Оползни несут в себе значительный риск гибели людей и повреждения объектов инфраструктуры. Вот почему инженеры-геомеханики тратят много времени и усилий на их предотвращение — но как могут помочь результаты анализа и понимание, если оползень уже произошел?
В этом случае инженерам-геомеханикам требуются инструменты, которые позволят им понять причину оползня и условия, которые могут привести к нарушению устойчивости в будущем.
Одним из методов, используемых для изучения оползней, является численный анализ обрушившегося склона. Это позволяет инженерам-геомеханикам исследовать различные механизмы обрушения и разрабатывать гипотезы о наиболее вероятных причинах оползня.
Именно так 3D-анализ устойчивости склонов в GeoStudio помогает в долине реки Томпсон в Канаде, где высокая концентрация оползней влияет на важные пути сообщения.
Внесение ясности в рискованный маршрут
Река Томпсон протекает через центральную часть Британской Колумбии от Камлупса до Литтона, где она впадает в реку Фрейзер. Окружающая долина является неотъемлемой частью местной транспортной сети, поскольку вдоль реки проходят Трансканадская автомагистраль, Канадская тихоокеанская железная дорога и Канадская национальная железная дорога. Некоторые участки речной долины достаточно широки, а для других характерны относительно крутые склоны вследствие эрозионного врезания реки. Склоны речной долины в значительной степени не насыщены влагой вследствие засушливого климата региона.
На региональную стратиграфию оказали влияние три отдельных этапа оледенения, при этом коренные породы перекрыты озерно-ледниковыми отложениями, отложенной мореной и ледниково-флювиальными отложениями (Сэттлер, 2022 г.). Озерно-ледниковые отложения также включают слои тощих, не набухающих глин, которые способствуют неустойчивости, выступая в качестве поверхностей скольжения.
Ввиду крутых склонов, низкого уровня грунтовых вод и наличия неустойчивых глинистых прослоев вдоль реки Томпсон произошло несколько оползней. Один из них, оползень Рипли (Ripley Landslide), является активным, то есть он продолжает смещаться — хотя и очень медленно, со скоростью от 2 до 82 мм в год (Солтанье и Маччотта, 2022 г.). В результате на месте проведено несколько исследований для мониторинга оползня и понимания конкретных условий, являющихся причиной неустойчивости.
Оползень Рипли, вид сверху (изображение предоставлено Келвином Сэттлером)
Надежное исследование с использованием нескольких инструментов
Исследования на месте происшествия предоставили необходимую информацию для создания 3D-модели оползня Рипли. Рабочие группы собирали данные лидара для определения подробной топографии поверхности, а также проводили геофизическое и рельефное картирование, тщательный анализ геологической среды и выполняли программу мониторинга при помощи контрольно-измерительной аппаратуры.
Доктор Келвин Сэттлер (Kelvin Sattler) из Clifton Engineering Group выполнил подробный анализ устойчивости в PLAXIS LE в рамках своего исследования для кандидатской диссертации. Цель данной модели — провести анализ устойчивости методом предельного равновесия и исследовать влияние изменяющихся условий порового давления воды.
Доктор Сэттлер и его рабочая группа создали исходную геомеханическую 3D-модель с использованием данных лидара для определения рельефа местности. Они также провели интерпретацию стратиграфической структуры недр на основе каротажных диаграмм скважин, геофизических и геологических / рельефных карт. И в завершение они определили пьезометрические поверхности, используя измеренные уровни рек и имеющиеся данные. Согласно данным доктора Сэттлера:
”Анализ участка оползня Рипли оказался непростой задачей вследствие сложных условий порового давления воды и желания точно отобразить инфильтрацию на поверхности земли, а также изменение уровня реки. Мы хотели убедиться, что достигли достаточного понимания того, каким образом ненасыщенные условия и всасывание влияют на устойчивость грунтов на этом участке.
На следующих иллюстрациях представлена подробная информация об исходном анализе устойчивости и просачивания, выполненном в PLAXIS LE доктором Сэттлером.
Модель порового давления воды из PLAXIS LE (Неделя 1)
Модель критического коэффициента запаса прочности из PLAXIS LE (Неделя 1)
Перенос анализа в GeoStudio
Учитывая вывод PLAXIS LE из эксплуатации (уведомление выпущено в 2023 году), мы воссоздали полную числовую модель в GeoStudio для проверки результатов. К ним относятся:
- Трехмерный анализ просачивания грунтовых вод методом конечных элементов (SEEP3D) для создания сложного водного режима
- Трехмерный анализ устойчивости методом предельного равновесия (SLOPE3D)
Для объединения этих двух типов анализа потребовалась трехмерная геометрия в GeoStudio. Поверхности были подогнаны к импортированным поверхностям каркасных сеток, представляющим топографию и поверхности контактов стратиграфических подразделений, как показано ниже.
Обратите внимание, что при проведении только 3D-анализа методом предельного равновесия в GeoStudio можно импортировать геометрические структуры из объемов геологической модели (например, импорт из Leapfrog или импорт файла OBJ).
Импорт поверхностей контакта горных пород в качестве каркасной сетки фона в GeoStudio
Подгонка поверхности к каркасной сетке фона
При анализе просачивания в качестве исходного водного режима использовалась импортированная пьезометрическая поверхность с площадки проекта. Как и в модели доктора Сэттлера, были определены два важнейших граничных условия, для того чтобы представить: (1) измеренный уровень реки с течением времени и (2) инфильтрацию на поверхности земли над рекой.
Для оценки баланса поверхностных вод и соответствующей инфильтрации использовался первоначальный одномерный анализ просачивания. Для этого в граничном условии, примененном на поверхности земли, оценивались климатические условия, включая осадки, температуру воздуха, относительную влажность и эвапотранспирацию. Учет этих условий может иметь решающее значение для правильного моделирования условий инфильтрации и ненасыщенности. Рассчитанный поток воды на поверхности земли применялся в качестве граничного условия выше уровня реки при трехмерном анализе просачивания.
Определение анализа просачивания грунтовых вод
Определение анализа устойчивости с учетом избыточных нагрузок от притока воды и полностью определенной поверхностью скольжения
Результаты трехмерного анализа просачивания использовались в 3D-анализе устойчивости для исследования устойчивости с течением времени с учетом изменяющихся условий порового давления воды. Как и в PLAXIS LE, метод поиска по алгоритму кукушки доступен в SLOPE3D от GeoStudio. Данный метод использовался для сравнения общих результатов анализа GeoStudio с исходной моделью PLAXIS LE. Кроме того, в GeoStudio также задействован полностью определенный метод поиска для воспроизведения поверхности скольжения с наименьшим расчетным коэффициентом запаса прочности из исходной модели. И, наконец, неустойчивая поверхность отражала наличие тощих, набухающих глин на рассматриваемом участке.
GeoStudio в действии
Трехмерный анализ просачивания дал результаты, аналогичные результатам исходной модели доктора Сэттлера. Коэффициент запаса прочности менялся в зависимости от порового давления воды, но результаты оставались близкими к единице на протяжении всего времени моделирования. Это подтверждает наблюдения за продолжающимся смещением на месте оползня Рипли и соответствует выводам доктора Сэттлера. Максимальное отклонение критического коэффициента запаса прочности составило 15 %, учитывая диапазон исследованных условий порового давления воды. Доктор Сэттлер добавляет:
”Трехмерный анализ показал, что изменения порового давления воды вносят в общий коэффициент запаса прочности не менее 4 %, в то время как эффект подпора реки увеличивает коэффициент запаса прочности не менее чем на 11 %. В результате потеря всасывания, совпадающая с низким уровнем воды в реке, приводит к нарушению устойчивости склона в месте оползня Рипли.
Схожие наблюдения отмечались при завершении анализа модели GeoStudio, что подчеркивает возросший уровень понимания при использовании методов 3D-анализа для выявления сложных особенностей естественных оползней. Модель GeoStudio подтвердила наблюдение, что движение оползня из года в год, по всей видимости, связано с изменением условий порового давления воды в грунтах.
Полностью определенная поверхность скольжения без оптимизации показала разницу с анализом PLAXIS LE менее 0,36 %
Показатель, полностью определенный с настройками оптимизации по умолчанию, отличался от анализа PLAXIS LE меньше чем на 5 %
Поиск по алгоритму кукушки (Cuckoo Search) показал аналогичный механизм обрушения для полностью определенной поверхности скольжения с несколько меньшим коэффициентом запаса прочности
Улучшенное понимание
Наблюдаемый механизм обрушения при оползне Рипли проверен при помощи GeoStudio; подтверждено, что критический коэффициент запаса прочности в применяемом диапазоне условий порового давления воды оставался равным или приблизительно равным единице.
Для этого анализа в GeoStudio использовались следующие встроенные функции:
- Возможность с легкостью объединять трехмерные анализы просачивания и устойчивости
- Использование тощих слоев для определения разрыва
- Доступные методы поиска — поиск по алгоритму кукушки для исследования критической области обрушения, а также полностью определенные методы для воспроизведения результатов PLAXIS LE
В этом проекте подчеркиваются полезные аспекты использования методов 3D-анализа для понимания поведения естественного оползня с такими сложными компонентами, как грунтовые воды и топографические особенности, а также беспроблемная интеграция трехмерных продуктов GeoStudio с предыдущими возможностями PLAXIS LE.
Справочная информация
Сэттлер, К. 2022 г. Переменное всасывание и его влияние на устойчивость оползня Рипли около г. Ашкрофт, Британская Колумбия. Университет Саскачевана (кандидатская диссертация).
Солтанье А. и Маччотта Р., 2022 г. Обновленное понимание кинематики оползня Рипли при анализе с помощью спутникового интерферометрического радиолокатора с синтезированной апертурой (InSAR). Geosciences 12(8): 298. https://doi.org/10.3390/geosciences12080298
Выражение признательности
Поддержку вышеупомянутым исследованиям, проведенным на оползне Рипли, оказали следующие организации: Совет по исследованиям в области естественных и технических наук (NSERC), Программа исследований опасностей на железных дорогах, Министерство транспорта Канады, Служба геологической съемки Канады, Канадская национальная железная дорога и Канадская Тихоокеанская железная дорога в г. Канзас.