基于數字圖像技術的冰水堆積體邊坡穩定研究

楊彬　王瀟弘　吉鋒

摘要：冰水堆積體在西部地區廣泛存在，具有高度的非均勻性與非連續性。與一般均質土體相比，冰水堆積體在力學行為上存在很大差異，而通常計算中也經常將這一特征忽略，由此造成了較大誤差。以野外調查為基礎，運用數字圖像處理技術對典型冰水堆積體邊坡處理后得到細觀物理模型，并導入FLAG3D中采用強度折減法計算其安全系數。計算結果表明，受塊石存在的影響，邊坡內部的應力場分布“異常”，埋深對應力集中有明顯的“放大效應”，潛在滑動面呈現多級發展，具有顯著“繞石”特征。對比計算表明，冰水堆積體邊坡的安全系數較均質邊坡有較大提高。

關鍵詞：冰水堆積體邊坡；數字圖像處理；強度折減法；安全系數

冰水堆積體是冰水消融時冰下徑流和冰水前緣水流的堆積體，是第四紀以來（大多屬于第四紀更新世早中期）逐漸形成的。其經歷了較長時期的自然固結，存在不同程度的泥質或鈣質膠結，內部塊石大小混雜，級配較為寬廣。土石混合物的研究正處于起步階段，雖然現有巖土體工程分類體系沒有對其作出解釋，但是在實際的工程中其引發的問題卻較為廣泛。本文所研究的冰水堆積體也屬于土石混合體，在細觀結構及力學研究中，可以借助土石混合體的研究成果幫助我們對冰水堆積體的破壞形態、破壞機制進行細致深入的研究。關于冰水堆積體的物理力學性質已有較多的研究，如馮俊德等對云南某鐵路冰磧土進行了大型直剪試驗，認識到原狀冰磧土具有一定結構強度，重塑冰磧土強度會隨著含水率的增加而降低；范余敏等對雅瀘高速西沖特大橋22#墩冰水堆積體邊坡開展了研究，以大剪試驗為基礎，計算了不同工況下邊坡的穩定性；袁廣祥等在研究川藏公路然烏-魯朗段冰水堆積體的過程中，首先分析了堆積體的成因，進而論述了其結構特征、力學特征，最后采用圓弧法對邊坡穩定性進行了分析。

現階段計算冰水堆積體邊坡穩定性大多是將整個邊坡視為均質連續體，冰水堆積體為賦予一組等效物理力學參數，進而得出結論。然而，冰水堆積體的細觀結構非常特殊，尤其是內部塊石，對整個邊坡穩定性及破壞方式有著重要影響。

本文以西藏某地區野外調查資料為基礎，利用數字圖像處理技術及有限差分數值模擬技術對冰水堆積體邊坡穩定性進行分析研究。

1研究區冰水堆積體概況

研究區位于西藏林芝地區，冰水堆積體分布非常廣泛，內部塊石、土體分選性較差，磨圓程度也較差，大小混雜，粒徑大小懸殊。雖然冰水堆積體也屬于堆積體，但在強度特征上，冰水堆積體與一般松散堆積體差別很大，其形成于第四紀冰期，巖土體都經過了長時期的壓實固結，有些還存在不同程度的膠結，使得冰水堆積體與一般堆積體相比呈現出諸多特點。現場調查的某一冰水堆積體邊坡如圖1所示。

為了得到此冰水堆積體邊坡的粒度分布，并滿足統計分析的需求，使測量結果更符合實際情況，在邊坡的三個不同地點分別取樣，進行顆粒篩分試驗，得到三個試樣的粒組頻率分布，見圖2-圖4。

從圖2-圖4可以看出，研究區冰水堆積體內部土體和塊石粒徑分布具有不均勻性，各粒組占比差異較大。這反映了在整個冰水堆積體形成的過程中，冰水和冰融水受地形、氣候等因素的影響，其攜帶堆積下來的物質出現空間上的分異，呈現局部某粒組富集或缺失，同時也表明冰水堆積體是一種高度非均質的物質。

2冰水堆積體邊坡模型建立

2.1數字圖像處理技術

數字圖像處理（Digital Image Processing）是通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復原、分割、提取特征等處理的方法和技術，近年來廣泛應用于航空、材料、醫學及巖土工程等領域。在巖土工程領域，數字圖像處理技術也得到了很大的應用發展。數字圖像在計算機中每個像素點對應一個整數值，用以表示該點的亮度，即灰度。整個圖像由相應的具有不同灰度值的像素點陣構成，不同的灰度值分別代表了圖像所包含的不同信息，這些像素點對應的各個離散數據成為下一步數字圖像處理的基礎。在野外獲取巖土體的斷面照片后，首先對圖像進行灰度處理，然后利用MAT-LAB去除噪聲，并采用灰度拉伸、灰度值均衡化、自適應閾值分割等方法增強圖像，最大程度消除外界各種不良因素（如光照、斷面平整度）的影響。

將去噪和增強后的灰度圖輸入到數字圖像處理系統并進行相應的二值化處理，這時就可以在新形成的圖像中呈現粒徑較大塊石的形態。

2.2模型的建立

巖土工程問題由定性到定量轉變的重要標志就是物理模型的建立。不同于一般巖體和土體，冰水堆積體這種三元材料（土、石、接觸面）具有典型非均質和非連續性的特征，常用的模型建立方法不能將這種差異表達出來，而借助數字圖像處理技術有助于問題的對比分析。圖5是圖1經過數字圖像處理后的二值化結構數字圖像。

鑒于資金和時間原因，本研究未編制專門的數字處理系統，而是利用上述軟件強大的圖片處理功能突出所需的關鍵信息，然后將二值化圖像導入COREL-DRAW，充分利用CORELDRAW的自由繪圖功能實現圖像關鍵信息的提取，即利用多義線對冰水堆積體中的礫石進行任意形狀的逼近，以最大程度接近實際。

將獲得的線框模型在CAD中面域化，導人大型有限元程序ANSYS并劃分網格，最終生成FLAC3D可以。識別的文件格式。FLAC3D模型如圖6所示，網格劃分產生的節點總數為21 732個、單元總數為17 695個。

由圖6可以看出，邊坡中塊石呈現隨機分布的特征，與現場篩分試驗得到的結果相吻合，保證了模型的非均勻性。根據油新華等的研究成果，在土石交界面生成界面元（INTERFACE）可以模擬拉裂和滑移，保證模型的非連續性。

3冰水堆積體邊坡穩定性分析

將模型的邊界條件設定為：底面邊界固定約束，左側邊界法向約束，其余為自由表面。為了減小邊界效應對數值計算的影響，對模型左側邊界進行了延拓，延拓部分用均質土體代替。模型中塊石和土體的計算參數見表1。

3.1臨界失穩狀態判據選擇

本次邊坡穩定性計算采用整體強度折減法，即針對巖土工程中應用最為廣泛的Mohr-Coulomb準則進行計算，并將邊坡的安全系數定義為使邊坡剛好達到臨界失穩狀態時，對其抗剪強度進行折減的程度。此外，邊坡臨界失穩狀態目前有3種判據：①塑性區貫通；②計算不收斂；③位移突變。經過分析可知，前兩種判據存在較多的主觀任意性，誤差較大，本文不予采用。此次計算巖土體本構模型采用了Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，因此當邊坡進入極限狀態時，必然是其中一部分巖土體材料相對于另外一部分發生無限制的滑移，隨著折減系數的增大，滑坡體內的巖土體有明顯的位移增量，而穩定區的位移增量幾乎為零。這樣，依據位移突變判據就能確定邊坡穩定形態與折減系數的定量關系，通過方程擬合快速準確地得到安全系數，且物理意義明確。位移突變判別時，選擇坡頂作為監測點并分析位移一折減系數的關系曲線。可得到較合理的安全系數。因此，本文選擇邊坡坡頂上某些點的位移突變作為臨界失穩的判斷依據。

3.2邊坡內部應力場特征

為了更好地研究冰水堆積體這種非均質、非連續體與一般均質土體的差別，為模型賦予一組等效物理力學參數，這樣就得到了一個均質邊坡模型，其邊坡形態與非均質模型一致。冰水堆積體邊坡和均質邊坡在自重應力作用下最大主應力云圖見圖7、圖8。

由圖7、圖8可以看出，兩類邊坡最大主應力云圖在形態上存在很大差異。均質邊坡最大主應力分布較為規律，埋深較小時與地面線近似平行，埋深較大時則有變為水平分布的趨勢：冰水堆積體邊坡因塊石的存在而使最大主應力分布“異常”，應力等值線極不規則，塊石應力集中現象明顯，應力場的結構效應非常顯著，邊坡內應力的分布（尤其是應力集中）基本受塊石的分布與形狀控制，而且埋深越大應力集中越顯著。筆者認為原因是塊石與土體的彈性模量懸殊，在自重荷載下，冰水堆積體內部塊石有平移、轉動的趨勢，而塊石與土體彈性不匹配又造成變形差異，埋深越大自重應力越大，對應力異常造成一種“放大效應”，最終在地質歷史發展過程中，冰水堆積體邊坡經過不斷的應力調整形成現今的應力場。冰水堆積體邊坡內部這種獨特的細觀力學特征直接影響其宏觀變形機制、穩定狀態。

3.3穩定性分析

通過對兩類邊坡采用整體強度折減法計算，采用FLAC3D內置的FISH語言，自行開發記錄工具，提取邊坡坡頂3個有代表性點的總位移，繪出折減系數與總位移的關系圖，見圖9。根據散點圖的特征，假定擬合曲線形式為雙曲線，且設總位移ζ=（b+cK）/（1+aK），其中：K為折減系數，a、b、c為待定系數。當l+aK-0且b+cK≠0時，ζ-∞，邊坡產生失穩滑動，從而K=-1/a，此時的折減系數即為邊坡的安全系數。利用MATLAB強大靈活的數據擬合和處理功能，將原散點圖擬合后就可以得到擬合曲線的相關參數，見表2。

從表2可以看出，擬合復相關系數（R1）均在0.95以上，表明雙曲線擬合效果好，可信度高。通過計算得到，冰水堆積體邊坡的安全系數F=2.721 6，均質邊坡的安全系數F=2.132 8。可見，在考慮塊石存在后，計算得到的邊坡安全系數有了較大的提高（27.6%）。

由摩爾庫侖強度理論可知，巖土體破壞原因是某一面上的剪應力達到了巖土體的剪切強度，此時，剪切面上必然發生較大的剪切應變，因此可通過搜索最大剪應變增量的位置確定邊坡滑動面。基于上述思路，在FLAC3D中繪出冰水堆積體邊坡和均質邊坡折減系數分別為2.7和2.1時的剪切應變增量云圖，可以看出，冰水堆積體邊坡的潛在滑動面呈現多級發展，貫穿帶表現出“欺軟怕硬”的特征，具有明顯的繞石現象，這與現場的推剪試驗現象（圖10）一致。而均質邊坡中潛在滑動面則與經典的極限平衡法的一般結論一致，呈圓弧滑動破壞。冰水堆積體邊坡這種多滑面、繞石特征增加了抗剪強度，從而提高了其穩定性。

4結論

土石混合體在自然環境中廣泛存在，冰水堆積體作為土石混合體中的一種，隨著西南地區工程建設的不斷推進，已越來越頻繁地涉及。本文以野外調查為基礎，利用FLAC3D對冰水堆積體邊坡穩定性特征進行了探討，得出以下結論：

（1）對野外冰水堆積體進行三組顆粒篩分試驗，結果表明同一邊坡不同位置各粒組占比差異較大，反映了冰水堆積體形成過程中，冰水和冰融水受地形、氣候影響，所攜帶物質出現空間分異，局部某粒組富集甚至缺失。

（2）冰水堆積體細觀結構的復雜性決定了其力學性質的復雜性。冰水堆積體邊坡塊石的存在使得最大主應力等值線分布“異常”，邊坡內應力的分布（尤其是應力集中）基本受塊石的分布與形狀控制，而且埋深越大應力集中越顯著，呈現“放大效應”。

（3）采用邊坡整體強度折減法，以位移突變作為邊坡臨界失穩判據，通過擬合曲線計算確定了兩類邊坡的安全系數，冰水堆積體邊坡安全系數較均質土邊坡有較大提高（27.6%）。從剪切應變增量云圖可以看出，冰水堆積體邊坡的潛在滑動面呈現多級發展，貫穿帶表現出“欺軟怕硬”的特征，具有明顯的繞石現象。這與現場的推剪試驗現象一致，而這恰恰提高了冰水堆積體邊坡的穩定性。