滑坡和工程边坡

滑坡和工程边坡-陈等人。（编辑）©2008泰勒弗朗西斯出版集团，伦敦，国际标准书号978-0-415-41196-7在陡倾岩体失稳前监测和模拟边坡运动N.J.Rosser和D.N.Petley国际滑坡中心，研究所危害和风险的研究，杜伦大学，英国摘要：在本文中，为了评估的斜坡动态失稳的条件，我们研究对大型陡倾岩体使用地面激光扫描得到监测数据。评估结合采用了地面数据和大气的测绘和图像，探讨了在何种程度上可以识别的小规模的前体斜坡失稳，并最终用于失稳的预测。这种程度上的表现动态斜坡的数据预测从任何方面上来看都是至关重要的。在这里，我们目前已收集了4年中每个月35,000立方米近垂直岩壁的数据。这种高分辨率数据是用来识别特征的时空格局落石活动期间特别是在优先的大斜坡失败。迄今为止，在超过60,000离散型事件记录了从0.00001立方米到2500立方米的变动。该模式中的数据显示了相似的随着时间的推移而模型失稳的机制，从而得知失稳有可能与时间和空间都有关。这种解释只是适当的，且是在调查中，而非传统的处理方式。分析来自激光扫描的数据表明，给予足够的测量精度，前兆现象是可以确定和监督，但相对于视角的观察和比较，载体的变形是至关重要的。在这种情况下预先失稳变形表现为岩崩活动的预先失稳，此外还有在失稳的岩壁上直接测量得到的积累的应变场。监测数据意味着发生在岩瀑期间的时变序列导致了最大的失稳记录，水平位移监测或实验室模拟中的预先失稳的运动记录往往反映了夸张的增长。这意味着，这一数据相结合的模式，失效机理允许用失稳的时间从广大的监测前兆行为来预测。这最终意味着少数仪器可以用来监测大范围的岩面，提供了空间和时间数据。这些做法，包括时间变模型的前兆活动，使对潜在不稳定斜坡的管理，对斜坡失稳的机制和潜在因子的理解融合到一个新的适用于自然灾害和人为的情况的斜坡失稳预警系统。1引言详细的边坡监测和观察表明变形加速和破坏是导致边坡预先失稳发生的一个明确的模式（罗瑟出版社）。这被认为是通过大规模失稳的斜坡面传播到地下的剪切变形。仍不太清楚的是这一性质的传播，表面运动反映地下运动的程度，因此而产生的进程，以及监测获得的性质。一系列的挑战出现了。首先，前兆变形规模小是相对于整体几何的边坡;预先失稳的临界应变水平往往是小于失稳长度的10％;因此监测精度和时间分辨率至关重要。第二，矢量位移往往是正确的观察方向，因此解决运动是富有挑战性的;类似的，这是试图用测量水平面的变化来评估河水流量。第三，坡面往往经验局部变形如屈曲或推翻，形成如局部拉伸的主要形式，而不是反映整体的斜面变形。图1探索这3种理想化情况下，在简化二维长期简介部分，呈现出平移失败，轮换衰退和崩塌。基于矢量的监测技术观测到一个表面变形的性质，例如作为一个经纬仪或伸长仪是的小型和高度，就说明了这一点描写积累（+）和侵蚀（-）的表面由横坐标（X轴）和纵指标（Y轴）的视角图1。这个例子说明，在一些情况下，大多数的坡（表面）可移动，但其规模和程度的变化对于表面来说是微小的。这是一个富有挑战性的边坡监测。尽管存在复杂性，一些有案可稽的实例表明，表面位移可监测，通过推断加速度的趋势，失稳的次数可以准确预测（Saito&和Uezawa,1961Crosta和Agliardi2003,Petley等.2004）。有趣的是，有一个同样甚至更重要的一些例子，如预测的方法失败。收集和解释运动数据的程度，影响图1所示，但在现实中和在3维里影响这部分的成功是至关重要的。克服复杂性监测表面应变场的失稳斜坡的方法是评估二次衍生物的失稳。这可能包括微型地震或裂缝的声学监测，边坡地下水的变化，或表面岩体，如岩瀑，张裂或结构变形。通常这些可以通过数量有限的文书查找出测量点了解整个边坡的动态。这里的问题在于在潜在的复杂关系之间发生的活动和前兆失稳的边坡演化。迅速加速反馈可能导致迅速增加活动规模（时间和空间）细比的决议监测，这是一种困扰。理解失稳的最后阶段对于准确预测是决定性的。在这种情况下出现的问题是它是否更容易监测这种失稳斜坡的二次衍生物，然后它们是如何反映整个斜坡失稳发展的。在这里，我们提出在90米垂直悬崖的一个失稳的岩质边坡的发展监测的结果。每个月利用激光扫描，在3D中数据已被获得。我们审查监测方面的数据预测的变化，如图1中，并尊重历史性的变化在网络来自历史性的映射。岩壁的活动在之前的几个月未给出一个对可以用来解释的表面变化过程的深入了解，并最终未能在失稳的未来时间方面提供一些预测的能力。为了评估边坡的复杂变化，我们讨论了使用三维监测的影响，并停止对未来研究的建议。图1。使理想化的倾斜率失效的方式，从一根天线(x轴)和斜的(y轴)观看方向说明斜坡表面变形的投射。A-转化，B-旋转，和C-岩崩（Figure1.Idealizedmodesofslopefailure,illustratingtheprojectionofslopesurfacedeformationfromanaerial(xaxis)andoblique(y-axis)viewingdirection.A–translation,）B–rotation,andC–rockfall2方法2.1场地点和描述在英国沿海的北约克郡摩尔国家公园，这项研究已在惠特比的东峭壁的侏罗系岩壁进行。岩壁是由近水平层状侏罗纪石灰石，页岩，泥岩组成，被一序列砂岩和第四纪冰川碛所覆盖。在这里岩壁部分接近垂直剖面，高度约75米，主体方向偏北。大型潮汐（6-7米）造成在退潮时延伸达500米的广泛波降平台，。通过一个落石和流动的进程年度岩壁衰退率已设在0.1到0.001myr−1（林等人。2005年）。由于在岩壁顶端的具有历史性WhitbyAbbey的位置，这部分海岸被很好的记载和绘制，提供了19世纪末所采取岩壁线位置的详细档案。2.2历史性岩壁失稳——长期宏观观点传统上，从地图和航空图像里岩壁顶端的规模测量得到沿海岩壁的位置。这也提供了一个对岩壁面发生大规模失稳的规模和频率的位置的深入了解。最后，许多失稳小于该测绘的分辨率和偏差，因此没有记录。那种失稳的模式（图2）确实提供了一个有趣的对随着时间变化大规模失稳的两岸岩壁迁移的深入了解。地图显示，岩壁面是动态的，失稳位移从西向东跨越岩壁面，通过绘制，整个岩壁顶端没有稳定的位置。显然，岩壁顶部失稳的晚期发生的大量增长这一改变似乎是偶然的（2000年起）。例如从图1中可知，这些平面观察地图只描述已经失稳的部分或正在失稳的规模。例如，2000年后活动的增加可能是由岩壁斜坡的逐步倾斜造成的。岩壁面的表现形式，以及导致已绘的岩壁顶端的损失的面所发生的事是从历史数据中不能获得的。为了探讨这一点，尽管时间短，但我们已经采用了地面三维激光扫描仪对岩壁面进行每月定期测勘。图2。从有历史意义的地图和空气照片用文件说明的倾斜率失效(灰色)。悬崖脚趾在每张地图里被证明这条北方的大多数线。每张地图显示250米悬崖线。（Figure2.Slopefailures(grey)documentedfromhistoricmapsandairphotos.Theclifftoeisshownasthenortherlymostlineineachmap.Eachmapshows250mofcliffline.）。2.3三维激光扫描——短期地面观点自2003年9月起，岩壁部分（测量350的长度和75米高，裸露岩壁面积超过35000平方米）已经做了为期30个月的每月定期再勘察。地面激光扫描仪（MDL公司LaserAce600和TrimbleGS00）被用来从一个固定的关于前平台的位置收集表面平均点间距为0.05米的高分辨率点云。罗瑟等（2005年）和林某等人（2005年）完整地描述了数据收集方法。例如中对点云数据集的描述。连续点云是地理参考和使用'迭代最近点对齐算法'（ICP）的探查，其中取得有效值分开扫描﹤0.02米;这里的偏差是与岩壁之间的扫描的不同的扫描点上的位置有关联的，而不是重置调查产生的偏差。依赖三角算法建立，从扫描仪的观看方向构建表面。网格到网格或Hausdorff距离被计算出来，然后投影到垂直平行平面上去描述在岩壁面占主导地位的平行平面。这些评价被光栅化到一个0.1米网格，从而创造出岩壁面的差分平面图像，或地面的平面图像，通过激光扫描仪得到岩石卷落提取的阈值滤波和一个面向对象的分类在测量精度之内，而在这种情况下大约是0.05米。在任何特定的网格单元中的差异图像之间确定每个监测访问使用这种方法改变被认为是一个单一事件，而不是两个或两个以上堆叠后对方。这一进程中进行在Demon3D和RSI环境。试验证明在3D中使用种方法改变的﹥0.00001立方米的岩石表面可以记录和测量。图3。转化单个的激光产生的未加工的3D点云的图像扫描。这幅图像显示数据被在2007年9月收集。最高的图像显示悬崖表面的大约200米，以及在30米宽的部分里缩放。(Figure3.Renderedimageoftheraw3Dpointcloudgeneratedbythesinglelaserscan.ThisimageshowsthedatacollectedinSeptemberof2007.Thetopimageshowapproximately200mofthecliffface,andazoomedinsectionof30minwidth).3结果3.1每月监测结果监测期间的失稳显示出了一个有趣的行为模式（图4）。在这里，我们提出了经历变化的简化阶段，说明只有那些失稳的岩壁面比正常的岩壁面的深度大0.25米。落石是代表程度相当于在岩壁面上的落石痕迹的多边形。每月获得的一系列数据显示了伴随着落石出现的第一组岩壁面的具体位置，其次似乎表明不稳定区域的位移从岩壁部分的西面（右）到东（左）。数据表明，在几个月内最大的失稳（在7月）落石活动有一个明显增加。这一增长主要是观察最后失稳的岩壁面的位置，暗示着着加速度是一种形式的前兆信号。增长反映在失稳的总数，单个和总体的每月积累量。失稳前兆似乎也主要集中于边缘的最终失稳，主要是在失稳的底步。从面的形态不能获得的是在某种程度上这些没有对底部改动一个发展中的代表的物质损失，或仅仅是一个垂直位移量的失稳。至区分这两个进程，有必要结合激光数据与摄影测量，或追踪功能，除了计算表面形态的绝对变化，还可以识别的位移表面特征的区别。这可能反映了图1A中提出的意见，即尽管整个边坡可接受某种形式的位移监测，但只能确定差别地表移动。在之前的几个月失稳和最终崩溃之间的活动联系进一步证明了静止岩石在后几个月中失稳，提出了一段相对平静时期（8个月）。以评估变化的监测结果作为功能的数据预测，这在图1的显示是至关重要的，在这里，我们新项目的三维激光扫描数据从一个斜面的角度上到平行于岩壁面的平面（图5B），其次，同地面平行的表面类似地图视图（图5A），从2003年9月至2007年9月。有几个显著意见出现。首先，相对的活动记录的岩壁，有最低限度的改建的岩壁顶端本身。因此这些运动和变化就不会被使用传统的绘制方法发现。其次，作为在悬崖边的方法在某些情况下垂直许多变化是闭塞，或阴影，从空气传播的观点。实际上，在岩壁上一些地方掩盖了坡面。那个总面积经历着变化，虽然相当于载体程度是相同的，但显著减少空气中传播的斜视角。这意味着，变形边坡运动的数据的分析预测和解释拥有的重大影响了解。图4。显示来自岩壁面的岩崩的伤痕几何的岩壁面。黑灰色说明高于更浅的灰色的以前的失败叠加的新失败。标签代表连续的8月，1比8。数据投射的影响。（Figure4.Obliqueviewoftheclifffaceshowingthescargeometryofrockfallsfromthecliffface.Thedarkergreyillustratesnewfailuressuperimposedabovethelightergreypreviousfailures.Labelsrepresent8successivemonths,1to8.Influenceofdataprojection）.图5。在模型从2003年9月到2007年9月，底部空中观看相同的数据集合之间的差别的最高斜投影。每张地图显示悬崖部分的大约100米。悬崖最高的位置被在点缀的(2003年9月)和固体(2007年9月)以前分别表明。在每各自的投射方面的变化，在两幅图像内的轮廓代表0.25米。(Figure5.Top—ObliqueprojectionofdifferencebetweenmodelsfromSeptember2003toSeptember2007,Bottom—Aerialviewofthesamedataset.Eachmapshowsapproximately100mofthecliffsection.Clifftoplocationsareindicatedbydotted(September,2003)andsolid(September,2007)respectively.Contoursinbothimagesrepresent0.25mofchangeineachrespectiveprojection.)3.2时间序列分析——影响投影其他地方审查的较大规模的边坡坍塌已被用于是否可作为指标预测未来的失稳的时间（罗瑟等出版社）。最终的程度可能是取决于质量的监测，特别是在依赖认为成果突出的时候，因此可以认为，绘图应该是一个对过程进行观察的功能。对在岩壁部分的来自地面的激光扫描的3个最大的失稳数据进行了分析。最后落石的岩壁面的这个地区的（界定的多边形如图4所示），每月单位面积的落石活动的标准率（m3m−2month−1）已经被计算出来的。在各种事件程度里允许无尺度比较;先前类似的数据已表明较大的事件对应较大的前展体（罗瑟等印刷中）。在整个监测期间整个调查岩壁的任何增加的活动的前体的定义高于平均变动率的计算。这个程序已进行的两个斜'面的'的观点（图6顶部）和空气传播的角度（图6底部），然后逆着绘制的方式，类似'齐藤线性'，分析（Petley等人。2004年）。与大型失稳相比在斜（相对正常）角度的岩壁前的变化数据大大改善的预计分析结果，如空气传播的表现。例如，在某种程度上的在该地区活动的岩石变化属于偏离了平均的背景条件的最后的失稳在更长时间和更大规模的在斜数据中是显而易见。在这种情况下的数据拟合的线性回归统计的的形式如图6，这意味着落石活动呈现双曲线性增加。一定程度的错误数据，因此容易任何偏差可以识别更大。由于任何偏离才能确定在一个较长时间内，例如，最大的2615立方米落石，从统计学的角度来看重要的倾斜失稳可在8个月之前分析得出，而从空气传播的角度来看这种格局只能确定在失稳的5个月之前的数据。此外，活动率从斜角度是略高于那些从空气传播。这个可能是由于闭塞的增加造成的，即全面深入的落石痕迹是没有代表性的，因此，利率获得较低。图6。岩崩活动的排序顶在最后的岩石的区域内在导致失败的数月内下降，为3次岩崩。从斜的透视数据获得，带有陆地的激光扫描器。底部数据从一个斜的透视获得，但是从一个空降的视角伸出。r2价值在在最后的失败之前月的规定的时期描述表明数据的最小平方相互关系回归的。(Figure6.Top—Sequencingofrockfallactivityintheareaoftheultimaterockfallinmonthsleadingtofailure,forthreerockfalls.Dataobtainedfromobliqueperspective,withterrestriallaserscanner.Bottom—Dataobtainedfromanobliqueperspective,butprojectedfromanair-borneperspective.r2valuesrepresentthesignificantofaleastsquarescorrelationregressionofthedatainthegivenperiodofmonthspriortothefinalfailure.)4讨论在岩面监测的小规模的变化的数据投影的分析是极其重要的，在这里探讨参考使用前体的失稳预测。结果表明4个重要的因素。首先，移动或变形数据是复杂的，超过纯粹的损失或收益的材料。许多滑坡体系已经失效，因此在一个位置损失的材料将导致别处的增益。其次，观察普遍开展了的方向是于占主导地位的运动矢量.在陡坡上，经历失稳的平移或旋转，导致歪曲通量的材料超过时间，最终造成对失稳进程的误解。第三，分析比较大气与斜投影的地面激光扫描数据表明，在微妙的情况下，只有在活动发生变化时，适当的数据收集和预测对深入了解失稳的进程是至关重要。最后，很显然来自绘图的岩壁顶端的历史分析，而且地面激光扫描数据的大气投影的最终导致大规模失稳的信息在详细的过程方面丢失了。这将对使用现成和以往任何时候都越来越多的高分辨率数据造成影响，同样错综复杂分析土地表面动力学;如果视角在收集点和投影不适当的，那这一进程可能无法完全理解。5结论在斜或正常岩壁方面地面数据预计提供一个高层次的详细岩面几何形状和变化。详细和精确的数据允许的情况下，确定小型地质活动优先于大边坡失稳的模式并用于预测。今后的研究仍然存在几个问题和领域。即使从地面观察部分观察岩石面仍然是闭塞的，特别是结局有相对高的复杂的表面。网格算法和经常需要的项目资数据料分析最终导致压缩三维空间被压缩到二维平面上，从而失去信息。此外，很明显，性质变形观测是复杂的，并作为建议这种分析应该超越单纯的审