基于松散耦合方法的弃土场边坡三维建模及稳定性分析:以福州市闽清县白樟池埔建筑弃土场为例

赖滨泓, 王浩*, 豆红强

(1.福州大学紫金地质与矿业学院, 福州 350116; 2.福建省地质灾害重点实验室, 福州 350002;3.自然资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室, 福州 350002)

随着城市的不断发展,地铁建设和旧房拆迁改造的快速推进导致弃土方量增加。尤其在南方丘陵山地城镇,土地资源匮乏,弃土场往往建设在地形地质条件复杂的山间凹地。加之弃土物料复杂不易压实,堆填过程不规范等问题,导致弃土场边坡失稳事件频发。例如,2015年深圳红坳渣土场滑坡导致居民伤亡,并造成大量经济损失[1]。由于建筑弃土场的稳定与安全是伴随堆填进程不断变化的动态过程,需要持续进行动态分析评价和灵活处治响应,因此有必要深入开展复杂工况下弃土场稳定性评价的快速计算分析方法研究,对于建筑弃土场规划建设与运营管理具有重要意义。

随着计算机科学的迅速发展,地理信息系统(geographic information system, GIS)逐步引入至弃土场的安全管理研究。凭借其强大的地理大数据管理、空间分析和可视化建模技术,在辅助弃土场选址、土地资源管理及地质灾害风险评估评估方面应用广泛[2-8]。鉴于GIS在空间数据分析上显著的技术优势,已不再局限于前端的数据采集和管理,发展出了类似于3DSlopeGIS等边坡三维稳定性评价的拓展模块[9-10]。此类模块所需的数据直接来源于GIS栅格数据,数据准备极为便利,大大提高了计算效率。然而,相较于传统数值模拟软件,其稳定性分析模块功能相对单一,难以满足复杂多工况条件下的边坡安全系数计算,且计算结果精准性尚未得到业界广泛认可。近年来,基于GIS与数值模拟的松散耦合技术开始进入大众视野,其核心是将GIS生成的数据文件转换成数值模拟软件可读取的格式,以实现最佳的数值分析结果。Liu等[11]采用网格节点替换法和监测点替换法克服松散耦合在网格对接上的难点,解决了二者之间的兼容性问题;Alcaraz等[12]基于松散耦合技术,开发名为ArcArAz的地下水分析工具,实现了水文地质数据从可视模型到数值模拟的直接转换。许冲等[13]等将ArcGIS和FLAC2D进行集成,实现了边坡计算数据前处理,有效提高了稳定性计算效率;韩同春等[14]建立耦合GRASS GIS与有限元模拟计算的边坡稳定性计算系统,实现了三维边坡建模和稳定性模拟计算的集成。

但是,这些基于松散耦合方法的边坡稳定性研究仍存在以下不足:①三维边坡模型建模效果较为粗糙,忽略了模型精度对于后续数值计算结果的影响;②多数研究所采用的松散耦合方法操作过程复杂,在实际应用中缺少普适性。针对上述难点,本文结合弃土场稳定性研究的实际特点,使用具有强大空间分析功能的ArcGIS平台建立弃土场的三维可视化模型,采用自主编写的Python脚本实现任意目标边坡剖面信息的跨平台数据交换。同时,以GeoStudio为计算工具,搭建复杂多工况条件下的弃土场稳定性快速预测技术方案。通过充分结合GIS空间数据管理技术和数值模拟软件成熟稳定的模拟计算功能,以期论证松散耦合方法在弃土场稳定性分析的可行性、科学性和工程实用价值。

1 松散耦合系统开发框架

1.1 地理信息系统平台

地理信息系统发展至今,已经涌现出许多专业的GIS软件,如由ESRI公司(Environmental Systems Research Institute, Inc.)开发的商业软件ArcGIS,基于编程语言的开源软件QGIS、GRASS GIS、GeoServer等。相较于开源GIS软件,ArcGIS界面良好、功能完善,具有强大的数据处理、空间分析和地图制图功能,可以进行多种地理信息处理和分析,满足不同领域用户的需求。同时,ArcGIS具有良好的可扩展性,其内嵌的ArcPy语言提供了对地理空间数据进行批量处理和分析的编程环境,可根据用户需要自定义开发或集成第三方插件,是开展GIS和数值模拟松散耦合分析的良好平台。

1.2 总体技术框架

在整个技术框架中,GIS是实现数据存储与弃土场可视化管理的主要工具,具有强大的地理大数据处理能力,能够快速建立三维可视化地质模型,并能对已建模型进行剖切、叠加与分析等操作。数值模拟软件则专注于模拟研究对象的动态发展趋势,可实现降雨、地震等多工况下边坡稳定性仿真模拟。两者通过数据转换和格式兼容实现松散耦合,使不同软件之间能够进行信息交换和协同工作,为弃土场边坡稳定性研究提供更精确的计算结果支持。

松散耦合方法的总体技术框架如图1所示。该方法分为三个阶段:①三维建模阶段,利用地形数据生成边坡模型,利用多源钻孔信息和克里格空间插值方法构建地层模型,接着建立不同阶段的动态堆填模型;②数据转换阶段,通过Python编写数据传输脚本,重点解决地质剖面生成、转换和岩土参数分配两个关键技术问题,实现地质剖面从GIS到数值模拟图形界面的格式转换;③计算分析阶段,利用成熟的数值模拟软件,在建立的计算模型基础上,实现灵活高效的多模块、多条件的边坡稳定性计算,并对计算结果进行分析和反馈。

图1 松散耦合总体技术框架Fig.1 A loosely coupled overall analysis framework

2 GIS与数值模拟松散耦合分析的关键技术

2.1 三维地层构建方法

为便于边坡地质剖面生成和内部地质现象研究,需要将地层信息转化为立体的三维地层模型展示,采用ArcGIS构建三维地层模型,具体实现步骤如下:①读取DXF文件获得地形高程信息,通过CAD(computer aided design)内置数据提取功能批量提取各控制点的平面坐标和高程值,生成地形表面DEM(digital elevation model);②结合地表高程信息和钻孔数据,采用空间插值方法生成相邻地层的顶底面DEM;③根据地层的初始标高推断缺失地层的地质成因,对不同地质成因的缺失地层进行相交和调整标高[15];④根据叠覆原理组合岩层实体模型,即在相邻地层面之间进行拉伸与拓展,建立三维地质模型。

目前,基于钻孔数据建模是建立三维地质模型或实体模型最高效的手段[16-18]。钻孔数据的获取包括地面钻探、井下钻探、现场揭露数据等,得出的三维数据也相对准确、有效[19]。但由于地质条件复杂、资金、施工条件等因素的影响,建模时往往面临钻孔数量稀疏、钻孔空间分布难以覆盖全域的问题,导致模型质量粗糙,难以对实际的地层情况精准刻画[20]。此时引入虚拟钻孔能够较好地解决这一难题。

虚拟钻孔是对实际地层情况进行补充与修正。基于实际情况设置以下两类虚拟钻孔:①露头等效钻孔,通过对场地露头信息进行提取和分类,以GPS坐标和高程作为空间基本信息、岩石岩性作为钻孔基本信息;②插值虚拟钻孔,由计算机拟合生成新钻孔数据,采用领域分析、叠置分析、空间差值方法对地层参数进行适当的内插、外推,进一步生成插值虚拟钻孔点位[21]。

在综合利用实际工程钻孔和虚拟钻孔构建地层可视化模型时,应以原始钻孔创建初始地层,再利用虚拟钻孔对初始地层形态进行调整和补充。虚拟钻孔工作流程如图2所示。

图2 虚拟钻孔工作流程图Fig.2 The basic flow of virtual drilling work

将地表控制点及钻孔数据导入ArcGIS后,数据点通常呈不规则散点状分布。为生成贴合真实的地层形态,需选用合理的空间插值方法对空间散点进行曲面化处理。常见的插值方法分为两类,一类是基于平滑函数的确定性插值方法,该类算法主要利用空间的相近相关性来创建一个拟合曲面,例如样条插值法等;另一类是基于变异函数的地统计学方法,该类算法利用样本点的统计规律,使样本点之间的空间自相关性定量化,从而在待插值的点周围构建样本点的空间结构模型,例如克里格插值方法[22]。考虑到地层信息在空间上没有特定的排列规律,基于平滑函数的确定性插值方法难以达到理想效果,采用克里格插值法拟合地形表面信息。克里格插值法能够充分考虑插值点和待插值点之间的相对位置关系和高差变化情况,其插值公式为

(1)

式(1)中:x0、xi分别表示未知样点和已知样点;Z(x0)表示未知样点的值;Z(xi)表示未知样点周围已知样本点的值;n为已知样本点的个数;λi为第i个样本点的权重。

实践证明,在已知数据具有空间关联的距离或者方向偏差时,克里格插值法要比确定性插值法得出的结果更加精确。

2.2 弃土堆填过程动态建模方法

为实现弃土堆填过程随时空变化的动态演化,需要对不同建设阶段弃土堆填形态进行快速拟合。本文以CAD平台下存储的分区平面设计图为基础图件,实现线至面、面至体的动态建模流程,如图3所示。CAD图文件内的线文件(Polyline)可定义为弃土堆填体的顶部线框要素。由于Polyline不含高程字段,导入ArcGIS后需对线段进行打断,再根据设计高度分别对离散后的线框要素添加高程。在此基础上生成Polygon实体表面,分别在实体表面和地表间进行拉伸,构建弃土堆填实体模型。

图3 弃土堆填动态建模流程Fig.3 Dynamic modeling process of landfill sites

需要注意的是,由于CAD软件在数据存储、图元定义、管理模式等方面与GIS软件有很大的差别,需采用合理的方式实现两个平台之间的数据转换。本文采用转换工具模块下的CAD转Shapefile转换工具对CAD数据批量操作,能够有效避免数据丢失的情况,从而保证数据转换的完整性[23]。

2.3 边坡地质剖面生成方法

为揭示弃土场三维可视化模型的内部地层信息,需要获取目标剖面的三维地质形式。在ArcGIS中,可建立目标剖面线对已建模型进行任意剖切,通过确定剖面的空间分布形态和起始、终止坐标,在相邻地层间拉伸目标剖面线要素,即可输出对应的剖面形态。此时,调用3D分析工具下的重叠剖面命令,输入指定的线要素及对应的剖面目,即可得该剖面的弃土体顶面高程、地表高程、土层分界面高程及土层信息等信息。

2.4 基于Python的跨平台数据传递方法

为实现边坡地质剖面与数值模拟软件之间的松散耦合,需要将已得到的剖面数据进行跨平台传递。采用自主编写的Python脚本集成ArcGIS中已有的重叠剖面、表转dBASE工具脚本,将目标剖面的几何模型、力学参数、分析方法和拓扑关系整合为一个Python脚本中,以xml标记语言定义脚本格式,实现有限元软件对该脚本的快速识别。与ArcGIS对接数据的GeoStudio岩土工程专业软件能够读取xml、dxf、json等多种文件格式,从而发挥其边坡稳定性分析、地下水渗流分析、应力应变分析和地震反应分析的综合模拟计算分析优势。跨平台的数据传输过程如图4所示。

图4 跨平台数据传递流程Fig.4 Flow of cross-platform data transfer

由于xml文件格式内不含预设模块,定义不同的标签即可赋予构造GeoStudio图形界面下二维边坡模型所需的各类属性。本文定义了GeometryItems、Contexts、Analyses、Materials、Coordinates、SketchItems和View七个模块,各模块定义如下:①GeometryItems,用于存储三维地质剖面几何属性。脚本采用点集形式(Points)存储边坡剖面文件,包含与剖面起点的水平距离x及其对应的高程值y。在xml文件中对这些点按读取顺序进行排序标号并连线(Lines),再由线组成土层区域(Regions)。②Contexts,用于定义各区域间的拓扑关系;③Anayses,用于定义计算模型调用的模块、类型及分析方法;④Materials,用于定义岩土体材料的属性参数;⑤Coordinates,用于定义模型计算的工作区范围;⑥SketchItems,用于定义坐标轴显示;⑦View,用于定义GeoStudio图形界面下模型窗口范围、字体样式、图例等。

依据上述步骤生成相应的xml文件,在SLOPE/W界面下打开,生成相应几何剖面。之后只需按实际情况调整堆填体坡率,指定滑移面进出口位置和地下水位面,即可直接计算边坡安全系数。

3 实例应用

3.1 工程概况

研究区域位于福建省福州市闽清县池埔村,该处拟建设一建筑弃土场,为验证本文提出的技术方案的可行性,对该拟建弃土场进行分析。研究区域为丘陵间冲洪积沟谷地貌。根据已有的钻孔信息,场地内分布有钻孔ZK1～ZK8,共揭露了4个土层,部分土层存在尖灭的情况。其中中风化凝灰熔岩为连续土层,其余土层均不连续。根据弃土施工要求,弃土体根据回填土性质进行分区回填。各岩土层物理力学性质指标如表1所示。

表1 弃土场岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of the geotechnical body of the landfill site

3.2 弃土场三维可视化建模

依照上述工作思路,从CAD地形图中批量获取地形高程控制点信息,按照前述步骤生成的研究区域地形模型,如图5所示。由图5可见该区域三面环山,地势西南高东北低,对于修建弃土场是“口小肚大”的适宜地形。由地表高程信息可知,该区域海拔为69.51～249.52 m。

图5 研究区域地形建模Fig.5 Terrain modeling of study area

根据区域地质资料可知,拟建区内无深、大断裂构造通过,亦无新构造活动痕迹。由于原始钻孔数量稀少,现将工程勘探钻孔与露头等效钻孔信息整理合并,利用克里格插值法对加密后的钻孔数据拟合获取各地层界面的初始TIN;进而设置插值虚拟钻孔对土层界面效果进行精细化处理,最后结合CAD文件动态生成弃土场的实体模型。三维地层模型以及弃土堆填体模型分别如图6、图7所示。

图6 地层可视化模型Fig.6 Stratigraphic visualization model

图7 弃土场可视化模型Fig.7 Visualization model of the landfill site

3.3 目标剖面的导入和计算

为获取弃土场指定边坡的稳定性系数,需对计算剖面的三维形态进行捕捉。以A—A’剖面为例(图5),三维地质剖面空间形态如图8所示。运行数据转换脚本文件生成对应的xml文件,在GeoStudio图形界面下打开后根据实际工程情况调整堆填台阶形体,计算模型如图9所示。在指定滑移面进出口范围后即可直接在SLOPE/W模块下快速获取不同分析方法的稳定性计算结果。

图8 精准识别的控制性计算剖面Fig.8 Precisely identified control calculation profile

图9 边坡稳定性分析的GeoStudio计算模型Fig.9 Stability calculation model forslope in GeoStudio

本拟建弃土场工程边坡安全等级为一级,参考《福建省建筑垃圾消纳场建设技术标准 J 16178—2022》[24]中相关规定,一级弃土场安全稳定性系数需大等于1.35。在SLOPE/W模块下对该剖面进行网格划分,采用Mohr-Coulomb强度准则作为主要的稳定性分析方法,使用圆弧滑动面搜索法搜索该边坡在天然工况下的最危险滑动面,得出最危险滑移面的安全系数为1.821,大于一级消纳场安全稳定性系数1.35。

3.4 复杂工况条件下弃土场边坡稳定性分析

3.4.1 自然灾害对稳定性影响分析

边坡的土体成分对边坡稳定性具有重要影响,弃土场边坡由人工堆填形成,较之天然边坡往往坡度更大、结构松散、密实性差,上层弃渣和下层第四系岩土在强度、渗透性等性质上有较大差别[25-26],极端自然条件下的边坡稳定性问题应引起重点关注。考虑到闽东南地区的地质背景和气候条件,以4.3节所识别边坡模型为依托,对弃土场在地震和降雨条件下的稳定性变化规律进行预测和分析。

由于纵波振动周期短且周期短,对地表建筑物的破坏性较小,竖直加速度对于边坡稳定性的影响通常可以忽略不计,本次计算只考虑水平地震加速度的影响,水平地震加速度时程曲线如图10所示。边坡安全系数随时间变化的时程曲线如图11所示,边坡安全系数时程曲线变化可以分为三个阶段:①0.0～1.0 s:该阶段稳定性未受到明显影响;②1.0～7.8 s:该阶段安全系数出现大幅波动;③7.8～10.0 s:该阶段安全系数波动幅度逐渐减小。比照水平加速度时程曲线和安全系数时程曲线可知,在地震动力作用下,安全系数的发展趋势与水平加速度的变化趋势基本一致,当坡体出现正方向位移时,安全系数增加;当坡体出现负方向位移时,安全系数降低。

g为重力加速度图10 水平地震加速度时程曲线Fig.10 Seismic acceleration time curve

图11 安全系数时程曲线Fig.11 Time course curve of safety coefficient

夏季暴雨是影响该弃土场边坡稳定性的重要因素。参考中国气象部门规定的降雨量标准,分别设置暴雨(75 mm/d)、大暴雨(150 mm/d)、特大暴雨(300 mm/d)三种暴雨类型,分析持续降雨24 h后该弃土场边坡安全系数变化规律。如表2所示,降雨持续24 h后,对比原始工况下边坡稳定性的衰减范围在5.2%～21.9%。由于降雨量增加,使得坡体内的非饱和区域不断减少,土体的有效应力被削弱,导致边坡抗滑力下降,下滑力增长,最终在不同程度上影响边坡的稳定性。将不同暴雨工况下的稳定性计算结果与安全稳定性标准进行比较,特大暴雨工况下该弃土场边坡安全系数大于1.35,可以判定该边坡符合一级弃土场边坡安全设计标准。

表2 边坡各工况稳定性分析结果Table 2 Stability analysis results for different rainfall conditions

3.4.2 弃土堆填分区差异对稳定性影响分析

除了考虑自然灾害对弃土场稳定性的影响,弃土堆填分区措施的差异也会对稳定性产生影响。为确保最终计算结果的准确性,边坡模型保持碎块土回填区域和下伏土层不变,分别设置全部回填软土和增设细粒土回填区两种弃土堆填区划。

如图12所示,在仅回填软土的工况下,最危险滑移面的安全系数为1.011,比原设计工况下稳定性衰减44%;稳定性安全图显示,最不利堆填区域集中在T2～T6台阶处沿山体地势升高的斜坡区域,安全系数范围降低至1.011～1.302,而原本稳定性较为良好的T1台阶处安全系数也出现大幅降低。由此可见,在缺乏前部较为稳定的一般回填土支撑的情况下,仅回填软土将严重影响弃土场边坡的局部稳定性。

图12 仅回填软土工况下临界滑移面模型和安全系数云图Fig.12 the critical slip surface model and safety factor contour map under the condition of backfilling with soft soil only

如图13所示,在T6台阶处以细粒回填土代替了部分回填软土,最危险滑移面安全系数由原先的1.821提升至2.054;安全图显示软土堆填斜坡的局部稳定性均有提高。由此可见,增设细粒土回填区将为软土回填区提供良好的前部支撑和侧向约束,增加斜坡的抗滑力,起到类似坡脚反压的作用,使该弃土场边坡的整体以及分区稳定性均得到提升。

图13 增设细粒土工况下临界滑移面模型和安全系数云图Fig.13 The critical slip surface model and safety factor contour map under the condition of fine-grained soil added

4 讨论与结论

4.1 讨论

目前针对弃土场边坡的稳定性评价通常基于专业人员绘制的二维地质剖面图来展示边坡土层分布情况,但手绘剖面能够反映的地层情况较为局限,且自动化程度较低。本文将GIS三维建模和GeoStudio稳定性分析进行松散耦合,高效实现弃土场任意目标剖面信息提取,搭建复杂多工况条件下的弃土场稳定性快速预测技术框架。

与以往研究相比,本研究的主要创新点如下:①在三维建模部分引入虚拟钻孔概念,弥补了弃土场建设场地钻孔数量稀缺从而导致建模效果不佳的缺陷;②提出弃土堆填动态建模方法,实现了对堆填进程的动态响应;③采用自主编写的Python脚本实解决松散耦合过程中跨平台数据传输问题,有效提升了边坡稳定性分析计算效率。

该松散耦合模型对弃土场边坡稳定性快速分析的适用性进行了探讨,现阶段评价在二维尺度开展,尚未实现真三维稳定性分析,在数据传递过程中可能会出现缺失、格式错误等问题。后续研究中,将考虑构建一种更为高效的无缝耦合方法,并结合弃土场的实际工程特点建立更为真实的三维极限平衡模型。

4.2 结论

基于GIS与有限元松散耦合方法对弃土场可视化建模与边坡稳定性快速分析展开探讨,以闽清县池埔村弃土场工程为例,得到以下结论。

(1)地震条件下边坡安全系数时程曲线形态表明,地震发生的1.0～7.8 s阶段安全系数明显出现大幅波动,且稳定性发展趋势与水平加速度的变化趋势基本一致。

(2)基于三种不同强度的暴雨,弃土场边坡稳定性的衰减程度在5.2%～21.9%。特大暴雨工况下该弃土场边坡安全系数大于1.35,可以判定该边坡符合一级弃土场边坡安全设计标准。

(3)在仅回填软土的工况下,最危险滑移面的安全系数为1.011,比原设计工况下稳定性衰减44%;用细粒回填土代替了部分软土区域的工况下,最危险滑移面安全系数由原设计工况的1.821提升至2.054。可见物理力学性质较好的回填土能够为性质较弱的土体提供良好的支撑作用,有助于弃土场稳定性提升。