基于PFC2D 下的滑坡多源数据融合衍变趋势模拟分析

罗 超 伍 军 谢 建 佘金星 郑 鹏

（1、四川省川核鑫达地质工程有限公司，四川 达州 635000 2、地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610000）

1 概述

机载激光雷达（light detection and ranging , LiDAR）技术是一种新型测绘遥感技术，可以快速高精度获取地面三维空间信息，同时获得高分辨率光学影像，其最大的技术优势是激光雷达主动发射多回波激光束，能一定程度的“穿透”地表植被，捕获高精度地形形态结构数据，通过分析真地表地层构造、地形形态、微小地貌变化以及异常地形特征等信息，综合判断地质灾害的易发性和地质环境的稳定性。相较于传统人工调查效率低下且高山峡谷地区难以到达，光学遥感技术无法探查茂密植被下的地形特征的缺陷，机载LiDAR 技术具有其独特的优势。近年来，一些学者将机载LiDAR 技术应用到地质灾害调查中，并取得了一定的成效。

本文基于机载LiDAR 技术，开展万源市草坝镇测区地质灾害遥感调查，获取测区范围内的激光点云和光学影像数据，以此开展地质灾害遥感解译，查明测区内地质灾害隐患点分布，并结合多源数据，采用PFC2D 开展滑坡数值模拟，分析滑坡在不同工况下的变形破坏特征，为当地防灾减灾提供参考。

2 测区地质灾害概况

万源市位于达州市北部，属于地质灾害易发区。2019 年四川省核工业地质局二八三大队开展了万源市地质灾害“三查”和应急抢险工作，查明了万源市地质灾害隐患发育分布与情况，为隐患点工程治理、监测预警、汛前应急抢险提供有力保障。通过本次地质灾害调查抢险工作可见，万源市地质灾害隐患点共计134 处，灾害类型以滑坡为主，全市隐患点密度为3.3个/100km2，万源市辖区乡镇中隐患点数量最多的是草坝镇，全镇隐患点密度为23.51 个/100km2，为全市地质灾害分布最为集中的区域。因此草坝镇地质灾害问题突出，地质灾害呈现易发频发突发现象，急需要利用测绘遥感新技术结合工程地质等技术手段开展地质灾害隐患调查。

3 基于高精度机载LiDAR 的地质灾害隐患识别方法

通过对获取的点云数据及光学影像数据处理，得到测区数字正射影像图（Digital orthophoto map ,DOM）及数字高程模型（Digital elevation model ,DEM），并构建实景三维模型。

对DEM 处理获得不同方向的山体阴影图，以期模拟太阳高度角和太阳方位角在山体不同方向时的地面状态。利用DEM成果，在解译软件中构建高精度地形场景，叠加数字正射影像和山体阴影创建三维解译环境，以此开展地质灾害解译工作。通过构建三维解译标志，综合区域地质构造资料以及传统光学遥感影像资料，开展灾害解译。主要的解译方法就是基于三维解译环境进行目视解译，利用解译标志的特征，按照从大到小、由近及远的步骤开展。

图2 三维解译平台

4 地质灾害识别结果

本次工作基于机载LiDAR 技术，综合其他解译资料在万源市草坝镇测区共计0.27 平方公里范围内，共解译出地质灾害4处（HP01～HP04），均为滑坡，其中，中型1 处（HP02），小型3 处（HP01、HP03、HP04）。图3 为本次整体解译成果。

图3 测区地质灾害分布情况

5 滑坡数值模拟

颗粒流离散单元法基于离散元法对颗粒赋予一定的接触模型和接触参数，进而对材料的宏观力学行为进行模拟，模型的基本组成单元为墙体（wall）和颗粒（ball），每个颗粒都是具有一定质量的刚性体，可以实现滑移和滚动。该方法可以真实模拟滑坡体变形破坏过程，是滑坡变形破坏分析中常用的模拟方法。

5.1 模型建立

选取滑坡HP02 为模型实例，采用PFC2D 建立数值模型分析其在不同工况下的变形破坏特征。结合多源数据，获取该滑坡坡向、坡度、高程和高差等参数。该滑坡整体坡向大致为北偏西13°，地形总体趋势呈南高北低，滑坡前缘高程约767m，后缘高程约887m，相对高差120m 左右，滑坡纵向长近600m，微地貌为微坡、缓坡、斜坡组成，滑坡整体坡度较缓，一般为10°-20°。坡表为第四系残坡积层，下覆K1b 砂泥岩不等厚互层,产状大体一致为13°∠8°。将剖面图以地层为单位进行多段线的勾绘，然后保存为常用的DXF 格式文件，随后通过PFC 中进行编程读入剖面图文件便可得到斜坡边界的模型，进而在斜坡边界墙体内填充颗粒以建立斜坡数值模型，最后根据实际斜坡中岩性分布的不同在数值模型中进行颗粒分组，最终得到数值模型如图4 所示。

图4 滑坡PFC 数值模型示意图

5.2 细观参数取值

根据岩质边坡的实际工程特性，接触模型采用平行粘结模型进行模拟，其模型特点是颗粒能够承受抗压、抗剪等外力作用，适用于对岩石对土体材料的模拟研究。岩土体的细观参数取值结合勘察资料及参考前人采用PFC 模拟斜坡案例的成果，参数具体取值见表1。

表1 数值模型细观参数

6 滑坡变形破坏过程分析

6.1 天然（自重）工况

天然（自重）工况是指在边坡稳定性分析中主要考虑重力作用条件下的变形发展演化情况，该工况类型较为常规单一，主要是通过土体的力学参数对模型进行赋值以实现模拟。从图中数值模拟结果可看出斜坡整体较为稳定，主要变形区域位于坡体前缘坡表处且变形不剧烈。模拟结果见图5。

图5 天然工况坡表位移变化云图

6.2 暴雨工况

暴雨工况是指在边坡稳定性分析中除了考虑重力作用外还对暴雨条件下的变形发展演化进行分析的一种情况，其中重点考虑暴雨工况条件对斜坡稳定性的影响，该工况类型相对于天然工况稍显复杂，主要是通过降低土体的力学参数（即粘聚力、内摩擦角等）以实现暴雨工况的模拟。数值模拟一共对其进行了8w 步的迭代，分别取以下四个阶段加以分析：（图6、7）

图6 暴雨工况不同迭代步数滑坡破坏图

当模型计算至2 万步时，滑坡整体较为稳定，滑坡前缘坡表处发生局部松动，临空面处有个别土体颗粒脱落，此时前缘土体位移很小，变形不剧烈。当模型计算至4 万步时，滑坡中后缘较为稳定，滑坡前缘坡表发生局部沉降，部分土体颗粒之间发生脱离而产生孔隙，沉降最大处位于坡脚临空面且已发生部分松动和垮塌。当模型计算至6 万步时，滑坡中后缘基本稳定，滑坡前缘坡表处局部沉降量较大且沉降现象较为明显，土体颗粒之间发生较大脱离而产生一定数量的孔隙，孔隙较大，沉降最大处位于坡脚临空面且已发生松动和垮塌。当模型计算至8 万步时，滑坡中后缘基本稳定，滑坡前缘坡表处沉降量比之前有所增加且沉降现象更为明显，岩土体松动，坡度变陡，局部泥岩开始出露，土体颗粒孔隙较大且数量较多，沉降最大处位于坡脚临空面。

6.3 地震工况

图7 暴雨工况不同迭代步数滑坡前缘局部位移云图

地震工况主要是指边坡在自重应力条件的基础上还受到地震波的作用，且地震工况对斜坡的稳定性影响较大，该工况类型相对于天然工况和暴雨工况也更加复杂，模拟过程中主要是通过对斜坡整体施加一定的地震加速度以进行分析评价。模拟过程中总共进行了8 万时步的迭代计算。模拟结果见图8。

图8 地震工况不同迭代步数滑坡破坏图

从数值模拟结果可发现变形区主要集中于坡脚临空面位置处，且主要以变形垮塌的形式发生破坏，且坡体前缘部分层面处发生脱离和错动变形，变形过程具有缓慢的累积时间效应。初始计算求解时刻坡体无明显变形迹象，当模型计算至2 万步时，坡脚临空面位置处开始出现土体局部松动的现象，土体内部出现不规则状的裂缝且贯通性差，随着计算求解时间的进行坡脚临空面处的变形程度更加强烈。当模型计算至4 万步时，坡脚临空面位置处土体的变形程度更加强烈，土体内部的裂缝逐渐扩展且层面出现脱离的趋势，坡脚临空面处土体发生局部松动和垮塌。当模型计算至6 万步时，坡体坡脚位置处的变形松动现象更加明显，坡体前缘内部的裂缝基本呈现出贯通的趋势，砂岩层和泥岩层开始发生层间错动，坡脚临空面处土体垮塌更加剧烈。当模型计算至8 万步时，坡体前缘土体的裂缝发育特征逐渐减弱，但坡脚处土体的垮塌现象严重，此外层面处的裂缝也基本贯通，滑坡前缘处层面出现部分脱离。

通过对该滑坡建立PFC 颗粒模型进行天然、暴雨和地震三种工况下的数值模拟，可以发现，该滑坡在天然工况下基本稳定；在暴雨工况下，滑坡前缘处易发生沉降和局部破坏，在岩土体内部产生相当数量的孔隙，在坡脚临空面处则发生松动直至垮塌，推测是由于该滑坡为砂岩和泥岩互层的顺层滑坡，当雨水进入边坡后，一方面会在裂隙和层面交界处产生静水压力，使层面抗滑力减小，另一方面水会降低岩土体的力学强度参数，使土体的抗滑力减小，且土体自重增加，加大了土体滑动的可能性，当土体中有较大的孔隙时，还易发生局部垮塌。当滑坡体前缘发生破坏和滑动后，会形成新的临空面，当遇到持续降雨时，可能会发展成为牵引式滑坡，使滑坡中后缘逐渐失稳而开始滑动；在地震工况下，砂岩层基本稳定，滑坡体前缘坡脚临空面处出现较剧烈的变形和垮塌现象，且在砂岩层和泥岩层层面处出现贯穿裂缝最终导致前缘部分层面错动。

7 结论

本文介绍了机载LiDAR 技术在万源市草坝镇测区地质灾害调查中的应用，通过实践，证明了机载LiDAR 技术对于地质灾害识别具有一定优势。基于PFC2D 对滑坡开展数值模拟，结果表明，该滑坡在天然工况下基本稳定；在暴雨工况下，滑坡前缘处易发生沉降和局部破坏，在地震工况下，滑坡体前缘坡脚临空面处出现较剧烈的变形和垮塌现象，且在砂岩层和泥岩层层面处出现贯穿裂缝最终导致前缘部分层面错动。该方法对滑坡的破坏过程具有较好的适用性，可为当地防灾减灾提供参考。