一种用于高陡危岩的三维地震崩塌预测方法与流程

本发明涉及地震模型领域，更具体地说，涉及一种用于高陡危岩的三维地震崩塌预测方法。

背景技术：

1、我国作为世界上地质灾害最严重的国家之一，地质灾害分布范围广、数量多、规模全、危害大，尤其西部地区地跨我国第一、第二阶梯，山地丘陵地区面积占比非常高，区域内地形起伏大、岩性复杂、构造发育、地震频发，是全国地质灾害最发育的地区；自2008年以来，我国地震频发，仅6级以上较大地震就有9次，其中2022年6级以上较大地震就有3次，6级以下地震则不可胜数；同时，西南山区山形险峻、地势陡峭、断裂密布、构造复杂，形成有众多风险斜坡，在西南地区地震频发的现实背景下，易诱发风险斜坡危岩崩塌，严重威胁人民群众生命财产安全；

2、然而，关于危岩的地震崩塌预测目前主要是通过现场调查、理论分析、室内实验、数值模拟或它们之间的组合方法来进行预测分析。现场调查是开展研究工作必要的环节，但该方法严重依赖个人学识与经验，且主观性较大。理论分析方面有赤平投影等稳定性分析方法和落石弹跳高度、冲击能量等理论计算公式，但理论分析采用的分析模型几乎为二维模型，并且几乎未同时考虑地震条件，而且分析结果也不直观。室内实验难以找到适合的相似材料来模拟现场的岩土体材料，也难以制作出能较好反映现场斜坡地形和危岩形状特征的物理模型，因此往往与现场实际偏差较大；

3、数值模拟具有直观、高效、成本低、便于模拟现场条件和参数敏感性分析等优点广泛应用于岩土工程领域；但是在危岩的地震崩塌预测应用方面，目前开展的数值模拟大多为二维模拟，只考虑了斜坡的某个剖面，不具备完整的斜坡地形、滚石形状、危岩结构面产状和空间分布等三维信息，更何况危岩在崩塌过程中通常会多次转向而非直线向前运动，因此二维模拟不太可取；另外，虽然也有关于危岩的地震崩塌预测应用方面的三维模拟分析，但是所建模型较为粗糙、简单，导致影响危岩崩塌滚落的地形和形状特征丢失，同时也未考虑地震工况；

4、综上，目前尚无关于危岩的三维地震崩塌预测的有关专利技术，为弥补这一技术空白，本发明提出了一种用于危岩的三维地震崩塌预测方法，通过建立更为精细的三维数值模型，载入真实的历史地震波数据或满足规范要求的人工地震波数据，实现地震工况下的危岩稳定性和失稳模式分析，并进一步获得危岩的崩塌路径、崩塌方量、冲击动能、停积位置和危险范围，最终实现为地震崩塌灾害防控提供指导，尤其对于地震频发的西南山区。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于高陡危岩的三维地震崩塌预测方法，不仅可以实现分析危岩在静力状态下的稳定性分析，还可分析预测地震动力作用下的危岩的稳定性、失稳模式、崩塌路径、崩塌方量、冲击动能、停积位置和危险范围。

3、技术方案

4、为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

5、一种用于高陡危岩的三维地震崩塌预测方法，所述预测方法包括以下步骤：

6、s1：机载lidar扫描地表获取地面点云数据，地面调查危岩节理、裂隙产状，钻孔获取地层结构与岩土试件；

7、s2：导入点云数据、危岩节理裂隙产状和地层结构数据至三维建模软件；

8、s3：载入三维模型至数值仿真软件；

9、s4：在步骤s1之后进行实验室测取岩土试件物理力学参数；

10、s5：结合步骤s3的三维模型和步骤s4的岩石试件物理力学参数，为数值仿真模型赋值岩土体参数与静力边界条件；

11、s6：进行静力稳定性分析，求解稳定性系数；

12、s7：开启动力计算模块，施加动力边界条件；

13、s8：载入收集到的历史地震波数据或根据规范生成的人工地震波数据；

14、s9：为每块危岩布置监测点，监测危岩空间位置和速度；

15、s10：分析危岩动力稳定性、失稳模式，获得崩塌路径、方量、动能、停积位置和危险范围；

16、s11：提出地震崩塌防治措施。

17、进一步的，所述步骤s1中机载lidar的精度不低于厘米级，岩土试件包含从危岩和基岩中取出岩芯的试件以及用于测取结构面参数的试件。

18、进一步的，所述步骤s2中融合现场地表点云数据、危岩节理裂隙产状和地层结构数据进行精细的地上地下一体三维地质建模，刻画出斜坡地形和危岩形状特征。

19、进一步的，所述步骤s3中数值仿真软件进行三维数值计算和不同地震波地震模拟。

20、进一步的，所述步骤s4中测取的岩土试件物理力学参数包括岩土体的弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度，以及结构面的法向刚度、切向刚度、内聚力、内摩擦角、抗拉强度。

21、进一步的，所述步骤s4中若现场难以到达，无法获取岩土试件和结构面试件时，可参考《工程岩体分级标准》(gb/t 50218-2014)等标准取经验参数。

22、进一步的，所述步骤s8中载入数值仿真软件中的历史地震波数据或根据规范生成的人工地震波数据须先进行基线校准和滤波处理。

23、进一步的，所述步骤s10中若危岩已发生明显位移，如已产生滑移甚至已掉落至斜坡，则危岩在对应的地震强度下不稳定；若危岩无明显位移，但与母岩间的结构面已发生张拉或剪切破坏，则危岩在对应的地震强度下欠稳定；若危岩无明显位移，与母岩间的结构面无张拉或剪切破坏，则危岩在对应的地震强度下稳定；若危岩在脱离母岩时以垂向位移为主，则为坠落式崩塌；若危岩在脱离母岩时以水平位移为主，则为滑移式崩塌；若危岩在脱离母岩时以弯曲、倾倒变形为主，则为倾倒式崩塌。

24、有益效果

25、相比于现有技术，本发明的优点在于：

26、(1)本方案通过步骤s1到s11，建立高陡危岩的三维地质体模型，之后进行实验室测取岩土试件物理力学参数，不仅可以实现分析危岩在静力状态下的稳定性分析，还可分析预测地震动力作用下的危岩的稳定性、失稳模式、崩塌路径、崩塌方量、冲击动能、停积位置和危险范围。

27、(2)本方案能对地震崩塌灾害的防治措施的制定提供重要指导，可分别采取防治措施、避让搬迁措施。

技术特征：

1.一种用于高陡危岩的三维地震崩塌预测方法，其特征在于：所述预测方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于高陡危岩的三维地震崩塌预测方法，其特征在于：所述步骤s1中机载lidar的精度不低于厘米级，岩土试件包含从危岩和基岩中取出岩芯的试件以及用于测取结构面参数的试件。

3.根据权利要求1所述的一种用于高陡危岩的三维地震崩塌预测方法，其特征在于：所述步骤s2中融合现场地表点云数据、危岩节理裂隙产状和地层结构数据进行精细的地上地下一体三维地质建模，刻画出斜坡地形和危岩形状特征。

4.根据权利要求1所述的一种用于高陡危岩的三维地震崩塌预测方法，其特征在于：所述步骤s3中数值仿真软件进行三维数值计算和不同地震波地震模拟。

5.根据权利要求1所述的一种用于高陡危岩的三维地震崩塌预测方法，其特征在于：所述步骤s4中测取的岩土试件物理力学参数包括岩土体的弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度，以及结构面的法向刚度、切向刚度、内聚力、内摩擦角、抗拉强度。

6.根据权利要求1所述的一种用于高陡危岩的三维地震崩塌预测方法，其特征在于：所述步骤s4中若现场难以到达，无法获取岩土试件和结构面试件时，取经验参数。

7.根据权利要求1所述的一种用于高陡危岩的三维地震崩塌预测方法，其特征在于：所述步骤s8中载入数值仿真软件中的历史地震波数据或根据规范生成的人工地震波数据须先进行基线校准和滤波处理。

8.根据权利要求1所述的一种用于高陡危岩的三维地震崩塌预测方法，其特征在于：所述步骤s10中若危岩已发生明显位移，产生滑移或已掉落至斜坡，则危岩在对应的地震强度下不稳定；若危岩无明显位移，但与母岩间的结构面已发生张拉或剪切破坏，则危岩在对应的地震强度下欠稳定；若危岩无明显位移，与母岩间的结构面无张拉或剪切破坏，则危岩在对应的地震强度下稳定；若危岩在脱离母岩时垂向位移，则为坠落式崩塌；若危岩在脱离母岩时水平位移，则为滑移式崩塌；若危岩在脱离母岩时弯曲、倾倒变形，则为倾倒式崩塌。

技术总结
本发明公开了一种用于高陡危岩的三维地震崩塌预测方法，包括以下步骤：LiDAR获取地面点云；地面调查危岩节理、裂隙产状；钻孔获取地层结构与岩土试件；导入上述数据至三维建模软件；载入三维模型至数值仿真软件；测取岩土试件物理力学参数；数值仿真模型赋值岩土体参数与静力边界条件；静力稳定性分析；开启动力计算模式；载入地震波数据；监测危岩空间位置和速度；分析危岩动力稳定性、失稳模式，获取崩塌路径、方量、动能、停积位置和危险范围；最终实现高陡危岩地震崩塌预测。

技术研发人员：龚涛,张继,向明智,杨桢贤,赵军海,吴宁安,闫开云
受保护的技术使用者：四川省地质工程勘察院集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15