王振宇,張常亮,周瀟朗,魏巖朔

(長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054)

滑坡作為自然界中一種常見的地質(zhì)災(zāi)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(zāi)害進(jìn)行防治。

要對滑坡進(jìn)行有效防治,就需要對其形成機(jī)理進(jìn)行分析,而研究其形成機(jī)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(yīng)力應(yīng)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(fù)都是借助當(dāng)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(rèn)為滑坡形成后其周界沒有滑動,可將等高程的周界點(diǎn)連接,近似地認(rèn)為是原地形,根據(jù)滑坡周界和滑坡主軸線上的測量點(diǎn)計(jì)算其主滑斷面上的原地形坐標(biāo)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(fù)二維地形,對復(fù)雜邊坡形成的滑坡則會產(chǎn)生較大誤差。隨著技術(shù)的發(fā)展,越來越多的研究人員開始利用INSAR技術(shù)對區(qū)域性的滑坡和單點(diǎn)滑坡滑前滑后的形態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,然后利用GIS手段對滑前滑后的地形進(jìn)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(jìn)行了大范圍的滑坡探測;何朝陽等[3]運(yùn)用INSAR技術(shù)進(jìn)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(shù)不僅方便可靠,而且精確度高;張文馨等[5]利用INSAR技術(shù)對礦區(qū)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測,進(jìn)而得到礦區(qū)地面沉降信息;Davis等[6]基于GIS和可視化技術(shù)對具有空間性不確定的滑坡進(jìn)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(yùn)用蒙特卡羅法搜索最危險滑動面;喬建平等[8]結(jié)合人工智能技術(shù)和GIS實(shí)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(shù)建立了滑坡三維分析模型,進(jìn)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(jī)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(fù)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(yīng)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(shù)對現(xiàn)有滑坡坡形和周圍地形的三維地形數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,獲得當(dāng)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(jié)合各地層力學(xué)參數(shù),利用運(yùn)動模型[10]對各種坡形下的滑坡進(jìn)行運(yùn)動變化分析,獲得滑坡破壞后的三維分布形態(tài)。通過與當(dāng)前滑坡三維形態(tài)的對比,選擇出最符合當(dāng)前滑坡運(yùn)動學(xué)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(yīng)的三維數(shù)值模型,分析其應(yīng)力應(yīng)變特征和變形特征,驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)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(zhì)滑坡的原始三維地形恢復(fù)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(shí)測滑坡斷面,根據(jù)鄰近邊坡地形恢復(fù)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(yàn)和規(guī)范得出滑坡區(qū)巖土物理性質(zhì)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(zhì)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics on the physical properties of soil in the landslide area

2 滑坡當(dāng)前三維地形建立

通過實(shí)際勘察測量,獲得滑坡當(dāng)前地形高程數(shù)據(jù),然后將地形高程數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為建模所需的坐標(biāo),以一條邊為準(zhǔn),其他點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相對點(diǎn),然后模擬符合該地形統(tǒng)計(jì)特征的隨機(jī)過程,形成一定數(shù)量用來表示地形框架的特征點(diǎn),結(jié)合滑坡模擬所用模擬參數(shù)(見表2),再進(jìn)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(shù)中的中點(diǎn)位移的方法產(chǎn)生地形的局部細(xì)節(jié),生成與真實(shí)地形相似的仿真地形,獲得當(dāng)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(dāng)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(rèn)為滑坡前的原始邊坡是極限狀態(tài),因此認(rèn)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(yùn)動學(xué)分析

4.1 Sassa K模型運(yùn)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(gòu)成。假設(shè)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(yùn)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(jié)構(gòu)如圖8所示,假設(shè)滑動質(zhì)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(yùn)動過程中會發(fā)生變化。滑坡運(yùn)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(dāng)作用于滑動區(qū)的法向應(yīng)力減小時,其表觀摩擦系數(shù)將相應(yīng)增加。如果滑坡運(yùn)動中的抗剪力是恒定的話,將導(dǎo)致滑坡運(yùn)動自動停止。滑坡運(yùn)動中,滑體抗剪力、表觀摩擦系數(shù)及其他主要影響因素關(guān)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(dāng)滑動質(zhì)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(jié)構(gòu)Fig.8 Double layer structure diagram of landslide

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

4.2 不同坡形運(yùn)動結(jié)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(shè)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(shí)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(shí)際大,滑動范圍也比實(shí)際地形廣,特別是滑坡前緣左側(cè)滑動范圍較實(shí)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(shí)際地面形態(tài)呈平緩下降,由于右側(cè)較左側(cè)陡,所以滑坡滑動方向稍向左偏,導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定后的左側(cè)地形與實(shí)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(chǔ)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(shí)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(shí)際小很多,滑動范圍也比實(shí)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(shí)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(cè)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(shí)際坡體中部的低陷,只滑動方向主軸兩側(cè)出現(xiàn)了不太明顯的斜溝。此后,又在這二者之間多次結(jié)合周圍地形調(diào)整高程,得到了在滑動穩(wěn)定后與實(shí)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(dǎo)出各狀態(tài)滑坡穩(wěn)定后的實(shí)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(shí)際地形存在偏差,而直坡滑動穩(wěn)定后與實(shí)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(fù)地形的驗(yàn)證分析

結(jié)合模擬所得南川河滑坡滑前原始地形,運(yùn)用GTS NX建立三維模型,首先導(dǎo)入直坡滑前的高程點(diǎn),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(xué)參數(shù)見表1,然后以10為尺寸控制播種,進(jìn)一步進(jìn)行混合網(wǎng)格劃分,劃分為131 918個節(jié)點(diǎn),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(gòu)造活動并不強(qiáng),故將x軸方向的側(cè)壓力系數(shù)K0x和y軸方向的側(cè)壓力系數(shù)K0y都設(shè)為1.0,建立初始應(yīng)力場,進(jìn)行計(jì)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(yīng)力圖(見圖14)和滑坡剪切應(yīng)變圖(見圖15),根據(jù)所得到應(yīng)力應(yīng)變分布云圖進(jìn)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(yīng)力分布自上往下逐漸增大,這與其應(yīng)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(yīng)圖15可知,此處剛好是剪切應(yīng)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(yīng)變集中現(xiàn)象,失穩(wěn)下滑進(jìn)而導(dǎo)致滑坡后緣整體出現(xiàn)滑動,這與Sassa K所做的模擬結(jié)果基本相似,因此證明復(fù)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(yīng)力Fig.14 Maximum shearing stress of landslide

圖15 滑坡剪切應(yīng)變Fig.15 Shearing strain of landslide

6 結(jié)論

對滑坡進(jìn)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(yīng)力應(yīng)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(jìn)行了三維原始地形恢復(fù),得出以下結(jié)論:

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

(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(yùn)用Sassa K模型模擬滑坡運(yùn)動過程,通過滑距、滑動范圍、滑動后地面的形態(tài)等來確認(rèn)相對合理的滑前地形。

(3) 運(yùn)用數(shù)值模擬,結(jié)合找出的滑前三維地形,滑坡體基本物理力學(xué)參數(shù),分析其應(yīng)力應(yīng)變特征和變形特征,驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)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(zhì)滑坡的原始三維地形恢復(fù)方法。

同時,研究內(nèi)容在以下2個方面還有待改進(jìn):(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(gòu)成物質(zhì)大小、形態(tài)、力學(xué)性質(zhì)都會影響滑坡的發(fā)展,要完全模擬真實(shí)的地形在理論和實(shí)踐上都存在很大的困難;(2)對于原始地形雖然有一定進(jìn)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(jìn)。