高海拔地区边坡航测三维建模及稳定性分析——以天摩沟边坡为例

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论文字数:38885 论文编号:sb2021092614531538372 日期:2021-10-17 来源:硕博论文网
笔者认为随着国家基础建设的不断发展,边坡问题一直会是工程界的重点问题之一,而无人机的应用大大增加了获取数据便利性,也可以更好的保证数据的精确性,进行建设施工时,可利用无人机的便携性对重点区域进行不定期航测,高精度的三维模型对于工程建设中边坡问题的稳定性计算具有重要的作用,同时也可以达到实时监测的目的。

第一章  绪论

1.1 选题背景及意义
随着科技水平的日益进步,人口的不断增长以及对于自然资源过多的消耗,引发了诸多类似全球变暖、生态破坏以及自然地质灾害频发等问题。地质灾害在人类活动和自然环境的影响下逐渐成为制约人类发展的重要因素之一。自然地质作用和人类活动在一定程度上都可能造成地质环境的突发改变,当这种改变足以造成恶化环境、影响人类生产生活甚至危害人类生命安全的问题时,就被统称为地质灾害[1]。
我国幅员辽阔,有近 70%的山区地貌,这些地区的地质地形条件极为复杂,从而使我国成为了世界上滑坡灾害发育较严重的国家之一[2]。在这之中,近一半的国土面积以及 2/3 以上的城市面积都受到过程度不同的地质灾害影响[3]。2019年全国共发生地质灾害 6181 起,造成 211 人死亡、13 人失踪、75 人受伤,直接经济损失 27.7 亿元。其中特大地质灾害有 25 起,造成 44 人死亡、9 人失踪、11人受伤,直接经济损失 13.4 亿元;大型地质灾害有 37 起,造成 26 人死亡、13人受伤,直接经济损失 2.2 亿元;中型地质灾害有 262 起,造成 65 人死亡、2 人失踪、6 人受伤,直接经济损失 5.0 亿元[4]。
滑坡作为地质灾害的重要类型之一,是指地质体在重力作用下,沿着地质弱面想下向外滑动。滑坡通常具有双重含义,指重力滑动过程,或者重力滑动的地质体和所形成的堆积体。滑坡作为一种自然现象,是地球表层岩土体物质、能量均衡的结果,但是当这种现象对人类的生命财产安全构成隐患时,滑坡则演变成了一种灾害[5]。据相关统计,我国每年都会发生近 3 万起滑坡所引发的灾害,平均每年死亡或失踪 800 多人,造成的直接经济损失甚至高达 40 亿元[6]。其中 2009年 10 月份四川省攀枝花机场第 12 号高填方发生滑坡,将原设抗滑桩滑出 200 多米,造成断航。滑坡沿跑道宽 400m,长 300m,后壁高达 4-60m,体积达 260x104m3;攀枝花机场第 12 号滑坡情况见图 1-1。
图 1-1 攀枝花机场第 12 号滑坡外貌
图 1-1 攀枝花机场第 12 号滑坡外貌
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1.2  国内外研究现状
1.2.1 边坡三维建模研究现状
早在上个世纪 80 年代,边坡灾害便时刻威胁着人类的生活环境和生产发展,但是限于当时有限的技术条件和人力物力的缺失,边坡的稳定性问题一直没有得到较好的解决办法,随着边坡问题的逐渐凸显,各国也开始逐渐认识到边坡灾害的防治是个不可逃避并且急需要有效解决办法的问题。
90 年代,一些滑坡灾害严重的国家也陆续开始寻找问题的解决办法,于是,在当时刚刚开始发展的计算机便成为了研究的第一步,1993 年,Zhancai Li 等[9]利用现代计算机图形技术,对边坡的三维(3D)计算机建模方法进行了研究,并建立了一种基于 3D 计算机模型的边坡平面构建方法。依靠计算机技术,早期研究者找到了比以往更加有效的边坡分析方法,并且为边坡提供了可视化和生动的环境,由此可以看到边坡三维建模的巨大潜力。
进入 21 世纪,随着计算机技术的飞速进步,三维建模也得到了更加深入的研究。2004 年,潘炜等[10]分析了三维地质建模在边坡工程中的应用,表明三维地质建模在工程决策、地质分析预测及提高制图效率上都有着非常重要的位置,并通过实例,详细阐述了一个完整的三维模型建立,在经过检验之后取得了较好的结果。2007 年,Ivan Maňas[11]将计算机三维建模技术运用到了模拟露天开采和原材料存放方面,基于材料沉积物的三维概率模型及其数学原理,按照质量比例就散采矿材料冰进行高级采矿设计,对不稳定边坡的动态运动进行监测;同年,俆文杰等[12]为了准确的建立三维地质模型,运用正在兴起的 CAD 软件来建立工程地质三维模型,软件与当时数值分析软件具有良好的匹配度,可以在一定程度上将三维模型实现“可视”同时“可算”的目的,并经过后期验证可以看出确实比以往的三维模型建立更加快速,更加准确。
随着三维建模研究的不断深入,对于一些特定类型的边坡和工程的研究也在不断增多。2013 年,K. Ma 等[13]针对岩质边坡破坏进行了研究,由于难以准确识别和阐述岩质边坡的成分和破坏过程,对于该种类型的边坡研究很少,作者基于三维模型对断裂过程的进一步研究,使用有限元软件和编程方法,揭示了岩质边坡在破坏过程中的变形位置特征,为岩质边坡的失稳研究做出了重要的贡献;刘远亮、谢晓锋[14]运用 Midas GTS 三维有限元计算软件对该岩质边坡的地表地形,坡体内部断层以及软弱结构面都做了三维建模,对类似的边坡工程提供了一定的参考作用。
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第二章  天摩沟研究区自然和地质环境概况

2.1 自然地理概况
2.1.1 地理位置
天摩沟位于西藏自治区林芝市波密县,沟口位置 29059,16,,N./95019,08,,E.近东北-西南向,周围高山围绕,最高海拔 5590m,最低海拔 2460m,季节性雪线位置在 3900m,根据卫星图像显示,物源区 4245 到 4935 凹地内有一冰川,面积约为 1.42km2。下部为裸露的的基岩,上部为悬崖峭壁,终年有少量积雪覆盖,沟内边坡的平均坡度在 600以上。研究区卫星图见图 2-1。
图 2-1 天摩沟地理位置卫星图
图 2-1 天摩沟地理位置卫星图 
2.1.2  地形地貌
天摩沟地址位置特殊,处于川藏铁路沿线的重要位置,其地形地貌极为复杂,沟体沿东西向穿越青藏高原东南区域,总体地势西边较高,东边较低,其间山脉与湖水错综分布,峰岭与高山峡谷并列交汇。区域平均海拔约在 2800m 以上,峡谷间的相对高差相差较大,以 2000-3000m 为主,一些峡谷的最大相对高差可以达到 5000m 以上,包括藏东南高山峡谷和藏东高山峡谷两部分。天摩沟北部念青唐古拉山总体海拔较高,山峰海拔多在 5000m 以上,由于面对印度洋吹来的暖湿气流,导致该位置降水较多,又因高山带的冰雪作用,终年不化的冰川十分发育。
天摩沟流域内的沟道由于被云层和树荫遮挡,能接受的太阳辐射较少,在这些沟道内发育有小规模的槽谷冰川。主沟内的小型冰川从物源区与沟道的分界点的位置开始逐渐产生,其上部被大量的冰碛物所覆盖,底部在冰川与降雨的共同作用下因其消融作用产生了孔洞,形成了冰川拱,除此之外,在流域内其他支沟的沟道内也残存着一些小规模冰川。沟道两侧随处可见被泥石流冲刷之后残存的近 10m-20m 高的坡积物,其稳定性差,极易在降雨等外界因素的影响下发生滑坡引发二次泥石流滑坡灾害。
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2.2  自然地质概况
2.2.1  区域地质构造
研究区位于青藏高原东南部,其大地构造单元的划分和区域构造地质特征是当地板块构造演化的结果。青藏高原地域独特,构造特点鲜明,自其在晚新生代以来,不断的板块演化、强烈隆起升降加之地震,大陆移动等多方因素的共同作用下,对周边地区的气候和环境也存在着不可小觑的影响,多年以来,对于青藏高原地理的研究一直是科学界研究热点之一。青藏高原通常是指南起喜马拉雅山,西抵帕米尔-西昆仑山-阿尔金山,北接祁连山,东邻六盘山-龙门山以及安宁河-小江一带所围限的区域。青藏高原内鲜河水断裂、金沙江断裂等几条重要的构造活动带将其分为 4 个主要构造块体:喜马拉雅块体、西藏块体、甘青块体和川滇块体。雅鲁藏布江带是喜马拉雅块体与川藏块体的分界线;拉竹笼-可可西里-金沙江带是西藏块体与甘青块体的分界线;金沙江-红河带为川滇块体的边界,鲜水河断裂-安宁河断裂-小江断裂构成川滇块体的东北边界[54]。而天摩沟所处的区域为雅鲁藏布江的重要支流帕隆藏布江的穿越之地,处于喜马拉雅块体的范围内。
在经过科学界几十年的探寻之后,尽管对于青藏高原的形成和演化方式仍存在着许多问题,但是普遍认为其形成的前提条件是印度板块与亚欧板块的碰撞。碰撞的持续作用成为了青藏高原及其周围地带一直活跃的原因[55][56]。青藏高原大地构造格架见图 2-4。
图 2-4 青藏高原大地构造格架
图 2-4 青藏高原大地构造格架
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第三章 天摩沟航测三维模型建立及典型剖面的截取...................... 17
3.1 天摩沟无人机数据采集及模型建立 ............................. 17
3.1.1 无人机影像获取........................................ 17
3.1.2 数据预处理............................................ 18 
第四章 边坡稳定性分析方法............................ 26
4.1 边坡稳安全系数的选择 ............................... 26
4.1.1 安全系数与稳定系数的区别.............................. 26
4.1.2 安全系数的选择........................................ 27
第五章 天摩沟典型剖面边坡稳定性分析................................ 35
5.1 天摩沟土样采集及力学参数的确定 ............................. 35
5.1.1 现场调查及取样........................................ 35
5.1.2 土的颗粒筛分实验...................................... 38

第六章  天摩沟滑坡监测系统及数据对比分析

6.1  天摩沟监测系统介绍
6.1.1  监测系统设计概况
依托西藏大学重点学科建设项目,工学院防灾减灾实验室建设了“天摩沟滑坡监测系统”。项目对研究区域表面位移、视频、降雨量等内容进行 24 小时在线监测。项目每个监测点都是各自独立的,通过 4G/SMS/北斗卫星等通信手段从监测站到监测中心及监测数据及监测数据汇集平台进行双向传输数据。通过网络认证可以在网站登录监测平台,完成设备远程操控,实现对整个研究区域的全覆盖。
6.1.2  系统设计
综合滑坡位移监测系统的监测断面位于最高断面,地基工程地质变化较大的地段及运行有异常的反应处。根据研究区的现场调查情况,测点间距 10m 左右,共计四个位移 GNSS 位移监测点。其中包括表面位移监测,深入地表 0.5m 以下,在保证坚固可靠的基础上保证监测精确性;在研究区开阔处采用雨量计等设备随时掌握研究区域降雨量等信息,配合发布预警信息;采用土壤容积水容量传感器监测土壤含水率,在研究边坡上共设置了 4 个含水率监测设备;天摩沟大气温度监测采用温度传感器,随时掌握研究区域温度变化,配合发布预警信息。
在线监测系统由数据自动采集、传输、存储/备份、处理分析及综合预警这几个方面组成,在各种气候条件下都可以实现实时监测的能力。电源方面,采用专用电源供电,研究区域的电力设备供应不足,不足以完成整个数据传输工作,故选择风光互补的电力供应设备。
6.1.3  设备具体安装布置
天摩沟共有 3 套视频监控点,其中包括一套可视距离 1500m 的激光夜视仪和两套 4G 球机视频监控、5 套 GNSS 位移监测站、1 套大气温度监测站和 1 套雨量监测站。鉴于 GNSS 位移基准站、视频监测和雨量监测站的监测范围广阔的特殊性,将 3 个监测设备放置在 G318 国道另一侧由武警驻守的瞭望塔附近,视频设备用于宏观监控近瞭望塔处天摩沟的整体动态发展。雨量一体化监测站则安装于天摩沟近岸处。
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第七章  结论与展望

7.1  结论
本文以天摩沟内部一处不稳定边坡为研究对象,基于现场地质调查、地勘资料、无人机飞行数据、边坡三维模型、典型剖面、土样试验等数据对边坡进行综合稳定性分析,分析了每个剖面在不同稳定性计算方法下的稳定系数,最后与GNSS 滑坡位移监测数据对比分析,主要研究成果如下:
(1)通过研究区域实地考察和土壤采样,对天摩沟整体区域的灾害问题有了一定的了解,发现在泥石流、滑坡等灾害的多次影响下,结合当地的自然条件,滑坡仍是当地值得重点监测的问题之一。通过两次野外土壤采样,运用筛分实验得到了天摩沟土类型含量,得到了土力学基本参数。
(2)基于无人机航测影像技术,通过 MetaShape、Pix4D 和 Smart3D 等软件,生成研究区域边坡的三维模型、数字地表模型,最终选取效果最好的MetaShape 软件生成的模型作为最终结果。
(3)利用 AutoC AD、GlobalMapper 等软件对 MetaShape 生成的数字地表模型、数字高程模型、等高线模型等数据资料进行处理,在进一步精确研究边坡位置的同时,建立完整的研究区域网格模型和等高线模型,基于现场考察情况在AutoCAD 中运用截剖面软件实现对边坡三维模型的分区和典型剖面的截取,然后在 AutoC AD 中生成最终的典型剖面图,在稳定性计算之前建立较完整的边坡数据模型。
(4)运用三种不同的极限平衡方法对典型剖面进行分析,每个剖面所对应的三种不同结果之间相差不大,总差距保持在 6%以内。根据计算结果和实地考察情况来看,发现在靠近泥石流堆积扇一侧和物源区一侧,边坡上植被覆盖率和稳定系数较高,其中靠近物源区的冲洪积物坡体的稳定性最好,而中间位置植被覆盖率和稳定系数较小的位置上在降雨等外界因素的影响下有可能首先发生失稳现象进而带动边坡整体发生大规模滑坡。
参考文献(略)

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