工程勘察設(shè)計(jì)BIM技術(shù)在滑坡治理工程中的應(yīng)用

彭海游, 陳 渝, 任秀文, 陳柏林, 郭 琪,鄒常生

(1. 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院, 重慶 401120； 2. 重慶市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站, 重慶 401122； 3. 重慶中科勘測設(shè)計(jì)有限公司, 重慶 400042)

0 引 言

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

繼1993年S.W.HOULDING[1]首先提出了三維地質(zhì)建模概念以來，國內(nèi)外學(xué)者已開展了相關(guān)研究，并取得可喜的研究成果[2]。針對地質(zhì)體建模的特殊性和復(fù)雜性，J.L.MALLET[3]提出的離散光滑插值技術(shù)已成為地質(zhì)體計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，并在國際上得到極大的重視。國外目前三維地質(zhì)建模軟件有EVS、GOCAD、Geosec、GeoToolkit、GeoFrance3D、ROCKWARE、C-Tech、SURPAC等。國內(nèi)學(xué)者和機(jī)構(gòu)也開展了相關(guān)研究工作，如中科院地質(zhì)所的三維地質(zhì)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(zhì)軟件已有數(shù)十款，主要應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)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(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域，國內(nèi)學(xué)者開展了相關(guān)研究并取得一定成果[12-14]，但仍起步較晚。筆者借助當(dāng)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(diǎn)，研究形成了一種用于滑坡治理的工程勘察設(shè)計(jì)BIM技術(shù)方法。

1 工程勘察設(shè)計(jì)BIM技術(shù)方法

根據(jù)滑坡治理工程勘察設(shè)計(jì)的技術(shù)流程，將工程勘察設(shè)計(jì)BIM技術(shù)方法按先后順序分為3個(gè)步驟，分別為勘察數(shù)據(jù)處理、三維地質(zhì)建模和滑坡治理工程設(shè)計(jì)。在整合各軟件優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，形成了一種滑坡治理工程勘察設(shè)計(jì)BIM技術(shù)方法，技術(shù)流程如圖1，具體技術(shù)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(zhì)鉆孔編錄、地質(zhì)剖面圖、鉆孔柱狀圖等，按照三維地質(zhì)建模軟件GOCAD的建模數(shù)據(jù)要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)入GOCAD軟件中，形成三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)集。

2)三維地質(zhì)建模。利用工程勘察的鉆孔、地質(zhì)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(gòu)建滑坡工程勘察區(qū)的三維地質(zhì)模型。GOCAD的三維地質(zhì)流程化建模方法具有快速、高效、人機(jī)交互等特點(diǎn)。按照GOCAD設(shè)定的流程(圖2)，首先進(jìn)行地層層序設(shè)置，即巖土體各層之間相互關(guān)系設(shè)定；然后進(jìn)行光滑曲面插值，擬合巖土體層面，構(gòu)建地層面；最后將各層巖土體層面封裝形成地質(zhì)體，從而構(gòu)建起三維地質(zhì)模型。建模過程中，地質(zhì)人員通過人機(jī)交互模式，對模型進(jìn)行主動干預(yù)和矯正，可實(shí)現(xiàn)工程勘察區(qū)三維地質(zhì)模型快速、準(zhǔn)確、高效建模。

3)滑坡治理工程設(shè)計(jì)。將GOCAD構(gòu)建的三維地質(zhì)模型導(dǎo)出開展治理工程三維設(shè)計(jì)。利用三維設(shè)計(jì)模型的可視化功能，查看、測量巖土體以及設(shè)計(jì)要素空間信息和相互關(guān)系，從而開展方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。將三維設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入數(shù)值分析軟件，開展數(shù)值計(jì)算，對滑坡治理工程位移、應(yīng)力及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從而開展治理方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 滑坡治理工程勘察設(shè)計(jì)BIM技術(shù)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(yīng)用實(shí)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(zhì)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(qiáng)度較低的粉質(zhì)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(dǎo)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(jìn)行必要的標(biāo)準(zhǔn)化處理，包括地形數(shù)據(jù)、地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)。

1)地形數(shù)據(jù)。因?yàn)镚OCAD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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。例如，利用空間三維多段線對陡坎等微地形進(jìn)行處理，如圖4。通過對地形圖的標(biāo)準(zhǔn)化處理得到了三維空間下的地形數(shù)據(jù)，真實(shí)地反映了滑坡的地貌形態(tài)，如多級陡坎、建構(gòu)筑物、公路和河流等。

2)剖面數(shù)據(jù)。將地質(zhì)勘察的剖面圖成果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，構(gòu)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(guān)信息。

3)鉆孔數(shù)據(jù)。將包括孔位、孔深、高程和分層等地質(zhì)鉆孔信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后形成的excel表格文件導(dǎo)入GOCAD中，如圖6。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化處理后的地形數(shù)據(jù)Fig. 4 Terrain data after standardized processing

圖5 標(biāo)準(zhǔn)處理后的空間地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)Fig. 5 Spatial geological section data after standardized processing

圖6 標(biāo)準(zhǔn)化處理后導(dǎo)入GOCAD的地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)Fig. 6 Geological drilling data imported into GOCAD after standardized processing

2.3 三維地質(zhì)建模

將建模數(shù)據(jù)(2.2節(jié))導(dǎo)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(guān)系的設(shè)定，自動構(gòu)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(dǎo)入GOCAD的三維地質(zhì)建模基礎(chǔ)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(zhì)模型如圖8，模型真實(shí)地反映了滑坡巖土體相關(guān)信息，如滑床(基巖)的砂泥巖互層結(jié)構(gòu)、巖層厚度、巖層產(chǎn)狀以及巖土體的殲滅形態(tài)；模型準(zhǔn)確地表達(dá)了滑面(巖土界面)的位置和空間形態(tài)，還準(zhǔn)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(shè)計(jì)應(yīng)用

2.4.1 三維設(shè)計(jì)模型的可視化運(yùn)用

滑坡治理工程采用坡體削方放坡結(jié)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(shè)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(shè)計(jì)方案。然后構(gòu)建了初步設(shè)計(jì)方案的滑坡治理工程三維設(shè)計(jì)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(guān)系以及抗滑樁平面位置、樁截面尺寸、樁頂標(biāo)高和嵌巖深度(圖10)。

圖9 基于三維地質(zhì)模型的滑坡治理工程三維設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)模型的可視化功能，對抗滑樁的嵌巖深度進(jìn)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(shè)計(jì)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(hù)作用，如圖11(a)。進(jìn)而對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，加大虛線范圍內(nèi)的抗滑樁樁長，同時(shí)加大截面尺寸，如圖11中(b)，以起到有效的抗滑支護(hù)作用。

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

2.4.2 三維設(shè)計(jì)模型的數(shù)值分析

對三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了數(shù)值分析網(wǎng)格剖分，如圖12。設(shè)計(jì)模型的巖土體物理力學(xué)參數(shù)選取如表1。

圖12 滑坡治理工程設(shè)計(jì)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(xué)計(jì)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(shè)計(jì)方案，構(gòu)建了滑坡削方放坡的三維模型，如圖13(a)。通過計(jì)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(jìn)行了調(diào)整，對出現(xiàn)垮塌的位置進(jìn)行局部放坡，如圖13(c)。通過計(jì)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(shè)計(jì)與優(yōu)化Fig. 13 Design and optimization of cutting and grading scheme

2)抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)抗滑樁設(shè)計(jì)方案1〔圖14(a)〕進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算可知，設(shè)計(jì)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(dá)61 mm。于是對方案1進(jìn)行調(diào)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(xué)性能進(jìn)行加強(qiáng)，得到設(shè)計(jì)方案2，再進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。從計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)方案2進(jìn)行再次調(diào)整得到設(shè)計(jì)方案3。由計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)模型，不斷調(diào)整抗滑樁設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(yīng)用效果

筆者利用滑坡治理工程勘察設(shè)計(jì)BIM技術(shù)方法開展了周家?guī)r滑坡治理工程設(shè)計(jì)應(yīng)用，最終確定了治理工程設(shè)計(jì)方案，并按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了滑坡治理施工。圖15為滑坡治理工程竣工后的實(shí)拍照片。由圖15可知，項(xiàng)目達(dá)到了預(yù)期的治理效果，論證了筆者提出的滑坡治理工程勘察設(shè)計(jì)BIM技術(shù)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(jié) 論

通過對現(xiàn)有軟件的整合，充分發(fā)揮各軟件的特點(diǎn)，形成了一種滑坡治理工程勘察設(shè)計(jì)BIM技術(shù)方法。首先將地形、地質(zhì)鉆孔、地質(zhì)剖面等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；然后借助GOCAD進(jìn)行流程化三維地質(zhì)建模；最后將三維地質(zhì)模型導(dǎo)入數(shù)值分析軟件開展治理工程設(shè)計(jì)應(yīng)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(shè)計(jì)BIM技術(shù)方法進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，其工程實(shí)際效果論證了技術(shù)方法的可行性和實(shí)用性。