基于ArcGIS的滑坡单体稳定性分析

密长林，孙德亮，文海家，刘廷祥，王荣华

(1.天津大学管理与经济学部，天津300072;2.临沂市国土资源局，山东临沂276001;3.重庆师范大学地理与旅游学院，重庆400047;4.重庆大学土木工程学院，重庆400047)

一、引 言

滑坡是常见的地质灾害之一，它的发生经常导致巨大的环境破坏、经济损失和人员伤亡。滑坡稳定性分析是滑坡灾害防治中的关键问题之一。影响滑坡稳定性的各空间分布趋势信息很难在常用的非空间化的滑坡三维稳定性分析程序中进行分析，解决的方法是选用可以对空间数据进行处理和对空间关系进行分析的工具。而GIS具有强大的空间数据处理分析能力，可以满足滑坡稳定性分析评价的应用。

对于滑坡研究，国内外学者从不同的学科角度出发，已做过不少研究工作。特别是GIS技术的发展极大地促进了对滑坡单体的研究，涌现了大量的研究成果。早在1989年，美国Michael A.Finney和Nancy R.Bain就运用GIS技术对滑坡灾害进行了分析［1］。在国内，近年来谢谟文等利用遥感技术对滑坡特征进行了监测分析［2］。谢谟文、江崎哲朗等人利用GIS的空间数据分析功能，结合Hovland三维边坡稳定性分析模型对三维边坡的灾害进行了分析，同时基于MO(MapObjects)平台开发了3D Slope GIS 软件［3-5］。

本文以重庆市奉节地区的猴子石滑坡为例，利用ArcGIS9.2空间分析功能，通过三维稳定性分析计算出整个滑坡的稳定性系数，以实现滑坡单体稳定性的量化分析，并在此基础上为猴子石滑坡的治理工程提供参考。

二、研究区域概况和方法

1.研究区域概况

猴子石滑坡位于重庆市三峡库区奉节县新城区中心，三马山小区平台以下的斜坡地带。范围西起白杨坪沟，东至水井沟，北至1#连接道，南抵长江河床，南北长360 m，东西宽320 m。滑坡平面呈扇形，前缘海拔100 m，后缘海拔250 m，面积12.19×104m2，体积450 ×104m3［6］。据有关资料，目前猴子石滑坡体上有奉节县汽车客运中心、汽车运输公司等近20个迁建单位及大量居民住宅楼(涉及人口约5000人，房屋面积约19×104m2)，此外还有连接道及一座桥梁。

三峡水库蓄水前，滑坡稳定性受长江水位变化影响很小，整体处于基本稳定状态。水库蓄水后，库水浸没较大范围滑体，滑坡整体稳定性变差，严重威胁滑坡体上及其影响区内的居民生命、财产安全。

2.研究方法

(1)滑坡稳定性评价指标体系确立

对于单个边坡的稳定性评价，本文从力学的观点出发，采用Hovland三维模型，计算滑坡的稳定性。因此，对于滑坡稳定性评价指标主要考虑以下几个方面：

1)研究区域地表模型。

2)软弱结构面(滑面)的位置及倾角。

3)软弱结构面的抗剪强度指标(有效粘聚力C和有效内摩擦角φ)。

4)岩土体的物理力学性质。

5)地下水及降雨。

(2)滑坡稳定性分析的模型及工具的选取

采用Hovland三维模型，并利用ArcGIS 9.2的空间分析功能，将空间数据和属性数据相结合，转化为GIS栅格数据层，由栅格数据计算出边滑坡的稳定性系数。

三、模型分析

在岩土、地质及土木工程中，滑坡的稳定性分析通常采用岩土力学模型，其稳定性定量分析的判别标准是通用的基于力学模型和物理力学参数的稳定性安全系数。当将基于安全系数的定量分析方法与GIS技术相结合时，通常有两种分析方式，即在GIS内部或GIS外部完成定量分析。当定量分析在GIS外部完成时，GIS技术仅仅作为一种用于输入、存储、显示及更新数据库的工具。这种处理方法的优点是不需要花时间和精力将模型整合到GIS系统中，可以直接使用现有的模型;其主要缺点是外部模型数据多元化造成数据形式的不统一，以及GIS的空间特性和外部模型结果的非空间特性之间的冲突。而采用在GIS内部进行定量分析的方法则能克服上述外部模型的缺点，但却需要在GIS内部进行复杂的迭代计算，以及在二维的GIS中处理滑坡的三维稳定性问题［7-11］。因此，只有使用复杂的三维滑坡模型才能较好地解决这个问题。

本文中的滑坡力学模型采用Hovland三维模型，将整个滑坡划分为栅格柱体单元。滑体的三维稳定性系数则被定义为

当考虑地表荷载P、地震作用力kW及孔隙水压力U，并引入基于GIS的栅格数据时，三维稳定性系数被表示为

式(1)～式(3)中，SF3D为滑体三维安全系数;W为栅格柱体的重量;A为滑面面积;c为滑面有效凝聚力;φ为滑面有效内摩擦角;θ为柱体单元的滑动面倾角;θavr为柱体单元的滑动面主倾斜方向视倾角;asp为滑面倾向;avr(asp)为滑面倾向平均值;i、j为滑体范围的栅格编号;U为柱体单元的滑动面上的孔隙水压力;P为柱体单元上的垂直荷载(地表荷载);k为地震水平加速度系数。

在没有GIS技术支持的情况下，式(2)中滑坡稳定性系数的计算将会是一项复杂烦琐的工作，而且数据的更新及其他因素的变化也会对这项工作产生极大的影响。数据的栅格化使研究区域被划分为栅格单元的柱体［11］，使模型转变为GIS模型。同时，采用基于GIS数据库的滑坡力学模型，也能进一步十分方便和有效地分析滑坡稳定性问题。

四、基于ArcGIS的猴子石滑坡稳定性分析

猴子石滑坡稳定性分析主要是从整体上分析滑坡单体的稳定性，以研究滑坡整体滑移的可能性。利用ArcGIS的分析功能实现稳定性系数的量化分析。通过已知的两个图层：猴子石滑坡滑动面图层和猴子石滑坡抗滑面图层，利用spatial analyst模块，计算出柱体单元的滑动面主倾斜方向视倾角θavr，再将已知的系数代入，利用栅格计算器计算出滑坡的稳定性系数。

1.岩土体物理力学参数的选取

(1)容 重

由于样点分布的局限性，以及滑坡体土成分的复杂性，本文根据地质报告的地质建议值，按其所占比重将天然综合容重设定为23 kN/m3，将饱水综合容重设定为23.5 kN/m3。

(2)抗剪强度

从猴子石滑坡物质组成看，滑体物质主要为巴东组第二段紫红色粉砂质粘土岩、粘土质粉砂岩组成的滑坡堆积物。本文根据地质报告的地质建议值，得出抗剪强度指标建议值，C介于20～15 kPa之间，Φ 为21°(水上)/19°(水下)。

2.提取图形数据

基于已有的猴子石滑坡抗滑面数据，由ArcGIS生成抗滑面的TIN(不规则三角网)图层，再由TIN图层生成栅格数据。以该栅格数据为依据，调用ArcMap中空间分析功能的坡度生成命令和坡向生成命令，建立抗滑面的坡度图和倾向图。由此得出参与滑坡稳定性计算的相关数据，包括抗滑面倾角分布数据(如图1所示)和抗滑面倾向分布数据(如图2所示)。

图1 猴子石滑坡抗滑面坡度图层

图2 猴子石滑坡抗滑面倾向图层

通过已知的猴子石滑坡滑动面图层，在ArcGIS中生成滑动面的TIN图层，再由TIN图层生成栅格高程图层，结合抗滑面栅格高程图层，运用栅格计算器进行两图层的相减，进而得出滑体的厚度图(如图3所示)。

图3 猴子石滑坡的厚度图层

3.提取分析参数

三维稳定性计算时需先得到抗滑面倾向平均值，再判定抗滑面的主滑方向θavr。本文将栅格转为文本格式，得到倾向值，导入Excel，得出滑面倾向平均值，为93.270 4。根据式(3)，通过栅格计算器，得出抗滑面的主滑方向θavr(如图4所示)。

图4 猴子石滑坡主倾斜方向视倾角

4.计算成果

依据式(2)，代入参数 ci(19 kPa)、φi(20°)值、滑体重度γ(23 kN/m3)，以及上文得出的抗滑面的主滑方向θavr，利用ArcGIS栅格计算器计算出猴子石滑坡的抗滑力分布图(如图5所示)及猴子石滑坡的下滑力分布图(如图6所示)。在滑坡稳定性分析中，滑体三维安全系数实质上是边坡抗滑力与下滑力之比，由此得出了猴子石滑坡的三维边坡稳定性系数为1.428。

图5 猴子石滑坡的抗滑力分布图

5.结果分析

滑坡稳定性安全系数被定义为沿假定滑裂面的抗滑力与滑动力的比值，当该比值小于1时，边坡即发生破坏。本文的研究结果得到猴子石滑坡的三维滑坡稳定性系数为1.428，表明猴子石滑坡满足稳定性的要求。但其稳定性系数不高，因而安全储备不够，局部可能产生变形，一旦受不合理削填坡、水浸泡、振动荷载等因素影响，可能会向不稳定状态发展，应实施必要的工程治理。

图6 猴子石滑坡的下滑力分布图

五、结论与展望

本文以滑坡单体为研究对象，利用ArcGIS分析平台，进行滑坡单体的稳定性研究。主要成果及结论包括：

1)在对滑坡力学模型Hovland三维模型及其各个参数进行详细分析的基础上，探讨了基于Arc-GIS9.2平台的滑坡稳定性定量评价方法。在地理信息系统技术的支持下，利用该平台计算出猴子石地区的滑坡单体稳定性系数，进而对滑坡的稳定性进行了分析。

2)本文研究表明，利用ArcGIS对滑坡单体进行的稳定性分析在工程设计方面具有一定的应用前景，该稳定性系数在工程设计方面具有一定的参考价值，有利于边坡工程实践。

为了提高计算结果的精度，需要进一步考虑各栅格之间的相互作用力，并建立更加合理的力学模型，通过建模改进岩土体和结构面的物理力学等参数的精度。

今后还需进行滑坡的风险性研究，在定性分析的基础上，提出定量的风险危害程度、相应的经济和社会损失，以及合理的滑坡管理方案。

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