抚顺西露天矿南帮滑坡体空间模型构建及应用

林亚斌,王春范,于 浩,孙逢祥

(辽宁省第十地质大队有限责任公司,辽宁 抚顺 113004)

0 引言

滑坡体的空间分布形态,是滑坡灾害性质认识及治理对策的重要依据。在滑坡体的研究中,通常以二维地形图或简单的三维模型等形式进行描述,不仅工作量大、不够精确,而且不易于观察、分析和应用,很难把握滑坡体的空间分布状况和复杂的地形形态,给滑坡体的理论研究带来诸多不便。为此,以滑坡灾害勘察所得到的定性结论为依据[1-8],以矿区不同时期的地质勘查资料、遥感数据、数字线划图( DLG)数据及GNSS监测数据等为数据源,利用GIS-3D技术,构建了滑坡体的数字空间模型,获取滑坡体面积、体积、空间分布及滑面空间分布形态,以及滑坡要素发展、运移等动态信息,在滑坡灾害勘察、分析研究治理等实际工作中得到应用,取得了较好的技术成效。

1 项目概况

抚顺西露天矿开采于1901年,1914年转为露天开采,主要产品为煤炭和油母页岩,现已形成一个东西长6.1 km,南北宽1.9 km,最大边坡比高550 m,开采坑口面积10.87 km2,挖掘体积14.7亿m3的亚洲最大露天矿坑。矿山的大规模开采,在创造了大量财富的同时,也带来了一系列矿山环境问题,且伴随着开采时间的延长,矿山地质环境灾害发生的频次不断加大,灾害程度日渐严重[1]。各界学者对西露天矿的滑坡稳定性[2-3]、滑坡监测[4-5]等进行了大量的研究。

西露天矿南帮滑坡,最初发现于2010年的汛期巡查,其初始表征为局部地表裂缝,后期不断发展,到2012年其滑坡灾害的征候已经凸显,滑坡速率于2014年8～9月达到高峰。滑坡体东西长3.1 km,南北宽1.5 km,面积3.4 km2,为举世罕见的巨型滑坡(我国现行滑坡分类标准[6]中≥1亿m3为巨型滑坡),受到国家及省、市各级政府的高度重视。

2 技术路线

以滑坡灾害勘察所得出的滑面空间分布定性结论为依据;利用矿区地质勘查资料为数据源,提取滑面三维空间坐标信息,进而利用GIS技术,构建滑面数字高程模型(DEM);利用近期数字正射影像数据,经内业解译和野外实地调查,确定滑坡体的边界,结合矿坑数字地面模型(DTM),提取滑坡边界线上特征点的三维空间信息,用以构建滑坡体三维模型;分别利用滑坡灾害发生前、后的地面高程信息,构建滑坡区不同时期的数字地面模型;利用GIS-3D技术,将滑坡前、后DTM与滑面DEM进行三维空间环境下的不同目标地理空间运算,得到滑坡体三维空间分布与运移的相关信息(见图1)。

图1 技术路线图Fig.1 Technology roadmap

3 滑坡体3D模型构建

3.1 滑坡灾害定性结论

1)通过钻探、深部岩移监测、地下水监测等勘查、分析及研究等工作,对西露天矿南帮滑坡灾害的空间分布特征提出了以下定性结论[9]：

根据地面巡查中各部位变形特点、各阶段勘查的工作成果,结合变形监测中水平位移、垂直沉降的差异性,对滑坡的空间变形进行分区。东西横向上,基本以滑坡体后缘锅炉房—千台宾馆东倾断层及F5-2南延部分西倾断层作为分界线,将滑坡划分为西部区、中部区及东部区等3个分区;南北纵向上,基本以区内东西向展开的F2断层为界,断层南侧为垂直沉降区,断层以北为地面隆起抬升区。

滑坡区的西部区存在一条主滑带,滑带为煤线及玄武岩夹杂凝灰岩中的软弱泥化层;中部存在两层滑带,上部滑带为玄武岩层中的软弱泥化层及煤线部位,下部滑带为古风化壳;东部区主要存在两层滑带,上层滑带多为玄武岩夹煤线,下部滑带多为破碎带[10]。

2)通过野外现场实际调查,划定了滑坡体的边界线。

3.2 滑面DEM构建

3.2.1 滑面三维信息获取

滑面是指滑坡滑动和堆积过程中的底界面,包括滑动剪出过程中形成的滑动面和超覆堆积过程中形成的滑动面。依据滑坡灾害勘察结论,获取滑坡体底层滑面的三维信息,构建滑坡体底层滑面(滑带)的数字高程模型,本文仅讨论滑动剪出过程中形成的滑动面。

1)地质剖面

收集到1957年完成的抚顺煤田西部井田地质勘查项目资料,包括勘查报告、地质平面图、地质剖面图及钻孔柱状图等,资料较为系统完整,利用分布在滑坡区内的地质勘查剖面线资料;另外采用2013年滑坡灾害勘察所布置的4条地质剖面线资料,分布情况如图2所示。

图2 滑坡区地质剖面分布图Fig.2 Geological profile distribution map of landslide area

先将不同时期地质剖面的空间坐标系统加以统一,依据滑面定性结论,在剖面图上确定滑面所在位置,通过图形数字化,以及由剖面空间参考到地理坐标系统之间的转换,获得滑面上特征点的(x,y,H)三维空间坐标。

2)数字线划图

滑坡区有多期大比例尺数字线划图,为滑坡体地表三维信息提取创造了条件。利用2010年7月测绘的1∶2 000数字线划图,提取到滑坡前的滑坡区地面三维数据;利用2017年测绘的1∶500数字线划图提取到滑坡后的地面三维数据。

3.2.2 滑面DEM生成

将获取的具有3D信息的点要素作为数据源,利用ArcGIS软件系统的3D Analyst扩展功能模块,依据滑面上具有3D信息的点要素,生成TIN格式的滑面不规则三角网数据,经合理化编辑处理后,生成滑面Grid格式栅格数据。

3.2.3 滑坡前后数字地面模型构建

利用2010年DLG高程信息,生成滑坡前西露天矿采坑数字地面模型;利用2017年DLG高程信息,生成滑坡后西露天矿采坑数字地面模型。图3为2017年数字地面模型图。

图3 滑坡区2017年DEM三维视图Fig.3 DEM of landslide area in 2017

4 应用示例

4.1 滑坡体3D模型构建

在ArcGIS软件系统的3D Analyst功能模块环境下,滑坡体顶部采用2010年地面DEM模型,底部采用滑面DEM模型,滑坡体范围以滑坡体地面边界线为约束线,经地理空间叠置分析操作,得到滑坡体初期3D模型(见图4)。利用滑坡体三维模型计算了滑坡体的地表投影面积和体积,其中面积为3.4 km2,体积为4亿m3。

图4 滑坡体3D模型Fig.4 3D model of landslide

4.2 滑坡体滑移形态分析

抚顺西露天矿南帮滑坡灾害始于2012年。2010年度滑坡区数字地面模型(DEM2010)记录了滑坡发生前的地面形态。2017年度滑坡区数字地面模型(DEM2017)则反映了滑坡灾害发生后的地面形态。将滑坡前、后两期DEM进行空间运算,则可提取到滑坡体的地面运移形态。

4.2.1 滑坡体地面升降分区

滑坡体地表的抬升或下降,是滑坡体沿滑面(带)滑移的外在表象,它一方面反映了滑坡面的空间分布形态,另一方面反映了滑坡体的应力应变场空间分布状态[11]。

以DEM2010为初始背景,以DEM2017为对照数据,利用GIS空间分析中的栅格表面分析工具,提取出西露天矿南帮滑坡体的升降分区信息[12],见图5。

图5 滑坡体升降分区图Fig.5 Elevating area map of landslide mass

4.2.2 滑坡体后缘洼地分析

在滑坡体后缘附近,由于滑坡体的分级错落滑移,形成了封闭的后缘洼地,加之矿山运输铁路路基的修建,与滑坡洼地后缘合围形成封闭的集雨区,地表大气降水在此汇集区得以集聚和运移,相当部分将渗流进入滑坡带,进而会加剧滑坡体的滑移,给滑坡治理带来负面效应。

以DEM2017为数据源,利用GIS空间分析中的水文分析工具,提取到滑坡体后缘洼地的集雨区边界,面积为1.074 km2。

4.2.3 滑坡体前缘回填压脚分析

西露天矿南帮滑坡灾害的治理措施之一是滑坡前缘回填压脚。即在滑坡体的前缘回填矿山开采矿渣,以起到阻止滑体前移的作用。本项目通过不同时期遥感影像判读,经实地调查确定了压脚区范围区,以DEM2010和DEM2017为数据源,利用GIS空间分析中的栅格表面分析工具,对压脚区进行了分析。得到以下结果：压脚区面积为0.475 km2,自2010年7月至2017年4月,压脚区的土方变化量为：填方量2 368.8万m3,挖方量118.7万m3;其中,与滑坡区相重叠区域的面积为0.30 km2,重叠区填方量1 945.70万m3。

在压脚土方量当中,一部分为回填土方量,还有一部分为滑坡体的膨胀、推移土方量,此外还包含了北帮滑坡堆积土方,挖方区是由采矿挖掘所致。

5 结束语

本文应用GIS技术构建了滑坡区及滑坡体3D模型,计算出滑坡区面积和滑坡体体积;对滑坡灾害发生前后的的地表变化形态进行了地理空间分析,提取了滑坡体后缘洼地、地面升降区分布,以及前缘压脚处理的土方堆积信息。同时,本文成果在西露天矿南帮滑坡灾害的勘查、分析、治理工程,以及滑坡力学分析等研究领域得到应用,取得了较好的技术成效。