基于arcview的邊坡風險評估系統(tǒng)的建立與應用

基于arcview的邊坡風險評估系統(tǒng)的建立與應用

風險普遍適用于土木工程和巖石工程領域，尤其是邊灘。針對某個具體的邊坡,為了提早防范,減少災害發(fā)生的可能性,降低災害損失,有必要建立一套可靠的風險評估系統(tǒng),為決策部門的防災減災決策提供信息共享技術支持和科學依據,加強邊坡災害的風險管理。1基于arcwell算法的滑坡災害風險評估方法近幾年來,地理信息系統(tǒng)(GIS),以其強大的空間數據處理能力,在邊坡災害風險評估中的使用越來越多,被很多研究者所采用。就目前市場上GIS軟件而言,ArcView軟件具有簡捷的特點,能夠完成滑坡災害風險的空間分析任務,為此,可以在ArcView基礎上進行工程邊坡災害風險評估系統(tǒng)的開發(fā),但滑坡災害評估系統(tǒng)(LandslideHazardsAssessmentSystem簡稱LHAS)是一個專業(yè)性很強的系統(tǒng),僅利用GIS(ArcView)本身的功能不能完成風險評估工作,必須針對具體的問題對GIS進行二次開發(fā)。2顯示模塊四個模塊組成LHAS主要由數據庫模塊、編輯模塊、分析模塊和查詢顯示模塊四個模塊組成,如圖1所示。其中數據庫模塊最為基礎,通過編輯模塊和分析模塊完成數據分析處理工作,最后通過查詢和顯示功能完成對分析成果的查詢與輸出。2.1地質工程地質模型的建立綜合國內外研究現狀,在邊坡風險研究中,很多研究人員建立的力學模型,僅局限于無限斜面的邊坡模型,為了更完全反映邊坡的現狀,有必要建立三維地質模型。工程鉆探法是獲取地下三維空間信息的主要方法,但僅采用鉆孔數據構建三維地質模型,是無法取得令人滿意的效果。為了構建相對精確,能夠滿足工程要求的邊坡地質模型,必須利用工程地質剖面圖,即以鉆孔數據和工程地質剖面圖為最基本的數據資料,建立數據庫。采用插值算法來推斷三維地層模型未測區(qū)域的屬性,建立三維地質模型。其主要步驟如下:1)在地質剖面圖上標識出地表、地下水位、滑移面、中風化界面的坡度變化的點;2)對這些基準點按照一定的順序進行編號,并從地質圖上讀取地表、地下水位、滑移面、中風化界面的高程坐標信息和平面坐標信息,編輯保存在數據庫中;3)在ArcView中建立基準點的表數據(*.dbf);4)根據表數據文件(*.dbf)建立點模型;5)對點模型進行編輯與修改,由點模型建立TIN(不規(guī)則三角網)模型,亦可在此基礎上通過插值建立柵格模型。2.2數據庫模塊設計為了得到更準確的數據庫模型,有必要對數據庫進行編輯,更新數據。系統(tǒng)通過GIS二次開發(fā),可以實現如下功能:地質模型中各圖層的增、刪、改,各個圖層中點、線、面元素的增、刪、改,以及模型屬性數據的編輯。該模塊與數據庫模塊結合使用,建立完善的三維地質模型。屬性數據文件類型一般是.dbf,如何將已有數據轉化成.dbf類型數據是一個值得討論的問題。建議采用批量錄入的方式,這種方式效率比較高,具體方法是將.dbf文件用Excel工作表進行整體編輯。這就避免了在.dbf文件中單個手工編輯的煩瑣。2.3分析模塊邊坡風險評估的一般步驟是:風險識別(風險辨識)、風險估計、風險評價,最后風險處理,這四個方面也是風險評估的主要內容(圖2)。1巖土體及為地質體結構面模型影響邊坡失穩(wěn)的主要因素包括:(1)邊坡的地表模型;(2)軟弱結構面(滑面)的位置及傾角;(3)巖土體的物理力學性質;(4)暴雨。一旦邊坡失穩(wěn),邊坡附近的人員、房屋建筑、土地、河流、道路、通信等等都將受到嚴重的危害。2維導數計算公式對于邊坡失效概率的計算,在系統(tǒng)穩(wěn)定性計算結果的基礎上,采用蒙特卡羅法,運用ArcView內部程序語言Avenue編程,分析計算出邊坡的失效概率。邊坡穩(wěn)定性計算的力學模型采用修正的Hovland三維模型,同時考慮地表荷載P、地震作用力kW以及孔隙水壓力U,并轉化為基于GIS柵格數據的計算式:式中:SF3D為滑體三維安全系數,W為柵格柱體的重量,A為滑面面積,c為滑面有效凝聚力;φ為滑面有效內摩擦角;θ為柱體單元的滑動面傾角;θAvr為柱體單元的滑動面主傾斜方向視傾角;Asp為滑面傾向;AvrAsp為滑面傾向平均值;i,j為滑體范圍的柵格編號;U為柱體單元的滑動面上的孔隙水壓力;P為柱體單元上的垂直荷載(地表荷載);k為地震水平加速度系數。失效概率的計算是假設抗滑力和下滑力服從某一分布,具體的數學算法如下:對于任意分布變量,設已知其累積概率分布函數為,其隨機數可以由下式得到:式中,ui為(0,1)區(qū)間的均勻隨機數。極值I型變量的分布為式中,α,k都是常量,其數值與X的均值mX和標準差σX有關。設已產生隨機數ui,則由上式可得:從中可得:有,代入上式得:損失期望值由邊坡失效的影響對象、失效概率和易損性三者共同確定。其中,易損性分析主要是針對生命風險和價值損失問題的研究,用0到1之間的數值表示。具體來說,0表示沒有傷亡(人)或破壞(物),1表示死亡(人)或完全破壞(物),該值一般通過專家調查法(Brainstorming法、德爾菲法)確定。3頻率-死亡人數與累計頻率-死亡人數目前,邊坡失事的判斷準則處于研究階段,還沒有統(tǒng)一的標準。Christian(2004)討論了使用頻率-死亡人數(f-N)或是累計頻率-死亡人數標準(F-N)的相關問題。在澳大利亞、香港以及英國,這些標準已用在災害性行業(yè)領域,也少量應用于水壩和滑坡領域,作者建議采用該標準(圖6)。根據風險估計結果對應該標準,評價出風險等級。4風險處理根據風險評價結果得出風險等級,確定是否采取工程措施,或者采取其它措施(如回避風險)。2.4數據分析功能查詢顯示模塊是一個完備的系統(tǒng)必不可少的部分。通過該功能,可以查詢、顯示各種屬性數據,各種計算分析結果以及地質模型,亦可以完成對各種圖的排版和打印等任務。3系統(tǒng)工程應用3.1滑坡面土物質重慶某路塹邊坡,由地勘資料建立邊坡的三維地質模型,邊坡的三維地質模型,其平面形態(tài)呈上窄下寬的長條狀,縱長115m,前緣橫寬95m,后緣橫寬19m,標高945～1005m,分布面積4.9×103m2,滑面最大埋深15m,滑體積為4.0×104m3,未進行任何加固處理。邊坡前緣剪出口受開挖的路塹邊坡臨空面控制。本次計算分為晴天、暴雨兩種工況。同時,由于滑體土物質較復雜,滑坡體內地下水不能形成統(tǒng)一水面,或均未與滑面水連通,未考慮水的浮托力和動水壓力。坡體上沒有地表堆載?？辈靺^(qū)地震基本烈度為VI度,未考慮地震因素影響。邊坡柵格單元劃分為0.2m×0.2m,共117650個,由系統(tǒng)建立的邊坡地質模型如圖3。3.2風險評估3.2.1kpa,i天然根據系統(tǒng)人機對話提示,依次輸入ci(天然:21.46kPa;飽和19.69kPa,)、φi(天然:9.9°;飽和:9.29°)值、滑體重度γ(天然:20.9kN/m3;飽和:21.6kN/m3)以及邊坡的主滑方向AvrAsp=284o,程序自動計算出三維邊坡中單元的抗滑力、下滑力,結果見表1。3.2.2暴雨飽和工況在計算出下滑力和抗滑力后,由系統(tǒng)的統(tǒng)計功能分析出各自均值E和標準差σ(以暴雨飽和工況為例,柵格下滑力均值為53.11kPa,標準差為28.24kPa;抗滑力的均值為42.37kPa,標準差為12.16kPa),用蒙特卡羅法計算出邊坡的失效概率Pf=0.6501(圖4)。3.3風險評估3.3.1經濟效益若邊坡失穩(wěn),其影響范圍內的房屋建筑、道路以及土地都會受到某種程度的破壞,取易損性值0.65。經濟損失為:價值×易損性×失效概率。計算過程如下:受影響的房屋總價值為129.244萬元(房屋價值屬性表見圖5);道路設施93.3m,每km造價500萬,總價值46.65萬元;土地利用面積為4800m2,基礎地價200元/m2,根據收益價格平均150元/m2,總價值168萬;計算得經濟損失145.348萬元,對應表2屬于4級危害。3.3.2房屋內人員的時空概率ps:t(1)參考香港土木工程與發(fā)展部和地質技術工程辦公室的S.Lacasse等人的經驗,據滑移距離角度及滑坡的幾何形狀,估計滑坡到達受險對象(房屋及其所有人)的概率PT:L=0.3;(2)人員的時空概率(P(S:T)),據調查,房屋中居住有36個人,平均其中每人每天在房屋中呆9h,P(S:T)=9/24=0.375是在假定沒有警告的情況下;(3)易損性(V(D:T))根據滑坡的體積,以及它撞擊房屋時的可能速度,估計滑坡體撞擊后房屋內人員死亡的易損性為0.4。生命風險為:也就是說,若不采取對策,將來可能36×0.029=1.044個人可能喪命,與圖6比較可知,這種情況處在不可接收區(qū)。結合經濟風險和生命風險的分析結果,有必要對該邊坡采取工程措施,