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基于移动LiDAR技术的山区丘陵公路边坡稳定性分析

更新时间:2009-03-28

0 引言

边坡是人类工程活动中最为常见的自然地质环境之一,随着公路项目的修建,边坡在工程中占有重要地位,边坡灾害对人类的生命财产危险性较大,特别是在地质条件复杂、边坡环境较为恶劣的山区丘陵公路。因此,对边坡进行灾害评估,准确地分析边坡的稳定性,在发生滑动之前有所防备,提前预警,保证相关人员的生命安全、降低灾害发生的几率和减小灾害发生时带来的经济损失,将边坡灾害影响控制在可接受范围确保道路安全运营,已成为当前日益关注的课题。目前在边坡灾害评估方面主要以单因子因素对边坡稳定性的影响和定性分析为主,如李宁等[1]从潜在滑动面上力学参数的合理性、边坡开挖后整体加固力以及边坡安全系数与实际边坡安全储备来评估边坡工稳定性;邓友生等[2]通过2种不同方法计算不同坡度下边坡稳定性安全系数;陈景等[3]通过离心模型试验研究表明坡高增加会改变坡体的应力状态,增大边坡侧向位移,边坡稳定性降低;杨晓杰等[4]研究了降雨量单因子因素与高陡边坡稳定的相关性;张金平[5]从降雨方面考虑,对道路边坡稳定性做出了分析;韩国涛[6]从边坡岩土的特性方面分析岩质对边坡滑坡变化趋势的影响;李凯等[7]则基于像元二分法分析植被覆盖量对边坡滑坡时空格局的影响;范军富等[8]通过对比露天矿边坡地下水的疏干情况,说明了地下水对边坡稳定性的影响;杨宇杰[9]从降雨入渗深度影响地下水位变化角度研究了其对土质边坡的影响。

仅针对某一种因素进行分析可判定其对边坡稳定的重要程度,若要反映出某处边坡的稳定程度还需选取影响边坡稳定性的诸多因素进行综合分析得出结果。在边坡稳定性分析方面大多是取某一种影响因子通过定量分析得到其对边坡灾害的影响程度,或是多种影响因子通过定性分析来确定某一处边坡的稳定程度,而通过定量分析多因子来判定边坡稳定性方面的研究较少。

本文选取边坡坡度、坡高、坡向、岩质、降雨量、植被覆盖量、地下水、病害历史[10]8项边坡稳定性影响因子进行定量分析,这8项因子基本涵盖了影响边坡稳定性的各类影响因素。对影响因子进行科学地定量评估、权重确定[11]、划分边坡灾害等级,定量分析通过分析收集的边坡数据并对各项因子进行加权分析,准确地划分出边坡各个区域的灾害等级,为道路边坡管理部门制定边坡防护计划提供可靠的定量依据。将边坡稳定性分析法与现代监测手段相结合,现场监测提供的是边坡系统的第一手资料,也是边坡稳定性研究的基础,对于大范围山区丘陵道路边坡空间数据获取方面传统测量方法都存在较大的缺陷,将移动LiDAR技术应用于边坡灾害评估中去,该技术可充分发挥其优势,该技术受外界天气、地形等干扰因素较少,无需接触滑坡体、能够快速获取高精度、高密度的三维点云数据反映滑坡体整体结构形态,为获取边坡坡度、坡高、坡向数据带来极大的便利。

1 原理方法

1.1 灾害因子

影响边坡稳定性的因素众多,虽然其对边坡稳定影响程度不同,但是每项边坡稳定性影响因子的重要性都不可忽略。边坡稳定性分析评价,主要考虑由边坡坡体本身固有的自然条件与影响边坡稳定的气候条件,从其中筛选出容易引起边坡发生灾害的影响因子。前人在单因子对边坡灾害影响的研究较多,而针对多重因子影响下的边坡稳定性分析尚无完善的解决办法。本文通过实地考察并结合专家学者相关研究,将影响边坡稳定性因素大致分为3个方面: 地质因素、地形地貌因素以及其他因素。

连接锅炉至文丘里冷却器[3](可利用原惰气系统辅助冷却器,需核算换热量是否满足)工艺管路。改在完成后,锅炉产生尾气,进入冷却器冷却,通过增压风机增压后进入大舱做为覆盖气。增加两路电动控制阀用于在热介质锅炉尾气流程下游发生故障时进行阀门切换,以保证锅炉尾气可以顺利排放至大气,稳定锅炉运行。具体工艺如图1。

1.1.1 地质因素

在地形地貌因素中,对公路边坡灾害影响较大的因素主要有边坡坡度、高度、坡向。

岩体结构的主体是结构面,在很大程度上决定了工程岩体的稳定性。边坡岩土体类型及性质与边坡灾害的关系十分密切,对边坡灾害有较大的影响。岩体结构与岩体性质是边坡稳定性的决定性因素。通过对试验区的实地考察并综合多方面边坡岩质研究,可将边坡地质因素分为岩质边坡、土质边坡和混合边坡3类。

三是全球油气发现高峰期已过,深水是未来油气增储的重点。2000年以来的油气大发现主要位于南大西洋两岸、印度洋周缘等地区被动陆缘盆地和中东、中亚等地区前陆盆地。大油田主要位于桑托斯、滨里海、阿拉伯、扎格罗斯、尼日尔三角洲;大气田主要位于阿姆河、扎格罗斯、鲁伍马、塞内加尔、鄂尔多斯。近年全球重大发现集中在深水、前陆盆地、碳酸盐岩三大领域,深水增储地位日渐突显。自2006年以来,全球年度新增可采储量45%以上来自深水,其中2012年高达68.2%(见图5)。

班干部也是学生,同样也会犯错。教师既要重视加强班干部的思想教育,以免其滋生傲气,同时为了培养班干部的能力,还应该让他们到实践活动中去锻炼。班主任要帮助班干部树立威信,鼓励他们大胆工作,要求他们在学习和生活中以身作则,起到带头作用,培养他们的团结协作和集体主义观念,引领全班同学把班级建设成为优秀班集体。

1) 边坡坡度对公路边坡灾害的影响十分明显,在一定程度上决定了灾害的类型和危害程度。相同条件下,边坡坡度越大,边坡岩土体重力沿坡面的分力就越大,也就是我们常说的下滑力越大,并且降雨对边坡冲刷强度因坡度间接影响边坡的稳定性。

2) 坡高对边坡稳定性有着直接关系,边坡高度越大,边坡岩土体的位能就越大,其向下的运动趋势及对坡脚产生的应力也就越大,对边坡稳定性影响也就越大。

从点云数据中主要获取的数据信息为边坡坡度、坡高、坡向,除此之外,边坡稳定性分析还需其它5项因子数据。在相关网站收集统计边坡所在地区降雨量数据,夏季降雨量丰富雨水对边坡冲刷最为严重,为灾害易发时期,因此以夏季降雨量为主进行边坡稳定性分析更能反映边坡灾害发生情况,表5为2016年试验区全年12个月降雨量数据;边坡岩性、植被覆盖量、灾害史、地下水信息则需在实地考察时获取,以图片的方式记录边坡信息,最终将图片中的数据信息进行提取并转换为属性数据导入边坡属性表中。

2) 植被起到边坡防护、稳定边坡和减少区域水土流失等作用,区域植被覆盖率与地质灾害空间分布规律具有明显的关联性,边坡植被通过其叶和茎削弱了雨滴的冲击力。

1) 岩土的含水量也直接影响边坡的稳定性,许多边坡滑坡都是发生在强降雨之后,水渗入到内部导致坡体内部滑带土软化、坡体增重和抗剪度的减小,从而降低边坡的稳定性。

当班级群回归正轨时,作为群主的老师不妨再多动一点脑筋,多投入一份热情,让这个“群落”真正鲜活起来,焕发勃勃生机。

1.1.3 其他因素

3) 地下水对边坡岩土体还产生软化作用,使岩土体的抗剪强度大为降低,地下水的溶蚀和潜蚀也直接对边坡产生破坏作用。

4) 边坡的灾害历史也是影响边坡稳定性的一项重要因素。对于已发生过滑坡的坡体,其坡体整体结构松动,岩土结构相对不稳定,再次发生滑坡的可能性较大。

1.2 分析方法

层次分析法是计算权重的常用方法之一,在确定影响边坡稳定性的8项因子后,采用改进的层次分析法计算各个影响因子权重。层次分析法确定山区丘陵道路边坡稳定性影响因子的权重主要分为4个基本步骤。

1.2.1 判断矩阵的构造

判断矩阵表示针对上一层次中的某个元素而言,评定本层次中各个相关元素相对重要性的状况(如表1), 表2为边坡稳定性影响因子判断矩阵。

大禹集团持续稳步推进节水设施农业连锁服务中心建设,现有连锁直营店和加盟店近200家,向着逐步改善资本运营效率,快速扩大市场覆盖面方面持续迈进。科技研发实力是公司的核心竞争力,公司累计获得科研成果和专利技术共计180余项,成为国家知识产权局第一批国家级知识产权优势企业,并成立了节水灌溉产业战略联盟、大禹节水灌溉技术研究院、大禹节水院士专家工作站,力促公司科研水平迈向新高度。

  

表1 指标重要性判断标度标度含义1表示两个因素相比,具有同样重要性3表示两个因素相比,一个因素比另一个因素稍微重要5表示两个因素相比,一个因素比另一个因素明显重要7表示两个因素相比,一个因素比另一个因素强烈重要9表示两个因素相比,一个因素比另一个因素极端重要2、4、6、8为上述相邻判断的中值

1.2.2 层次单排序

层次单排序的目的是对于上层次中的某个元素而言,确定本层次与之有联系的各个元素重要性次序的权重值。层次单排序主要是解决计算判断矩阵的特征根和特征向量,针对判断矩阵B,计算满足公式(1)的特征根和特征向量:

BW=λmaxWi

今后,高校后勤服务保障服务要以“市场提供服务、学校自主选择、政府宏观调控、行业规范自律、部门依法监管”为主要特征的具有中国特色的“新型高校后勤保障服务体系”,基本实现高校后勤保障服务的社会化、专业化、现代化。

(1)

  

表2 边坡稳定性影响因子判断矩阵因子坡高坡度坡向植被地下水降雨量灾害史岩性坡高11323121/3坡度11323121/3坡向1/31/311/211/31/21/5植被1/21/22121/211/4地下水1/31/311/211/31/21/5降雨量11323121/3灾害史1/21/22121/211/4岩性33545341

其中,λmaxB的最大特征根; W为对应于λmax的正规化的特征向量;Wi为对应于W的分量,也就是对应元素单排序的权重值。目前,求解判断矩阵的最大特征根以及其所对应的特征向量的主要方法为和积法或方根法。通过计算判断矩阵的一致性指标CI,检验判断矩阵的一致性,其中:

 

(2)

其中,如式(2)所示,CI值越大,则说明判断矩阵的一致性就越差;当CI=0时,判断矩阵具有完全一致性。通过将CI和平均随机一致性指标RI进行比较(表3平均随机一致性指标),方可检验判断矩阵的一致性是否令人满意,通过判断矩阵的随机一致性比例,如公式(3)所示:

 

(3)

当式(3)成立时,就可认为判断矩阵的一致性令人满意;否则,继续调整判断矩阵直至满意为止。

  

表3 平均随机一致性指标阶数RI阶数RI10 71.3620 81.4130.5891.4640.89101.4951.12111.5261.26

1.2.3 层次总排序

栽后第1年的幼树根系不发达,加之定植穴内已施入一定肥料,为防止伤根烧根可不施入肥料。第2年起一定要逐年施肥。重视扩穴施肥提高建园质量,为果园优质高效打好基础。

1.2.4 一致性检验

为评价层次总排序计算结果的一致性,类似于层次单排序也需要进行一致性检验分别计算下列指标如公式(4)所示:

由图5可看出,随着羟肟酸钠用量的不断增加,粗精矿中铜的回收率明显上升,而其中的铜品位则先升高而后下降。综合考虑,确定羟肟酸钠的适宜用量为100 g/t。

 

(4)

式中: CI为层次总排序的一致性指标;CIj为和aj对应的B层次中判断矩阵的一致性指标;RI是层次总排序的随机一致性指标;RIj为与aj对应的B层次中判断矩阵的随机一致性指标;CR为层次总排序随机一致性比例。当CR<0.10时可以认为层次总排序的计算结果具有令人满意的一致性,否则就需要对本层次的各个判断矩阵进行调整,直至层次总排序的一致性检验达到要求为止。

通过上述步骤,根据判断矩阵利用方根法求解最大特征根和特征向量,最终得到的加权分析公式为:

F=0.162 5×坡高+0.162 5×坡度+

0.054 2×坡向+0.059 6×植被覆盖量+

0.054 2×地下水含量+0.162 5×降水量+

0.059 6×灾害史+0.285 1×岩性

在确定影响因子权重后进行定量分析,定量分析目的是为了将各个数量级不同的影响因子统一。通过对试验区的实地考察,结合试验区边坡自身实际情况,将边坡岩性、坡度、坡高、坡向、降水量、地下水、灾害史、植被覆盖量8项影响因子按其易发性分为高、中、低3级,分别对应3、2、1这3个易发指数(如表4),对各项影响因子分析后得到易发指数完成量化。

在ArcGIS技术支持下进行加权分析,加权分析在上述量化结果的基础上进行,结合各个影响因子的权重与易发指数完成分析。激光雷达数据中的离散多点观测通常由具有多点几何的要素类表示,将激光点云数据转化为多点要素类,数据转换在不改变原有点云特征基础上为其添加属性数据,通过对各项因子分析评价,综合表4得出边坡易发评估指数,将易发等级指数写入该边坡评价区域多点数据属性表中,将空间数据与属性数据相结合,确定滑坡易发区域。

  

表4 边坡易发性分析表岩性坡度/(°)坡高/m坡向降水/mm地下水灾害史植被易发指数岩质边坡 0~2020阴坡0~100坡面干燥没有大量1混合边坡20~4020~40半阴坡100~200坡面湿润局部少量2土质边坡>40>40向阳坡>200泉水湿地整体无3

2 试验分析

2.1 数据获取

采用车载激光扫描设备对试验区进行点云数据采集。为能尽量采集完整坡体信息,数据采集时保持GNSS基站位置不变,对试验区进行往返2次数据采集来提高边坡点云数据质量。图1a为往返2次数据同时加载后整体边坡点云效果图,图1b、图1c、图1d分别为图1a中1、2、3这3个位置边坡点云数据。

3) 边坡坡向对边坡的稳定性也存在一定的影响,虽没有坡度、坡高影响程度大,但是常年受到阳光照射的坡面,使岩土的结构发生变化土质变得疏松,进而影响边坡的稳定性。

  

图1 边坡点云图

  

表5 河南省修武县青龙峡2016年降雨量月份降雨量/mL月份降雨量/mL10.07303.822.3863.938.6979.7422.51047.0544.01111.7685.7120.2

2.2 数据预处理

车载三维数据采集系统动态采集数据,其原始数据主要包括激光扫描数据以及由导航系统得到的位置和姿态信息。数据预处理主要包括激光扫描数据与载体信息进行整合并对整合的数据进行坐标转换,然后进行激光扫描数据的可视化处理得到点云图像;其次由于车载LiDAR的无选择性采集,为满足后期加权分析需要对原始点云数据进行处理,以显示完整坡面信息。首先需去除边坡周围道路等冗余数据,将边坡点云中的植被数据滤除后呈现监测区域的坡体表面形态,图1中的b)、c)、d)均为处理后的边坡点云图。最终基于ArcGIS10.0从边坡点云数据中提取得出边坡坡高、坡度、坡向属性信息作为后续加权分析的影响因子数据。

2.3 结果分析

试验选取3个具有代表性的区域进行边坡稳定性评价,分别为图1a中选中的1、2、3这3个区域,这3个边坡在特征上存在较大差别,可基本代表整体路段边坡类型。

利用同一层次中所有层次单排序的结果计算针对上一层次而言的本层次所有元素的重要性权重值,层次总排序需要从上到下逐层顺序进行。

图2a中上层边坡由于植被覆盖率高,因此相对比较稳定;下层不稳定区域为土质边坡且无植被覆盖、雨水冲刷痕迹严重,土质疏松且发生过滑坡灾害,确定易发指数并进行加权分析可视化得到边坡稳定性等级图(如图2b)。

社区大学的新教师要适应角色,需要向社区经验丰富的资深教师学习。资深教师可以用已有经验,帮助新教师成长得更快,专业发展之路更为顺畅。社区可以聘请资深教师做师傅,与新教师结对,分享教学经验,协助新进教师适应教学,提供教学与活动的管理和组织技巧。例如,社区大学教师师徒结对过程中,可以由资深的“师傅”讲述自己在社区大学的教学故事开始,进而讨论教学过程中的感受、困境与改变,也可以谈及社区大学教学的核心价值及未来期待。结对过程中,资深教师通过经验分享可以带给年轻教师深刻的学习经验,形成一种社区大学新教师的学习模式[4]。

  

图2 1号边坡稳定性等级图

如图3a所示,该区域边坡与上述边坡存在一定差别,滑坡灾害发生范围较大,该边坡裸露区域无较为稳定的岩质,为易发指数较高的土质疏松边坡。经实地考察发现此2处裸露边坡雨水冲刷痕迹明显且边坡底部存在大量泥土堆积,其岩性、坡度、灾害史、植被覆盖量的易发指数皆为最高级。通过加权分析得出边坡各区域稳定性等级图(如图3b)。

  

a) b)

 

图3 2号边坡稳定性等级图

图4边坡与前两处边坡均不相同,该边坡最为陡峭且大部分为向阳坡,只有边坡顶部存在少量植被,岩质类型为岩土混合型边坡,坡面夹杂少量碎石时常滚落到道路上。通过对各项易发指数的影响因子进过加权后得到稳定性等级图(如图4)。

目前学界对旅游的属性或特征虽有诸多争议之处,但有一个属性或特征应是没有异议的,这就是旅游的异地性特征,而这种异地性是通过人类的移动性来实现的,因而追溯旅游的起源与本质,就需要先从追溯人类的移动性或迁移开始。进化论告诉我们:“每一项人类特性都源于那些成功传下他们基因的祖先。”[33]81那么迁移的倾向及其行为在人类进化中的生存优势是什么呢?本文认为有两个方面:

  

图4 3号边坡稳定性等级图

本文以车载LiDAR技术于2016年采集的修武县某景区道路边坡点云数据为研究对象,基于点云数据通过对多种影响边坡稳定性因子进行加权分析,最终分析得出边坡危险区域。图1中为原始的激光点云图,该地区地形复杂、道路蜿蜒曲折、边坡类型繁多,对该区域边坡进行稳定性分析具有一定的代表性,选取路段中3种不同类型且危险程度较高的边坡分析,这3处边坡基本涵盖该道路危险边坡的类型。车载LiDAR技术可获取边坡的地形信息,其他多项数据在点云数据采集同时通过图像记录的方式获取,该方法高效、完整地收集了道路边坡灾害影响因子信息。在边坡稳定性分析方面通过量化边坡滑坡影响因子,运用GIS软件将空间数据与属性数据相结合,更加系统全面地对边坡进行稳定性评价分析。通过试验论证与结果分析,由此说明该方法具有可行性、高效性、准确性及实用性。

3 总结

本文提供一种方法将车载激光扫描技术应用于山区丘陵公路边坡的灾害监测中,以河南省修武县某景区道路为试验区,通过实地考察并结合专家学者意见选取8项影响边坡稳定性因子,运用层次分析法确定每项因子权重,收集影响因子数据,对数据进行统计、分析、等级划分,结合ArcGIS进行加权分析确定危险区域。在山区丘陵公路边坡灾害防护中,车载激光扫描技术发挥其优势大大提高边坡防护工作效率,减少边坡管理人员工作量,合理有效地进行边坡灾害评价、监测与防护。

参考文献:

[1] 李宁,钱七虎.岩质高边坡稳定性分析与评价中的四个准则[J].岩石力学与工程学报,2010,29(9):1174-1159.

管好物也很重要,各功能室管理员的职责要明确,学校领导对各位管理员的履职情况也要有督促、有指导,对各功能室的使用效率要有检查、有考核,管理员要树立“我为大家做好服务,大家也在为我服务”的意识,强化为学生服务、为教学服务的理念,做到物尽其用、人尽其才。

1.1.2 地形地貌因素

[2] 邓友生,许文涛.土质边坡稳定安全系数计算方法研究[J].公路工程,2017,42(2):23-28.

[3] 陈景,唐茂颖,罗强.坡高对高边坡变形影响的离心模型研究[J].路基工程,2008(6):577-581.

[4] 杨晓杰,侯定贵.南芬露天铁矿高陡边坡失稳与降雨相关性研究[J].岩石力学与工程学报,2016,35(1):3232-3240.

但随着资本边际报酬收益的不断递减以及“人口红利”的逐渐消失,要素生产率对经济增长的重要性也日益凸显,党的十九大报告也指出,中国经济已经从高速增长阶段进入到了高质量发展阶段,因此全要素生产率成为安徽提高经济增长质量,促进经济可持续发展的关键。

[5] 张金平.考虑强降雨影响的路堑边坡稳定性分析[J].公路,2017,2(2):54-58.

[6] 韩国涛.滑坡岩土特征分析对灾害治理的指导作用[J].资源信息与工程,2016,31(4):186-188.

[7] 李凯,孙悦迪,江宝骅,等.基于像元二分法的白龙江流域植被覆盖度与滑坡时空格局分析[J].兰州大学学报,2014,50(3):376-382.

[8] 范军富,宋子岭,王东.地下水对灵泉露天矿边坡稳定性影响分析研究[J],水资源与水工程学报,2011,22(5):121-124.

[9] 杨宇杰.降雨入渗深度对土质边坡稳定性影响的有限元分析[J]公路工程,2016,41(5):226-229.

研究组患者的良中率显著的高于对照组,经过数据的分析可得,差异均存在一定的统计学的意义,即P<0.05。

[10] 林灿阳,廖小平.高速公路边坡灾害评估与防控决策研究[J].路基工程,2014(5):72-76.

[11] 朱茵,孟志勇,阚叔愚.用层次分析法计算权重[J].北方交通大学学报,1999,23(5):119-122.

 
李有鹏,李永强,刘洋洋,黄腾达
《湖南交通科技》 2018年第01期
《湖南交通科技》2018年第01期文献

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