基于GUI界面的邊坡地震射線可視化研究

黃楠棋

摘 要：為直觀展現地震作用下邊坡中地震波射線的傳播規律，針對目前地震射線研究可視性差等特性，文章基于MATLAB軟件中GUI開發環境編制程序，基于地震波動理論，采用地震動合成算法，開發地震波成像的處理程序，使地震波在邊坡中的傳播規律可視化，模擬地震波在靜態均勻介質中的傳播路徑。為進一步實現動態地震波可視化提供基礎，將地震波的傳播規律直觀地表現出來。

關鍵詞：地震波；射線理論；MATLAB；GUI界面

引言

地震數值模擬技術的飛速發展始于20世紀60年代。現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。目前運用地震波理論對邊坡穩定性分析的研究主要集中在邊坡局部區域地震波射線的傳播規律上，尚未拓展到邊坡整體穩定性分析領域。主要原因在于地震波射線在復雜地質邊坡內部的傳播路徑很難精確確定。因此，如果能實現對邊坡內地震波射線路徑的可視化，將有益于地震波理論在邊坡穩定性分析中的應用。

可視化是指用于創建圖形、圖像或動畫，以便交流溝通信息的技術和方法。可視化技術是一種使人能夠在二維及三維圖形世界中直接與計算機交流的技術，讓人直接對具有形體的信息進行操作。這種技術已經把人和機器的力量以一種直觀的方式相結合，極大地提高了工作效率。因此，將地震波在均勻地質邊坡中的傳播規律實現可視化可極大的提高地震工作者對于地震波傳播情況的分析效率。

1 建立邊坡模型

選用文獻[1]中的實驗模型進行可視化研究。為了與實驗環境吻合，可視化計算中模型為坡角為 60°的均質灰巖邊坡。巖體為均勻連續的各向同性介質（材料參數為： 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

地震波在彈性介質中的傳播通過射線理論來分析。由于外力作用或擾動而引起位移、應力及應變在彈性體內的傳播過程，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的各向同性介質，地震波是自下而上傳播[3]。考慮到層狀邊坡在斜面和結構面處均會發生波場轉換的現象[3]，有兩點需要注意：（1）P波（或SV波）如果以超過臨界角入射到自由表面，將發生全反射；（2）垂直入射的P波，同樣也會發生全反射。其中反射角和折射角采用斯涅爾定律計算[4]。

3 地震波射線可視化軟件開發

MATLAB作為集通用科學計算、繪圖、系統建模和程序設計語言為一體的高校科學計算軟件，已經得到了廣泛的應用，其中圖形用戶界面（GUI）開發環境更是被廣泛應用于可視化軟件開發[5]。文章以純代碼形式，采用“事件驅動”編程方法完成必要的代碼并調試運行程序。圖形界面在計算機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來產生響應的數據，然后單擊選擇按鈕，與按鈕相應的回調函數就被執行，就會在坐標軸上繪制相應的圖形[6]。

將編好的GUI程序導入m文件當中，點擊運行按鈕，得到GUI界面，如下圖所示（圖2）。在界面當中XY字樣下方的方框里出入待求射線規律的坐標，再選擇左下方的坡腳選項，就可得到邊坡地震射線可視化程序界面（圖3）。

4 結束語

文章使用MATLAB語言，采用GUI界面編程，將邊坡地下各點處地震波的傳播路徑用圖形形象直觀地表現出來。這樣將會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）地震波觀測系統設計不合理；（2）對地震波的傳播特征研究缺乏系統性；（3）適合地震波傳播成像的處理軟件還未被開發等一系列問題。

參考文獻

[1]鄒威，許強，劉漢香.強震作用下巖質斜坡動力響應特性的大型振動臺試驗方案設計[J].地質災害與環境保護，2011，22（1）：87-91.

[2]孫禹成，李振春.地震波動力學基礎[M].石油工業出版社，2011.

[3]陳臻林，胡瀟.基于動力反透射模型的成層邊坡穩定性分析[J]，地質災害與環境保護，2013，3：76-80.

[4]胡德綏.彈性波動理論[M].北京：地質出版社，1989

[5]徐金明，張孟喜，丁濤.MATLAB實用教程[M].北京：清華大學出版社，北京交通大學出版社，2005.

[6]陳和平，邵平凡，湯惟.可視化程序設計及應用[M].武漢：武漢理工大學出版社，2009.