基于無人機三維建模的半填半挖路基邊坡流固耦合數值分析

中圖分類號：U416. 文獻標識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.012

文章編號：1673-4874（2025）01-0042-04

0 引言

半填半挖路基邊坡滑移、失穩導致的路面開裂和坍塌時有發生，特別是山區公路、高速公路等施工過程中遇到強降雨或連續降雨天氣時，因土體損失抗剪強度而引起的邊坡失穩事故屢見不鮮1。以往針對路基邊坡的設計和研究多采用二維模型[2-5]。然而，由于公路線形曲率的存在，不能簡單地對路基邊坡進行平面假設，二維模型無法準確反映邊坡的真實應力狀態和失穩機制，而三維模型的建模精度和效率往往受到很大挑戰。隨著無人機攝影技術的發展，通過無人機可以快速地獲得邊坡地質體三維位置信息，但其只包含了地質體的表面信息。因此有必要發展基于無人機的邊坡三維實體建模方法，為邊坡穩定性的進一步研究提供基礎。

邊坡的穩定性受到多種因素的影響，包括土體性質、邊坡幾何特征及外部荷載等。其中，降雨引起的邊坡有效應力重分布是半填半挖路基邊坡穩定性分析中必須要考慮的因素，特別是降雨對土體水分分布、強度及抗滑力的影響不容忽視-8。雖然巖土工程流固耦合的理論計算及模型試驗成果豐碩，但在工程應用方面仍存在機理復雜、流程繁瑣等實際問題[9]。

本文基于無人機采集的高精度三維點云數據，建立了路基邊坡的精細化三維數值模型，通過FLAC3D數值模擬探討了半填半挖路基邊坡的穩定性和路面結構安全問題，并基于所提出的優化流固耦合分析方法，探討降雨工況對邊坡穩定性的影響，為提升邊坡穩定性評價的方法和實用化研究提供參考。

1基于無人機掃描的邊坡三維建模方法

1.1高程數據采集及預處理

采用激光雷達或傾斜攝影均能從現場采集到邊坡表面高程，對地形條件、植被環境、精度要求等因素進行綜合考慮，選擇將合適的鏡頭搭載至無人機。激光雷達可以穿透植被，靈活高效地獲取地表高精度、高密度激光點云數據。傾斜攝影則能更快速地獲取邊坡多角度圖像，并合成為三維信息。

數據采集前根據邊坡尺度調整掃描區域、航線速度、飛行高度、激光旁向重疊率等參數，后期再通過點云有效距離設置、點云精度優化等操作，即可獲得精準的邊坡地面點高程數據。同時，可從傾斜攝影圖像中對邊坡地面點三維數據進行提取（見圖1），得到高程數據。

1.2基于高程數據的邊坡三維建模

通過以上步驟獲得邊坡表面點的高程數據，對表面點進行進一步處理，構建可用于FLAC3D數值模擬分析的邊坡三維實體模型。

將等高線數據（*.dxf）導入到建模軟件Rhino中，步驟包括：（1）等高線分段；（2）基于分段點生成Mesh網格面；（3）基于網格面，選擇需要研究的邊坡區域設置布簾；（4）擠出布簾并生成封閉的封閉曲面；（5）繪制地質分層的分界面；（6）用地層分界面對封閉曲面進行布爾運算切割；（7）利用網格處理插件Griddle生成并導出（*.f3grid）格式的FLAC3D實體網格。圖2、圖3展示了基于高程數據和無人機點云數據的FLAC3D三維模型建模標準化流程。

第一作者簡介：莫友君（1973一），高級工程師，主要從事道路橋梁施工管理工作。

2邊坡水力耦合模型

2.1滲流基本方程

采用FLAC3D軟件研究降雨入滲過程中滲流場引起的孔隙水壓力和有效應力變化。FLAC3D以達西定律為基礎，進行非飽和流體模擬，即

2.2滲流計算模塊

對降雨滲流模擬過程進行簡化改進，采用如下步驟對降雨工況下的邊坡穩定性及路面開裂情況進行分析：（1）設置初始水力邊界，包括初始地下水位線、初始飽和度等。打開滲流計算，關閉力學計算，生成初始滲流場。（2初始滲流場穩定后，關閉滲流計算，計算初始滲流場對應孔隙水壓力分布下的應力重分布。（3）設置降雨滲流條件，包括邊坡表面降雨入滲邊界、入滲速度、滲流時間等；打開滲流計算，關閉力學計算，滲流計算至指定時間，得到降雨工況下邊坡體內的孔隙水壓力分布。（4）計算降雨滲流結束后對應孔隙水壓力分布下的應力重分布，以及對應的邊坡位移、支護結構應力應變等。

3案例分析

3.1 案例概況

某公路邊坡為半填半挖形成的高填方邊坡，邊坡整體較陡峭，植被覆蓋不均勻，部分區域裸露。填方邊坡下伏基巖為灰褐、褐黃、灰黃色薄一中厚層狀強一中風化砂巖，受構造活動影響，節理較發育，巖體比較破碎。邊坡表面設有格構護坡，坡腳處設有混凝土矮擋墻。邊坡運營期間在路面出現疑似土體滑動張拉的縱向裂縫（沿行車方向），在填方邊界處出現疑似差異沉降的橫向裂縫。邊坡現場及路面裂縫發育情況見圖4和圖5。

3.2半填半挖邊坡數值模型

應用大疆M300RTK多旋翼無人機采集現場高程數據以及傾斜攝影圖像，總耗時約40min。無人機掃描結果見圖6。若降低精度要求，可選擇只采集傾斜攝影圖像用于模型建模，進一步將掃描時間縮短至10min左右。

通過前文所述步驟，可基于高程數據建立邊坡三維模型（圖7）。為盡可能模擬半填半挖邊坡的真實地質狀況，將邊坡橫斷面設計圖按照樁號位置進行排列，推測填方體與原地面分界面，在三維模型中切割出填土層分組。

模型共設置四個分組，包括填土層分組、基巖分組、路面結構分組、擋土墻結構分組。此外，用軟件內置的beam單元對邊坡表面格梁進行模擬。

3.3模型參數與模擬工況

邊坡巖土體分為填土層和基巖兩層，其中基巖主要為強風化砂巖。根據地質勘察資料取用的巖土體主要參數見表1。

基于表1參數，計算填土前地質體的初始平衡，確定在自然狀態下地質體的初始應力分布，提供更準確的分析基礎；之后激活填土層單元體，以及路面、擋墻和格梁等支護結構，分析邊坡整體安全系數。

此外，為探討極端降雨工況下邊坡滲流場變化規律及穩定性，利用前文所述的滲流計算模塊分析邊坡在極端降雨條件下的響應。

3.4邊坡施工模擬與安全系數計算

初始平衡可確保模型在未施加外部荷載和施工擾動之前處于穩定狀態。邊坡模型初始平衡后計算結果如圖8所示，模型正常收斂說明網格劃分、材料參數、邊界條件等設置合理。

初始平衡后將位移量歸零，激活填土層、路面、擋墻和格梁等支護結構，計算收斂后邊坡體位移及路面不均勻沉降結果如圖9所示。填土體均呈現圈椅形位移，最大位移為0.050m；路面存在不均勻沉降情況，與現場觀察到的裂縫發育情況基本一致，最大豎向位移為0.033m。

采用FLAC3D內置強度折減法可方便地實現邊坡安全系數計算，三維模型安全系數結算結果為1.83。作為對比，在邊坡三維模型上進行剖切，觀察剖面的地層分布和邊坡高度、坡度等，根據經驗選擇最不利剖面繪制邊坡二維模型，在開源計算軟件中采用極限平衡法分析邊坡安全系數。取簡化Bishop法、M一P法、Janbu法和Spencer法四種極限平衡法計算結果的平均值作為最終結果。四種方法計算結果分別為1.55、1.57、1.39、1.57，均略小于三維模型計算結果。此外，邊坡安全系數計算結果如圖10所示。由圖10可知，極限平衡方法搜索得出的最危險滑面位置與強度折減法模擬顯示的最大剪切應變增量區域基本一致，可進一步判定最危險滑動面所處位置，為邊坡加固、監測等提供依據。

3.5降雨工況下的邊坡流固耦合數值模擬

設置道路和填方體表面為入滲邊界，降雨總量為 ，降雨持續時間為16h。巖土體最大位移為 ，相較純力學計算增加了近 96% 。計算降雨工況下平衡后的邊坡位移、雨水入滲流量、飽和度及孔隙水壓力分布云圖如圖11所示。從孔隙水壓力分布云圖中可觀察到，雨水從邊坡表面以及路面滲入，在填土體和基巖交界處形成了明顯的高孔隙水壓通道，為邊坡體滑移提供了條件。

4結語

本文基于無人機采集的高程數據，提出了邊坡三維模型的標準化建模方法，通過對填土體進行地層劃分，模擬了半填半挖路基邊坡的真實地質條件，并提供了一種簡易的降雨滲流數值模擬流程。通過某出現路面開裂的高速公路邊坡驗證技術路線的可行性和科學性，主要結論如下：

（1）無人機可在較短的時間內通過非接觸式方式獲取邊坡表面高程數據，該數據不僅可以用于實景三維展示，也可以用于三維數值模型建模，為邊坡精細化數值分析提供高精度模型基底。

（2）本文案例研究中，三維模型安全系數計算結果略大于二維極限平衡法計算結果。原因是三維數值模擬考慮了更完整的模型邊界條件及初始地應力情況等，較極限平衡法模型更能體現實際工況。此外，兩種方法計算得到的邊坡潛在滑動面位置一致。

（3）數值模擬得到的邊坡位移與路面沉降趨勢與現場觀察情況相符，可為邊坡監測點位布置以及邊坡加固提供參考。模擬結果進一步驗證了基于無人機點云數據的三維模型在分析邊坡穩定性中的科學性。

（4）通過邊坡流固耦合數值模擬，可加深對降雨工況下邊坡失效機理的認識，為邊坡支護設計提供進一步參考。但目前雨水滲流模擬僅考慮了巖土體內孔隙水壓力引起的有效應力變化，實際還可能涉及巖土體參數的強度折減等，后續基于本方法可開展更深入的研究。

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