撫順西露天礦南幫滑坡體空間模型構建及應用

林亞斌,王春范,于 浩,孫逢祥

(遼寧省第十地質大隊有限責任公司,遼寧 撫順 113004)

0 引言

滑坡體的空間分布形態,是滑坡災害性質認識及治理對策的重要依據。在滑坡體的研究中,通常以二維地形圖或簡單的三維模型等形式進行描述,不僅工作量大、不夠精確,而且不易于觀察、分析和應用,很難把握滑坡體的空間分布狀況和復雜的地形形態,給滑坡體的理論研究帶來諸多不便。為此,以滑坡災害勘察所得到的定性結論為依據[1-8],以礦區不同時期的地質勘查資料、遙感數據、數字線劃圖( DLG)數據及GNSS監測數據等為數據源,利用GIS-3D技術,構建了滑坡體的數字空間模型,獲取滑坡體面積、體積、空間分布及滑面空間分布形態,以及滑坡要素發展、運移等動態信息,在滑坡災害勘察、分析研究治理等實際工作中得到應用,取得了較好的技術成效。

1 項目概況

撫順西露天礦開采于1901年,1914年轉為露天開采,主要產品為煤炭和油母頁巖,現已形成一個東西長6.1 km,南北寬1.9 km,最大邊坡比高550 m,開采坑口面積10.87 km2,挖掘體積14.7億m3的亞洲最大露天礦坑。礦山的大規模開采,在創造了大量財富的同時,也帶來了一系列礦山環境問題,且伴隨著開采時間的延長,礦山地質環境災害發生的頻次不斷加大,災害程度日漸嚴重[1]。各界學者對西露天礦的滑坡穩定性[2-3]、滑坡監測[4-5]等進行了大量的研究。

西露天礦南幫滑坡,最初發現于2010年的汛期巡查,其初始表征為局部地表裂縫,后期不斷發展,到2012年其滑坡災害的征候已經凸顯,滑坡速率于2014年8～9月達到高峰?；麦w東西長3.1 km,南北寬1.5 km,面積3.4 km2,為舉世罕見的巨型滑坡(我國現行滑坡分類標準[6]中≥1億m3為巨型滑坡),受到國家及省、市各級政府的高度重視。

2 技術路線

以滑坡災害勘察所得出的滑面空間分布定性結論為依據;利用礦區地質勘查資料為數據源,提取滑面三維空間坐標信息,進而利用GIS技術,構建滑面數字高程模型(DEM);利用近期數字正射影像數據,經內業解譯和野外實地調查,確定滑坡體的邊界,結合礦坑數字地面模型(DTM),提取滑坡邊界線上特征點的三維空間信息,用以構建滑坡體三維模型;分別利用滑坡災害發生前、后的地面高程信息,構建滑坡區不同時期的數字地面模型;利用GIS-3D技術,將滑坡前、后DTM與滑面DEM進行三維空間環境下的不同目標地理空間運算,得到滑坡體三維空間分布與運移的相關信息(見圖1)。

圖1 技術路線圖Fig.1 Technology roadmap

3 滑坡體3D模型構建

3.1 滑坡災害定性結論

1)通過鉆探、深部巖移監測、地下水監測等勘查、分析及研究等工作,對西露天礦南幫滑坡災害的空間分布特征提出了以下定性結論[9]：

根據地面巡查中各部位變形特點、各階段勘查的工作成果,結合變形監測中水平位移、垂直沉降的差異性,對滑坡的空間變形進行分區。東西橫向上,基本以滑坡體后緣鍋爐房—千臺賓館東傾斷層及F5-2南延部分西傾斷層作為分界線,將滑坡劃分為西部區、中部區及東部區等3個分區;南北縱向上,基本以區內東西向展開的F2斷層為界,斷層南側為垂直沉降區,斷層以北為地面隆起抬升區。

滑坡區的西部區存在一條主滑帶,滑帶為煤線及玄武巖夾雜凝灰巖中的軟弱泥化層;中部存在兩層滑帶,上部滑帶為玄武巖層中的軟弱泥化層及煤線部位,下部滑帶為古風化殼;東部區主要存在兩層滑帶,上層滑帶多為玄武巖夾煤線,下部滑帶多為破碎帶[10]。

2)通過野外現場實際調查,劃定了滑坡體的邊界線。

3.2 滑面DEM構建

3.2.1 滑面三維信息獲取

滑面是指滑坡滑動和堆積過程中的底界面,包括滑動剪出過程中形成的滑動面和超覆堆積過程中形成的滑動面。依據滑坡災害勘察結論,獲取滑坡體底層滑面的三維信息,構建滑坡體底層滑面(滑帶)的數字高程模型,本文僅討論滑動剪出過程中形成的滑動面。

1)地質剖面

收集到1957年完成的撫順煤田西部井田地質勘查項目資料,包括勘查報告、地質平面圖、地質剖面圖及鉆孔柱狀圖等,資料較為系統完整,利用分布在滑坡區內的地質勘查剖面線資料;另外采用2013年滑坡災害勘察所布置的4條地質剖面線資料,分布情況如圖2所示。

圖2 滑坡區地質剖面分布圖Fig.2 Geological profile distribution map of landslide area

先將不同時期地質剖面的空間坐標系統加以統一,依據滑面定性結論,在剖面圖上確定滑面所在位置,通過圖形數字化,以及由剖面空間參考到地理坐標系統之間的轉換,獲得滑面上特征點的(x,y,H)三維空間坐標。

2)數字線劃圖

滑坡區有多期大比例尺數字線劃圖,為滑坡體地表三維信息提取創造了條件。利用2010年7月測繪的1∶2 000數字線劃圖,提取到滑坡前的滑坡區地面三維數據;利用2017年測繪的1∶500數字線劃圖提取到滑坡后的地面三維數據。

3.2.2 滑面DEM生成

將獲取的具有3D信息的點要素作為數據源,利用ArcGIS軟件系統的3D Analyst擴展功能模塊,依據滑面上具有3D信息的點要素,生成TIN格式的滑面不規則三角網數據,經合理化編輯處理后,生成滑面Grid格式柵格數據。

3.2.3 滑坡前后數字地面模型構建

利用2010年DLG高程信息,生成滑坡前西露天礦采坑數字地面模型;利用2017年DLG高程信息,生成滑坡后西露天礦采坑數字地面模型。圖3為2017年數字地面模型圖。

圖3 滑坡區2017年DEM三維視圖Fig.3 DEM of landslide area in 2017

4 應用示例

4.1 滑坡體3D模型構建

在ArcGIS軟件系統的3D Analyst功能模塊環境下,滑坡體頂部采用2010年地面DEM模型,底部采用滑面DEM模型,滑坡體范圍以滑坡體地面邊界線為約束線,經地理空間疊置分析操作,得到滑坡體初期3D模型(見圖4)。利用滑坡體三維模型計算了滑坡體的地表投影面積和體積,其中面積為3.4 km2,體積為4億m3。

圖4 滑坡體3D模型Fig.4 3D model of landslide

4.2 滑坡體滑移形態分析

撫順西露天礦南幫滑坡災害始于2012年。2010年度滑坡區數字地面模型(DEM2010)記錄了滑坡發生前的地面形態。2017年度滑坡區數字地面模型(DEM2017)則反映了滑坡災害發生后的地面形態。將滑坡前、后兩期DEM進行空間運算,則可提取到滑坡體的地面運移形態。

4.2.1 滑坡體地面升降分區

滑坡體地表的抬升或下降,是滑坡體沿滑面(帶)滑移的外在表象,它一方面反映了滑坡面的空間分布形態,另一方面反映了滑坡體的應力應變場空間分布狀態[11]。

以DEM2010為初始背景,以DEM2017為對照數據,利用GIS空間分析中的柵格表面分析工具,提取出西露天礦南幫滑坡體的升降分區信息[12],見圖5。

圖5 滑坡體升降分區圖Fig.5 Elevating area map of landslide mass

4.2.2 滑坡體后緣洼地分析

在滑坡體后緣附近,由于滑坡體的分級錯落滑移,形成了封閉的后緣洼地,加之礦山運輸鐵路路基的修建,與滑坡洼地后緣合圍形成封閉的集雨區,地表大氣降水在此匯集區得以集聚和運移,相當部分將滲流進入滑坡帶,進而會加劇滑坡體的滑移,給滑坡治理帶來負面效應。

以DEM2017為數據源,利用GIS空間分析中的水文分析工具,提取到滑坡體后緣洼地的集雨區邊界,面積為1.074 km2。

4.2.3 滑坡體前緣回填壓腳分析

西露天礦南幫滑坡災害的治理措施之一是滑坡前緣回填壓腳。即在滑坡體的前緣回填礦山開采礦渣,以起到阻止滑體前移的作用。本項目通過不同時期遙感影像判讀,經實地調查確定了壓腳區范圍區,以DEM2010和DEM2017為數據源,利用GIS空間分析中的柵格表面分析工具,對壓腳區進行了分析。得到以下結果：壓腳區面積為0.475 km2,自2010年7月至2017年4月,壓腳區的土方變化量為：填方量2 368.8萬m3,挖方量118.7萬m3;其中,與滑坡區相重疊區域的面積為0.30 km2,重疊區填方量1 945.70萬m3。

在壓腳土方量當中,一部分為回填土方量,還有一部分為滑坡體的膨脹、推移土方量,此外還包含了北幫滑坡堆積土方,挖方區是由采礦挖掘所致。

5 結束語

本文應用GIS技術構建了滑坡區及滑坡體3D模型,計算出滑坡區面積和滑坡體體積;對滑坡災害發生前后的的地表變化形態進行了地理空間分析,提取了滑坡體后緣洼地、地面升降區分布,以及前緣壓腳處理的土方堆積信息。同時,本文成果在西露天礦南幫滑坡災害的勘查、分析、治理工程,以及滑坡力學分析等研究領域得到應用,取得了較好的技術成效。