基于松散耦合方法的棄土場邊坡三維建模及穩定性分析:以福州市閩清縣白樟池埔建筑棄土場為例

賴濱泓, 王浩*, 豆紅強

(1.福州大學紫金地質與礦業學院, 福州 350116; 2.福建省地質災害重點實驗室, 福州 350002;3.自然資源部丘陵山地地質災害防治重點實驗室, 福州 350002)

隨著城市的不斷發展,地鐵建設和舊房拆遷改造的快速推進導致棄土方量增加。尤其在南方丘陵山地城鎮,土地資源匱乏,棄土場往往建設在地形地質條件復雜的山間凹地。加之棄土物料復雜不易壓實,堆填過程不規范等問題,導致棄土場邊坡失穩事件頻發。例如,2015年深圳紅坳渣土場滑坡導致居民傷亡,并造成大量經濟損失[1]。由于建筑棄土場的穩定與安全是伴隨堆填進程不斷變化的動態過程,需要持續進行動態分析評價和靈活處治響應,因此有必要深入開展復雜工況下棄土場穩定性評價的快速計算分析方法研究,對于建筑棄土場規劃建設與運營管理具有重要意義。

隨著計算機科學的迅速發展,地理信息系統(geographic information system, GIS)逐步引入至棄土場的安全管理研究。憑借其強大的地理大數據管理、空間分析和可視化建模技術,在輔助棄土場選址、土地資源管理及地質災害風險評估評估方面應用廣泛[2-8]。鑒于GIS在空間數據分析上顯著的技術優勢,已不再局限于前端的數據采集和管理,發展出了類似于3DSlopeGIS等邊坡三維穩定性評價的拓展模塊[9-10]。此類模塊所需的數據直接來源于GIS柵格數據,數據準備極為便利,大大提高了計算效率。然而,相較于傳統數值模擬軟件,其穩定性分析模塊功能相對單一,難以滿足復雜多工況條件下的邊坡安全系數計算,且計算結果精準性尚未得到業界廣泛認可。近年來,基于GIS與數值模擬的松散耦合技術開始進入大眾視野,其核心是將GIS生成的數據文件轉換成數值模擬軟件可讀取的格式,以實現最佳的數值分析結果。Liu等[11]采用網格節點替換法和監測點替換法克服松散耦合在網格對接上的難點,解決了二者之間的兼容性問題;Alcaraz等[12]基于松散耦合技術,開發名為ArcArAz的地下水分析工具,實現了水文地質數據從可視模型到數值模擬的直接轉換。許沖等[13]等將ArcGIS和FLAC2D進行集成,實現了邊坡計算數據前處理,有效提高了穩定性計算效率;韓同春等[14]建立耦合GRASS GIS與有限元模擬計算的邊坡穩定性計算系統,實現了三維邊坡建模和穩定性模擬計算的集成。

但是,這些基于松散耦合方法的邊坡穩定性研究仍存在以下不足:①三維邊坡模型建模效果較為粗糙,忽略了模型精度對于后續數值計算結果的影響;②多數研究所采用的松散耦合方法操作過程復雜,在實際應用中缺少普適性。針對上述難點,本文結合棄土場穩定性研究的實際特點,使用具有強大空間分析功能的ArcGIS平臺建立棄土場的三維可視化模型,采用自主編寫的Python腳本實現任意目標邊坡剖面信息的跨平臺數據交換。同時,以GeoStudio為計算工具,搭建復雜多工況條件下的棄土場穩定性快速預測技術方案。通過充分結合GIS空間數據管理技術和數值模擬軟件成熟穩定的模擬計算功能,以期論證松散耦合方法在棄土場穩定性分析的可行性、科學性和工程實用價值。

1 松散耦合系統開發框架

1.1 地理信息系統平臺

地理信息系統發展至今,已經涌現出許多專業的GIS軟件,如由ESRI公司(Environmental Systems Research Institute, Inc.)開發的商業軟件ArcGIS,基于編程語言的開源軟件QGIS、GRASS GIS、GeoServer等。相較于開源GIS軟件,ArcGIS界面良好、功能完善,具有強大的數據處理、空間分析和地圖制圖功能,可以進行多種地理信息處理和分析,滿足不同領域用戶的需求。同時,ArcGIS具有良好的可擴展性,其內嵌的ArcPy語言提供了對地理空間數據進行批量處理和分析的編程環境,可根據用戶需要自定義開發或集成第三方插件,是開展GIS和數值模擬松散耦合分析的良好平臺。

1.2 總體技術框架

在整個技術框架中,GIS是實現數據存儲與棄土場可視化管理的主要工具,具有強大的地理大數據處理能力,能夠快速建立三維可視化地質模型,并能對已建模型進行剖切、疊加與分析等操作。數值模擬軟件則專注于模擬研究對象的動態發展趨勢,可實現降雨、地震等多工況下邊坡穩定性仿真模擬。兩者通過數據轉換和格式兼容實現松散耦合,使不同軟件之間能夠進行信息交換和協同工作,為棄土場邊坡穩定性研究提供更精確的計算結果支持。

松散耦合方法的總體技術框架如圖1所示。該方法分為三個階段:①三維建模階段,利用地形數據生成邊坡模型,利用多源鉆孔信息和克里格空間插值方法構建地層模型,接著建立不同階段的動態堆填模型;②數據轉換階段,通過Python編寫數據傳輸腳本,重點解決地質剖面生成、轉換和巖土參數分配兩個關鍵技術問題,實現地質剖面從GIS到數值模擬圖形界面的格式轉換;③計算分析階段,利用成熟的數值模擬軟件,在建立的計算模型基礎上,實現靈活高效的多模塊、多條件的邊坡穩定性計算,并對計算結果進行分析和反饋。

圖1 松散耦合總體技術框架Fig.1 A loosely coupled overall analysis framework

2 GIS與數值模擬松散耦合分析的關鍵技術

2.1 三維地層構建方法

為便于邊坡地質剖面生成和內部地質現象研究,需要將地層信息轉化為立體的三維地層模型展示,采用ArcGIS構建三維地層模型,具體實現步驟如下:①讀取DXF文件獲得地形高程信息,通過CAD(computer aided design)內置數據提取功能批量提取各控制點的平面坐標和高程值,生成地形表面DEM(digital elevation model);②結合地表高程信息和鉆孔數據,采用空間插值方法生成相鄰地層的頂底面DEM;③根據地層的初始標高推斷缺失地層的地質成因,對不同地質成因的缺失地層進行相交和調整標高[15];④根據疊覆原理組合巖層實體模型,即在相鄰地層面之間進行拉伸與拓展,建立三維地質模型。

目前,基于鉆孔數據建模是建立三維地質模型或實體模型最高效的手段[16-18]。鉆孔數據的獲取包括地面鉆探、井下鉆探、現場揭露數據等,得出的三維數據也相對準確、有效[19]。但由于地質條件復雜、資金、施工條件等因素的影響,建模時往往面臨鉆孔數量稀疏、鉆孔空間分布難以覆蓋全域的問題,導致模型質量粗糙,難以對實際的地層情況精準刻畫[20]。此時引入虛擬鉆孔能夠較好地解決這一難題。

虛擬鉆孔是對實際地層情況進行補充與修正。基于實際情況設置以下兩類虛擬鉆孔:①露頭等效鉆孔,通過對場地露頭信息進行提取和分類,以GPS坐標和高程作為空間基本信息、巖石巖性作為鉆孔基本信息;②插值虛擬鉆孔,由計算機擬合生成新鉆孔數據,采用領域分析、疊置分析、空間差值方法對地層參數進行適當的內插、外推,進一步生成插值虛擬鉆孔點位[21]。

在綜合利用實際工程鉆孔和虛擬鉆孔構建地層可視化模型時,應以原始鉆孔創建初始地層,再利用虛擬鉆孔對初始地層形態進行調整和補充。虛擬鉆孔工作流程如圖2所示。

圖2 虛擬鉆孔工作流程圖Fig.2 The basic flow of virtual drilling work

將地表控制點及鉆孔數據導入ArcGIS后,數據點通常呈不規則散點狀分布。為生成貼合真實的地層形態,需選用合理的空間插值方法對空間散點進行曲面化處理。常見的插值方法分為兩類,一類是基于平滑函數的確定性插值方法,該類算法主要利用空間的相近相關性來創建一個擬合曲面,例如樣條插值法等;另一類是基于變異函數的地統計學方法,該類算法利用樣本點的統計規律,使樣本點之間的空間自相關性定量化,從而在待插值的點周圍構建樣本點的空間結構模型,例如克里格插值方法[22]。考慮到地層信息在空間上沒有特定的排列規律,基于平滑函數的確定性插值方法難以達到理想效果,采用克里格插值法擬合地形表面信息。克里格插值法能夠充分考慮插值點和待插值點之間的相對位置關系和高差變化情況,其插值公式為

(1)

式(1)中:x0、xi分別表示未知樣點和已知樣點;Z(x0)表示未知樣點的值;Z(xi)表示未知樣點周圍已知樣本點的值;n為已知樣本點的個數;λi為第i個樣本點的權重。

實踐證明,在已知數據具有空間關聯的距離或者方向偏差時,克里格插值法要比確定性插值法得出的結果更加精確。

2.2 棄土堆填過程動態建模方法

為實現棄土堆填過程隨時空變化的動態演化,需要對不同建設階段棄土堆填形態進行快速擬合。本文以CAD平臺下存儲的分區平面設計圖為基礎圖件,實現線至面、面至體的動態建模流程,如圖3所示。CAD圖文件內的線文件(Polyline)可定義為棄土堆填體的頂部線框要素。由于Polyline不含高程字段,導入ArcGIS后需對線段進行打斷,再根據設計高度分別對離散后的線框要素添加高程。在此基礎上生成Polygon實體表面,分別在實體表面和地表間進行拉伸,構建棄土堆填實體模型。

圖3 棄土堆填動態建模流程Fig.3 Dynamic modeling process of landfill sites

需要注意的是,由于CAD軟件在數據存儲、圖元定義、管理模式等方面與GIS軟件有很大的差別,需采用合理的方式實現兩個平臺之間的數據轉換。本文采用轉換工具模塊下的CAD轉Shapefile轉換工具對CAD數據批量操作,能夠有效避免數據丟失的情況,從而保證數據轉換的完整性[23]。

2.3 邊坡地質剖面生成方法

為揭示棄土場三維可視化模型的內部地層信息,需要獲取目標剖面的三維地質形式。在ArcGIS中,可建立目標剖面線對已建模型進行任意剖切,通過確定剖面的空間分布形態和起始、終止坐標,在相鄰地層間拉伸目標剖面線要素,即可輸出對應的剖面形態。此時,調用3D分析工具下的重疊剖面命令,輸入指定的線要素及對應的剖面目,即可得該剖面的棄土體頂面高程、地表高程、土層分界面高程及土層信息等信息。

2.4 基于Python的跨平臺數據傳遞方法

為實現邊坡地質剖面與數值模擬軟件之間的松散耦合,需要將已得到的剖面數據進行跨平臺傳遞。采用自主編寫的Python腳本集成ArcGIS中已有的重疊剖面、表轉dBASE工具腳本,將目標剖面的幾何模型、力學參數、分析方法和拓撲關系整合為一個Python腳本中,以xml標記語言定義腳本格式,實現有限元軟件對該腳本的快速識別。與ArcGIS對接數據的GeoStudio巖土工程專業軟件能夠讀取xml、dxf、json等多種文件格式,從而發揮其邊坡穩定性分析、地下水滲流分析、應力應變分析和地震反應分析的綜合模擬計算分析優勢。跨平臺的數據傳輸過程如圖4所示。

圖4 跨平臺數據傳遞流程Fig.4 Flow of cross-platform data transfer

由于xml文件格式內不含預設模塊,定義不同的標簽即可賦予構造GeoStudio圖形界面下二維邊坡模型所需的各類屬性。本文定義了GeometryItems、Contexts、Analyses、Materials、Coordinates、SketchItems和View七個模塊,各模塊定義如下:①GeometryItems,用于存儲三維地質剖面幾何屬性。腳本采用點集形式(Points)存儲邊坡剖面文件,包含與剖面起點的水平距離x及其對應的高程值y。在xml文件中對這些點按讀取順序進行排序標號并連線(Lines),再由線組成土層區域(Regions)。②Contexts,用于定義各區域間的拓撲關系;③Anayses,用于定義計算模型調用的模塊、類型及分析方法;④Materials,用于定義巖土體材料的屬性參數;⑤Coordinates,用于定義模型計算的工作區范圍;⑥SketchItems,用于定義坐標軸顯示;⑦View,用于定義GeoStudio圖形界面下模型窗口范圍、字體樣式、圖例等。

依據上述步驟生成相應的xml文件,在SLOPE/W界面下打開,生成相應幾何剖面。之后只需按實際情況調整堆填體坡率,指定滑移面進出口位置和地下水位面,即可直接計算邊坡安全系數。

3 實例應用

3.1 工程概況

研究區域位于福建省福州市閩清縣池埔村,該處擬建設一建筑棄土場,為驗證本文提出的技術方案的可行性,對該擬建棄土場進行分析。研究區域為丘陵間沖洪積溝谷地貌。根據已有的鉆孔信息,場地內分布有鉆孔ZK1～ZK8,共揭露了4個土層,部分土層存在尖滅的情況。其中中風化凝灰熔巖為連續土層,其余土層均不連續。根據棄土施工要求,棄土體根據回填土性質進行分區回填。各巖土層物理力學性質指標如表1所示。

表1 棄土場巖土體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of the geotechnical body of the landfill site

3.2 棄土場三維可視化建模

依照上述工作思路,從CAD地形圖中批量獲取地形高程控制點信息,按照前述步驟生成的研究區域地形模型,如圖5所示。由圖5可見該區域三面環山,地勢西南高東北低,對于修建棄土場是“口小肚大”的適宜地形。由地表高程信息可知,該區域海拔為69.51～249.52 m。

圖5 研究區域地形建模Fig.5 Terrain modeling of study area

根據區域地質資料可知,擬建區內無深、大斷裂構造通過,亦無新構造活動痕跡。由于原始鉆孔數量稀少,現將工程勘探鉆孔與露頭等效鉆孔信息整理合并,利用克里格插值法對加密后的鉆孔數據擬合獲取各地層界面的初始TIN;進而設置插值虛擬鉆孔對土層界面效果進行精細化處理,最后結合CAD文件動態生成棄土場的實體模型。三維地層模型以及棄土堆填體模型分別如圖6、圖7所示。

圖6 地層可視化模型Fig.6 Stratigraphic visualization model

圖7 棄土場可視化模型Fig.7 Visualization model of the landfill site

3.3 目標剖面的導入和計算

為獲取棄土場指定邊坡的穩定性系數,需對計算剖面的三維形態進行捕捉。以A—A’剖面為例(圖5),三維地質剖面空間形態如圖8所示。運行數據轉換腳本文件生成對應的xml文件,在GeoStudio圖形界面下打開后根據實際工程情況調整堆填臺階形體,計算模型如圖9所示。在指定滑移面進出口范圍后即可直接在SLOPE/W模塊下快速獲取不同分析方法的穩定性計算結果。

圖8 精準識別的控制性計算剖面Fig.8 Precisely identified control calculation profile

圖9 邊坡穩定性分析的GeoStudio計算模型Fig.9 Stability calculation model forslope in GeoStudio

本擬建棄土場工程邊坡安全等級為一級,參考《福建省建筑垃圾消納場建設技術標準 J 16178—2022》[24]中相關規定,一級棄土場安全穩定性系數需大等于1.35。在SLOPE/W模塊下對該剖面進行網格劃分,采用Mohr-Coulomb強度準則作為主要的穩定性分析方法,使用圓弧滑動面搜索法搜索該邊坡在天然工況下的最危險滑動面,得出最危險滑移面的安全系數為1.821,大于一級消納場安全穩定性系數1.35。

3.4 復雜工況條件下棄土場邊坡穩定性分析

3.4.1 自然災害對穩定性影響分析

邊坡的土體成分對邊坡穩定性具有重要影響,棄土場邊坡由人工堆填形成,較之天然邊坡往往坡度更大、結構松散、密實性差,上層棄渣和下層第四系巖土在強度、滲透性等性質上有較大差別[25-26],極端自然條件下的邊坡穩定性問題應引起重點關注。考慮到閩東南地區的地質背景和氣候條件,以4.3節所識別邊坡模型為依托,對棄土場在地震和降雨條件下的穩定性變化規律進行預測和分析。

由于縱波振動周期短且周期短,對地表建筑物的破壞性較小,豎直加速度對于邊坡穩定性的影響通常可以忽略不計,本次計算只考慮水平地震加速度的影響,水平地震加速度時程曲線如圖10所示。邊坡安全系數隨時間變化的時程曲線如圖11所示,邊坡安全系數時程曲線變化可以分為三個階段:①0.0～1.0 s:該階段穩定性未受到明顯影響;②1.0～7.8 s:該階段安全系數出現大幅波動;③7.8～10.0 s:該階段安全系數波動幅度逐漸減小。比照水平加速度時程曲線和安全系數時程曲線可知,在地震動力作用下,安全系數的發展趨勢與水平加速度的變化趨勢基本一致,當坡體出現正方向位移時,安全系數增加;當坡體出現負方向位移時,安全系數降低。

g為重力加速度圖10 水平地震加速度時程曲線Fig.10 Seismic acceleration time curve

圖11 安全系數時程曲線Fig.11 Time course curve of safety coefficient

夏季暴雨是影響該棄土場邊坡穩定性的重要因素。參考中國氣象部門規定的降雨量標準,分別設置暴雨(75 mm/d)、大暴雨(150 mm/d)、特大暴雨(300 mm/d)三種暴雨類型,分析持續降雨24 h后該棄土場邊坡安全系數變化規律。如表2所示,降雨持續24 h后,對比原始工況下邊坡穩定性的衰減范圍在5.2%～21.9%。由于降雨量增加,使得坡體內的非飽和區域不斷減少,土體的有效應力被削弱,導致邊坡抗滑力下降,下滑力增長,最終在不同程度上影響邊坡的穩定性。將不同暴雨工況下的穩定性計算結果與安全穩定性標準進行比較,特大暴雨工況下該棄土場邊坡安全系數大于1.35,可以判定該邊坡符合一級棄土場邊坡安全設計標準。

表2 邊坡各工況穩定性分析結果Table 2 Stability analysis results for different rainfall conditions

3.4.2 棄土堆填分區差異對穩定性影響分析

除了考慮自然災害對棄土場穩定性的影響,棄土堆填分區措施的差異也會對穩定性產生影響。為確保最終計算結果的準確性,邊坡模型保持碎塊土回填區域和下伏土層不變,分別設置全部回填軟土和增設細粒土回填區兩種棄土堆填區劃。

如圖12所示,在僅回填軟土的工況下,最危險滑移面的安全系數為1.011,比原設計工況下穩定性衰減44%;穩定性安全圖顯示,最不利堆填區域集中在T2～T6臺階處沿山體地勢升高的斜坡區域,安全系數范圍降低至1.011～1.302,而原本穩定性較為良好的T1臺階處安全系數也出現大幅降低。由此可見,在缺乏前部較為穩定的一般回填土支撐的情況下,僅回填軟土將嚴重影響棄土場邊坡的局部穩定性。

圖12 僅回填軟土工況下臨界滑移面模型和安全系數云圖Fig.12 the critical slip surface model and safety factor contour map under the condition of backfilling with soft soil only

如圖13所示,在T6臺階處以細粒回填土代替了部分回填軟土,最危險滑移面安全系數由原先的1.821提升至2.054;安全圖顯示軟土堆填斜坡的局部穩定性均有提高。由此可見,增設細粒土回填區將為軟土回填區提供良好的前部支撐和側向約束,增加斜坡的抗滑力,起到類似坡腳反壓的作用,使該棄土場邊坡的整體以及分區穩定性均得到提升。

圖13 增設細粒土工況下臨界滑移面模型和安全系數云圖Fig.13 The critical slip surface model and safety factor contour map under the condition of fine-grained soil added

4 討論與結論

4.1 討論

目前針對棄土場邊坡的穩定性評價通常基于專業人員繪制的二維地質剖面圖來展示邊坡土層分布情況,但手繪剖面能夠反映的地層情況較為局限,且自動化程度較低。本文將GIS三維建模和GeoStudio穩定性分析進行松散耦合,高效實現棄土場任意目標剖面信息提取,搭建復雜多工況條件下的棄土場穩定性快速預測技術框架。

與以往研究相比,本研究的主要創新點如下:①在三維建模部分引入虛擬鉆孔概念,彌補了棄土場建設場地鉆孔數量稀缺從而導致建模效果不佳的缺陷;②提出棄土堆填動態建模方法,實現了對堆填進程的動態響應;③采用自主編寫的Python腳本實解決松散耦合過程中跨平臺數據傳輸問題,有效提升了邊坡穩定性分析計算效率。

該松散耦合模型對棄土場邊坡穩定性快速分析的適用性進行了探討,現階段評價在二維尺度開展,尚未實現真三維穩定性分析,在數據傳遞過程中可能會出現缺失、格式錯誤等問題。后續研究中,將考慮構建一種更為高效的無縫耦合方法,并結合棄土場的實際工程特點建立更為真實的三維極限平衡模型。

4.2 結論

基于GIS與有限元松散耦合方法對棄土場可視化建模與邊坡穩定性快速分析展開探討,以閩清縣池埔村棄土場工程為例,得到以下結論。

(1)地震條件下邊坡安全系數時程曲線形態表明,地震發生的1.0～7.8 s階段安全系數明顯出現大幅波動,且穩定性發展趨勢與水平加速度的變化趨勢基本一致。

(2)基于三種不同強度的暴雨,棄土場邊坡穩定性的衰減程度在5.2%～21.9%。特大暴雨工況下該棄土場邊坡安全系數大于1.35,可以判定該邊坡符合一級棄土場邊坡安全設計標準。

(3)在僅回填軟土的工況下,最危險滑移面的安全系數為1.011,比原設計工況下穩定性衰減44%;用細粒回填土代替了部分軟土區域的工況下,最危險滑移面安全系數由原設計工況的1.821提升至2.054。可見物理力學性質較好的回填土能夠為性質較弱的土體提供良好的支撐作用,有助于棄土場穩定性提升。