基于ArcGIS的滑坡單體穩(wěn)定性分析

密長林，孫德亮，文海家，劉廷祥，王榮華

(1.天津大學管理與經(jīng)濟學部，天津300072;2.臨沂市國土資源局，山東臨沂276001;3.重慶師范大學地理與旅游學院，重慶400047;4.重慶大學土木工程學院，重慶400047)

一、引 言

滑坡是常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，它的發(fā)生經(jīng)常導致巨大的環(huán)境破壞、經(jīng)濟損失和人員傷亡。滑坡穩(wěn)定性分析是滑坡災(zāi)害防治中的關(guān)鍵問題之一。影響滑坡穩(wěn)定性的各空間分布趨勢信息很難在常用的非空間化的滑坡三維穩(wěn)定性分析程序中進行分析，解決的方法是選用可以對空間數(shù)據(jù)進行處理和對空間關(guān)系進行分析的工具。而GIS具有強大的空間數(shù)據(jù)處理分析能力，可以滿足滑坡穩(wěn)定性分析評價的應(yīng)用。

對于滑坡研究，國內(nèi)外學者從不同的學科角度出發(fā)，已做過不少研究工作。特別是GIS技術(shù)的發(fā)展極大地促進了對滑坡單體的研究，涌現(xiàn)了大量的研究成果。早在1989年，美國Michael A.Finney和Nancy R.Bain就運用GIS技術(shù)對滑坡災(zāi)害進行了分析［1］。在國內(nèi)，近年來謝謨文等利用遙感技術(shù)對滑坡特征進行了監(jiān)測分析［2］。謝謨文、江崎哲朗等人利用GIS的空間數(shù)據(jù)分析功能，結(jié)合Hovland三維邊坡穩(wěn)定性分析模型對三維邊坡的災(zāi)害進行了分析，同時基于MO(MapObjects)平臺開發(fā)了3D Slope GIS 軟件［3-5］。

本文以重慶市奉節(jié)地區(qū)的猴子石滑坡為例，利用ArcGIS9.2空間分析功能，通過三維穩(wěn)定性分析計算出整個滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，以實現(xiàn)滑坡單體穩(wěn)定性的量化分析，并在此基礎(chǔ)上為猴子石滑坡的治理工程提供參考。

二、研究區(qū)域概況和方法

1.研究區(qū)域概況

猴子石滑坡位于重慶市三峽庫區(qū)奉節(jié)縣新城區(qū)中心，三馬山小區(qū)平臺以下的斜坡地帶。范圍西起白楊坪溝，東至水井溝，北至1#連接道，南抵長江河床，南北長360 m，東西寬320 m。滑坡平面呈扇形，前緣海拔100 m，后緣海拔250 m，面積12.19×104m2，體積450 ×104m3［6］。據(jù)有關(guān)資料，目前猴子石滑坡體上有奉節(jié)縣汽車客運中心、汽車運輸公司等近20個遷建單位及大量居民住宅樓(涉及人口約5000人，房屋面積約19×104m2)，此外還有連接道及一座橋梁。

三峽水庫蓄水前，滑坡穩(wěn)定性受長江水位變化影響很小，整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。水庫蓄水后，庫水浸沒較大范圍滑體，滑坡整體穩(wěn)定性變差，嚴重威脅滑坡體上及其影響區(qū)內(nèi)的居民生命、財產(chǎn)安全。

2.研究方法

(1)滑坡穩(wěn)定性評價指標體系確立

對于單個邊坡的穩(wěn)定性評價，本文從力學的觀點出發(fā)，采用Hovland三維模型，計算滑坡的穩(wěn)定性。因此，對于滑坡穩(wěn)定性評價指標主要考慮以下幾個方面：

1)研究區(qū)域地表模型。

2)軟弱結(jié)構(gòu)面(滑面)的位置及傾角。

3)軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強度指標(有效粘聚力C和有效內(nèi)摩擦角φ)。

4)巖土體的物理力學性質(zhì)。

5)地下水及降雨。

(2)滑坡穩(wěn)定性分析的模型及工具的選取

采用Hovland三維模型，并利用ArcGIS 9.2的空間分析功能，將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合，轉(zhuǎn)化為GIS柵格數(shù)據(jù)層，由柵格數(shù)據(jù)計算出邊滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

三、模型分析

在巖土、地質(zhì)及土木工程中，滑坡的穩(wěn)定性分析通常采用巖土力學模型，其穩(wěn)定性定量分析的判別標準是通用的基于力學模型和物理力學參數(shù)的穩(wěn)定性安全系數(shù)。當將基于安全系數(shù)的定量分析方法與GIS技術(shù)相結(jié)合時，通常有兩種分析方式，即在GIS內(nèi)部或GIS外部完成定量分析。當定量分析在GIS外部完成時，GIS技術(shù)僅僅作為一種用于輸入、存儲、顯示及更新數(shù)據(jù)庫的工具。這種處理方法的優(yōu)點是不需要花時間和精力將模型整合到GIS系統(tǒng)中，可以直接使用現(xiàn)有的模型;其主要缺點是外部模型數(shù)據(jù)多元化造成數(shù)據(jù)形式的不統(tǒng)一，以及GIS的空間特性和外部模型結(jié)果的非空間特性之間的沖突。而采用在GIS內(nèi)部進行定量分析的方法則能克服上述外部模型的缺點，但卻需要在GIS內(nèi)部進行復(fù)雜的迭代計算，以及在二維的GIS中處理滑坡的三維穩(wěn)定性問題［7-11］。因此，只有使用復(fù)雜的三維滑坡模型才能較好地解決這個問題。

本文中的滑坡力學模型采用Hovland三維模型，將整個滑坡劃分為柵格柱體單元。滑體的三維穩(wěn)定性系數(shù)則被定義為

當考慮地表荷載P、地震作用力kW及孔隙水壓力U，并引入基于GIS的柵格數(shù)據(jù)時，三維穩(wěn)定性系數(shù)被表示為

式(1)～式(3)中，SF3D為滑體三維安全系數(shù);W為柵格柱體的重量;A為滑面面積;c為滑面有效凝聚力;φ為滑面有效內(nèi)摩擦角;θ為柱體單元的滑動面傾角;θavr為柱體單元的滑動面主傾斜方向視傾角;asp為滑面傾向;avr(asp)為滑面傾向平均值;i、j為滑體范圍的柵格編號;U為柱體單元的滑動面上的孔隙水壓力;P為柱體單元上的垂直荷載(地表荷載);k為地震水平加速度系數(shù)。

在沒有GIS技術(shù)支持的情況下，式(2)中滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的計算將會是一項復(fù)雜煩瑣的工作，而且數(shù)據(jù)的更新及其他因素的變化也會對這項工作產(chǎn)生極大的影響。數(shù)據(jù)的柵格化使研究區(qū)域被劃分為柵格單元的柱體［11］，使模型轉(zhuǎn)變?yōu)镚IS模型。同時，采用基于GIS數(shù)據(jù)庫的滑坡力學模型，也能進一步十分方便和有效地分析滑坡穩(wěn)定性問題。

四、基于ArcGIS的猴子石滑坡穩(wěn)定性分析

猴子石滑坡穩(wěn)定性分析主要是從整體上分析滑坡單體的穩(wěn)定性，以研究滑坡整體滑移的可能性。利用ArcGIS的分析功能實現(xiàn)穩(wěn)定性系數(shù)的量化分析。通過已知的兩個圖層：猴子石滑坡滑動面圖層和猴子石滑坡抗滑面圖層，利用spatial analyst模塊，計算出柱體單元的滑動面主傾斜方向視傾角θavr，再將已知的系數(shù)代入，利用柵格計算器計算出滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

1.巖土體物理力學參數(shù)的選取

(1)容 重

由于樣點分布的局限性，以及滑坡體土成分的復(fù)雜性，本文根據(jù)地質(zhì)報告的地質(zhì)建議值，按其所占比重將天然綜合容重設(shè)定為23 kN/m3，將飽水綜合容重設(shè)定為23.5 kN/m3。

(2)抗剪強度

從猴子石滑坡物質(zhì)組成看，滑體物質(zhì)主要為巴東組第二段紫紅色粉砂質(zhì)粘土巖、粘土質(zhì)粉砂巖組成的滑坡堆積物。本文根據(jù)地質(zhì)報告的地質(zhì)建議值，得出抗剪強度指標建議值，C介于20～15 kPa之間，Φ 為21°(水上)/19°(水下)。

2.提取圖形數(shù)據(jù)

基于已有的猴子石滑坡抗滑面數(shù)據(jù)，由ArcGIS生成抗滑面的TIN(不規(guī)則三角網(wǎng))圖層，再由TIN圖層生成柵格數(shù)據(jù)。以該柵格數(shù)據(jù)為依據(jù)，調(diào)用ArcMap中空間分析功能的坡度生成命令和坡向生成命令，建立抗滑面的坡度圖和傾向圖。由此得出參與滑坡穩(wěn)定性計算的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括抗滑面傾角分布數(shù)據(jù)(如圖1所示)和抗滑面傾向分布數(shù)據(jù)(如圖2所示)。

圖1 猴子石滑坡抗滑面坡度圖層

圖2 猴子石滑坡抗滑面傾向圖層

通過已知的猴子石滑坡滑動面圖層，在ArcGIS中生成滑動面的TIN圖層，再由TIN圖層生成柵格高程圖層，結(jié)合抗滑面柵格高程圖層，運用柵格計算器進行兩圖層的相減，進而得出滑體的厚度圖(如圖3所示)。

圖3 猴子石滑坡的厚度圖層

3.提取分析參數(shù)

三維穩(wěn)定性計算時需先得到抗滑面傾向平均值，再判定抗滑面的主滑方向θavr。本文將柵格轉(zhuǎn)為文本格式，得到傾向值，導入Excel，得出滑面傾向平均值，為93.270 4。根據(jù)式(3)，通過柵格計算器，得出抗滑面的主滑方向θavr(如圖4所示)。

圖4 猴子石滑坡主傾斜方向視傾角

4.計算成果

依據(jù)式(2)，代入?yún)?shù) ci(19 kPa)、φi(20°)值、滑體重度γ(23 kN/m3)，以及上文得出的抗滑面的主滑方向θavr，利用ArcGIS柵格計算器計算出猴子石滑坡的抗滑力分布圖(如圖5所示)及猴子石滑坡的下滑力分布圖(如圖6所示)。在滑坡穩(wěn)定性分析中，滑體三維安全系數(shù)實質(zhì)上是邊坡抗滑力與下滑力之比，由此得出了猴子石滑坡的三維邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.428。

圖5 猴子石滑坡的抗滑力分布圖

5.結(jié)果分析

滑坡穩(wěn)定性安全系數(shù)被定義為沿假定滑裂面的抗滑力與滑動力的比值，當該比值小于1時，邊坡即發(fā)生破壞。本文的研究結(jié)果得到猴子石滑坡的三維滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.428，表明猴子石滑坡滿足穩(wěn)定性的要求。但其穩(wěn)定性系數(shù)不高，因而安全儲備不夠，局部可能產(chǎn)生變形，一旦受不合理削填坡、水浸泡、振動荷載等因素影響，可能會向不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，應(yīng)實施必要的工程治理。

圖6 猴子石滑坡的下滑力分布圖

五、結(jié)論與展望

本文以滑坡單體為研究對象，利用ArcGIS分析平臺，進行滑坡單體的穩(wěn)定性研究。主要成果及結(jié)論包括：

1)在對滑坡力學模型Hovland三維模型及其各個參數(shù)進行詳細分析的基礎(chǔ)上，探討了基于Arc-GIS9.2平臺的滑坡穩(wěn)定性定量評價方法。在地理信息系統(tǒng)技術(shù)的支持下，利用該平臺計算出猴子石地區(qū)的滑坡單體穩(wěn)定性系數(shù)，進而對滑坡的穩(wěn)定性進行了分析。

2)本文研究表明，利用ArcGIS對滑坡單體進行的穩(wěn)定性分析在工程設(shè)計方面具有一定的應(yīng)用前景，該穩(wěn)定性系數(shù)在工程設(shè)計方面具有一定的參考價值，有利于邊坡工程實踐。

為了提高計算結(jié)果的精度，需要進一步考慮各柵格之間的相互作用力，并建立更加合理的力學模型，通過建模改進巖土體和結(jié)構(gòu)面的物理力學等參數(shù)的精度。

今后還需進行滑坡的風險性研究，在定性分析的基礎(chǔ)上，提出定量的風險危害程度、相應(yīng)的經(jīng)濟和社會損失，以及合理的滑坡管理方案。

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