基于GIM與BIM技術的滑坡治理研究

鐘 恒，劉廷偉，熊桂開

(重慶市勘測院 重慶市 400020)

0 引言

滑坡是指在重力和其他外力的作用下，斜坡上的土體或者巖體沿著一定的軟弱面或者軟弱帶整體失穩的現象[1]。滑坡是一種對人類活動危害最普遍的地質災害類型，且破壞性較為嚴重，一旦發生滑坡地質災害，就會對所發生區域內的生態環境、人們的生命財產安全造成巨大的侵害，其中，三峽庫區為我國滑坡災害最為典型地區[2]。

通過工程實例，基于GIM與BIM技術整合的三峽庫區師專群沱子滑坡地質及支護結構模型，提出采用改進的小排距雙排樁加固措施，并通過三維有限元分析對其安全性進行評估。與傳統勘察設計相比，通過GIM模型和BIM模型有機結合，能夠很好地把勘察與設計專業結合起來，實現優化設計方案、提高設計質量的目的。

1 工程概況

新建場平基坑位于三峽庫區重慶市涪陵區長江、烏江匯合口東岸，在地塊北、東、南三側形成挖方高邊坡，邊坡平面上呈一折線狀分布。邊坡總長約為530m，最大高度54.1m，邊坡總立面面積約17000m2。現狀地形總體呈東北高西南低，場地北側為裸露的巖石陡崖，東側為師專-群沱子滑坡。從邊坡最大高度、邊坡立面面積及所在區域滑坡規模綜合判定，項目規模為大型。周邊建構筑物多，結構多，北側邊坡差異風化致使部分巖石塊體懸空高度達54m巖質邊坡，坡頂為涪清路架空結構；東側團結路有衡重式擋墻、建筑陶瓷廠、師院附中、師專老校區等；現場場地地質條件復雜，江邊地下水條件復雜；同時，涪陵師專-群沱子滑坡是新建基坑設計的最大難題，項目的實施需對滑坡進行支護及滑坡土體開挖，對施工影響嚴重，項目極為復雜。

師專群沱子滑坡位于烏江右岸斜坡上，屬斜向坡地形，平面上為槽狀地形，斜坡總體寬緩且均一，平均地形坡度10°～15°。滑坡堆積主要分布于滑坡地帶，組成物質復雜，有粘土夾塊石，塊石粒徑一般10～400mm(局部塊石粒徑大于1000mm)，含量10%～40%，一般含量為30%，塊碎石夾少量粘土、粉土、粉質粘土，人工堆積的棄土棄渣，厚度變化較大，鉆探揭露厚度3.2～34.31m，主要分布在師專群沱子滑坡范圍內，為場地主要土層。本次場平基坑范圍內，滑體順江寬約320m，后緣寬約100m，縱長約1300m，面積26.65×104m2，滑體厚度一般在6.10～34.72m，平均厚度約14.40m，滑體方量約384×104m3，屬于松脫式、中層、大型、松散堆積層滑坡。滑面為基巖頂界面，滑面傾角一般3°～6°，局部傾角較大約28°，總體上為一平直型滑坡。滑體前緣位于烏江沖刷岸，地形向江內凸起，無漫灘分布，河床有順江深槽分布，深槽高程126～131m。該滑坡2003年和2010年已經過兩次治理，本次工程于原抗滑工程后部實施支護結構后開挖切割滑坡體，條件復雜且難度大。

在滑坡完全治理前，師專滑坡的形成經歷了蠕動、拉裂變形及滑移多個階段。滑體在庫區水位消落的情況下，滑坡前緣的土體不斷被沖刷和掏空，形成臨空面，滑坡前緣加劇，臨空面不斷加大。同時在地下水的持續作用下，導致坡體中部出現裂隙，然后一直延續到滑坡頂部沿應力集中帶產生的裂隙持續向深部及兩側發展，隨著變形的持續發展，導致滑帶處巖土體軟化，使其抗剪強度迅速降低。斜坡上部巖土體逐漸松馳，坡體變形進入累進性破壞過程。地下水逕流活動不斷加劇，追蹤優勢裂隙面不斷擴展，地表變形趨于明顯。在源于巖土體自重而產生的下滑推力作用下，剪應力高度集中，迅速向沿前緣已破壞的滑動面發展，導致后緣拉裂面與前緣剪裂面貫通，最終產生突發性破壞，形成牽引式滑坡。通過本次鉆孔中采集的土樣試驗數據與原滑坡勘察豎井中采集的土樣試驗數據對比分析，綜合考慮原設計治理的滑坡至今效果良好，充分說明滑坡治理采用的參數有效、可靠，本次滑帶土飽和C取12kPa、Ф取8.77°；本次滑體土飽和C取23.7kPa、Ф取16.2°。

2 GIM和BIM模型滑坡治理設計

在GIM建模方面，本項目利用山地城市區域地質三維模型構建集成方法(專利號：ZL201410157873.3)和基于鉆孔數據的海量三維地質模型網格式并行構建方法(專利號：ZL201310499848.9)，基于DSI離散光滑插值算法的地質體綜合建模體系建立了場地。利用1∶500地形圖，并參考孔口坐標，可以生成網格均勻、曲面精細的地形模型，真實反映地表的復雜起伏變化。首先建立土層模型，該場地覆蓋層主要由素填土和滑坡體碎石土構成。在巖性建模方面，首先利用三維地質建模軟件，實現鉆孔分層信息的快速解譯，可快速高效地生成巖體模型。最后，根據構建的整個場地的地質體模型和立方網模型，對滑坡體進行穩定性分析。通過自主研發的三維地質可視化平臺，成功解決了該項目中的山地城市區域地質三維模型的構建問題，實現了項目整體多鉆孔數據的三維地質模型構件及區域地質三維模型的可視化集成，為地質應用分析提供了數據基礎。

基于REVIT的巖土工程支護結構信息模型，將支護結構與周邊建(構)筑物及環境，利用BIM技術在場景中進行集成展示，實現支護結構可視化，提高勘察設計人員對巖土工程信息的高效利用。最后，通過三維地質可視化平臺，本項目建立了場地和基坑模型，利用“場平設計”功能，可實現場地基坑開挖、放坡作業，基于地質體模型，可準確統計工程開挖方量，將GIM模型和BIM模型有機結合起來。

抗滑樁是一種效果較好的傳統滑體加固方式。對一些中、深層滑坡，用抗滑擋墻難以整治的情況下，可以用抗滑樁。抗滑樁在滑坡體上挖孔設樁，不會因施工破壞其整體穩定。該方法滑坡治理中較為有效[3]。基于GIM+BIM模型，本項目采用小排距雙排樁加固措施，但擬設樁平面位置寬度約為7.5m，空間較小，受空間狹窄限制，不能前后排正對布置雙排樁，因此，改進的雙排樁采用前后排梅花形布置，形式于加密的單排樁，樁基間距5m，樁徑3m，樁頂設置整體冠梁，冠梁厚度2m，寬度7m。樁基設計中，類比三峽庫區涪陵區長江烏江匯合口東岸防洪護岸綜合整治工程群樁承臺基礎實施經驗，江邊水位漲落變化不適用采用人工挖孔樁，對本項目進行機械成孔支護樁設計[4]。

3 滑坡治理影響分析

滑坡治理影響分析涉及到巖土與結構相互作用的分析，其研究方法主要有數理力學方法和經驗類比方法兩類。而常見的數理力學方法包括理論分析研究、模型實驗研究和現場實測研究，其中，理論分析研究又包括純理論解析分析和數值解析分析。由于巖土工程的復雜性及特殊性，經驗法與解析法通常缺乏一定的通用性，其結果很難保證其準確性。數值模擬分析方法可以考慮地層條件、空間效應、輔助工法等影響因素，能夠較為真實地反映模擬邊坡的受力行為，在對工程的前后安全影響分析中得到廣泛應用。

分析思路為：根據工程技術資料、分析研究對象實際空間位置關系及地質條件對新建基坑過程中的風險進行分析。針對風險源，運用MIDAS/GTS有限元分析軟件進行仿真數值模擬計算，分析滑坡治理效果[5]。

通過分析結構物之間的相互影響關系，建立三維有限元模型。巖土材料采用理想彈塑性本構模型(摩爾-庫侖強度準則)，混凝土材料采用線彈性本構模型。巖土層厚度、巖土層力學參數等工程地質條件，按照勘察報告提交的參數進行選取，參數如表1。

模型邊界條件：模型底面采用固定約束，側面采用對稱約束，地表為自由邊界。荷載包括巖土結構自重，即有限元軟件根據輸入的巖土及結構的材料容重自動計算；外部荷載，即支擋結構頂部車輛荷載及人行荷載。

圖1 滑坡治理措施的有限元模型

本次模型共分三個模擬工況，施工工序為：

(1)原始地形地貌。

(2)基坑的開挖及支護結構施工。

(3)完成通車后的運營階段。

通過對基坑開挖過程的數值模擬計算，提取基坑施工后的位移云圖及彈塑性狀態云圖，如圖2、圖3所示，基坑建設后雙排樁變形分析見表2。

圖2 基坑建設后水平方向變形云圖(單位：mm)

圖3 運營階段水平方向變形云圖(單位：mm)

根據應力云圖分析，支護結構完成后，基巖最大壓應力0.97MPa，未超過巖石允許強度(泥巖飽和抗壓強度2.7MPa)，樁基周邊圍巖基本處在彈性狀態，塑性狀態主要存在于滑坡帶范圍內，圍巖整體處在穩定狀態。根據支護結構變形分析，本工程施工前后，樁基樁頂的最大水平變形122.2mm，運營階段由于樁頂車輛荷載，最大水平變形減小為115.1mm，變形基本可控，邊坡處在安全狀態。現該項目已竣工驗收2年。建設單位委托第三方監測單位對施工期間及運營期進行了監測，監測結果如圖4。

圖4 排樁支擋體系水平位移時程曲線圖(單位：mm)

監測期內排樁支護體系冠梁監測點水平位移變化值為15.9～104.6mm，累計沉降變化值為-5.4～21.0mm，冠梁累計變形監測數據變化較大，在近一年的監測周期內各監測點的數據變化較小，變形趨于收斂，現階段排樁支擋體系處于穩定狀態。支護結構變形與計算結果相符，邊坡整體穩定，項目是成功的。

4 結論

(1)在了解梅花形布置的雙排圓形抗滑樁的樁土共同作用機制、土拱形成條件、應力應變特征等基礎上，研究梅花形布置的雙排圓形抗滑樁樁徑、樁距、排距等參數對支護效果的影響，提出了小排距雙排樁改進的等效單排樁的滑坡治理措施，經工程驗證，該場地基坑已竣工驗收2年，邊坡整體穩定，計算結果與實際較為符合，項目是成功的。

(2)該項目通過GIM模型和BIM模型有機結合，能夠很好地把勘察與設計專業結合起來。在GIM+BIM模型中，有效地輔助方案的布置與優化，進一步減少邊坡支護、開挖工作對場地現有環境影響，尤其是對滑坡范圍建筑結構、擋墻造成的不良影響，進而更好地指導施工方案的編制，顯示出基于BIM技術的勘察設計一體化應用的巨大潛力。

(3)滑坡體支護及開挖可能會對既有房屋建筑、道路、結構產生一定的影響，利用有限元模型進行邊坡支護計算和支護結構與項目結構相互影響分析，針對重點風險對象，模擬分析邊坡開挖所引起的建筑地基變形(沉降、傾斜)情況，可指導施工和后期運維，確保工程安全，有效規避了工程風險。