GIS

Aug 19, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7684 (2023) Citare questo articolo

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In combinazione con la capacità di elaborazione dei dati spaziali dei Sistemi Informativi Geografici (GIS), il metodo Pan Jiazheng viene esteso da bidimensionale (2D) a tridimensionale (3D) e viene proposto un metodo di calcolo dell'altezza della frana 3D basato sulla griglia unità di colonna. Innanzitutto, i dati relativi alla frana vengono rasterizzati per formare colonne della griglia e viene stabilito un modello di analisi della forza delle frane 3D. Combinando il metodo della striscia verticale con le leggi del moto di Newton, vengono stabilite equazioni di equilibrio dinamico per risolvere l'altezza del picco. Inoltre, è stato sviluppato in ambiente GIS un modulo di espansione per il calcolo dell'altezza di frana in 3D, ed i risultati sono confrontati con quelli del metodo 2D Pan Jiazheng. I confronti hanno mostrato che l'altezza massima del picco ottenuta con il metodo proposto è maggiore del 24,6% rispetto a quella basata sul metodo Pan Jiazheng. Rispetto al tradizionale metodo 2D, il metodo 3D proposto in questo lavoro rappresenta meglio lo stato spaziale reale della frana ed è più adatto alla valutazione del rischio.

Un disastro da frana si riferisce a un disastro causato dallo scivolamento complessivo in discesa di una massa rocciosa o di terreno sotto l'azione della gravità ed è uno dei principali disastri geologici del mondo. Le elevate velocità di scivolamento e le lunghe distanze di scivolamento di frane di medie e grandi dimensioni provocano ogni anno massicce perdite di vite umane e di proprietà. Tra questi, la frana dell'argine del bacino produce un'impennata maggiore durante lo scivolamento in acqua, e questo causa gravi danni alle navi in ​​transito e agli edifici circostanti, suscitando molta preoccupazione in tutto il mondo. Nel mondo sono molti gli eventi causati dalle frane, come le mareggiate alte 100 m innescate dalla frana nel bacino del Vajont, in Italia, nel 1963, che uccise almeno 2.000 persone1; la roccia rossa si è sollevata a Wushan, Chongqing, Cina nel 20152; e l’ondata di Dayantang nell’Hubei, in Cina, nel 20143; tutto ciò ha causato grandi vittime e perdite economiche. Pertanto, è di vitale importanza valutare il rischio di ondate causate dalla frana dell'argine del bacino.

Il calcolo dell'altezza delle sovratensioni è uno degli indici chiave per valutare il pericolo di sovratensioni. I metodi di calcolo dell'altezza del picco possono essere principalmente suddivisi in metodo di analisi teorica4,5,6,7,8, metodo di simulazione numerica10,11,12,13,14 e metodo di modellazione fisica15,16,17. Tra questi, il metodo Pan Jiazheng nel metodo di analisi teorica è ampiamente utilizzato nelle applicazioni ingegneristiche a causa dei suoi processi di modellazione semplici, che hanno pochi requisiti per gli ingegneri e un'elevata precisione.

Il metodo Pan Jiazheng ha avuto origine da Noda. Noda4 ha proposto un metodo approssimativo per trovare l'ampiezza del picco più grande nella regione non lineare utilizzando le soluzioni ottenute dalla teoria lineare. Da allora molti studiosi hanno condotto ricerche più approfondite. Su questa base, l’accademico Pan Jiazheng5 ha diviso il corpo della frana in tante strisce verticali bidimensionali (2D) e ha calcolato l’altezza del rialzo considerando il movimento orizzontale e verticale della frana. Questo metodo è chiamato metodo Pan Jiazheng. Il metodo è stato applicato e migliorato nel corso degli anni. Ad esempio, Dai et al.6 hanno utilizzato il metodo Pan Jiazheng per calcolare la velocità di scorrimento della frana di Xiaduling nell'area del bacino idrico delle Tre Gole. Huang et al.7 hanno migliorato il metodo Pan Jiazheng considerando la resistenza dell'acqua e la variazione del coefficiente di attrito. Miao et al.8 hanno proposto un modello a blocchi scorrevoli basato sul metodo della striscia verticale 2D per prevedere l'altezza massima del picco.

Sebbene il metodo Pan Jiazheng abbia apportato alcuni miglioramenti, è ancora nella fase 2D e i risultati del calcolo saranno diversi se viene selezionata la sezione 2D. Tuttavia, lo stato reale della frana è tridimensionale (3D) e il metodo di analisi 2D non può simulare in modo ragionevole lo stato reale della frana. Hu18 ha proposto che il valore ottenuto dall'analisi dello stato 2D sia circa il 70% del valore dello stato 3D. Il metodo Pan Jiazheng basato sul modello 2D non è stato in grado di ottenere valori di risultato ad alta precisione, quindi lo studio del metodo Pan Jiazheng basato sull'analisi dello stato 3D è di grande importanza per migliorare la precisione del calcolo.