工程勘察設計BIM技術在滑坡治理工程中的應用

彭海游, 陳 渝, 任秀文, 陳柏林, 郭 琪,鄒常生

(1. 重慶地質礦產(chǎn)研究院, 重慶 401120； 2. 重慶市地質環(huán)境監(jiān)測總站, 重慶 401122； 3. 重慶中科勘測設計有限公司, 重慶 400042)

0 引 言

三維地質建模就是將地質調查、勘探、測井、物探等資料和各種解釋結果綜合在一起生成三維定量模型。于20世紀90年代產(chǎn)生，近年隨計算機技術的發(fā)展越來越受到人們重視。三維地質建模及應用在業(yè)界還有如地質BIM、GIM、勘察巖土BIM、GeoIM等不同的名稱，與建筑BIM有本質區(qū)別。建筑BIM是根據(jù)確切的數(shù)據(jù)去構建模型；地質建模實質則是根據(jù)有限的勘查數(shù)據(jù)，通過地質算法，把感興趣范圍內(nèi)的地質體空間狀態(tài)和地質屬性構建起來，其重點在地質推演，以及推演出來的地質模型的應用。隨著計算機技術的飛速發(fā)展和數(shù)字化、信息化時代的到來，三維地質模型在地質、巖土行業(yè)越來越受到重視，并成為研究熱點之一。

繼1993年S.W.HOULDING[1]首先提出了三維地質建模概念以來，國內(nèi)外學者已開展了相關研究，并取得可喜的研究成果[2]。針對地質體建模的特殊性和復雜性，J.L.MALLET[3]提出的離散光滑插值技術已成為地質體計算機輔助設計的核心技術，并在國際上得到極大的重視。國外目前三維地質建模軟件有EVS、GOCAD、Geosec、GeoToolkit、GeoFrance3D、ROCKWARE、C-Tech、SURPAC等。國內(nèi)學者和機構也開展了相關研究工作，如中科院地質所的三維地質成果、武漢中地的MAPGIS平臺、超維創(chuàng)想的CREATAR平臺、長沙迪邁的DIMINE平臺等。雖然國內(nèi)外研發(fā)的三維地質軟件已有數(shù)十款，主要應用于地質學研究、油氣、水利水電、礦產(chǎn)等行業(yè)[4-11]。在巖土工程和地質災害領域，國內(nèi)學者開展了相關研究并取得一定成果[12-14]，但仍起步較晚。筆者借助當前已有的軟件平臺，通過整合各軟件平臺的優(yōu)勢，充分發(fā)揮其特點，研究形成了一種用于滑坡治理的工程勘察設計BIM技術方法。

1 工程勘察設計BIM技術方法

根據(jù)滑坡治理工程勘察設計的技術流程，將工程勘察設計BIM技術方法按先后順序分為3個步驟，分別為勘察數(shù)據(jù)處理、三維地質建模和滑坡治理工程設計。在整合各軟件優(yōu)勢的基礎上，形成了一種滑坡治理工程勘察設計BIM技術方法，技術流程如圖1，具體技術方法如下：

1)勘察數(shù)據(jù)處理。借助辦公軟件Office及繪圖軟件AutoCAD等，將工程勘察成果資料，如地形圖、地質鉆孔編錄、地質剖面圖、鉆孔柱狀圖等，按照三維地質建模軟件GOCAD的建模數(shù)據(jù)要求進行標準化處理，形成可供GOCAD識別的巖土體分層數(shù)據(jù)。將處理后的勘察數(shù)據(jù)導入GOCAD軟件中，形成三維地質建模的數(shù)據(jù)集。

2)三維地質建模。利用工程勘察的鉆孔、地質剖面、物探、地形測量等多源數(shù)據(jù)，借助GOCAD軟件的流程化建模方法，構建滑坡工程勘察區(qū)的三維地質模型。GOCAD的三維地質流程化建模方法具有快速、高效、人機交互等特點。按照GOCAD設定的流程(圖2)，首先進行地層層序設置，即巖土體各層之間相互關系設定；然后進行光滑曲面插值，擬合巖土體層面，構建地層面；最后將各層巖土體層面封裝形成地質體，從而構建起三維地質模型。建模過程中，地質人員通過人機交互模式，對模型進行主動干預和矯正，可實現(xiàn)工程勘察區(qū)三維地質模型快速、準確、高效建模。

3)滑坡治理工程設計。將GOCAD構建的三維地質模型導出開展治理工程三維設計。利用三維設計模型的可視化功能，查看、測量巖土體以及設計要素空間信息和相互關系，從而開展方案的優(yōu)化設計。將三維設計模型導入數(shù)值分析軟件，開展數(shù)值計算，對滑坡治理工程位移、應力及穩(wěn)定性進行分析，從而開展治理方案的優(yōu)化設計。

圖1 滑坡治理工程勘察設計BIM技術流程Fig. 1 Technical process of engineering survey and design BIM in landslide control project

圖2 GOCAD流程化建模過程Fig. 2 GOCAD process modeling

2 滑坡治理工程應用實例

2.1 滑坡概況

滑坡位于重慶市北碚區(qū)周家?guī)r，長約264.0 m，寬約60 m，坡向約104°～117°，高差約18.0～38.0 m，滑坡體主要成分為粉質黏土和砂泥巖碎石。坡腳和坡體出現(xiàn)多處變形裂縫，變形范圍呈圓弧形，前緣位于龍鳳溪河岸邊。由于上部主滑段工程加載，下滑力增大，坡腳土層厚度大，坡腳土層為強度較低的粉質黏土，且長期受龍鳳溪河水浸泡，加之上部土體在向下推力作用下發(fā)生較大的豎向位移，導致發(fā)生整體滑動變形，如圖3。

圖3 滑坡全貌(削方施工過程中)Fig. 3 Overall picture of landslide (during cutting construction)

2.2 勘察數(shù)據(jù)處理

將勘察數(shù)據(jù)進行必要的標準化處理，包括地形數(shù)據(jù)、地質鉆孔數(shù)據(jù)、地質剖面數(shù)據(jù)。

1)地形數(shù)據(jù)。因為GOCAD建立地形面對數(shù)據(jù)的要求與常規(guī)工程地形測繪成果的差異(通常地形測繪CAD圖中除等高線外，地物和微地貌等都是無高程信息)，需要對常規(guī)的測繪地形圖進行標準化處理。例如，利用空間三維多段線對陡坎等微地形進行處理，如圖4。通過對地形圖的標準化處理得到了三維空間下的地形數(shù)據(jù)，真實地反映了滑坡的地貌形態(tài)，如多級陡坎、建構筑物、公路和河流等。

2)剖面數(shù)據(jù)。將地質勘察的剖面圖成果進行標準化處理，構建了三維空間下的剖面圖CAD文件，如圖5。三維空間剖面圖中包含了地面線、地層分界線，還原了剖面所揭示的巖土體空間位置等相關信息。

3)鉆孔數(shù)據(jù)。將包括孔位、孔深、高程和分層等地質鉆孔信息進行標準化處理后形成的excel表格文件導入GOCAD中，如圖6。

圖4 標準化處理后的地形數(shù)據(jù)Fig. 4 Terrain data after standardized processing

圖5 標準處理后的空間地質剖面數(shù)據(jù)Fig. 5 Spatial geological section data after standardized processing

圖6 標準化處理后導入GOCAD的地質鉆孔數(shù)據(jù)Fig. 6 Geological drilling data imported into GOCAD after standardized processing

2.3 三維地質建模

將建模數(shù)據(jù)(2.2節(jié))導入GOCAD軟件后形成了建模所需數(shù)據(jù)集，如圖7，包括地形數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù)。然后借助GOCAD流程化建模方法，通過對巖土體相互關系的設定，自動構建巖土體層面，最后通過層面封裝完成三維巖土體建模。

圖7 導入GOCAD的三維地質建?；A數(shù)據(jù)集合Fig. 7 Basic data set of 3D geological modeling imported into GOCAD

滑坡治理工程三維地質模型如圖8，模型真實地反映了滑坡巖土體相關信息，如滑床(基巖)的砂泥巖互層結構、巖層厚度、巖層產(chǎn)狀以及巖土體的殲滅形態(tài)；模型準確地表達了滑面(巖土界面)的位置和空間形態(tài)，還準確地再現(xiàn)了多層土體的先后形成過程。圖8(b)是第1層沖洪積土形成，圖8(c)是第2層殘坡積土形成，圖8(d)是第3層沖洪積土形成，圖8(e)是第4層素填土形成。

圖8 滑坡巖土體形成過程的可視化呈現(xiàn)Fig. 8 Visualization of formation process of landslide rock and soil

2.4 滑坡治理工程設計應用

2.4.1 三維設計模型的可視化運用

滑坡治理工程采用坡體削方放坡結合抗滑樁的治理方案。坡體削方采用多級放坡處理，抗滑樁分別設置在坡體上部和坡腳處，形成上下兩排抗滑樁，形成了初步設計方案。然后構建了初步設計方案的滑坡治理工程三維設計模型，如圖9。從圖9中可以看出削方后的坡面三維形態(tài)、抗滑樁與滑坡巖土體的相互關系以及抗滑樁平面位置、樁截面尺寸、樁頂標高和嵌巖深度(圖10)。

圖9 基于三維地質模型的滑坡治理工程三維設計模型Fig. 9 3D design model of landslide control project based on 3D geological model

圖10 滑坡治理工程抗滑樁Fig. 10 Anti-slide pile of landslide control project

利用三維設計模型的可視化功能，對抗滑樁的嵌巖深度進行了優(yōu)化，如圖11。由圖11可知樁體嵌巖段和置入土層段的分布情況。初步設計方案中抗滑樁在虛線范圍內(nèi)的嵌巖段太短，土層中的部分較長，不能起到抗滑支護作用，如圖11(a)。進而對設計方案進行調整，加大虛線范圍內(nèi)的抗滑樁樁長，同時加大截面尺寸，如圖11中(b)，以起到有效的抗滑支護作用。

圖11 抗滑樁優(yōu)化設計Fig. 11 Optimal design of anti-slide pile

2.4.2 三維設計模型的數(shù)值分析

對三維設計模型進行了數(shù)值分析網(wǎng)格剖分，如圖12。設計模型的巖土體物理力學參數(shù)選取如表1。

圖12 滑坡治理工程設計模型數(shù)值分析網(wǎng)格Fig. 12 Numerical analysis grid of landslide control engineering design model

表1 物理力學計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of physical mechanics

1)削方放坡方案優(yōu)化。根據(jù)削方放坡初步設計方案，構建了滑坡削方放坡的三維模型，如圖13(a)。通過計算發(fā)現(xiàn)，該方案會出現(xiàn)局部垮塌，如圖13(b)。于是對該削方放坡方案進行了調整，對出現(xiàn)垮塌的位置進行局部放坡，如圖13(c)。通過計算發(fā)現(xiàn)，該處的垮塌現(xiàn)象得到的良好的處理，如圖13(d)。

圖13 削方放坡方案設計與優(yōu)化Fig. 13 Design and optimization of cutting and grading scheme

2)抗滑樁優(yōu)化設計。根據(jù)抗滑樁設計方案1〔圖14(a)〕進行的數(shù)值計算可知，設計方案基本可行，但上排抗滑樁少數(shù)樁頂〔圖14(b)中C區(qū)域內(nèi)〕位移較大，最大樁頂位移達61 mm。于是對方案1進行調整，對樁頂位移較大的幾根樁的樁截面尺寸和配筋率等力學性能進行加強，得到設計方案2，再進行數(shù)值計算。從計算結果〔圖14(c)〕可知，B區(qū)域內(nèi)樁位移明顯減小，該處樁頂位移得到一定控制，而A區(qū)域內(nèi)4根樁位移相對較大。對設計方案2進行再次調整得到設計方案3。由計算結果〔圖14(d)〕可知，D區(qū)域內(nèi)4根樁樁頂位移明顯減小。

3)基于三維設計模型，不斷調整抗滑樁設計方案，使得抗滑樁樁頂位移得到較好地控制，最終確定了抗滑樁設計方案3。

圖14 滑坡坡體及抗滑樁水平位移Fig. 14 Horizontal displacement of landslide slope and anti-slide pile

2.4.3 應用效果

筆者利用滑坡治理工程勘察設計BIM技術方法開展了周家?guī)r滑坡治理工程設計應用，最終確定了治理工程設計方案，并按設計方案進行了滑坡治理施工。圖15為滑坡治理工程竣工后的實拍照片。由圖15可知，項目達到了預期的治理效果，論證了筆者提出的滑坡治理工程勘察設計BIM技術方法是可行的。

圖15 滑坡治理工程竣工照片F(xiàn)ig. 15 Completion photo of landslide control project

3 結 論

通過對現(xiàn)有軟件的整合，充分發(fā)揮各軟件的特點，形成了一種滑坡治理工程勘察設計BIM技術方法。首先將地形、地質鉆孔、地質剖面等進行標準化處理；然后借助GOCAD進行流程化三維地質建模；最后將三維地質模型導入數(shù)值分析軟件開展治理工程設計應用。以重慶周家?guī)r滑坡治理工程為例對提出的工程勘察設計BIM技術方法進行了實際應用，其工程實際效果論證了技術方法的可行性和實用性。