Použitie GIS pre určovanie stability Použitie GIS pre určovanie stability

svahovsvahov Ing. Juraj MužíkIng. Juraj Mužík

Žilinská Univerzita v ŽilineŽilinská Univerzita v ŽilineKatedra GeotechnikyKatedra Geotechniky

Stavebná FakultaStavebná Fakulta

Úlohy a Ciele...Úlohy a Ciele...

• Vytvoriť softvérový modul pre modelovanie stability svahov

• Návrh a vytvorenie stabilitného modelu

• Vytvoriť prostriedky pre prípravu, spracovanie a odvodenie vstupných údajov

Stabilita svahov...Stabilita svahov...

• Odolnosť svahu proti porušeniu alebo zosuvu• Príčiny vzniku zosuvov:

o vztlakové a priesakové účinky podzemnej vodyo pórové tlaky aktivované v súdržných zeminách o priťažujúce alebo zotrvačné účinky seizmicity

Porušenie.Pri porušení dôjde ku strate stability v dôsledku prekročenia šmykovej pevnosti zeminy na ploche porušenia.

ZosuvRelatívne rýchly gravitačný pohyb po šmykovej ploche

Šmykové plochy Šmykové plochy

• Šmyková plocha - oblasť kde došlo k strate šmykovej pevnosti

• Tvary šmykovej plochy

Zosuvy – príklad problémovZosuvy – príklad problémov

Riešenie problému stability svahov Riešenie problému stability svahov bez GISbez GIS

Geologické metódy určovania stability svahov:

• metódy medznej rovnováhy • metódy progresívneho porušovania • metódy fyzikálneho a matematického

modelovania

Stabilitný modelStabilitný model• Stabilitný model nekonečného svahu

• Mohr-Coulombovo kritérium šmykovej pevnosti

FS = šmykový odpor zeminy / šmykové napätie na ploche porušenia

b – šírka riešeného prúžku

D – zvislá výška prúžku

hw – piezometrická výška

W – tiaž prúžku

T – tangenciálna zložka

N – normálová zložka

u – pórový tlak

θ – sklon svahu

Stabilitný model nekonečnéhoStabilitný model nekonečnéhosvahusvahu

sin

tan1cos wrCFS

sin

tan1cos wrCFS

= atan S

D

Dwh

hw

1,

sinTaR

MinD

Dw w

sw /r )gh/()CC(C ssr

1. Index premočenia

3. Pomer hustoty

2. Kombinovaná kohézia

Topologický index premočenia Topologický index premočenia

• Predpokladá sa, že odtok v určitom lubovoľnom bode je v rovnováhe s ustáleným prítokom

• Kapacita prietočnosti zeminy = T sin θ, kde T je prietočnosť zeminy a θ je sklon svahu

• Podpovrchové prúdenie sleduje topografický gradient

• Špecifický odtok je definovaný ako q = R·a

• Index premočenia je určený vzťahom W = Min{(R·a / T·sin θ),1}

Špecifická odtoková plocha [m2/m m] (zberná plocha na jednotkovú dĺžku)

Špecifická odtoková plochaŠpecifická odtoková plocha

AREA 1AREA 1

AREA 2AREA 2

3

12

• Má štruktúru GRIDu• Počíta sa pre každú

bunku• Veľkosť bunky závisí

od veľkosti bunky pôvodného DEMu

• Je vyjadrená ako premenná „a“ v jednotkách [m]

Kombinovaná kohéziaKombinovaná kohézia

C = (Cr+ Cs)/ (h ρs g) – bezrozmerný faktor kohézie, vyjadrený ako pomer kombinovanej kohézie v pomere ku kolmej hrúbke zeminy

Implementácia arcSlopeStabImplementácia arcSlopeStab

• arcSlopeStab extension pre ArcView 9.0

• ArcObjects & Visual C++

• COM server

VVývojový diagram arcSlopeStabývojový diagram arcSlopeStab

Vstupné údaje

Konverzia na ESRI GRID

DEM digitálny model reliéfu- IDRISI Raster- ESRI GRID- ESRI TIN

Údaje o riešenom území vo formáte SHP - charakteristiky zemín- klimatické podmienky

Vyplnenie dier - Pit filling- odstránenie defektov digitálneho modelu reliéfu

Výpočet sklonov – Slope

Určenie smerov prúdenia vody na riešenom území

Určenie špecifickej zbernej plochy

Výpočet faktora bezpečnosti FS a určenie indexu stability SI

sin

tan1cos wrCFS

Vstupné údajeVstupné údaje

• Digtálny model reliéfu DEM – ESRI TIN– ESRI GRID– Idrisi Raster

• SHP - charakteristiky zemín • arcSlopeStab – ESRI GRID• Konverzia iných formátov do ESRI GRID

Vyplnenie dier – Pit FillingVyplnenie dier – Pit Filling

• Chyby Digitálnych Modelov Reliéfu

• Diery v DEM

• Vplyv dier na výpočet

• Odstránenie dier

Určovanie smeru prúdenia vodyUrčovanie smeru prúdenia vody

• Algoritmus D8

• Diskretizácia smerov prúdenia

Smery prúdeniaSmery prúdenia

Určenie sklonu svahu Určenie sklonu svahu

Zberná plochaZberná plocha

• Určenie Špecifickej odtokovej plochy

• Akumulácia vody v toku

Charakteristiky územiaCharakteristiky územia• Charakteristiky zemín• Klimatické a meteorologické charakteristiky• R/T – pomer ustáleného prítoku a prietočnosti zeminy vystupujúci ako jedna

veličina,• φ – uhol vnútorného trenia zeminy,• C – bezrozmerný faktor kombinovanej kohézie.

Uniformné rozdelenie

Výpočet Indexu StabilityVýpočet Indexu Stability

• Pre každú bunku sa vypočíta Index Stability

sin

1;sin

min1cos

FS SI121

min

tra

xC

sin

1;sin

min1cos

FS212

max

tra

xC

SI = Prob(FS>1)

SI = Prob(FS>1) = 0

SI = FS

<1

>1

<1

Definícia tried stabilityDefinícia tried stability

• Slovné vyjadrenie hodnoty indexu stability

Podmienka Trieda Predpokladaný stav

SI > 1.5 1 Stabilná zóna

1.5 > SI > 1.25 2 Dostatočne stabilná zóna

1.25 > SI > 1.0 3 Približne stabilná zóna

1.0 > SI > 0.5 4 Spodná medza nestability

0.5 > SI > 0.0 5 Vrchná medza nestability

0.0 > SI 6 Nestabilná zóna

Mapa StabilityMapa Stability

Ďakujem za pozornosťĎakujem za pozornosť