GIS

Aug 19, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7684 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In Kombination mit der räumlichen Datenverarbeitungsfähigkeit des geografischen Informationssystems (GIS) wird die Pan-Jiazheng-Methode von zweidimensional (2D) auf dreidimensional (3D) erweitert und eine 3D-Methode zur Berechnung der Erdrutschhöhe auf der Grundlage eines Rasters vorgeschlagen Säuleneinheiten. Zunächst werden die Daten zum Erdrutsch gerastert, um Gitterspalten zu bilden, und ein Kraftanalysemodell von 3D-Erdrutschen erstellt. Durch die Kombination der Vertikalstreifenmethode mit den Newtonschen Bewegungsgesetzen werden dynamische Gleichgewichtsgleichungen zur Lösung der Schwallhöhe aufgestellt. Darüber hinaus wird in der GIS-Umgebung ein Erweiterungsmodul zur Berechnung der 3D-Erdrutschschwallhöhe entwickelt und die Ergebnisse mit denen der 2D-Pan-Jiazheng-Methode verglichen. Vergleiche zeigten, dass die mit der vorgeschlagenen Methode erzielte maximale Schwallhöhe um 24,6 % größer ist als die mit der Pan Jiazheng-Methode. Im Vergleich zur herkömmlichen 2D-Methode stellt die in diesem Artikel vorgeschlagene 3D-Methode den tatsächlichen räumlichen Zustand des Erdrutschs besser dar und eignet sich besser für die Risikobewertung.

Eine Erdrutschkatastrophe bezieht sich auf eine Katastrophe, die durch das gesamte Abrutschen von Gesteins- oder Bodenmassen unter der Wirkung der Schwerkraft verursacht wird, und ist eine der größten geologischen Katastrophen der Welt. Hohe Rutschgeschwindigkeiten und lange Rutschstrecken mittlerer und großer Erdrutsche führen jedes Jahr zu massiven Verlusten an Leben und Eigentum. Unter anderem erzeugt der Erdrutsch am Ufer des Stausees beim Abrutschen ins Wasser eine größere Druckwelle, die den vorbeifahrenden Schiffen und den umliegenden Gebäuden großen Schaden zufügt und weltweit große Besorgnis erregt. Weltweit gibt es viele durch Erdrutsche verursachte Überschwemmungen, wie zum Beispiel die 100 m hohen Überschwemmungen, die 1963 durch den Erdrutsch im Vajont-Stausee in Italien ausgelöst wurden und mindestens 2.000 Menschen das Leben kosteten1; die roten Felsbrocken in Wushan, Chongqing, China im Jahr 20152; und die Dayantang-Wellen in Hubei, China, im Jahr 20143; All dies führte zu großen Verlusten und wirtschaftlichen Verlusten. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die durch den Erdrutsch am Stauseeufer verursachte Flutwellengefahr zu bewerten.

Die Berechnung der Überspannungshöhe ist einer der Schlüsselindikatoren zur Bewertung der Überspannungsgefahr. Die Methoden zur Berechnung der Schwallhöhe können hauptsächlich in theoretische Analysemethoden4,5,6,7,8, numerische Simulationsmethoden10,11,12,13,14 und physikalische Modellierungsmethoden15,16,17 unterteilt werden. Unter ihnen wird die Pan Jiazheng-Methode in der theoretischen Analysemethode aufgrund ihrer einfachen Modellierungsprozesse, die nur geringe Anforderungen an Ingenieure stellen und eine hohe Präzision erfordern, in technischen Anwendungen häufig verwendet.

Die Pan-Jiazheng-Methode hat ihren Ursprung in Noda. Noda4 schlug eine Näherungsmethode vor, um die Amplitude des größten Anstiegs im nichtlinearen Bereich zu ermitteln, indem die aus der linearen Theorie erhaltenen Lösungen verwendet werden. Seitdem haben viele Wissenschaftler vertiefte Forschungen durchgeführt. Auf dieser Grundlage teilte der Akademiker Pan Jiazheng5 den Erdrutschkörper in viele zweidimensionale (2D) vertikale Streifen ein und berechnete die Schwallhöhe unter Berücksichtigung der horizontalen und vertikalen Bewegung des Erdrutschs. Diese Methode wird Pan Jiazheng-Methode genannt. Die Methode wurde im Laufe der Jahre angewendet und verbessert. Beispielsweise verwendeten Dai et al.6 die Pan-Jiazheng-Methode, um die Rutschgeschwindigkeit des Xiaduling-Erdrutschs im Gebiet des Drei-Schluchten-Reservoirs zu berechnen. Huang et al.7 verbesserten die Pan Jiazheng-Methode, indem sie den Widerstand von Wasser und die Änderung des Reibungskoeffizienten berücksichtigten. Miao et al.8 schlugen ein Gleitblockmodell vor, das auf der 2D-Vertikalstreifenmethode basiert, um die maximale Schwallhöhe vorherzusagen.

Obwohl die Pan Jiazheng-Methode einige Verbesserungen vorgenommen hat, befindet sie sich noch im 2D-Stadium und die Berechnungsergebnisse werden unterschiedlich sein, wenn der 2D-Abschnitt ausgewählt wird. Der tatsächliche Erdrutschzustand ist jedoch dreidimensional (3D), und die 2D-Analysemethode kann den tatsächlichen Erdrutschzustand nicht angemessen simulieren. Hu18 schlug vor, dass der durch die 2D-Zustandsanalyse erhaltene Wert etwa 70 % des 3D-Zustandswerts beträgt. Mit der auf einem 2D-Modell basierenden Pan Jiazheng-Methode konnten keine hochpräzisen Ergebniswerte erzielt werden. Daher ist die Untersuchung der auf einer 3D-Zustandsanalyse basierenden Pan Jiazheng-Methode für die Verbesserung ihrer Berechnungsgenauigkeit von großer Bedeutung.

Geografische Informationssysteme (GIS) werden in der Geotechnik häufig eingesetzt19,20,21. GIS bietet leistungsstarke räumliche Analysefunktionen. Es kann eine einheitliche Verwaltung und Speicherung räumlicher Daten mit Funktionen wie räumlicher Positionierung, räumlicher Datenbankverwaltung, Erstellung digitaler Höhenmodelle usw. durchführen. Außerdem kann es Benutzern räumliche Multi-Faktor-Analyse, Vorhersage und Vorhersage, Simulationsoptimierung usw. bieten andere Methoden zur Analyse räumlicher Daten. Sein größtes Merkmal besteht darin, dass es Vektordaten basierend auf dem Rasterspalteneinheitsmodell in Rasterdatensätze umwandeln kann. Aufgrund seiner guten 3D-Geodatenverarbeitungsfähigkeit haben viele Wissenschaftler geotechnische Fachmodelle zu ihren geografischen Informationssystemen hinzugefügt22,23. Xies Team24,25,26 erstellte eine 3D-Grenzgleichgewichtsmethode im GIS und entwickelte das Modul zur Analyse der Hangstabilität. In diesem Artikel wird auf der Grundlage der vorherigen Studie eine Reihe von 3D-Methoden zur Berechnung der Erdrutschschwallhöhe entwickelt, die auf dem GIS basieren.

In Übereinstimmung mit der räumlichen Datenverarbeitungsfähigkeit des GIS erweitert dieser Artikel die Methode von Pan Jiazheng von 2 auf 3D und schlägt eine 3D-Methode zur Berechnung der Erdrutschhöhe auf Basis des GIS vor. Zunächst wird unter Berücksichtigung der räumlichen 3D-Beziehung von Rastersäuleneinheiten der Berechnungsausdruck der erforderlichen Parameter angegeben. Durch die Kraftanalyse der Gittersäuleneinheit in Kombination mit dem Newtonschen Bewegungsgesetz und unter Berücksichtigung der Einwirkung von Wasser wird die auf der Gittersäuleneinheit basierende dynamische Gleichung aufgestellt und die Gleitgeschwindigkeit des Gleitkörpers während des Gleitvorgangs gelöst. und dann wird die Schwallhöhe berechnet. Gleichzeitig wird ein Erweiterungsmodul zur Berechnung der Schwallhöhe auf Basis der Component Object Model (COM)-Technologie in der ArcGIS-Umgebung entwickelt und die Berechnung am Beispiel des Kaiding-Erdrutschs des Houziyan-Wasserkraftwerks durchgeführt und mit dem verglichen Ergebnisse der 2D-Pan-Jiazheng-Methode, die die Anwendbarkeit des Moduls bestätigten.

Nach dieser Einführung wird im zweiten Abschnitt die GIS-basierte 3D-Methode zur Berechnung der Schwallhöhe von Erdrutschen vorgestellt, die spezifische Formel zur Berechnung der Schwallhöhe angegeben und die sekundäre Entwicklung des Erweiterungsmoduls vorgestellt. Der dritte Abschnitt überprüft die Richtigkeit und Anwendbarkeit des Erweiterungsmoduls durch Fallberechnung. Abschließend folgt der vierte Abschnitt der Diskussion und Zusammenfassung.

Bei einer Steigung erfolgt die Darstellung der Daten hauptsächlich in Form von Vektoren. Zu diesen Daten gehören unter anderem Gleitoberflächen-, Schichten-, Grundwasser-, Verwerfungs-, Gleit- und andere Arten von Daten. Diese Vektordatenebenen können mithilfe der räumlichen Analysefunktionen von GIS in Rasterdatenebenen umgewandelt werden, um einen Rasterdatensatz zu bilden. Die Gitterdatenstruktur besteht aus rechteckigen Einheiten. Jede rechteckige Einheit hat eine entsprechende Zeilen- und Spaltennummer und wird einem Attributwert zugewiesen, der die Rastereinheit27,28,29,30,31 darstellt. Daher kann die Steigung basierend auf den Gittereinheiten in quadratische Säulen unterteilt werden, um ein Gittersäulen-Einheitsmodell zu bilden, wie in Abb. 1 dargestellt.

3D-Raummodell eines Erdrutschs ((a) schematisches 3D-Diagramm eines Erdrutschs, (b) schematisches 3D-Diagramm einer Säule).

Abbildung 2 zeigt die räumliche Beziehung zwischen Parametern. θ ist die Neigung der Gittersäule an der Gleitfläche; α ist die Neigungsrichtung der Gittersäule an der Gleitfläche; β ist die Gleitrichtung des Erdrutschs; θr ist die scheinbare Neigung der Hauptneigungsrichtung des Erdrutschs; αx ist die scheinbare Neigung der X-Achse; und αy ist die scheinbare Neigung der Y-Achse. Von diesen sechs Parametern sind α, θ und β bekannt und werden in einer von mir veröffentlichten Arbeit25 berechnet. Weitere drei Parameter αx, αy und θr können gemäß der räumlichen Beziehung in Abb. 2b berechnet werden, die wie folgt berechnet wird.

Die räumliche Beziehung zwischen Parametern. (a) Ist das räumliche Beziehungsdiagramm jedes Parameters in der Gitterspalte; (b) ist das Berechnungsbeziehungsdiagramm zwischen Parametern.

Die untere Fläche einer Rasterspalte wird berechnet durch

Dabei stellt die Zellengröße die Länge der Seite jeder Rasterspalte dar.

Das Gewicht W der Gitterspalte wird ausgedrückt als

Dabei ist m die Anzahl der Schichten, hm die Höhe jeder Schicht und rm das Einheitsgewicht jeder Schicht. Für die Gittersäuleneinheiten über dem Wasser wird rm aus dem natürlichen Einheitengewicht berechnet. Für Gittersäuleneinheiten unter Wasser wird rm aus dem Gewicht der schwimmenden Einheit berechnet.

Der Porenwasserdruck wird wie folgt ermittelt32.

Dabei ist R der Abstand vom mittleren Boden der Gittersäule bis zur Wasseroberfläche.

Beim Eintauchen des Gleitkörpers ins Wasser errechnet sich der Widerstand des Wassers wie folgt32.

wobei G die resultierende Kraft des Widerstands des Wassers gegen den gleitenden Körper (mN) ist; cw ist der viskose Widerstandskoeffizient, der 0,15 bis 0,18 beträgt; ρf ist die Auftriebsdichte (g/m3), wobei der Durchschnitt aller Schichten gebildet wird; v ist die Geschwindigkeit des Erdrutschs (m/s); und S ist die Oberfläche der Gittersäule im Wasser (m2).

Wie in Abb. 3 dargestellt, handelt es sich um die Kraftanalyse einer Gittersäule. Im 3D-Gleitkörper wird eine zufällige Gitterspalte ABCDA1B1C1D1 ausgewählt und die Kraftanalyse wird wie folgt erklärt26.

Das Gewicht einer Gitterspalte beträgt W; die Richtung ist die Z-Achse; und das Gewicht wirkt am Schwerpunkt der Gittersäule.

Die resultierende horizontale seismische Kraft beträgt kW, wobei k der „seismische Koeffizient“ ist; die Richtung von kW ist die Gleitrichtung des Erdrutschs; und die resultierende horizontale Kraft wirkt am Schwerpunkt der Gittersäule.

Die äußeren Lasten auf der Bodenoberfläche werden durch P dargestellt; Die Richtung von P ist die Z-Achse, und diese externen Lasten wirken in der Mitte der Oberseite der Gittersäule. Die äußeren Lasten stellen Belastungen dar, die durch Objekte auf der Oberfläche des Erdrutschs verursacht werden, beispielsweise Gebäude, Bäume usw.

Die Normal- und Scherspannungen auf der Gleitfläche werden durch σ bzw. τ dargestellt. Die Normalspannung verläuft senkrecht zur Gleitfläche und die Scherspannung verläuft in Gleitrichtung des Erdrutschs. Die Normal- und Schubspannungen wirken in der Mitte der Unterseite der Gittersäule.

Der Porenwasserdruck auf der Gleitoberfläche beträgt u. a. Die Richtung von u ist als σ gerichtet.

Die horizontalen Tangentialkräfte auf der vertikalen Fläche bei y = 0 und der vertikalen Fläche bei y = △y (△y stellt die Größe der Gitterspalte entlang der Y-Achsen dar) betragen T bzw. T + △T; die vertikalen Tangentialkräfte auf der vertikalen Fläche bei y = 0 und der vertikalen Fläche bei y = △y sind R bzw. R + △R; die Normalkräfte auf der vertikalen Fläche bei y = 0 und der vertikalen Fläche bei y = △y sind F bzw. F + △F; die horizontalen Tangentialkräfte auf der vertikalen Fläche bei x = 0 und der vertikalen Fläche bei x = △x sind E bzw. E + △E; die vertikalen Tangentialkräfte auf der vertikalen Fläche bei x = 0 und der vertikalen Fläche bei x = △x sind V bzw. V + △V; und die Normalkräfte auf der vertikalen Fläche bei x = 0 und der vertikalen Fläche bei x = △x sind H bzw. H + △H. Der Einfachheit halber wird die resultierende Kraft zwischen den Säulen in der Gleitrichtung des Erdrutschs als ΔD definiert.

Kraftanalyse einer Gittersäule.

Wir gehen davon aus, dass sich alle Gittersäuleneinheiten kontinuierlich bewegen, sich in der makroskopischen Dimension nicht trennen und nach dem Gleiten vertikal bleiben, wie auch von Pan Jiazheng5 angenommen. Die Kraftanalyse einer Gittersäule und die räumlichen Beziehungen zwischen Parametern an der Gleitfläche sind in den Abbildungen dargestellt. 2 bzw. 3.

Wir haben willkürlich eine Rasterspalteneinheit ausgewählt (die Rasterspalteneinheit in Zeile i und Spalte j). Gemäß den Newtonschen Bewegungsgesetzen werden dynamische Gleichgewichtsgleichungen in der Gleitrichtung des Erdrutschs und in der vertikalen Richtung aufgestellt. Die Kraftanalysen in Gleitrichtung des Erdrutschs und in vertikaler Richtung sind in Abb. 4 dargestellt.

wobei ax und a die horizontale bzw. vertikale Beschleunigung der Gitterspalte sind; φ ist der effektive Reibungswinkel der Gittersäule an der Gleitfläche; g ist die Gravitationsbeschleunigung; c ist der effektive Zusammenhalt der Gittersäule an der Gleitfläche.

Kraftanalyse in vertikaler Richtung und Gleitrichtung des Erdrutschs.

Gemäß dieser Annahme ist die horizontale Beschleunigung ax jeder Gitterspalteneinheit gleich und die vertikale Beschleunigung a jeder Gitterspalteneinheit variiert. Pan Jiazheng5 schlug vor, dass zwischen ax und a eine gewisse proportionale Beziehung besteht, d. h. aax = tanδ. δ ist der horizontale Neigungswinkel der Linie, die den mittleren Boden der Gittersäule mit dem mittleren Boden der nächsten Gittersäule in Gleitrichtung des Erdrutschs verbindet. Der Effekt vertikaler Tangentialkräfte wird ignoriert, nämlich ΔV-ΔR = 0; daher ist Gl. (8) kann wie folgt transformiert werden.

Die gleichzeitigen Gl. (9) und (10) können wie folgt erhalten werden.

Für den gesamten Gleitkörper sind die Kräfte zwischen den Gittersäulen innere Kräfte, d. h. die resultierende Kraft ist 0, was zu Gl. (12).

Durch Summieren aller Gitterspalteneinheiten kann die horizontale Beschleunigungsachse durch Gleichung bestimmt werden. (7).

Ersetzen der Gleichungen. (9) und (11) in Gl. (13) ergibt die folgende Gleichung.

Wo

Die Schritte zur Berechnung der Erdrutschgeschwindigkeit sind wie folgt.

Mithilfe der räumlichen Analysefähigkeit von GIS wird der Erdrutschkörper gerastert und die Größe der Gitterspalteneinheit (i, j) kann auf ein beliebiges Quadrat festgelegt werden. In Gleitrichtung des Erdrutschs wird alle ΔL eine Trennlinie von der Unterseite zur Oberseite des Erdrutschs gezogen, und die resultierenden Regionen werden mit Zone 1, Zone 2, Zone 3, …, Zone (n-1), Zone n nummeriert . Jede Partition enthält eine Anzahl von Gittersäuleneinheiten, und die Länge der Zone n ist kleiner oder gleich ΔL, wie in Abb. 5 dargestellt. Für eine Gittersäuleneinheit, die nicht vollständig in einer Partition enthalten ist, wenn die Fläche innerhalb der Partition größer als die Hälfte der Gesamtfläche ist, wird die Einheit in diese Partition unterteilt; andernfalls wird die Einheit in die nächste Partition aufgeteilt.

Für jede Gitterspalteneinheit sind die in Gl. erforderlichen Parameter erforderlich. (14) berechnet.

t0 ist der Startpunkt, an dem der Erdrutschkörper zu rutschen beginnt, und t0 = 0. Wenn sich der Erdrutschkörper nacheinander um die Distanz ΔL in Gleitrichtung des Erdrutschs bewegt, wird die entsprechende Zeit als t1, t2, t3…tn und aufgezeichnet die entsprechende Geschwindigkeit wird als vx1, vx2, vx3…vxn ausgedrückt.

Die Horizontalbeschleunigung zum Zeitpunkt t0 kann nach Gl. berechnet werden. (14) und wird als ax0 bezeichnet, und die Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t0 ist Null. Nachdem die Gleitstrecke ΔL erreicht ist, können die folgenden Gleichungen erhalten werden.

Zum Zeitpunkt t = t1 hat sich der Erdrutschkörper horizontal um eine Strecke ΔL in Gleitrichtung des Erdrutschs bewegt, Zone 1 ist von der Gleitfläche abgerutscht. Die horizontale Beschleunigung ax1 zum Zeitpunkt t1 wird weiterhin nach Gl. berechnet. (14). Im Gegensatz zu t0 ändert sich die Gewichtung für Zone (n-1) in die Gewichtung für Zone n, und die Gewichtung für Zone (n-2) wird zur Gewichtung für Zone (n-1) und so weiter (Zu diesem Zeitpunkt dort ist keine Rasterspalte für Zone n). Nachdem Ax1 berechnet wurde, kann Folgendes festgestellt werden.

Die Berechnung wird der Reihe nach fortgesetzt. Wenn die erhaltene Horizontalbeschleunigung negativ ist, kann die maximale Geschwindigkeit erhalten werden. Schließlich können ax und vx im Berechnungsprozess als jeweilige Kurven über der Gleitzeit aufgetragen werden.

Rasterisierung und Partitionierung von Erdrutschen.

Das China Institute of Water Resources and Hydropower Research hat eine empirische Formel zur Berechnung der Schwallhöhe vorgeschlagen33. In der Formel sind die Hauptfaktoren, die die Schwallhöhe beeinflussen, die Rutschgeschwindigkeit und das Volumen des Erdrutschs. Die Formel zur Berechnung der maximalen Schwallhöhe lautet wie folgt.

wobei ξmax die maximale Schwallhöhe (m) ist; d ist der umfassende Einflusskoeffizient mit einem Durchschnittswert von 0,12; vm ist die maximale Gleitgeschwindigkeit (m/s); V ist das Volumen des Erdrutschkörpers im Wasser (m3); und g ist die Gravitationsbeschleunigung, die 9,8 m/s2 entspricht.

Die Formel zur Berechnung der Schwallhöhe in verschiedenen Abständen vom Erdrutschkörper lautet wie folgt.

wobei ξ die Schwallhöhe an einem Punkt vom Erdrutschkörper L Meter (m) ist; n ist der Berechnungskoeffizient, der 1,4 beträgt; und d1 ist der Einflusskoeffizient in Bezug auf den Abstand L, der durch die folgende Formel bestimmt wird.

In Kombination mit der Schwallhöhenberechnungsmethode wurde ein Erweiterungsmodul basierend auf der Component Object Model (COM)-Technologie in der ArcGIS-Umgebung25,26 entwickelt.

Rasterisieren Sie zunächst die neigungsbezogenen Daten in der ArcGIS-Software, um einen Rasterdatensatz zu bilden (einschließlich der Informationen zu Höhe, Schichten, Grundwasser, Verwerfung, Gleitfläche usw.) und berechnen Sie die erforderlichen Parameter mithilfe des Erweiterungsmoduls. Teilen Sie dann den Gleitkörper in Einheiten auf und berechnen Sie mit dem Erweiterungsmodul Schritt für Schritt die Gleitgeschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt. Und die Berechnung stoppt, wenn die Beschleunigung kleiner als 0 ist. Ermitteln Sie abschließend die maximale Gleitgeschwindigkeit und berechnen Sie die maximale Schwallhöhe. Abb. 6 veranschaulicht die algorithmischen Schritte.

Die algorithmischen Schritte.

Der Kaiding-Erdrutsch ist etwa 14,5 km vom Damm des Houziyan-Wasserkraftwerks in Sichuan, China, entfernt. Die Länge des Erdrutschs entlang des Flusses beträgt etwa 490 m, die obere Höhe beträgt 2080 m, die untere Höhe beträgt 1754 m und das Volumen beträgt etwa 4,5 Millionen m3. Grund- und Schnittansichten sind in den Abbildungen dargestellt. 7 bzw. 8. Der Maßstab in Abb. 7 beträgt 1:50.000 und die Flussrichtung verläuft von Norden nach Süden.

Die Draufsicht auf den Kaiding-Erdrutsch.

Die Schnittansicht des Kaiding-Erdrutschs.

Die Einheitsgröße einer Gittersäule beträgt 5 m × 5 m und ΔL = 10 m. Der innere Reibungswinkel φ an der Gleitfläche beträgt 22,8°, das natürliche Einheitsgewicht beträgt 18,84 kN/m3, das schwimmende Einheitsgewicht beträgt 19,43 kN/m3, die schwimmfähige Dichte beträgt 2,11 × 106 g/m3, der viskose Widerstandskoeffizient beträgt 0,18 , und die Höhe des Wasserspiegels des Stausees beträgt 1810,3 m. Wenn der Erdrutschkörper gleitet, sinkt die effektive Kohäsion c an der Gleitfläche auf 0, d. h. c = 05. Mit dieser Methode und der 2D-Methode von Pan Jiazheng können die Beschleunigungs- und Geschwindigkeitskurven mit der Gleitzeit wie gezeigt erhalten werden in Abb. 9a bzw. b. Die Berechnungsergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

(a) Horizontale Beschleunigungskurve mit der Gleitzeit. (b) Gleitgeschwindigkeitskurve mit der Gleitzeit.

Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass die mit der vorgeschlagenen Methode erzielte maximale Geschwindigkeit 11,21 m/s beträgt, die Startbeschleunigung 1,25 m/s2 beträgt und die zum Erreichen der maximalen Geschwindigkeit erforderliche Gleitzeit 8,67 s beträgt. Im Vergleich dazu beträgt die mit der Pan-Jiazheng-Methode erzielte Höchstgeschwindigkeit 9,51 m/s, die Startbeschleunigung 0,84 m/s2 und die zum Erreichen der Höchstgeschwindigkeit erforderliche Gleitzeit 9,73 s.

Vergleicht man die Ergebnisse der vorgeschlagenen Methode mit denen der Pan Jiazheng-Methode, ist die maximale Geschwindigkeit der vorgeschlagenen Methode 15,2 % höher als die mit der Pan Jiazheng-Methode berechnete, die Startbeschleunigung ist 32,8 % höher und die zum Erreichen erforderliche Gleitzeit die maximale Geschwindigkeit beträgt 1,06 s.

Aufgrund der gefährlichsten Arbeitsbedingungen wird davon ausgegangen, dass der gesamte Erdrutschkörper ins Wasser rutscht. Das Volumen V des Erdrutschkörpers unter Wasser beträgt 340 × 104 m3. Nach Gl. (25) und (26) beträgt die mit der vorgeschlagenen Methode erzielte maximale Schwallhöhe 9,66 m und die Schwallhöhe am Dammstandort beträgt 0,56 m. Die mit der Pan Jiazheng-Methode ermittelte maximale Schwallhöhe beträgt 7,28 m und die Schwallhöhe am Dammstandort beträgt 0,44 m. Die Berechnungsergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

Der Erdrutsch liegt etwa 14,5 km vom Damm entfernt, die Scheitelhöhe beträgt 1847,02 m und der Wasserspiegel des Stausees wird auf 1810,3 m gehalten. Wenn die Schwallhöhe am Dammstandort 0,56 m beträgt, fließt kein Wasser über die Dammkrone und der sichere Betrieb des Damms wird nicht beeinträchtigt.

Die mit der vorgeschlagenen Methode erzielte maximale Schwallhöhe ist 24,6 % größer als die mit der Pan-Jiazheng-Methode ermittelte Schwallhöhe, und die mit der vorgeschlagenen Methode ermittelte Schwallhöhe am Dammstandort ist 21,4 % größer als mit der Pan-Jiazheng-Methode.

Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass der Unterschied zwischen den Ergebnissen der 2D-Methode und der 3D-Methode 24,6 % beträgt. Hu13 schlug vor, dass der durch die 2D-Zustandsanalyse erhaltene Wert etwa 70 % des 3D-Zustandswerts beträgt. Das Ergebnis stimmt mit Hus Vorhersage überein. Im Vergleich zum 2D-Verfahren bildet das Rechenmodell des 3D-Verfahrens den tatsächlichen räumlichen Zustand des Erdrutschs besser ab. Daher ist die Methode in diesem Artikel bei der tatsächlichen Risikobewertung besser anwendbar als die Pan-Jiazheng-Methode.

In diesem Artikel wird eine 3D-Methode zur Berechnung der Schwallhöhe von Erdrutschen vorgeschlagen, die den Erdrutsch in mehrere Gitterspalteneinheiten unterteilt. Die Methode geht davon aus, dass sich alle Gittersäuleneinheiten kontinuierlich bewegen und sich in der makroskopischen Dimension nicht trennen, sondern nach dem Gleiten vertikal bleiben. Nehmen wir also an, dass es sich bei den Säuleneinheiten um starre Materialien handelt. Beim eigentlichen Gleitvorgang sind die Säuleneinheiten jedoch nicht in der Lage, die Vertikale regelmäßig zu halten, insbesondere bei Erdrutschen im Erdreich, während die Säuleneinheiten beim Gesteinsrutschen während des Gleitvorgangs eine bessere Integrität bewahren können, so dass die Methode in diesem Artikel relativ gut funktionieren wird gute Anwendbarkeit für den Felssturz.

In Kombination mit der räumlichen Datenverarbeitungsfähigkeit des GIS wird die Pan Jiazheng-Methode von 2 auf 3D erweitert und erstmals eine 3D-Methode zur Berechnung der Erdrutschschwallhöhe vorgeschlagen. In Kombination mit dem Newtonschen Bewegungsgesetz wird die dynamische Gleichgewichtsgleichung zur Berechnung der Gleitgeschwindigkeit eines 3D-Gleitkörpers abgeleitet und anschließend die Schwallhöhe berechnet.

Dies ist das erste Mal, dass das Schwallhöhenberechnungsmodell mit GIS kombiniert wird. Parallel dazu wird ein Erweiterungsmodul auf Basis der ArcGIS-Software entwickelt und die Machbarkeit des Moduls anhand einer Fallstudie überprüft. Das Modul bietet die Vorteile eines einheitlichen Datenformats und eines einfachen Vorbereitungsprozesses.

Da es sich bei der Pan Jiazheng-Methode um eine Berechnungsmethode handelt, die sich auf 2D-Abschnitte konzentriert, fallen die Berechnungsergebnisse unterschiedlich aus, wenn verschiedene Abschnitte ausgewählt werden. Nachdem der 3D-Erdrutsch in der Rasterung durchgeführt wurde, wird in diesem Artikel ein 3D-Berechnungsmodell basierend auf der Gitterspalteneinheit erstellt, das die oben genannten Mängel überwindet und das Berechnungsmodell näher an die tatsächliche Situation bringt. Daher ist die Methode in diesem Artikel mehr anwendbar als die Pan-Jiazheng-Methode bei der tatsächlichen Risikobewertung.

Da die Anwendung von GIS in der Geotechnik immer umfangreicher wird, wird die in GIS festgelegte Berechnungsmethode für Schwallhöhen in diesem Dokument Wissenschaftlern eine theoretische Grundlage für die Hinzufügung von Modulen zur Berechnung von Schwallhöhen in ihren jeweiligen geografischen Informationssystemen bieten.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Zhao, T., Utili, S. & Crosta, GB Steinschlag- und Impulswellenmodellierung im Vajont-Reservoir durch DEM-CFD-Analysen. Rock-Mech. Rock-Ing. 49, 2437–2456 (2016).

Artikel ADS Google Scholar

Han, B. et al. Die überwachungsbasierte Analyse der verformungskontrollierenden Faktoren und der Hangstabilität des Reservoir-Erdrutschs: Hongyanzi-Erdrutsch im Südwesten Chinas. Geofluids 35, 1–14 (2018).

Google Scholar

Wang, JX, Xiao, LL, Ward, SN & Du, J. Die Tsunami-Quadrate-Modellierung des Dayantang-Erdrutschs von 2007 erzeugte Wellen unter Berücksichtigung der Auswirkungen auf die Wechselwirkungen zwischen Rutsche und Wasser. Ing. Geol. 284, 342–354 (2021).

Artikel Google Scholar

Risio, MD, Bellotti, G., Panizzo, A. & Girolamo, PD Dreidimensionale Experimente zu durch Erdrutsche erzeugten Wellen an einer abfallenden Küste. Küste. Ing. 56, 659–671 (2009).

Artikel Google Scholar

Xiao, L., Yin, K., Wang, J. & Liu, Y. Impulswelle, die durch Erdrutsche in Stauseen erzeugt wird, basierend auf physikalischen Modellexperimenten. J. Central South Univ. (Sci. Technol.) 45, 1618–1626 (2014).

Google Scholar

Dai, YX, Yin, KL & Wang, Y. Diskussion über die Methode zur Berechnung der Erdrutschgeschwindigkeit und zur Vorhersage von Erdrutschen. Fels-Boden-Mech. 29, 407–411 (2008).

Google Scholar

Huang, JZ, Zhong, ZH & Zhang, MF Gleitgeschwindigkeitsanalyse von Erdrutschen an Reservoirufern basierend auf der verbesserten vertikalen Schnittmethode. J. Mt. Sci. 30, 555–560 (2012).

Google Scholar

Miao, TD, Liu, ZY, Niu, YH & Ma, CW Ein Gleitblockmodell für die Runout-Vorhersage von Hochgeschwindigkeits-Erdrutschen. Dürfen. Geotechnik. J. 38, 217–226 (2001).

Artikel Google Scholar

Wang, ML, Tian, ​​Y. & Li, XL Experimentelle Studie zur Druckverteilung von Sporndeichen unter der kombinierten Wirkung von Erdrutschanstieg und Wasserfluss. AIP Adv. 12, 1221–1242 (2022).

Google Scholar

Sassa, K., Dang, KH, Yanagisawa, H. & He, B. Ein neues durch Erdrutsche verursachtes Tsunami-Simulationsmodell und seine Anwendung auf die Erdrutsch- und Tsunami-Katastrophe von Unzen-Mayuyama im Jahr 1792. Erdrutsche 13, 1–15 (2016).

Artikel Google Scholar

Yavari-Ramshe, S. & Ataie-Ashtiani, B. Numerische Modellierung subaerialer und unterseeischer Erdrutsche erzeugter Tsunamiwellen – jüngste Fortschritte und zukünftige Herausforderungen. Erdrutsche 13, 1325–1368 (2016).

Artikel Google Scholar

Majd, MS & Sanders, BF Das LHLLC-Schema für zweischichtige und zweiphasige transkritische Strömungen über einem mobilen Bett mit Lawinenbildung, Benetzung und Trocknung. Adv. Wasserressource. 67, 16–31 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Yin, YP, Huang, BL, Liu, GN & Wang, SC Potenzielle Risikoanalyse einer gefährlichen, von Gesteinsmassen erzeugten Impulswelle in Jianchuandong im Drei-Schluchten-Reservoir, China. Umgebung. Erdwissenschaft. 74, 2595–2607 (2015).

Artikel ADS Google Scholar

Brune, S., Babeyko, AY, Gaedicke, C. & Ladage, S. Gefahrenbewertung von durch Unterwasser-Erdrutsche verursachten Tsunamis: Eine Fallstudie in der Region Padang, Indonesien. Nat. Hazards 53, 205–218 (2010).

Artikel Google Scholar

Cui, P. & Zhu, X. Entstehung von Überspannungen in Stauseen durch Erdrutsche, ausgelöst durch das Wenchuan-Erdbeben. J. Earthq. Tsunami 05, 461–474 (2011).

Artikel Google Scholar

Huang, BL et al. Ein physikalisches Ähnlichkeitsmodell einer Impulswelle, die durch den Gongjiafang-Erdrutsch im Drei-Schluchten-Stausee in China erzeugt wurde. Erdrutsche 11, 513–525 (2014).

Artikel Google Scholar

Huang, BL, Yin, YP & Du, CL Risikomanagementstudie zu Impulswellen, die durch den Hongyanzi-Erdrutsch im Drei-Schluchten-Stausee in China am 24. Juni 2015 erzeugt wurden. Landslides 13, 603–616 (2016).

Artikel Google Scholar

Hu, GT Landslide Dynamics (Geological Press) 105–108 (Beijing, 1995).

Xie, M., Esaki, T. & Cai, M. GIS-basierte Implementierung des dreidimensionalen Grenzgleichgewichtsansatzes der Hangstabilität. J. Geotech. Geoumgebung. Ing. 132, 656–666 (2006).

Artikel Google Scholar

Senouci, R., Taibi, NE, Teodoro, AC, Duarte, L. & Meddah, RY GIS-basiertes Expertenwissen für die Kartierung der Erdrutschanfälligkeit (LSM): Fall des Küstenbezirks Mostaganem, westlich von Algerien. Nachhaltigkeit 13, 477–486 (2021).

Artikel Google Scholar

Jia, N., Mitani, Y., Xie, MW, Tong, J. & Yang, ZH GIS-deterministische modellbasierte 3D-Analyse der künstlichen Hangstabilität in großem Maßstab entlang einer Autobahn unter Verwendung einer neuen Methode zur Teilung von Hangeinheiten. Nat. Hazards 76, 873–890 (2015).

Artikel Google Scholar

Jia, N., Yang, Z., Xie, MW, Mitani, Y. & Tong, JX GIS-basierte dreidimensionale Hangstabilitätsanalyse unter Berücksichtigung der Niederschlagsinfiltration. Bull Eng Geol Environ 74, 919–931 (2015).

Artikel Google Scholar

Mergili, M., Marchesini, I., Rossi, M., Guzzetti, F. & Fellin, W. Räumlich verteilte dreidimensionale Hangstabilitätsmodellierung in einem Raster-GIS. Geomorphologie 206, 178–195 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Jia, N., Yang, ZH, Xie, MW, Mitani, Y. & Tong, JX GIS-basierte dreidimensionale Hangstabilitätsanalyse unter Berücksichtigung der Niederschlagsinfiltration. Stier. Ing. Geol. Env. 74, 919–931 (2015).

Artikel Google Scholar

Yu, G., Bu, L., Wang, CF & Farooq, A. Zusammensetzungsanalyse und verteiltes Annahme-GIS-Modell der Normalspannung auf der Hanggleitfläche. Vorderseite. Erdwissenschaft. 10, 123–135 (2022).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Yu, G., Xie, MW, Liang, J., Asim, F. & Williams, EJ Eine GIS-basierte 3D-Böschungsstabilitätsanalysemethode basierend auf der angenommenen Normalspannung auf der Gleitoberfläche. Wissenschaft. Rep. 10, 291–298 (2020).

Google Scholar

Xie, M., Esaki, T. & Zhou, G. GIS-basierte probabilistische Kartierung der Erdrutschgefahr unter Verwendung eines dreidimensionalen deterministischen Modells. Nat. Hazards 33, 265–282 (2004).

Artikel Google Scholar

Bhagyaraj, U. & Kolathayar, S. Bewertung der seismischen Gefährdung und Kartierung der Anfälligkeit für Erdrutsche für Ladakh, Jammu und Kashmir unter Verwendung der GIS-Technik. J. Geol. Soc. Indien 99, 377–382 (2023).

Artikel Google Scholar

Agrawal, N. & Dixit, J. Bewertung der Erdrutschanfälligkeit für Meghalaya (Indien) unter Verwendung bivariater (Häufigkeitsverhältnis und Shannon-Entropie) und multikriterielle Entscheidungsanalysemodelle (AHP und Fuzzy-AHP). All Earth 34, 179–201 (2022).

Artikel Google Scholar

Dai, Y., Bai, X., Nie, G. & Huang, FG Eine schnelle Bewertungsmethode für erdbebenbedingte Erdrutschopfer basierend auf GIS und einem logistischen Regressionsmodell. Geomat. Nat. Gefahr. Risiko 13, 222–248 (2022).

Artikel Google Scholar

Coco, L., Macrini, D., Piacentini, T. & Buccolini, M. Kartierung der Erdrutschanfälligkeit durch Vergleich GIS-basierter bivariater Methoden: Ein Schwerpunkt auf der geomorphologischen Implikation der statistischen Ergebnisse. Fernerkundung 13, 260–274 (2021).

Artikel Google Scholar

Habib, P. Erzeugung von gasförmigem Porendruck bei Felsrutschen. Rock-Mech. 7, 193–197 (1975).

Artikel Google Scholar

Peng, MJ et al. Stabilitätsanalyse von Erdrutschdämmen unter Schwalleinwirkung auf der Grundlage groß angelegter Gerinneexperimente. Ing. Geol. 259, 276–288 (2019).

Artikel Google Scholar

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Ich möchte Prof. Xiaowen Zhou, Lei Bu, Chengfeng Wang und Asim Farooq meinen aufrichtigen Dank für ihre Motivation und den Zugang zu ihrem immensen Wissen während dieser Forschungsarbeit aussprechen. Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China [Grant Numbers 51508203] unterstützt.

Fakultät für Bauingenieurwesen und Transport, South China University of Technology, Guangzhou, 510640, China

Guo Yu & Chengfeng Wang

Staatliches Schlüssellabor für subtropische Bauwissenschaften, South China University of Technology, Guangzhou, 510640, China

Xiaowen Zhou

China Coal Technology & Engineering Group, Nanjing Design & Research Institute Co., Ltd, Nanjing, 210031, China

Lei Bu

Kompetenzzentrum für Verkehrstechnik, Pak Austria Facshhoule Institute of Applied Sciences and Technology, Khanpur Road, Haripur, Pakistan

Asim Farooq

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GY war für die Implementierung des Algorithmus und die Programmierarbeiten verantwortlich. XZ war für die Ideen des Artikels verantwortlich. LB und CW waren für die Unterstützung bei der Programmierarbeit verantwortlich. AF war für die Unterstützung bei der Programmierarbeit verantwortlich.

Korrespondenz mit Xiaowen Zhou.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yu, G., Zhou, X., Bu, L. et al. GIS-basierte Berechnungsmethode für die durch dreidimensionale Erdrutsche erzeugte Schwallhöhe. Sci Rep 13, 7684 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34798-1

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Eingegangen: 02. Dezember 2022

Angenommen: 08. Mai 2023

Veröffentlicht: 11. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34798-1

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