撫順西露天礦南幫滑坡體空間模型構(gòu)建及應(yīng)用

林亞斌,王春范,于 浩,孫逢祥

(遼寧省第十地質(zhì)大隊有限責(zé)任公司,遼寧 撫順 113004)

0 引言

滑坡體的空間分布形態(tài),是滑坡災(zāi)害性質(zhì)認(rèn)識及治理對策的重要依據(jù)。在滑坡體的研究中,通常以二維地形圖或簡單的三維模型等形式進行描述,不僅工作量大、不夠精確,而且不易于觀察、分析和應(yīng)用,很難把握滑坡體的空間分布狀況和復(fù)雜的地形形態(tài),給滑坡體的理論研究帶來諸多不便。為此,以滑坡災(zāi)害勘察所得到的定性結(jié)論為依據(jù)[1-8],以礦區(qū)不同時期的地質(zhì)勘查資料、遙感數(shù)據(jù)、數(shù)字線劃圖( DLG)數(shù)據(jù)及GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)等為數(shù)據(jù)源,利用GIS-3D技術(shù),構(gòu)建了滑坡體的數(shù)字空間模型,獲取滑坡體面積、體積、空間分布及滑面空間分布形態(tài),以及滑坡要素發(fā)展、運移等動態(tài)信息,在滑坡災(zāi)害勘察、分析研究治理等實際工作中得到應(yīng)用,取得了較好的技術(shù)成效。

1 項目概況

撫順西露天礦開采于1901年,1914年轉(zhuǎn)為露天開采,主要產(chǎn)品為煤炭和油母頁巖,現(xiàn)已形成一個東西長6.1 km,南北寬1.9 km,最大邊坡比高550 m,開采坑口面積10.87 km2,挖掘體積14.7億m3的亞洲最大露天礦坑。礦山的大規(guī)模開采,在創(chuàng)造了大量財富的同時,也帶來了一系列礦山環(huán)境問題,且伴隨著開采時間的延長,礦山地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害發(fā)生的頻次不斷加大,災(zāi)害程度日漸嚴(yán)重[1]。各界學(xué)者對西露天礦的滑坡穩(wěn)定性[2-3]、滑坡監(jiān)測[4-5]等進行了大量的研究。

西露天礦南幫滑坡,最初發(fā)現(xiàn)于2010年的汛期巡查,其初始表征為局部地表裂縫,后期不斷發(fā)展,到2012年其滑坡災(zāi)害的征候已經(jīng)凸顯,滑坡速率于2014年8～9月達到高峰?；麦w東西長3.1 km,南北寬1.5 km,面積3.4 km2,為舉世罕見的巨型滑坡(我國現(xiàn)行滑坡分類標(biāo)準(zhǔn)[6]中≥1億m3為巨型滑坡),受到國家及省、市各級政府的高度重視。

2 技術(shù)路線

以滑坡災(zāi)害勘察所得出的滑面空間分布定性結(jié)論為依據(jù);利用礦區(qū)地質(zhì)勘查資料為數(shù)據(jù)源,提取滑面三維空間坐標(biāo)信息,進而利用GIS技術(shù),構(gòu)建滑面數(shù)字高程模型(DEM);利用近期數(shù)字正射影像數(shù)據(jù),經(jīng)內(nèi)業(yè)解譯和野外實地調(diào)查,確定滑坡體的邊界,結(jié)合礦坑數(shù)字地面模型(DTM),提取滑坡邊界線上特征點的三維空間信息,用以構(gòu)建滑坡體三維模型;分別利用滑坡災(zāi)害發(fā)生前、后的地面高程信息,構(gòu)建滑坡區(qū)不同時期的數(shù)字地面模型;利用GIS-3D技術(shù),將滑坡前、后DTM與滑面DEM進行三維空間環(huán)境下的不同目標(biāo)地理空間運算,得到滑坡體三維空間分布與運移的相關(guān)信息(見圖1)。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technology roadmap

3 滑坡體3D模型構(gòu)建

3.1 滑坡災(zāi)害定性結(jié)論

1)通過鉆探、深部巖移監(jiān)測、地下水監(jiān)測等勘查、分析及研究等工作,對西露天礦南幫滑坡災(zāi)害的空間分布特征提出了以下定性結(jié)論[9]：

根據(jù)地面巡查中各部位變形特點、各階段勘查的工作成果,結(jié)合變形監(jiān)測中水平位移、垂直沉降的差異性,對滑坡的空間變形進行分區(qū)。東西橫向上,基本以滑坡體后緣鍋爐房—千臺賓館東傾斷層及F5-2南延部分西傾斷層作為分界線,將滑坡劃分為西部區(qū)、中部區(qū)及東部區(qū)等3個分區(qū);南北縱向上,基本以區(qū)內(nèi)東西向展開的F2斷層為界,斷層南側(cè)為垂直沉降區(qū),斷層以北為地面隆起抬升區(qū)。

滑坡區(qū)的西部區(qū)存在一條主滑帶,滑帶為煤線及玄武巖夾雜凝灰?guī)r中的軟弱泥化層;中部存在兩層滑帶,上部滑帶為玄武巖層中的軟弱泥化層及煤線部位,下部滑帶為古風(fēng)化殼;東部區(qū)主要存在兩層滑帶,上層滑帶多為玄武巖夾煤線,下部滑帶多為破碎帶[10]。

2)通過野外現(xiàn)場實際調(diào)查,劃定了滑坡體的邊界線。

3.2 滑面DEM構(gòu)建

3.2.1 滑面三維信息獲取

滑面是指滑坡滑動和堆積過程中的底界面,包括滑動剪出過程中形成的滑動面和超覆堆積過程中形成的滑動面。依據(jù)滑坡災(zāi)害勘察結(jié)論,獲取滑坡體底層滑面的三維信息,構(gòu)建滑坡體底層滑面(滑帶)的數(shù)字高程模型,本文僅討論滑動剪出過程中形成的滑動面。

1)地質(zhì)剖面

收集到1957年完成的撫順煤田西部井田地質(zhì)勘查項目資料,包括勘查報告、地質(zhì)平面圖、地質(zhì)剖面圖及鉆孔柱狀圖等,資料較為系統(tǒng)完整,利用分布在滑坡區(qū)內(nèi)的地質(zhì)勘查剖面線資料;另外采用2013年滑坡災(zāi)害勘察所布置的4條地質(zhì)剖面線資料,分布情況如圖2所示。

圖2 滑坡區(qū)地質(zhì)剖面分布圖Fig.2 Geological profile distribution map of landslide area

先將不同時期地質(zhì)剖面的空間坐標(biāo)系統(tǒng)加以統(tǒng)一,依據(jù)滑面定性結(jié)論,在剖面圖上確定滑面所在位置,通過圖形數(shù)字化,以及由剖面空間參考到地理坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,獲得滑面上特征點的(x,y,H)三維空間坐標(biāo)。

2)數(shù)字線劃圖

滑坡區(qū)有多期大比例尺數(shù)字線劃圖,為滑坡體地表三維信息提取創(chuàng)造了條件。利用2010年7月測繪的1∶2 000數(shù)字線劃圖,提取到滑坡前的滑坡區(qū)地面三維數(shù)據(jù);利用2017年測繪的1∶500數(shù)字線劃圖提取到滑坡后的地面三維數(shù)據(jù)。

3.2.2 滑面DEM生成

將獲取的具有3D信息的點要素作為數(shù)據(jù)源,利用ArcGIS軟件系統(tǒng)的3D Analyst擴展功能模塊,依據(jù)滑面上具有3D信息的點要素,生成TIN格式的滑面不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù),經(jīng)合理化編輯處理后,生成滑面Grid格式柵格數(shù)據(jù)。

3.2.3 滑坡前后數(shù)字地面模型構(gòu)建

利用2010年DLG高程信息,生成滑坡前西露天礦采坑數(shù)字地面模型;利用2017年DLG高程信息,生成滑坡后西露天礦采坑數(shù)字地面模型。圖3為2017年數(shù)字地面模型圖。

圖3 滑坡區(qū)2017年DEM三維視圖Fig.3 DEM of landslide area in 2017

4 應(yīng)用示例

4.1 滑坡體3D模型構(gòu)建

在ArcGIS軟件系統(tǒng)的3D Analyst功能模塊環(huán)境下,滑坡體頂部采用2010年地面DEM模型,底部采用滑面DEM模型,滑坡體范圍以滑坡體地面邊界線為約束線,經(jīng)地理空間疊置分析操作,得到滑坡體初期3D模型(見圖4)。利用滑坡體三維模型計算了滑坡體的地表投影面積和體積,其中面積為3.4 km2,體積為4億m3。

圖4 滑坡體3D模型Fig.4 3D model of landslide

4.2 滑坡體滑移形態(tài)分析

撫順西露天礦南幫滑坡災(zāi)害始于2012年。2010年度滑坡區(qū)數(shù)字地面模型(DEM2010)記錄了滑坡發(fā)生前的地面形態(tài)。2017年度滑坡區(qū)數(shù)字地面模型(DEM2017)則反映了滑坡災(zāi)害發(fā)生后的地面形態(tài)。將滑坡前、后兩期DEM進行空間運算,則可提取到滑坡體的地面運移形態(tài)。

4.2.1 滑坡體地面升降分區(qū)

滑坡體地表的抬升或下降,是滑坡體沿滑面(帶)滑移的外在表象,它一方面反映了滑坡面的空間分布形態(tài),另一方面反映了滑坡體的應(yīng)力應(yīng)變場空間分布狀態(tài)[11]。

以DEM2010為初始背景,以DEM2017為對照數(shù)據(jù),利用GIS空間分析中的柵格表面分析工具,提取出西露天礦南幫滑坡體的升降分區(qū)信息[12],見圖5。

圖5 滑坡體升降分區(qū)圖Fig.5 Elevating area map of landslide mass

4.2.2 滑坡體后緣洼地分析

在滑坡體后緣附近,由于滑坡體的分級錯落滑移,形成了封閉的后緣洼地,加之礦山運輸鐵路路基的修建,與滑坡洼地后緣合圍形成封閉的集雨區(qū),地表大氣降水在此匯集區(qū)得以集聚和運移,相當(dāng)部分將滲流進入滑坡帶,進而會加劇滑坡體的滑移,給滑坡治理帶來負(fù)面效應(yīng)。

以DEM2017為數(shù)據(jù)源,利用GIS空間分析中的水文分析工具,提取到滑坡體后緣洼地的集雨區(qū)邊界,面積為1.074 km2。

4.2.3 滑坡體前緣回填壓腳分析

西露天礦南幫滑坡災(zāi)害的治理措施之一是滑坡前緣回填壓腳。即在滑坡體的前緣回填礦山開采礦渣,以起到阻止滑體前移的作用。本項目通過不同時期遙感影像判讀,經(jīng)實地調(diào)查確定了壓腳區(qū)范圍區(qū),以DEM2010和DEM2017為數(shù)據(jù)源,利用GIS空間分析中的柵格表面分析工具,對壓腳區(qū)進行了分析。得到以下結(jié)果：壓腳區(qū)面積為0.475 km2,自2010年7月至2017年4月,壓腳區(qū)的土方變化量為：填方量2 368.8萬m3,挖方量118.7萬m3;其中,與滑坡區(qū)相重疊區(qū)域的面積為0.30 km2,重疊區(qū)填方量1 945.70萬m3。

在壓腳土方量當(dāng)中,一部分為回填土方量,還有一部分為滑坡體的膨脹、推移土方量,此外還包含了北幫滑坡堆積土方,挖方區(qū)是由采礦挖掘所致。

5 結(jié)束語

本文應(yīng)用GIS技術(shù)構(gòu)建了滑坡區(qū)及滑坡體3D模型,計算出滑坡區(qū)面積和滑坡體體積;對滑坡災(zāi)害發(fā)生前后的的地表變化形態(tài)進行了地理空間分析,提取了滑坡體后緣洼地、地面升降區(qū)分布,以及前緣壓腳處理的土方堆積信息。同時,本文成果在西露天礦南幫滑坡災(zāi)害的勘查、分析、治理工程,以及滑坡力學(xué)分析等研究領(lǐng)域得到應(yīng)用,取得了較好的技術(shù)成效。