì)發(fā)生全反射。其中反射角和折射角采用斯涅爾定律計(jì)算[4]。

3 地震波射線可視化軟件開發(fā)

MATLAB作為集通用科學(xué)計(jì)算、繪圖、系統(tǒng)建模和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為一體的高?？茖W(xué)計(jì)算軟件，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其中圖形用戶界面（GUI）開發(fā)環(huán)境更是被廣泛應(yīng)用于可視化軟件開發(fā)[5]。文章以純代碼形式，采用“事件驅(qū)動(dòng)”編程方法完成必要的代碼并調(diào)試運(yùn)行程序。圖形界面在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來以后，用戶可以從彈出式菜單選擇不同的函數(shù)來產(chǎn)生響應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后單擊選擇按鈕，與按鈕相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)就被執(zhí)行，就會(huì)在坐標(biāo)軸上繪制相應(yīng)的圖形[6]。

將編好的GUI程序?qū)雖文件當(dāng)中，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，得到GUI界面，如下圖所示（圖2）。在界面當(dāng)中XY字樣下方的方框里出入待求射線規(guī)律的坐標(biāo)，再選擇左下方的坡腳選項(xiàng)，就可得到邊坡地震射線可視化程序界面（圖3）。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章使用MATLAB語(yǔ)言，采用GUI界面編程，將邊坡地下各點(diǎn)處地震波的傳播路徑用圖形形象直觀地表現(xiàn)出來。這樣將會(huì)大大減少地震研究工作者的工作量，提高工作效率，部分解決了：（1）地震波觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理；（2）對(duì)地震波的傳播特征研究缺乏系統(tǒng)性；（3）適合地震波傳播成像的處理軟件還未被開發(fā)等一系列問題。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒威，許強(qiáng)，劉漢香.強(qiáng)震作用下巖質(zhì)斜坡動(dòng)力響應(yīng)特性的大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2011，22（1）：87-91.

[2]孫禹成，李振春.地震波動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].石油工業(yè)出版社，2011.

[3]陳臻林，胡瀟.基于動(dòng)力反透射模型的成層邊坡穩(wěn)定性分析[J]，地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2013，3：76-80.

[4]胡德綏.彈性波動(dòng)理論[M].北京：地質(zhì)出版社，1989

[5]徐金明，張孟喜，丁濤.MATLAB實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2005.

[6]陳和平，邵平凡，湯惟.可視化程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2009.