基坑開挖對周圍環境的影響分析及其可視化方法研究

【摘要】本文以基坑開挖所產生的變形及其對周圍環境的影響分析方法為研究主題，結合三維可視化技術開發，探討了基坑開挖過程對周圍環境的影響問題。通過OpenGL技術對基坑變形的有限元計算結果和現場監測數據進行可視化，實現了基坑變形圖、位移云圖和等值線等的繪制，并提出了云圖與等值線繪制新方法和新思路。結合具體工程施工方案，驗證了該類方法的合理可靠性，同時證明了本文所探討的方法對于基坑開挖影響分析具有較好地實際應用價值[1]。

【關鍵詞】環境影響；基坑開挖；可視化分析；OpenGL

引言：

科學計算可視化指的是應用計算機圖形學和圖像處理技術，將計算過程中產生的數據及計算結果轉換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術[2]。它不僅包括科學計算數據的可視化，而且包括工程計算數據的可視化，如有限元分析的結果等，同時也包括測量數據的可視化，如用于基坑工程施工監測和墻體位移分析數據的可視化等等。

1、基坑周圍土體變形的可視化分析方法

1.1研究宗旨

利用現行的三維圖形標準庫OpenGL在可視化領域的優越性，探索和發現利用它進行基坑土體和支護結構等變形可視化原理和方法。為克服目前一般可視化方法中變形圖、云圖、等值線圖繪制過程中圖形質量與繪制速度之間的矛盾，研究OpenGL明暗過渡方法構造云圖，并以云圖為基礎逆向繪制等值線的方法。

1.2基坑開挖可視化實現方法

1.2.1變形圖

繪制基坑變形圖時，可通過繪制每個單元的局部變形得到整體最終變形，且繪制過程中不需考慮各節點的全局排列，而只需在單元內部考慮節點的排列情況。

此外，當基坑變形較小時，以實際比例繪制的變形圖難以區分變形前后的單元，此時需設定某放大系數，根據此系數將各結點位移值進行放大。

1.2.2彩色云圖

目前應用較廣泛的幾種云圖繪制方法都具有明顯缺點，都沒有解決云圖質量與繪制速度間的矛盾。因此，作者考慮利用OpenGL的顏色明暗處理功能解決這一問題。可按照以下步驟和流程，實現基坑有限元計算結果和監測數據的云圖繪制：

（1）確定計算結果中位移或應力的最小值與最大值；（2）根據“場量值一顏色”曲線確定數值與顏色的對應關系；（3）對所有有限單元，根據其頂點處的數值確定頂點顏色；（4）在OpenGL中繪制所有單元，并通過顏色明暗處理實現單元內顏色的平滑過渡。

1.2.3等值線

若能在云圖上找出代表某一場量值的所有顏色象素點，則這些點即構成了此場量值的離散等值線，當象素點比較密集時，其顯示結果就基本等同于連續等值線。此即等值線構造的逆向云圖法。

逆向云圖法構造等值線的過程可歸納如下：

（1）根據計算結果數據，通過OpenGL明暗處理繪制彩色云圖；

（2）根據等值線繪制條數及間距.結合“顏色-場量值”曲線，確定各等值線對應的象素顏色；

（3）獲取云圖各象素的顏色值；

（4）掃描獲取的云圖象素，保留符合等值線顏色的象索點，填充其它象素點為背景色，從而得到以象素點表示的所有等值線。

2、分析實例

2.1源數據的構成

從廣州地鐵體育中心站基坑的變形計算結果中，我們提取了以下數據做為可視化計算的源數據：

①有限元節點編號和坐標（x，y，z）；

②開挖引起的坑外土體的變形，包括不同施工階段的水平位移、縱向位移等等。

2.2體視化計算

2.2.1云圖

利用OpenGL繪制三角形的方法，以及實現顏色過渡的明暗處理技術，對該斷面上的每個節點賦予對應的場量顏色值，從而得到均勻過渡的位移云圖，經對比發現本文繪制的云圖能更好地反映各單元的位移變化情況，而不會出現ANSYS中所示的階梯狀變化。

2.2.2等值線

由云圖繪制的“場量一顏色”對應關系可知，不同的顏色對應不同大小的位移值。因此，當給定一組等值線數值后，即可根據該關系確定其對應云圖顏色，從而在掃描云圖時將非等值線顏色更改為背景色，得到以象素構成的離散位移等值線，如圖1所示。

2.2.3體數據分析

將圖1（a3）的等值線進行對比，可發現本文逆向云圖法不但可生成ANSYS所示等值線，而且還可在ANSYS各等值區域內細分生成其它數值的等值線，且全部繪制過程只需掃描一次云圖，因而該方法具有較大的實用性和優越性。

由圖1看出，靠近開挖區域的等值線具有比較理想的顯示效果，而距離開挖區域較遠的等值線則出現了線寬過大的缺陷。這主要是由于開挖區域附近的水平位移值變化比較劇烈，從而使得該區域內等值線的云圖顏色不會占據太多象素區域的緣故，而在位移變化不明顯的區域，等值線對應的云圖顏色就有可能占據大量象素區域從而造成線寬過大。

結論：

本文以OpenGL為手段，在基坑開挖有限元計算和現場監測數據的基礎上，探討了基坑工程的二維和三維可視化方法，并針對目前彩色云圖和等值線繪制中的缺陷，提出了相應的改進方法，即云圖的OpenGL明暗處理生成法和等值線的逆向生成法。將本文三維地層構造及數值計算結果可視化方法等內容應用于廣州地鐵體育中心站基坑工程中，計算結果符合現場勘查情況，并比通常有限元簡化計算結果更精確，驗證了本文方法的合理可靠性，可在類似工程中進行應用和驗證。

參考文獻：

[1]劉建航，侯學淵.基坑工程手冊[M]，北京：中國建筑工業出版社，1997.4.

[2]鄭宜楓.基坑工程的可視化分析方法[J].中國巖石力學與工程學報，2003，22.

[3]王誠東.淺談深基坑中巖土勘察技術要求[J].中國房地產業.2015.7

作者簡介：

何暉，教授，博士，院長，從事巖土工程科研工作。