【《运用GIS的某地区山体坡度和坡向综合分析案例》7400字（论文）】

运用GIS的某地区山体坡度和坡向综合分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u16568运用GIS的某地区山体坡度和坡向综合分析案例 1244791.1岩体结构特征 155871.1.1结构特征调查 2145061.1.2分析统计 4177271.2边坡破坏模式分析 7122621.3岩体结构物理力学参数确定 8122031.1.1单轴实验确定岩体力学参数 8241581.1.2结构面强度 10165561.4持平投影分析 1495361.5边坡自然稳定坡角计算 1743451.6小结 19边坡发生失稳破坏是非常复杂的一种灾害过程，因为结构面的不同组合和边坡的岩性各不相同，使得边坡的破坏模式各有不同，通常边坡发生失稳不是单一的一种破坏，而是由几种不同的破坏形式组合在一起的，典型的破坏模式有崩塌、流动、倾倒和滑动。而往往边坡的稳定情况和岩体的结构特征相关联，岩体发生破坏通常都是从结构面开始。岩体结构是由各不相同的结构面与结构体组合而成，根据岩体的种类、完整性等不同，可将岩体分为块状、层状、破裂结构等。因此，对岩体结构特征进行调查分析，对判断岩体稳定性有很大意义。1.1岩体结构特征（1）坡度影像（2）坡向影像图3-1研究区GIS空间分析图3-1显示五里墩隧道出口方圆70km的坡度、坡向情况。由图（1）可知，范围内坡体坡度在7°至88°之间，平均坡度为24.37°，标准差为16.3°。以皮条河分界，河右岸山谷坡体陡峭度高于左岸，研究洞口处的坡度为24°至57°。由图（2）可知，皮条河右岸山体走向由西北方向到东南方向，左岸山体走向由东北方向至西南方向，隧道洞口处的坡向为320°至360°。1.1.1结构特征调查对研究区出露岩体进行结构调查，调查各个研究点的节理产状、表面粗糙度、风化程度。主要研究点如图所示：图3-2研究点位置分布图研究点1位于隧道洞口左侧，坡面走向190°，倾向275°，测线长8.7m，结构面出露明显，上坡体上部植被发育，岩性为砂岩千枚岩互层，层面产装164°∠44°，反倾坡内，裂隙宽度0.1cm，无填充物，表面干燥，硬岩结构面间距8-87cm，软岩结构面间距5-20cm，延伸长度为5m，表面粗糙度JRC4-6，中等风化。测线范围内节理J1发育三条，产状255°∠68°，表面干燥，无填充物，结构面间距10-55cm，延伸长度小于3m，表面粗糙度JRC4-6，中等风化；测线范围内节理J2发育七条，产状218°∠71°，表面干燥，无填充物，结构面间距70-200cm，延伸长度小于3m，表面粗糙度JRC6-8，中等风化。图3-3研究点1测线图图3-4研究点1产状图3-5研究点1软硬互层研究点2位于隧道边坡右侧，养猪场上方，坡面走向225°，坡面倾向320°，测线长度为5m，层理面明显，层面产装320°∠70°，反倾坡内，裂隙宽度0.1到0.3cm，无填充物，表面干燥，结构面间距1-20cm，延伸长度为4m，表面粗糙度JRC4-6，中等风化。测线范围内节理J1发育四条，产状150°∠23°，表面干燥，无填充物，结构面间距28-45cm，延伸长度小于3m，表面粗糙度JRC6-8，中等风化；测线范围内节理J2发育七条，产状38°∠71°，表面干燥，无填充物，结构面间距70-200cm，延伸长度小于3m，表面粗糙度JRC6-8，中等风化。图3-6研究点2测线图3-7研究点2产状研究点3位于隧道洞口左上方，层面产状为99°∠15°，裂隙宽度0.1cm，无填充物，表面干燥，结构面间距砂岩19-107cm，千枚岩4-32cm，反倾坡内。在测线范围内约有6层；节理J1产状为41°∠84°，裂隙宽度为0.5-1cm，有局部块石，表面干燥，结构面间距约20-110cm，延伸长度2-5m，近直交坡面，在测线范围内约有18条；节理J2产状为330°∠80°，裂隙宽度为0.5-2.5cm，有局部块石，表面干燥，结构面间距约40-100cm，延伸长度2-5，对此调查点陡立顺坡，在测线范围内约有8条。图3-8研究点3产状1.1.2分析统计对现场调查的各研究点结构特征进行统计表3-1结构特征统计表位置结构面产装特征隧道口左侧30mC164°∠44°表面粗糙度JRC4-6，裂隙宽度0.1cm，表面干燥，硬岩结构面间距8-87cm，软岩结构面间距5-20cm，延伸长度为3m，中等风化J1255°∠68°表面粗糙度JRC4-6，无填充物，结构面间距10-55cm，延伸长度小于3m，，中等风化。J2218°∠71°表面粗糙度JRC6-8，表面干燥，无填充物，结构面间距70-200cm，延伸长度小于3m，表面粗糙度JRC6-8，中等风化。隧道口右侧150mC320°∠70°表面粗糙度JRC4-6，反倾坡内，裂隙宽度0.1cm到0.3cm，无填充物，表面干燥，结构面间距1-20cm，延伸长度为4m，中等风化。J1150∠23°表面粗糙度JRC6-8，表面干燥，无填充物，结构面间距28-45cm，延伸长度小于3m，中等风化J238°∠71°表面粗糙度JRC6-8，表面干燥，无填充物，结构面间距70-200cm，延伸长度小于3m，中等风化。隧道口左上方50mC99°∠15°表面粗糙度JRC4-6，裂隙宽度0.1cm，无填充，干燥，结构面间距砂岩19-107cm、千枚岩4-32cm，中等风化。J141°∠84°表面粗糙度JRC8-10，裂隙宽度约0.5-1cm，局部块石，干燥，结构面间距20-110cm，延伸长度2-5m，中等风化。J2330°∠80°表面粗糙度JRC8-10，裂隙宽度0.5-2.5cm，局部块石，干燥，节理间距约40-100cm，延伸长度2-5m，中等风化。通过对隧道口附近调查点处裸露基岩的结构面产状进行调查统计得到岩体岩体结构面产状玫瑰花图，得出优势结构面产状为C：99°∠15°，发育结构面J1：41°∠84°，J2：330°∠80°。图3-9岩体结构面产状统计图1.2边坡破坏模式分析图3-10研究区破坏模式由于地壳表层受到太阳辐射、水、CO2等的影响，边坡岩体在自身的重力影响下形成的抗滑力是由压力、拉力、剪力多种力组合而成，这对于研究边坡的稳定性十分重要。通过对研究区的实地调查，此隧道口位于皮条河右岸养猪场左上方,隧道口位于五里墩1号岩堆,坡体呈阶梯状，五里墩3号崩塌后比较陡立，下部为堆积体，整个崩塌体呈扇状，且为块石土，研究点1节理切割，沿C和J1楔形滑动，研究点2坡面有沿节理面顺层滑动的可能，五里墩隧道出口左侧崩塌较大，沿崩塌面滑动，对隧道开挖影响较大。隧道口上方植被茂密，洞口右下方有大量大型落石，在点位可观测到规模较大的碎屑坡，危岩堆积体存在潜在滑动的可能，在洞口右侧养猪场上方为五里墩1号泥石流，对洞口开挖影响较小，但崩塌下方的岩堆和巨型落石对隧道开挖影响较大。该坡体坡身有碎石，坡脚有大量岩堆，建议在隧道口施工前对岩堆和落石进行清理。1.3岩体结构物理力学参数确定1.1.1单轴实验确定岩体力学参数本次实验所选岩石试样来自于五里墩隧道出口处钻孔DZ-BLDZ1-20与DZ-BLDZ1-21，每个钻孔所选取试件均来自隧道口附近，因而岩石力学参数比较可靠，为后面边坡稳定性分析提供数据依据。试样经过打磨后的不平行度和不垂直度均在试验规范允许范围以内，加工完成后的岩石试样，完整性较好，处于天然密度状态，试件的图片如图3-11、图3-12所示。按照试验标准首先测量岩石的质量，长度及直径，经过浸水48h以及烘箱连续24h除水，计算得到岩石试件的干密度，饱和密度，含水率，孔隙率，相关参数列入表3-2中。图3-11DZ-BLDZ1-20钻孔岩样图3-12DZ-BLDZ1-21钻孔岩样表3-2岩石材料的基本参数钻孔试件高度（mm）孔径（mm）干密度（g·cm3）饱和密度（g·cm3）含水率孔隙率DZ-BLDZ1-20122.5155.682.432.440.54%0.75%DZ-BLDZ1-21122.2656.122.452.460.48%0.87%本次试验选用的是荷载更高的岩石直剪仪，其最大轴向力可到2000KN，如图3-13所示。图3-13岩石直剪试验机通过对DZ-BLDZ1-20钻孔岩样和DZ-BLDZ1-21钻孔岩样进行弹模压缩试验，从而得到岩石试样在常规单轴压缩状态下的应力-应变曲线，根据应力-应变曲线可以得出2个试样的强度分布范围在45~55MPa。根据对应力应变曲线分析，并且根据岩石抗压强度公式：Rc其中，QUOTE为单轴抗压强度，QUOTE为施加的轴向荷载，A为试件的截面面积。计算可得到岩石试样的单轴抗压强度。根据轴向应力-应变曲线的斜率可以得到试样的弹性模量；在测得加载过程中的轴向应变和径向应变的前提下，根据公式：μ=−式（3-2）中，μ为泊松比，εx为试样的径向应变，εyQUOTE为试样的轴向应变，可以计算得到试样的泊松比。表3-2岩石力学基本参数钻孔岩性抗压强度（Mpa）轴向应变径向应变弹性模量（Gpa）泊松比DZ-BLDZ1-20砂岩452.340.5519.20.24DZ-BLDZ1-21砂岩522.440.71.21.30.29平均值/48.52.390.3920.30.261.1.2结构面强度在岩体中结构面的强度属于比较低的部位，一般而言岩体发生破坏都是从结构面受到剪切应力开始的，因此判断岩体是否稳定的一个重要依据就是结构面的抗剪强度。所以首先需要确定结构面的物理力学参数，为后续研究奠定基础。对于边坡稳定性的分析，国内外学者常用巴顿（Barton）模型进行研究，其模型得到了广泛使用ADDINNE.Ref.{654A2474-6851-483C-BFBC-43D469375BC5}[54]。巴顿（Barton）模型主要优势在于：第一，该模型适用的法向应力范围同边坡的应力范围高度匹配。第二，相对而言该模型的参数设定较为简单，并且对于尺寸效应进行了充分考虑。第三，随着JRC与定向统计的计算方式不断完善，能很好的解决这一关键参数的现实取样是否具有代表性这一关键问题，因此使得巴顿模型得到了极大的认可。（2）巴顿（Barton）模型确定抗剪强度的原理巴顿与合作者们选取了大量天然结构面进行剪切实验，经过系统研究提出了巴顿（Barton）模型，其公式为：τ=σ式中：JRC：岩石节理面粗糙度系数（JointRoughnessCoefficient）JCS：岩石节理面面壁面抗压强度（JointCompressionStrength）φbσn对于巴顿（Barton）模型的使用需要注意以下3种情况：（a）巴顿（Barton）模型不适用于多填充的情况，在无或者少填充的硬性结构面中比较适用。（b）根据式（3-3）:巴顿（Barton）模型只适用于有应力范围的情况，当σn无限趋近于零时，公式中的的指数就变得无穷大，这不符合实际。Hoke通过研究提出，用该模型对抗剪强度进行计算时，应力范围处于0.01＜σ（c）需要注意的是最大的摩擦角（基本摩擦角与剪胀角）不能大于七十度。（3）确定等效的Mohr－Coulomb准则的抗剪参数国内外学者对于边坡稳定性研究分析时，不管是二维还是三维问题，都会运用直线型的莫尔—库仑破坏准则来分析结构面的剪切破坏，其公式为：:τ=σ式（3-4）中，C表示结构面的粘聚力；φ表示结构面的内摩擦角。但是随着深入研究，直接应用莫尔库伦准则来判定结构面的抗剪强度不符合实际，因为实际中边坡的σn往往比较小，当σ通过等效处理巴顿模型，利用现有条件能较为准确的的到反映结构面的抗剪强度，从而能将上述问题得到很好的解决。根据等效莫尔－库仑准则得到等效粘聚力C与等效内摩擦角φ。在实际中当确定了结构面的法向应力σn，可以通过JRC-JCS模型得出与之对应的等效内摩擦角φi与等效粘聚力图3-15巴顿模型等效处理图确定了JRC与JCS数值后等效内摩擦角φi与等效粘聚力Ciφi∂τ∂等效粘聚力计算公式表示为：Ci（4）计算参数的采集与确定通过对五里墩隧道出口研究边坡进行现场勘查，找到出露的结构面并进行统计分析，使用HT75型回弹仪对岩石进行回弹试验得到抗压强度指标（以16个数据为一组），利用Barton的裂面粗糙度标准剖面（如图3-16），可对结构面起伏粗糙程度进行比对和描述分级。通过回弹仪测得该测点的16个回弹值，将最大与最小值的3个值去除，剩下的10个回弹值取其平均值：Rm式（3-8）中：Rm表示该测点的平均回弹值；R当测取回弹值的岩体不是处于水平时，要对算取的平均值进行修正：Rm=式中：Rmɑ表示岩体非水平方向时的平均回弹值，精确至0.1； Rɑɑ表示根据回弹仪操作规范得到的非水平方向岩体回弹修正值，； Rm表示修正后的回弹值，即为Re。可用以下公式计算JCS（γ表示岩石干容重）：lnJCS=0.00088γ图3-16典型裂隙粗糙度等级剖面（BartonandChoubey1977）研究区实地测量统计所得回弹值见表3-3。表3-3五里墩隧道出口岩体结构面现场回弹值结构面回弹值平均值C（27）（20）30302931（27）（34）303030302933（35）31（34）J1（35）32（34）（34）（27）29293030.330（26）3230283231（27）J2（35）32（36）（34）（28）31333231.333（28）3329（27）303129注：括号中数值为回弹值的3个最大值与最小值，计算时应剔除。根据巴顿模型得到等效粘聚力与内摩擦角，对新鲜未风化的岩石，残余摩擦角φr与基本摩擦角φb基本相同。通过现场调查得到裸露基岩岩性为砂岩，对岩石结构情况进行调查，选取砂岩的内摩擦角为40°，干容重为25.5kN/m表3-4五里墩隧道出口边坡结构面等效抗剪强度结构面分组修正后的回弹值岩石基本内摩擦角（°）JRCJCSτ(MPa)（σn=5MPa）JCS~JRC模型方法（σn=5MPa）φ(°)C(MPa)C3040648.25.444.182.48J130.3401050.16.4247.321.17J231.3401051.66.4847.541.21根据上表可知，研究区域内节理面的等效内摩擦角和等效内聚力分别为44.18°、2.48MPa（C），47.32°、1.17MPa（J1）和47.54°、1.21MPa（J2）。1.4持平投影分析赤平极射投影依靠投影球进行投影成像ADDINNE.Ref.{01EBC507-314C-47F0-813A-CAAC7F0D0E4A}[55]。直线垂直于投影面并且穿过投影球中心，在这基础上与球表面的交点被定义为球极，通过赤道平面将球极分为南北两极。以南北极为起点，把点或线、平面的球面投影在赤道平面上进行显示，这种方式就是赤平极射投影，在赤道平面上显示的图像就称为赤平极射投影图。现实中边坡的结构一般比较复杂，持平投影法是对结构面切割的岩体进行稳定性的分析的一种严谨高效的方法，将岩体的结构面的几何要素（三维）在平面上进行分析ADDINNE.Ref.{45E8C340-3256-4081-82BD-108F1527A9F4}[56]，根据地质学的理论，将层面、节理、断层等划分为各组，通过对结构面的组合关系与临空面的切割来分析判断边坡的塌方滑移方向，进而判断其稳定性。（1）计算选取参数根据现场测量结果，坡体结构面产状分别为：层面C：99°∠15°节理J1：41°∠84°节理J2：330°∠80°根据巴顿模型计算结果，层面以及两组节理面的等效内摩擦角φ分别：φ=44.18、φ=47.32、φ=47.54。利用赤平投影可直观看出C、J1、J2的相对空间分布，岩体结构面下半球赤平投影图如图3-17所示：图3-17五里墩隧道出口处岩体结构面赤平投影图（2）赤平投影法稳定性分析进行稳定性分析时不考虑粘聚力，可用以下公式计算滑块的稳定系数K：直接坠落K=0 （3-11）单滑面K=cotαi双滑面K=cosγijsinγitan∅在式中：αiγijγi、γ运用上述公式计算，五里墩隧道出口处块体沿双滑面滑动的角度参数见下表3-5。表3-5双滑面滑塌体的γijQUOTE、γiQUOTE、γjQUOTE沿双滑面滑动的滑块γijγiγj1213°8°84°1311°10°80°2380°55°16°根据计算结果，坡体滑塌体的构成及稳定系数见下表3-6。表3-6滑塌体的构成及稳定系数滑塌体滑塌方向构成滑塌体的结构面构成滑塌体的棱边稳定系数（K）P1P2P3g12g13g23坠落Gg下下下g12g13g230沿单滑面滑动1g1上下下g12-g13-g230.242g2下上上g12g13g231.223g3下下上-g12-g13g230.86沿双滑面滑动12g12上上上g12g13-g231.4313g13上下上-g12g13-g231.2923g23上上下-g12g13g234.72注：①“上”、“下”表示滑面Pi面的上盘或者下盘；②gij指向赤平面以上为(-)，以下为(+)。图3-18五里墩隧道出口处岩体稳定性分析图由上图边坡岩体赤平投影图（图3-17）可知，边坡岩体的三组结构面切割岩体形成了沿单滑面滑动的滑塌体1、2、3，沿双滑面滑动的滑塌体12、13、23，及坠落体G，各个滑塌体滑动方向如上图所示。现分析滑塌体稳定性，从上图投影图（3-18）可以看出：坠落体G，单滑面滑塌体1、2、3，双滑面滑塌体12、13、23切割锥的投影均与边坡岩体的投影区相交，故不致在边坡面上形成滑塌体。说明在自然条件下，较为稳定，但需要注意对临近坡面因风化、卸荷脱离岩体的部分块体的清理。1.5边坡自然稳定坡角计算自然边坡的稳定坡角是边坡在自然状态下边坡其自我适用生存下的坡角，通过对国内两百多个铁路、公路沿线边坡进行统计分析，得到计算边坡在自然状态下的稳定坡度。（1）岩体质量法经验公式的介绍对于强度和组合不相同的岩体，其质量可用根据回弹仪测得的回弹值与岩体块度相乘所得，所以岩体的质量计算公式为：RQ=R×log根据对国内大量铁路、公路交通沿线上边坡的数据进行统计分析，通过曲线拟合得出边坡自然稳定坡角的计算公式：θ=γD=n上式中各符号的意义为：表示边坡自然稳定坡度；D表示岩石的可视块度；γh表示边坡高度的折减系数，γR表示HT75型号回弹仪测得的边坡岩体的回弹值；di式中γw、γh具体取值见表表3-7γw含水情况干燥潮湿滴水线流折减系数1～0.90.85～0.80.8～0.70.7～0.5表3-8γh坡高（m）20～3030～4040～5050～6060～8080～100>100坡度折减率1.000.960.900.860.830.800.80如果坡体表面岩体风化，实地测得的回弹值需要进行转化：R=Rf式（3-17）中，Rf表示风化岩体的回弹值；f208∙R75表3-9fR等级未风化微风化风化颇重风化极重风化系数>0.950.95～0.750.75～0.4<0.4（2）自然岸坡稳定坡角的确定根据上述经验公