基于GUI界面的边坡地震射线可视化研究

黄楠棋

摘 要：为直观展现地震作用下边坡中地震波射线的传播规律，针对目前地震射线研究可视性差等特性，文章基于MATLAB软件中GUI开发环境编制程序，基于地震波动理论，采用地震动合成算法，开发地震波成像的处理程序，使地震波在边坡中的传播规律可视化，模拟地震波在静态均匀介质中的传播路径。为进一步实现动态地震波可视化提供基础，将地震波的传播规律直观地表现出来。

关键词：地震波；射线理论；MATLAB；GUI界面

引言

地震数值模拟技术的飞速发展始于20世纪60年代。现有多种类型的模拟方法：有限差分法、有限元法和分方程法等。目前运用地震波理论对边坡稳定性分析的研究主要集中在边坡局部区域地震波射线的传播规律上，尚未拓展到边坡整体稳定性分析领域。主要原因在于地震波射线在复杂地质边坡内部的传播路径很难精确确定。因此，如果能实现对边坡内地震波射线路径的可视化，将有益于地震波理论在边坡稳定性分析中的应用。

可视化是指用于创建图形、图像或动画，以便交流沟通信息的技术和方法。可视化技术是一种使人能够在二维及三维图形世界中直接与计算机交流的技术，让人直接对具有形体的信息进行操作。这种技术已经把人和机器的力量以一种直观的方式相结合，极大地提高了工作效率。因此，将地震波在均匀地质边坡中的传播规律实现可视化可极大的提高地震工作者对于地震波传播情况的分析效率。

1 建立边坡模型

选用文献[1]中的实验模型进行可视化研究。为了与实验环境吻合，可视化计算中模型为坡角为 60°的均质灰岩边坡。岩体为均匀连续的各向同性介质（材料参数为： 弹性模量E为8940MPa，泊松比μ为0.2，摩擦角φ为39°，粘聚力C为1600kPa），地震波从底部垂直向上传播。

2 地震波射线理论

地震波在弹性介质中的传播通过射线理论来分析。由于外力作用或扰动而引起位移、应力及应变在弹性体内的传播过程，就形成了弹性波，地震波通常可以被看成是在岩层中传播的弹性波[2]。这里考虑的岩体为均匀连续的各向同性介质，地震波是自下而上传播[3]。考虑到层状边坡在斜面和结构面处均会发生波场转换的现象[3]，有两点需要注意：（1）P波（或SV波）如果以超过临界角入射到自由表面，将发生全反射；（2）垂直入射的P波，同样也会发生全反射。其中反射角和折射角采用斯涅尔定律计算[4]。

3 地震波射线可视化软件开发

MATLAB作为集通用科学计算、绘图、系统建模和程序设计语言为一体的高校科学计算软件，已经得到了广泛的应用，其中图形用户界面（GUI）开发环境更是被广泛应用于可视化软件开发[5]。文章以纯代码形式，采用“事件驱动”编程方法完成必要的代码并调试运行程序。图形界面在计算机屏幕上显示出来以后，用户可以从弹出式菜单选择不同的函数来产生响应的数据，然后单击选择按钮，与按钮相应的回调函数就被执行，就会在坐标轴上绘制相应的图形[6]。

将编好的GUI程序导入m文件当中，点击运行按钮，得到GUI界面，如下图所示（图2）。在界面当中XY字样下方的方框里出入待求射线规律的坐标，再选择左下方的坡脚选项，就可得到边坡地震射线可视化程序界面（图3）。

4 结束语

文章使用MATLAB语言，采用GUI界面编程，将边坡地下各点处地震波的传播路径用图形形象直观地表现出来。这样将会大大减少地震研究工作者的工作量，提高工作效率，部分解决了：（1）地震波观测系统设计不合理；（2）对地震波的传播特征研究缺乏系统性；（3）适合地震波传播成像的处理软件还未被开发等一系列问题。

参考文献

[1]邹威，许强，刘汉香.强震作用下岩质斜坡动力响应特性的大型振动台试验方案设计[J].地质灾害与环境保护，2011，22（1）：87-91.

[2]孙禹成，李振春.地震波动力学基础[M].石油工业出版社，2011.

[3]陈臻林，胡潇.基于动力反透射模型的成层边坡稳定性分析[J]，地质灾害与环境保护，2013，3：76-80.

[4]胡德绥.弹性波动理论[M].北京：地质出版社，1989

[5]徐金明，张孟喜，丁涛.MATLAB实用教程[M].北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2005.

[6]陈和平，邵平凡，汤惟.可视化程序设计及应用[M].武汉：武汉理工大学出版社，2009.