融合工程地質(zhì)資料與GNSS高精度監(jiān)測信息的黑方臺黨川黃土滑坡穩(wěn)定性研究

凌 晴，張 勤，張 靜，瞿 偉，孔令杰，朱 麗，張金輝

1. 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050; 2. 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054; 3. 信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001

我國具有世界上黃土分布面積最大、黃土發(fā)育最完整且唯一正在堆積的黃土高原[1]。黃土本身具有極強(qiáng)水敏性和獨(dú)特強(qiáng)度衰減性等特點(diǎn)，導(dǎo)致黃土滑坡災(zāi)害愈演愈烈，嚴(yán)重威脅到人們生命財(cái)產(chǎn)安全和生存環(huán)境[2]。為減少及有效避免黃土滑坡災(zāi)害帶來的巨大危害，亟須開展滑坡有效預(yù)警研究，而滑坡穩(wěn)定性評價(jià)的準(zhǔn)確與否是滑坡預(yù)警的重要前提。受多場及多因素互饋劣化作用影響，黃土滑坡變形具有復(fù)雜性、多樣性、隨機(jī)性的特點(diǎn)[3-6]，因此準(zhǔn)確的黃土滑坡穩(wěn)定性分析與評價(jià)是滑坡災(zāi)害防災(zāi)預(yù)警研究亟待解決的重要課題之一。

現(xiàn)有滑坡穩(wěn)定性評價(jià)方法依據(jù)評價(jià)手段的不同主要可分為大地測量領(lǐng)域中的位移時(shí)間序列預(yù)測法和工程地質(zhì)領(lǐng)域中的基于可靠度理論、有限元或極限平衡理論等數(shù)值模擬法。前者以滑坡外部多源高精度形變監(jiān)測信息為基礎(chǔ)，以變形及其變化量(包括累積位移、變形速率和切線角等)[7]為預(yù)警判據(jù)來判別滑坡當(dāng)前所處的穩(wěn)定狀態(tài)，以及未來可能的變形發(fā)展趨勢，具有模型易實(shí)現(xiàn)、計(jì)算精度優(yōu)等突出特點(diǎn)，已在滑坡穩(wěn)定性評價(jià)中取得了廣泛應(yīng)用[8-18]。文獻(xiàn)[8]首次提出滑坡蠕變?nèi)A段理論，并將其成功應(yīng)用于日本井田鐵道滑坡、高湯山滑坡的預(yù)測。文獻(xiàn)[9]運(yùn)用Voight加速蠕變理論得到了滑坡特征速率曲線，并獲取了滑坡預(yù)報(bào)、預(yù)警和失穩(wěn)階段的速度閾值。文獻(xiàn)[10]基于多種機(jī)器學(xué)習(xí)耦合模型進(jìn)行了滑坡位移預(yù)測研究。文獻(xiàn)[11]基于集成模態(tài)分解-隨機(jī)森林模型開展滑坡時(shí)序預(yù)測研究。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)滑坡時(shí)序預(yù)測模型。后者在工程地質(zhì)中，滑坡穩(wěn)定性評價(jià)以極限平衡理論、有限元或可靠度理論為基礎(chǔ)，以滑坡失穩(wěn)概率或安全系數(shù)為失穩(wěn)判據(jù)來評價(jià)滑坡穩(wěn)定性[19-29]。該方法是一種沒有顧及時(shí)間變化的物理力學(xué)評價(jià)模型，能夠解釋滑坡滑移的災(zāi)變機(jī)理，適用于滑坡靜態(tài)穩(wěn)定性評價(jià)。文獻(xiàn)[19]提出了極限平衡法。文獻(xiàn)[21]采用有限元強(qiáng)度折減法研究滑坡穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[22]將滑坡視為系統(tǒng)，運(yùn)用可靠度理論分析了邊坡穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[27]通過對復(fù)合土滑體的非穩(wěn)態(tài)非飽和滲流數(shù)值模擬，探討了復(fù)合土滑體的再激活機(jī)理。文獻(xiàn)[28]基于有限元分析法量化了現(xiàn)有及潛在滑坡的危害程度。

盡管上述各類滑坡預(yù)測預(yù)警方法被不斷組合與完善，使得滑坡穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果也有顯著改善，但仍存在以下不足：大地測量位移時(shí)序法實(shí)質(zhì)上還是一種數(shù)學(xué)表觀模型，僅能反映滑坡位移隨時(shí)間的變形規(guī)律，且位移時(shí)序曲線受外部環(huán)境因素的影響常呈現(xiàn)多期加速階梯振蕩趨勢，并沒有顧及滑坡內(nèi)部地質(zhì)條件的影響，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確判斷滑坡穩(wěn)定性；工程地質(zhì)數(shù)值模擬手段實(shí)質(zhì)也是一種物理力學(xué)靜態(tài)評價(jià)模型，僅能基于簡化的邊界條件及估計(jì)的物理力學(xué)參數(shù)構(gòu)建模型，且并沒有與滑坡外部高精度監(jiān)測信息相結(jié)合，導(dǎo)致無法評價(jià)滑坡隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，進(jìn)而難以實(shí)現(xiàn)滑坡動(dòng)態(tài)預(yù)測及預(yù)警。因此，上述兩類穩(wěn)定性分析方法均具有一定的局限性，而將大地測量中滑坡位移演化過程與工程地質(zhì)動(dòng)力災(zāi)變機(jī)理進(jìn)行耦合，建立一種優(yōu)勢互補(bǔ)的滑坡穩(wěn)定性綜合評價(jià)模型，可進(jìn)一步加深對滑坡失穩(wěn)動(dòng)因和災(zāi)變機(jī)理的深入認(rèn)知，為滑坡防災(zāi)減災(zāi)預(yù)警研究提供十分重要的理論與實(shí)際參考。

為此，本文結(jié)合大地測量監(jiān)測信息、地下水、工程地質(zhì)鉆孔信息及灌溉資料等，提出一種融合工程地質(zhì)資料和GNSS高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)約束的黃土滑坡穩(wěn)定性評價(jià)方法。基于高分辨率影像、高精度DEM、地下水、地層地貌等多源異構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)精細(xì)建立起滑坡三維地質(zhì)模型，并將滑坡外部GNSS高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)作為位移約束進(jìn)一步施加到模型上。選取我國典型黃土滑坡域甘肅黑方臺黨川實(shí)際發(fā)生的兩起黃土滑坡失穩(wěn)事件進(jìn)行實(shí)例分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的滑坡穩(wěn)定性評價(jià)方法優(yōu)于現(xiàn)有工程地質(zhì)數(shù)值模擬法。

1 模型與方法

本文首先基于滑坡GNSS高精度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、高精度DEM、地下水位、高分辨率遙感影像及工程地質(zhì)鉆孔信息等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，借助Arcgis-Rhinoceros-Griddle構(gòu)建出復(fù)雜滑坡精細(xì)三維數(shù)值模型；然后，將滑坡GNSS高精度監(jiān)測網(wǎng)獲取的滑坡外部高精度監(jiān)測信息作為模型外部邊界位移約束，進(jìn)一步構(gòu)建起高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)約束的滑坡精細(xì)三維地質(zhì)模型；最后，融合區(qū)域灌溉、孔隙水壓力等工程地質(zhì)資料開展滑坡穩(wěn)定性綜合評價(jià)研究。具體算法流程如圖1所示。

圖1 融合工程地質(zhì)資料與GNSS高精度監(jiān)測信息的甘肅黑方臺黨川黃土滑坡穩(wěn)定性研究Fig.1 Algorithm flow of the stability evaluation of Dangchuan loess landslide in Heifangtai area of Gansu province based on integration of engineering geological data and GNSS high-precision monitoring information

1.1 滑坡數(shù)據(jù)

(1) 高精度多源監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文試驗(yàn)分析對象為位于甘肅省永靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn)的黑方臺黨川黃土滑坡群[30-32]，臺塬上部和下部相對高差達(dá)70 m，滑坡主體距離下方村莊等生活聚集區(qū)約400 m，正下方為水渠和農(nóng)田(圖2(a))。區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)擾動(dòng)密集，黃土滑坡發(fā)育，嚴(yán)重威脅該區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。為此，黨川段從2018年10月起共建立12個(gè)GNSS連續(xù)監(jiān)測站(圖2(b))，并在裂縫附近布設(shè)了一系列裂縫計(jì)[33-35]。此外，為監(jiān)測區(qū)內(nèi)地下水位，黑方臺臺塬共布設(shè)了大約40個(gè)鉆孔，其中32個(gè)鉆孔孔底位于黃土層，8個(gè)鉆孔孔底位于基巖層。因此，可獲得黨川段滑坡群的GNSS高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)、工程地質(zhì)鉆孔信息。綜上，本文選取黨川段中部變形較大的區(qū)域，即HF05/HF06/HF07/HF09 GNSS監(jiān)測點(diǎn)所在范圍，進(jìn)行附加外部高精度監(jiān)測信息下融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的滑坡穩(wěn)定性評價(jià)。

圖2 研究區(qū)滑坡位置及GNSS監(jiān)測點(diǎn)Fig.2 The location of study area and GNSS monitoring points

(2) 高分辨率DEM。為建立復(fù)雜滑坡精準(zhǔn)三維地質(zhì)模型，需要高分辨率的DEM。因此，采用無人機(jī)在研究區(qū)航行，并以WGS-84坐標(biāo)系為基準(zhǔn)得到了研究區(qū)0.5 m DEM，再結(jié)合黨川滑坡HF05/HF06/HF07和HF09 GNSS監(jiān)測點(diǎn)的位置確定三維模型具體范圍，然后將黑方臺0.5 m DEM在ARCGIS中進(jìn)行裁剪，獲取研究區(qū)0.5 m DEM(圖4)。

圖3 HF06/HF07/HF09/HF05 GNSS監(jiān)測點(diǎn)E、N、U方向累積位移Fig.3 The cumulative displacements of HF06/HF07/HF09/HF05 GNSS monitoring points in the E, N and U direction

圖4 黑方臺臺塬0.5 m DEMFig.4 0.5 m DEM for Heifangtai

1.2 基于Arcgis-Rhinoceros-Griddle復(fù)雜滑坡精準(zhǔn)三維模型構(gòu)建

滑坡穩(wěn)定性確定性評價(jià)方法的關(guān)鍵是求解出合理的安全系數(shù)，在解決該關(guān)鍵問題上多采用二維穩(wěn)定性評價(jià)方法。然而，當(dāng)前滑坡所處地質(zhì)環(huán)境較復(fù)雜時(shí)，基于簡化的滑坡二維模型會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際存在較大差異，進(jìn)而會(huì)降低計(jì)算結(jié)果的可靠性。研究表明，基于二維簡化模型獲取的安全系數(shù)小于三維模型得到的結(jié)果，會(huì)低估滑坡的穩(wěn)定性[26]。為此，本文針對當(dāng)前研究構(gòu)建模型與滑坡實(shí)際不符造成評價(jià)結(jié)果不可靠的問題，將融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，構(gòu)建出能真實(shí)反映滑坡實(shí)際三維運(yùn)動(dòng)變形特性且具有現(xiàn)勢性的滑坡精細(xì)三維地質(zhì)模型。具體過程如下。

(1) 依據(jù)滑坡地理位置，運(yùn)用Arcgis裁剪高精度DEM，并將其導(dǎo)入到Rhinoceros中得到滑坡等高線，同時(shí)生成GNSS監(jiān)測點(diǎn)。而后運(yùn)用繞軸旋轉(zhuǎn)、平移、MeshPatch等命令得到如圖5(a)所示的網(wǎng)格。

(2) 基于GNSS監(jiān)測點(diǎn)，運(yùn)用布簾曲面、曲線、從物件建立曲線、復(fù)制邊框等生成垂直壁。隨后在z=0處建立一條水平線，基于水平線修剪垂直壁，并將其與布簾曲面進(jìn)行組合、加蓋，形成一個(gè)封閉的多面體(圖5(b))。

(3) 依據(jù)研究區(qū)工程地質(zhì)鉆孔信息、滑坡失穩(wěn)具體位置設(shè)置切割線，并運(yùn)用切割線將實(shí)體進(jìn)行切割，得到具有地質(zhì)信息的滑坡三維實(shí)體(圖5(c))?；贕riddle的Gsurf、Gvol命令生成四面體網(wǎng)格(圖5(d))，從而獲取FLAC3D可識別的網(wǎng)格模型(.f3grid)。

圖5 復(fù)雜滑坡精準(zhǔn)三維模型構(gòu)建過程Fig.5 Construction process of accurate 3D model for complex landslide

1.3 滑坡外部高精度多源監(jiān)測數(shù)據(jù)約束的施加

滑坡外部GNSS監(jiān)測采用的是站心坐標(biāo)系，因此可直接將監(jiān)測形變量作為外部約束施加到模型上，分析在外部約束下滑坡的三維變形演化過程。此外，滑坡位移一般會(huì)經(jīng)歷初始變形階段、勻速變形階段和加速變形階段。本文在FLAC3D中應(yīng)將位移分時(shí)段施加，初始位移變動(dòng)較小，中期位移勻速變形，后期位移處于加速階段，形變量隨著時(shí)間步的增大呈指數(shù)型增加。根據(jù)上述實(shí)際，本文根據(jù)時(shí)間步與位移的關(guān)系進(jìn)一步調(diào)整施加的速度約束值。圖6為施加的變形量與時(shí)間步的關(guān)系。

圖6 GNSS監(jiān)測點(diǎn)的位移追蹤結(jié)果Fig.6 Displacement tracking results of GNSS monitoring points

2 附加外部約束下融合多影響因素的滑坡穩(wěn)定性評價(jià)

2.1 滑坡精細(xì)三維地質(zhì)模型

基于研究區(qū)滑坡外部多源高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)及高精度DEM，可構(gòu)造研究區(qū)三維地質(zhì)模型(圖7)。根據(jù)研究區(qū)工程地質(zhì)鉆孔信息、地形地貌及地層巖性并結(jié)合已有資料[36-41]，將模型共分為5層，依次為非飽和黃土層、飽和黃土層、粉質(zhì)黏土層、砂礫石層和基巖，各地層參數(shù)見表1。依據(jù)區(qū)內(nèi)GNSS高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)、灌溉及地下水位信息精細(xì)模型，得到具有地質(zhì)信息的滑坡精準(zhǔn)三維模型。數(shù)值模擬過程中定義各地層為連續(xù)分布的各向同性介質(zhì)，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。設(shè)定模型底部為固定邊界，模型四周為垂向邊界，斜坡坡面為自由邊界。將計(jì)算是否收斂、剪應(yīng)變增量區(qū)及塑性區(qū)是否貫通作為滑坡失穩(wěn)判據(jù)。研究施加外部位移約束與未施加外部位移約束下融合工程地質(zhì)資料的黃土滑坡穩(wěn)定性。

圖7 滑坡三維模型Fig.7 Three dimensional landslide model

表1 黑方臺黨川滑坡強(qiáng)度參數(shù)

2.2 附加外部約束下融合多影響因素的黃土滑坡穩(wěn)定性評價(jià)

針對工程地質(zhì)中分析滑坡穩(wěn)定性時(shí)沒有結(jié)合滑坡外部形變監(jiān)測信息，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際不符的突出問題，本節(jié)首先將HF06/HF07 GNSS監(jiān)測點(diǎn)位移作為先驗(yàn)約束施加到模型上，研究附加外部高精度監(jiān)測信息下融合灌溉、孔隙水壓力等工程地質(zhì)資料的黃土滑坡穩(wěn)定性。其次，將已失穩(wěn)區(qū)域(HF06/HF07)視為空模型，并將HF09 GNSS監(jiān)測點(diǎn)位移作為約束評價(jià)未施加約束與施加約束條件下滑坡變形。

本文運(yùn)用分階段彈塑性求解法獲取滑坡的初始地應(yīng)力場。依據(jù)模型分組分別設(shè)置強(qiáng)度參數(shù)、楊氏模型和泊松比，平衡初始應(yīng)力。當(dāng)位移達(dá)到10-6m左右，表明初始地應(yīng)力場已經(jīng)形成。令初始地下水位為黏土層上方14 m，將HF06/HF07 GNSS監(jiān)測點(diǎn)位移作為約束條件施加到模型上，HF06/HF07 GNSS監(jiān)測點(diǎn)于2019年10月5日失穩(wěn)，與初始模型相差5個(gè)月。此外，據(jù)資料顯示，研究區(qū)每年進(jìn)行春灌、冬灌及中間的5次苗灌，且降雨較少但蒸發(fā)作用較強(qiáng)[42]，氣候干燥，本文在此僅考慮灌溉對滑坡穩(wěn)定性的影響。綜上，依據(jù)研究區(qū)灌溉量及灌溉強(qiáng)度[43-44]，將模型后緣灌溉30 d，停止灌溉4個(gè)月，評價(jià)未施加和施加GNSS高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)約束的滑坡穩(wěn)定性，結(jié)果如圖8—圖11所示。

圖9為兩種方案獲取的斜坡塑性區(qū)發(fā)育云圖。未施加外部高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)約束時(shí)，坡體在重力及灌溉水作用下位移較小，僅坡體后緣及裂縫處有較小的位移(圖8)。塑性區(qū)發(fā)育較緩慢。滑坡上部受到重力作用，沿裂縫處下滑，在裂縫附近拉張作用強(qiáng)烈。上部土體向下擠壓，導(dǎo)致坡體底部向下變形剪切滑床，因此剪切作用強(qiáng)烈。綜上，坡體未出現(xiàn)明顯塑性區(qū)貫通區(qū)，較穩(wěn)定。相反，在施加外部高精度監(jiān)測信息下，模型位移與實(shí)際監(jiān)測位移一致，此時(shí)坡體HF06/HF07附近區(qū)域處于剪切應(yīng)力狀態(tài)，且剪切活性塑性區(qū)已貫通。由此可見，在施加外部高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)約束下，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，沿裂縫處下滑。

圖8 滑坡位移云圖Fig.8 Landslide displacement nephogram

圖9 滑坡塑性區(qū)發(fā)育云圖及剖面圖Fig.9 Landslide plastic zone development nephogram and its profile

圖10為兩種方案下的最大剪應(yīng)變增量云圖及剖面圖。在施加與滑坡實(shí)際失穩(wěn)時(shí)位移相同的約束時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)HF06/HF07區(qū)域最大剪應(yīng)變增量較大，呈貫通之勢。除約束區(qū)域外，取坡體中央剖面，得到剖面處位移及速度云圖(圖11)。由圖11可知，相對于未施加約束方案，在約束區(qū)域外，本文方法獲取的位移值雖然較小，但速度較大，達(dá)到10-4數(shù)量級，且具有沿著裂縫向坡腳處下滑的趨勢。綜上所述，相對于當(dāng)前工程地質(zhì)的數(shù)值模擬法，本文方法獲取的結(jié)果表明滑坡經(jīng)過30 d灌溉后處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其中HF06/HF07區(qū)域最不穩(wěn)定，首先發(fā)生失穩(wěn)破壞，與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果更吻合。

圖10 滑坡最大剪應(yīng)變增量云圖及剖面圖Fig.10 Landslide maximum shear strain increment and its profile

圖11 HF06/07中央處位移及速度剖面圖Fig.11 The profile of displacement and velocity in the central of HF06 and HF07

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性，將HF06/HF07 GNSS監(jiān)測點(diǎn)所在區(qū)域視為空模型，模擬HF09 GNSS監(jiān)測點(diǎn)區(qū)域斜坡變形發(fā)育。依據(jù)研究區(qū)監(jiān)測資料，由于HF09處發(fā)生滑坡于2021年1月27日失穩(wěn)，與HF06/HF07 GNSS監(jiān)測點(diǎn)失穩(wěn)相差1年零3個(gè)月，研究區(qū)地下水位每年抬升0.3～0.4 m，因此模擬時(shí)將模型地下水位黃土層14 m抬升至14.5 m，評價(jià)未施加約束與施加約束條件下滑坡穩(wěn)定性，結(jié)果如圖12—圖14所示。

圖12 滑坡位移云圖Fig.12 Landslide displacement nephogram

圖13 滑坡塑性區(qū)發(fā)育云圖及剖面圖Fig.13 Landslide maximum shear strain increment and its profile

由圖14可知，相對于現(xiàn)有方法，在施加與實(shí)際滑坡失穩(wěn)時(shí)位移相同約束的條件下，滑坡速度云圖、剪應(yīng)變增量云圖和塑性區(qū)發(fā)育云圖均顯示HF09所在區(qū)域更不穩(wěn)定，且約束區(qū)域塑性區(qū)剖面云圖顯示約束區(qū)域活性塑性區(qū)已貫通，速度達(dá)到10-3量級，計(jì)算不收斂。上述結(jié)果均進(jìn)一步證實(shí)了本文方法優(yōu)于現(xiàn)有工程地質(zhì)數(shù)值模擬法。

圖14 滑坡最大剪應(yīng)變增量云圖及剖面圖Fig.14 Landslide maximum shear strain increment and its profile

表2給出了兩種方案下滑坡穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果?？梢钥闯?，相對于常規(guī)滑坡穩(wěn)定性模型，本文方法獲取的結(jié)果得出HF06/HF07 GNSS監(jiān)測點(diǎn)首先失穩(wěn)，其次是HF09。綜上，在施加滑坡GNSS高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)約束下，黨川滑坡發(fā)育失穩(wěn)次序?yàn)镠F06/HF07、HF09、HF05，而在未施加外部約束條件下，失穩(wěn)次序?yàn)镠F06/HF07、HF05、HF09。依據(jù)實(shí)際監(jiān)測資料可知，長安大學(xué)基于自主研發(fā)的北斗滑坡衛(wèi)士(BeiDou landslide security,BOLS)分別于2019年10月5日成功預(yù)警了HF06/HF07 GNSS監(jiān)測點(diǎn)的失穩(wěn)和2021年7月8日HF09 GNSS監(jiān)測點(diǎn)的滑動(dòng)。上述結(jié)果證實(shí)，本文提出的融合地下水、工程地質(zhì)鉆孔信息及灌溉資料等工程地質(zhì)資料和GNSS高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)約束的黃土滑坡穩(wěn)定性方法獲取的結(jié)果與滑坡的實(shí)際失穩(wěn)情況相吻合，均優(yōu)于已有工程地質(zhì)數(shù)值模擬法。綜上，本文方法將滑坡外部動(dòng)態(tài)高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)與工程地質(zhì)數(shù)值模擬方法耦合，明顯改善了滑坡穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果的可靠性，有效地彌補(bǔ)了大地測量的位移時(shí)序法無法準(zhǔn)確判斷滑坡是否失穩(wěn)的不足及工程地質(zhì)的數(shù)值模擬法無法評價(jià)滑坡隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的局限。

表2 約束與未約束滑坡穩(wěn)定性模型下滑坡穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果對比統(tǒng)計(jì)

2.3 附加外部約束下滑坡安全系數(shù)

為進(jìn)一步表明所施加約束的有效性，運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算融合地下水、工程地質(zhì)鉆孔信息及灌溉資料等工程地質(zhì)資料和GNSS高精度觀測數(shù)據(jù)約束的黃土滑坡安全系數(shù)云圖(圖15)?？梢钥闯?，本文方法獲取的監(jiān)測點(diǎn)HF06/HF07 GNSS監(jiān)測點(diǎn)所在位置安全系數(shù)為1.075，HF09 GNSS監(jiān)測點(diǎn)處安全系數(shù)為1.1，HF05 GNSS監(jiān)測點(diǎn)處安全系數(shù)為1.125，穩(wěn)定性HF06/HF07

圖15 滑坡安全系數(shù)云圖Fig.15 The nephogram for landslide factor of safety

2.4 討 論

滑坡外部動(dòng)態(tài)高精度監(jiān)測信息是滑坡內(nèi)部變形的重要外部表征，能夠?qū)崟r(shí)獲取滑坡隨時(shí)間變化的規(guī)律，但其無法解釋滑坡發(fā)生變形的原因；而多源異構(gòu)數(shù)據(jù)能夠提供較準(zhǔn)確的滑坡內(nèi)部物理力學(xué)參數(shù)(如地下水、工程地質(zhì)鉆孔信息)以及外部形狀特征(如高精度DEM)，同時(shí)依據(jù)灌溉、降雨等監(jiān)測資料能夠合理解釋滑坡滑移災(zāi)變的機(jī)理，但其無法描述出滑坡隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。因此，二者融合能夠?qū)崿F(xiàn)滑坡外部形變信息與內(nèi)部變形機(jī)制的有效銜接，更準(zhǔn)確地評價(jià)滑坡變形發(fā)展過程及失穩(wěn)機(jī)理。基于此，本文利用甘肅黑方臺黨川區(qū)域已有的工程地質(zhì)資料，包括地下水、工程地質(zhì)鉆孔信息及灌溉資料等以及高精度多源監(jiān)測數(shù)據(jù)(GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)、裂縫計(jì)觀測資料等)，通過大地測量高精度GNSS觀測信息與工程地質(zhì)數(shù)值耦合建模這一獨(dú)特設(shè)計(jì)，建立了一種優(yōu)勢互補(bǔ)的黃土滑坡穩(wěn)定性綜合評價(jià)方法，基于多學(xué)科交叉知識獲取了相較于已有滑坡穩(wěn)定性判識更加準(zhǔn)確的黃土滑坡穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果，為提高黃土滑坡預(yù)警的準(zhǔn)確性和有效防治提供了有價(jià)值的理論與實(shí)際參考。

需要指出的是，作為一種融合多源異構(gòu)信息和GNSS高精度觀測數(shù)據(jù)的黃土滑坡綜合穩(wěn)定性評價(jià)方法，構(gòu)建模型所需監(jiān)測數(shù)據(jù)種類較多，缺少了某一類觀測數(shù)據(jù)均可能會(huì)影響到模型的穩(wěn)定性評定精度。例如，如缺少高精度DEM或工程地質(zhì)鉆孔信息，會(huì)導(dǎo)致無法建立具有現(xiàn)勢性的滑坡精細(xì)三維地質(zhì)模型，進(jìn)而難以準(zhǔn)確地評價(jià)滑坡穩(wěn)定性。此外，本文模型在黃土滑坡穩(wěn)定性評價(jià)中的適用性較好，對于其他類型滑坡的適用性還有待進(jìn)一步深入研究，這也是下一步需要重點(diǎn)研究的工作。

3 結(jié) 論

對于復(fù)雜黃土滑坡，現(xiàn)有的黃土滑坡穩(wěn)定性評價(jià)方法僅從滑坡地表形變或純數(shù)值模擬的角度分析滑坡變形發(fā)育過程及所處的穩(wěn)定狀態(tài)，并沒有將滑坡外部形變信息與內(nèi)部變形機(jī)理相融合，降低了滑坡穩(wěn)定性結(jié)果的可靠性。針對此問題，本文基于甘肅黑方臺黃土滑坡實(shí)例，驗(yàn)證了融合地下水、工程地質(zhì)鉆孔信息及灌溉資料等工程地質(zhì)資料和GNSS高精度觀測數(shù)據(jù)約束的黃土滑坡穩(wěn)定性評價(jià)方法，詳細(xì)分析了滑坡外部高精度監(jiān)測信息約束方法對已有黃土滑坡穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果的改善程度，得到以下結(jié)論。

(1) 構(gòu)造的融合高精度DEM、地下水位資料及工程地質(zhì)鉆孔信息的滑坡精細(xì)三維地質(zhì)模型，可為科學(xué)合理地評價(jià)滑坡穩(wěn)定性提供基礎(chǔ)支撐。

(2) 附加高精度監(jiān)測信息約束的滑坡穩(wěn)定性綜合評價(jià)模型，相較于現(xiàn)有工程地質(zhì)數(shù)值模擬法，具有更高的精度及可靠性。

(3) 大地測量手段和工程地質(zhì)數(shù)值模擬手段的有機(jī)融合，可獲取與實(shí)際滑坡發(fā)育一致的結(jié)果，即：HF06/07 GNSS監(jiān)測點(diǎn)首先失穩(wěn)，其次是HF09 GNSS監(jiān)測點(diǎn)，最后是HF05 GNSS監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了滑坡外部形變信息與內(nèi)部變形機(jī)制的有效銜接。

綜上，本文方法獲取的結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測情況符合，滑坡失穩(wěn)順序與實(shí)際滑坡發(fā)育順序一致，穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果更可靠。本文將融合地下水、工程地質(zhì)鉆孔信息及灌溉資料等工程地質(zhì)資料和GNSS高精度監(jiān)測信息約束的黃土滑坡穩(wěn)定性評價(jià)模型成功地應(yīng)用于甘肅黑方臺黨川黃土滑坡的建模與機(jī)理討論中，為黃土滑坡穩(wěn)定性評價(jià)提供了新的思路與視角，加深了對黃土滑坡失穩(wěn)動(dòng)因和災(zāi)變機(jī)理變的認(rèn)識與理解。