Skip to main content
search

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.

a picture of RIpley Landslide from above

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.

a screenshot from Simulated pore water pressures from PLAXIS LE

Модель порового давления воды из PLAXIS LE (Неделя 1)

a screenshot from  Simulated critical factor of safety from PLAXIS LE

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

Stability analysis definition with water surcharge loads and fully specified slip surface displayed

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.

Fully specified slip surface with no optimization showed less than 0.36% difference with PLAXIS LE analysis

Полностью определенная поверхность скольжения без оптимизации показала разницу с анализом PLAXIS LE менее 0,36 %

 Fully specified with default optimization settings had less than 5% difference with PLAXIS LE analysis

Показатель, полностью определенный с настройками оптимизации по умолчанию, отличался от анализа PLAXIS LE меньше чем на 5 %

Cuckoo search method showed similar failure mechanism to the fully specified slip surface with a slightly lower factor of safety

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.