一种基于灾害动力过程的地震滑坡危险性评估方法与系统

1.本发明涉及地质灾害危险性评估技术领域，特别是涉及一种基于灾害动力过程的地震滑坡危险性评估方法与系统。


背景技术：

2.随着当前西北构造活跃区地震活动渐强，在未来潜在地震动力作用诱发下，如果黄土区已有的滑坡发生复活，或新的不稳定斜坡发生失稳，将对坡体上及滑坡运动范围内的构筑物造成极大的损失，滑坡灾害依然是西北黄土区未来发展面临的重大地质风险。而目前针对黄土区的滑坡灾害研究，较多的关注其成灾机理及稳定性，对滑坡灾害的危险性评估研究相对欠缺。
3.滑坡危险性评价是在易发性评价(空间概率)的基础上，对某一地区现有或潜在滑坡发生的时间概率和灾害强度进行评价。而实现地震条件下滑坡危险性定量化评价的关键是要解决滑坡运移规模、滑速、滑距和影响范围等(即滑坡runout过程)问题。危险性评估的定量化对风险评估具有重要理论和实践意义。
4.目前常用的滑坡危险性评价模型主要有主观推断分析、统计分析模型和确定性模型；前两种模型适用于区域大尺度的危险性评价，而确定性模型以滑坡失稳的物理机制为基础，通过数值计算滑坡稳定性系数或分析其应力应变状态，确定滑坡的危险程度，优势主要在于其可以对滑坡的发生机理进行深入研究，比较适用于大比例尺度滑坡的危险性定量研究。但常用的滑坡数值分析方法主要包括有限元和离散元方法，有限元方法重在解决不同诱发因素下滑坡是否发生失稳的问题，而离散元重点解决滑多远的问题。两者在进行危险性定量分析时各有局限。此外，滑坡危险性不仅与滑坡易滑条件和发生频率有关，还受到滑坡规模和破坏力的影响，滑坡灾害强度即为描述滑坡危险性的指标。前人曾提出滑坡体积与速度的乘积可以较好地表征单体滑坡的危险性，但在实际应用中，滑坡速度不易测定，因此在选用滑坡危险性评估指标方面还需根据评估方法综合确定。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于灾害动力过程的地震滑坡危险性评估方法与系统。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种基于灾害动力过程的地震滑坡危险性评估方法，包括：
8.获取待评估滑坡的测绘数据；所述测绘数据包括滑坡的地质环境条件、坡体结构和几何形态特征、数字正射影像和数字高程模型；
9.根据所述待评估滑坡的测绘数据构建滑坡的二维地质力学分析模型；
10.根据待评估滑坡的泥岩样品确定滑坡岩土体的基本物理力学参数；所述基本物理力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角；
11.向所述二维地质力学分析模型中施加外部地震荷载；
12.采用基于连续介质力学的离散单元方法计算在施加预设的外部地震荷载条件下待评估滑坡二维剖面的滑体变形量和位移；
13.根据所述滑体变形量和位移对滑坡危险性进行评估。
14.优选的，所述向所述二维地质力学分析模型中施加外部地震荷载，包括：
15.获取预设的地震波形；
16.将所述预设的地震波形进行预处理得到地震动速度时程曲线；
17.将地震动速度时程曲线转换为外部地震荷载。
18.优选的，所述将地震动速度时程曲线转换为外部地震荷载，包括：
19.采用公式：
[0020][0021]
将地震动速度时程曲线转换为外部地震荷载；其中，σn为施加在粘滞边界上的法向应力，σs为施加在粘滞边界上的切向应力，c
p
为p波波速，cs为s波的波速，vn为模型边界上法向的速度分量，vs为模型边界上切向的速度分量，ρ为滑床岩土体密度。
[0022]
优选的，所述根据所述滑体变形量和位移对滑坡危险性进行评估，包括：
[0023]
使用工程地质类比法依据滑坡变形量及位移确定危险性分级标准；
[0024]
根据危险性分级标准对所述待评估滑坡进行危险性分区。
[0025]
本发明还提供了一种基于灾害动力过程的地震滑坡危险性评估系统，包括：
[0026]
测绘数据获取模块，用于获取待评估滑坡的测绘数据；所述测绘数据包括滑坡的地质环境条件、坡体结构和几何形态特征、数字正射影像和数字高程模型；
[0027]
分析模型构建模块，用于根据所述待评估滑坡的测绘数据构建滑坡的二维地质力学分析模型；
[0028]
力学参数确定模块，用于根据待评估滑坡的泥岩样品确定滑坡岩土体的基本物理力学参数；所述基本物理力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角；
[0029]
地震荷载施加模块，用于向所述二维地质力学分析模型中施加外部地震荷载；
[0030]
滑体变形量和位移计算模块，用于采用基于连续介质力学的离散单元方法计算在施加预设的外部地震荷载条件下待评估滑坡二维剖面的滑体变形量和位移；
[0031]
危险评估模块，用于根据所述滑体变形量和位移对滑坡危险性进行评估。
[0032]
优选的，所述地震荷载施加模块，包括：
[0033]
地震波形获取单元，用于获取预设的地震波形；
[0034]
地震波形处理单元，用于将所述预设的地震波形进行预处理得到地震动速度时程曲线；
[0035]
地震荷载转换单元，用于将地震动速度时程曲线转换为外部地震荷载。
[0036]
优选的，所述地震荷载转换单元，包括：
[0037]
地震荷载转换子单元，用于采用公式：
[0038][0039]
将地震动速度时程曲线转换为外部地震荷载；其中，σn为施加在粘滞边界上的法
向应力，σs为施加在粘滞边界上的切向应力，c
p
为p波波速，cs为s波的波速，vn为模型边界上法向的速度分量，vs为模型边界上切向的速度分量，ρ为滑床岩土体密度。
[0040]
优选的，所述危险评估模块，包括：
[0041]
危险性分级标准确定单元，用于使用工程地质类比法依据滑坡变形量及位移确定危险性分级标准；
[0042]
危险性分区单元，用于根据危险性分级标准对所述待评估滑坡进行危险性分区。
[0043]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0044]
本发明提供的一种基于灾害动力过程的地震滑坡危险性评估方法与系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过利用待评估滑坡的测绘数据构建滑坡的二维地质力学分析模型，然后向二维地质力学分析模型中施加外部地震荷载，并基于此得到待评估滑坡二维剖面的滑体变形量和位移，最后根据滑体变形量和位移对滑坡危险性进行评估，可以实现滑坡危险性定量分区，大大提高了地震滑坡危险性评估的可靠性，从而为建筑区规划和各类工程选址提供了依据。
附图说明
[0045]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0046]
图1为本发明提供的基于灾害动力过程的地震滑坡危险性评估方法流程图；
[0047]
图2为本发明实施例中的周家山滑坡的高精度dem(左)和dom(右)；
[0048]
图3为本发明实施例中的周家山滑坡的地质剖面图；
[0049]
图4为本发明实施例中的周家山滑坡的概化数值分析模型；
[0050]
图5为本发明实施例中的周家山滑坡动力计算所需的岩土体物理力学参数；
[0051]
图6为本发明实施例中的设防地震条件下周家山滑坡动力计算需输入的水平(上)和竖向(下)地震荷载(即速度时程曲线)；
[0052]
图7为本发明实施例中的周家山滑坡剖面在设防地震条件下的位移及危险性分区；
[0053]
图8为本发明实施例中的周家山滑坡在设防地震条件下的危险性与斜坡地形的关系；
[0054]
图9为本发明实施例中的周家山滑坡在设防地震条件下平面尺度的危险性区划。
具体实施方式
[0055]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0056]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0057]
请参阅图1，一种基于灾害动力过程的地震滑坡危险性评估方法，包括：
[0058]
步骤1：获取待评估滑坡的测绘数据；所述测绘数据包括滑坡的地质环境条件、坡体结构和几何形态特征、数字正射影像和数字高程模型；
[0059]
在实际应用中，本发明可通过现场调绘查明滑坡的地质环境条件、坡体结构和几何形态特征，利用无人机测绘获取滑坡高精度的dom(数字正射影像)和dem(数字高程模型)数据，并以此为基础建立滑坡的二维地质力学分析模型。
[0060]
步骤2：根据所述待评估滑坡的测绘数据构建滑坡的二维地质力学分析模型；
[0061]
步骤3：根据待评估滑坡的泥岩样品确定滑坡岩土体的基本物理力学参数；所述基本物理力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角；
[0062]
进一步的，本发明可通过钻探或试坑获取滑坡岩土体样品，然后在室内测定岩土体的基本物理力学参数。
[0063]
步骤4：向所述二维地质力学分析模型中施加外部地震荷载；
[0064]
进一步的，步骤4，包括：
[0065]
获取预设的地震波形；
[0066]
将所述预设的地震波形进行预处理得到地震动速度时程曲线；
[0067]
需要说明的是，本发明可根据《中国地震动峰值加速度区划图》(gb18306-2015)，获取滑坡所在场地分别在50年超越概率60％(多遇地震)，10％(设防地震)和2％(罕遇地震)三种地震情景下的峰值加速度，然后选取附近地震台网监测到的典型地震波，利用seimosoft软件对地震波进行滤波、放大、校正和积分处理，可得到三种地震情景下的地震动速度时程曲线。
[0068]
将地震动速度时程曲线转换为外部地震荷载；其中，外部地震荷载的转换公式为：
[0069][0070]
式中，σn为施加在粘滞边界上的法向应力，σs为施加在粘滞边界上的切向应力，c
p
为p波波速，cs为s波的波速，vn为模型边界上法向的速度分量，vs为模型边界上切向的速度分量，ρ为滑床岩土体密度。
[0071]
步骤5：采用基于连续介质力学的离散单元方法计算在施加预设的外部地震荷载条件下待评估滑坡二维剖面的滑体变形量和位移；
[0072]
本发明在上述计算过程中，采用了基于连续介质力学的离散单元方法(cdem)，该方法在单元内部采用有限元方法，单元边界则采用离散单元法，有效结合了有限元和离散元的优势，可实现滑坡体从变形失稳到破裂解体直至运动堆积全过程的模拟分析。模拟分析主要作用是：判断滑坡在不同地震条件下是否发生失稳，若不发生失稳则利用滑坡体表面变形量表征危险性，若失稳则利用失稳滑体的运动距离或影响范围表征危险性。
[0073]
步骤6：根据所述滑体变形量和位移对滑坡危险性进行评估。
[0074]
进一步的，步骤6，包括：
[0075]
使用工程地质类比法依据滑坡变形量及位移确定危险性分级标准；
[0076]
根据危险性分级标准对所述待评估滑坡进行危险性分区。
[0077]
在实际应用中，本发明需要根据滑坡二维剖面的滑体变形和位移计算结果，统计
滑坡的等效摩擦角、位移与地形因子和滑面结构的关系，然后基于arcgis平台，结合工程地质类比法完成不同地震条件下单体滑坡平面尺度上的危险性定量分区。
[0078]
本发明从滑坡坡体结构和成灾机理出发，以不同超越概率(多遇、设防和罕遇)的地震动强度参数动力作为输入条件，在力学机理明晰的有限元-离散元耦合(cdem)动力数值分析软件支持下分析滑坡的变形、启滑、运动、堆积等灾害动力全过程，可以精准的获取滑坡的动力学和运动学参数，同时选取滑体位移作为滑坡危险性定量评估指标，进而实现单体滑坡的定量危险性区划，大大提高了地震滑坡危险性评估的定量化和可靠性。
[0079]
下面本发明以天水北山周家山滑坡为例，对本发明的地震滑坡危险性评估方法做进一步的说明:
[0080]
(1)周家山滑坡是西北黄土区典型的黄土—泥岩滑坡，规模为特大型(见图2)。本实施例通过高精度dem和dom，以及钻探手段，揭示了该滑坡具有深层多级旋转-平移、多期次滑动的特征；地层结构为上覆第四系黄土和下伏新近系河湖相泥岩、粘土岩，坡体结构类型为顺向岩土质混合斜坡，滑带发育在新近系泥岩地层中。
[0081]
(2)二维地质力学分析模型的建立：根据现场调查和钻探揭示的滑体结构，结合在高精度dem上拾取的剖面高程数据，绘制滑坡的工程地质纵剖面图(见图3)，并以此为基础建立概化的滑坡数值分析模型(见图4)。
[0082]
(3)测定岩土体物理力学参数：现场采取黄土原状样，通过钻探获取泥岩样品，在实验室测定滑坡岩土体的基本物理力学参数，主要包括：密度、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角(见图5)。
[0083]
(4)确定输入的地震动强度参数：根据《中国地震动峰值加速度区划图》(gb18306-2015)，周家山滑坡所在的天水市秦州区基岩场地在设防地震条件下(50年超越概率10％)的峰值加速度为0.3g。因此本实施例选取xx年岷县地震天水市麦积站台监测到的地震波形(水平pga＝0.04g，竖向pga＝0.012g)为动力输入基准波形。进一步的，基准波形预处理过程为：首先利用seimosoft软件将该基准波形放大7.5倍(使水平pga＝0.3g，竖向pga＝0.09g)，然后将放大后的地震波进行低通滤波和积分运算，得到设防地震情景下的地震动速度时程曲线，最后对速度时辰曲线进行基准校正(见图6)，且将地震动速度时程曲线利用如下公式转换为数值分析所施加的外部地震荷载：
[0084]
σn＝-2(ρc
p
)vnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式1)
[0085]
σs＝-2(ρcs)vsꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式2)
[0086]
式中，σn和σs分别为施加在粘滞边界上的法向应力和切向应力，c
p
和cs分别为p波和s波的波速，其中vn和vs分别为模型边界上法向和切向的速度分量，ρ为滑床岩土体密度。
[0087]
(5)滑坡动力过程数值分析：根据上述建立的二维地质力学分析模型，采用基于连续介质力学的离散单元数值方法(cdem)，模拟滑坡体从变形失稳到破裂解体直至运动堆积的全过程。即在模型左右两侧施加自由场边界，底部施加带法向地震力和切向地震力的粘滞边界条件。动力计算阻尼选用瑞利阻尼，本实施例通过对速度反应谱分析，确定中心频率f
min
约为2hz，选取最小临界阻尼比ξ
min
为3％，计算得到刚度阻尼系数β为2e-3，质量阻尼系数α为0.45。
[0088]
(6)滑坡定量危险性分级：根据滑坡位移(d)的数值计算结果，将天水黄土黄土梁峁区滑坡危险性分为高危险(d＞2.0m)、中危险(2.0m≥d≥0.2m)和低危险(d＜0.2m)3个等
级(见图7)。
[0089]
(7)滑坡定量危险性区划：根据滑坡二维剖面的滑体变形和位移计算结果，统计了设防地震条件下滑体发生变形和位移的优势滑面坡度、表面地形坡度和坡向。发现坡体的变形和位移与坡体表面的微地形有极大关系，坡体局部坡度大于35
°
的区域，会发生明显的破裂滑移，一般为高危险区；35
°
≥坡度＞10
°
区域，地表发生明显变形，一般为中危险区；坡度小于10
°
区域，地表发生微小变形，一般为低危险区；后壁及前缘存在临空面，会发生震裂滑移，等效滑动摩擦角约为30
°
(见图8)。
[0090]
在本发明中，可借助arcgis平台利用工程地质类比法，依据滑坡变形及位移值确定的危险性分级标准，综合划定了设防地震条件下周家山滑坡平面尺度的危险性分区(见图9)。
[0091]
本发明可以根据地震区划，考虑不同地震波形作为地震动力条件输入，进而计算出坡体的永久位移值，结合基于位移的危险性分级标准得出潜在地震诱发滑坡的危险性定量评价，从而为建筑区规划和各类工程选址提供依据。
[0092]
本发明还提供了一种基于灾害动力过程的地震滑坡危险性评估系统，包括：
[0093]
测绘数据获取模块，用于获取待评估滑坡的测绘数据；所述测绘数据包括滑坡的地质环境条件、坡体结构和几何形态特征、数字正射影像和数字高程模型；
[0094]
分析模型构建模块，用于根据所述待评估滑坡的测绘数据构建滑坡的二维地质力学分析模型；
[0095]
力学参数确定模块，用于根据待评估滑坡的泥岩样品确定滑坡岩土体的基本物理力学参数；所述基本物理力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角；
[0096]
地震荷载施加模块，用于向所述二维地质力学分析模型中施加外部地震荷载；
[0097]
滑体变形量和位移计算模块，用于采用基于连续介质力学的离散单元方法计算在施加预设的外部地震荷载条件下待评估滑坡二维剖面的滑体变形量和位移；
[0098]
危险评估模块，用于根据所述滑体变形量和位移对滑坡危险性进行评估。
[0099]
优选的，所述地震荷载施加模块，包括：
[0100]
地震波形获取单元，用于获取预设的地震波形；
[0101]
地震波形处理单元，用于将所述预设的地震波形进行预处理得到地震动速度时程曲线；
[0102]
地震荷载转换单元，用于将地震动速度时程曲线转换为外部地震荷载。
[0103]
优选的，所述地震荷载转换单元，包括：
[0104]
地震荷载转换子单元，用于采用公式：
[0105][0106]
将地震动速度时程曲线转换为外部地震荷载；其中，σn为施加在粘滞边界上的法向应力，σs为施加在粘滞边界上的切向应力，c
p
为p波波速，cs为s波的波速，vn为模型边界上法向的速度分量，vs为模型边界上切向的速度分量，ρ为滑床岩土体密度。
[0107]
优选的，所述危险评估模块，包括：
[0108]
危险性分级标准确定单元，用于使用工程地质类比法依据滑坡变形量及位移确定
危险性分级标准；
[0109]
危险性分区单元，用于根据危险性分级标准对所述待评估滑坡进行危险性分区。
[0110]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0111]
本发明提供的一种基于灾害动力过程的地震滑坡危险性评估方法与系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过利用待评估滑坡的测绘数据构建滑坡的二维地质力学分析模型，然后向二维地质力学分析模型中施加外部地震荷载，并基于此得到待评估滑坡二维剖面的滑体变形量和位移，最后根据滑体变形量和位移对滑坡危险性进行评估，可以实现滑坡危险性定量分区，大大提高了地震滑坡危险性评估的可靠性，从而为建筑区规划和各类工程选址提供了依据。
[0112]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0113]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。