三維可視化滑坡地質(zhì)模型的研究與應(yīng)用

左健揚(yáng)，倪萬魁，景 博

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.寧夏回族自治區(qū)國(guó)土資源調(diào)查監(jiān)測(cè)院，寧夏 銀川 750002)

三維可視化滑坡地質(zhì)模型的研究與應(yīng)用

左健揚(yáng)1，2，倪萬魁1，景 博1

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.寧夏回族自治區(qū)國(guó)土資源調(diào)查監(jiān)測(cè)院，寧夏 銀川 750002)

三維可視化滑坡地質(zhì)模型作為離散數(shù)據(jù)點(diǎn)在三維空間的地質(zhì)表達(dá)，不僅可以直觀地描述和表征滑坡地質(zhì)信息，還可以幫助我們研究和分析滑坡地質(zhì)問題。結(jié)合工程控制資料在Petrel下實(shí)現(xiàn)的三維滑坡地質(zhì)模型，不僅具有良好的可視化、尺度化測(cè)量效果，還可以實(shí)現(xiàn)剖面切分與數(shù)據(jù)導(dǎo)出，便于滑坡研究的分析應(yīng)用。同時(shí)，通過可視化三維模型滑坡體體積和滑動(dòng)面表面積的讀取，結(jié)合經(jīng)典算理驗(yàn)證，還能夠?yàn)榭紤]整體滑動(dòng)的三維滑坡穩(wěn)定性分析提供較為可靠的參考依據(jù)。

三維地質(zhì)模型;滑坡;可視化;穩(wěn)定性分析

滑坡地質(zhì)現(xiàn)象因其獨(dú)特的地貌形態(tài)特征，既有地質(zhì)災(zāi)害的共性表現(xiàn)，又是力學(xué)性質(zhì)在地表的表征，其發(fā)展與演化同人類工程建設(shè)、經(jīng)濟(jì)生活發(fā)展息息相關(guān)[1]。隨著電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和軟件的不斷發(fā)展，集數(shù)據(jù)綜合處理、模型表征成像、信息擬合分析為一體[2]的可視化三維建模技術(shù)正廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。通過三維可視化技術(shù)和滑坡地質(zhì)理論的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了含有地質(zhì)意義的離散數(shù)據(jù)體在三維空間的表達(dá)，不僅可以直觀地描述和表征滑坡地質(zhì)現(xiàn)象，還能夠?yàn)榛卵芯颗c分析提供參考依據(jù)[3]。

滑坡地質(zhì)模型的建立，可以綜合利用野外地質(zhì)調(diào)查、工程物探、地形測(cè)繪等基礎(chǔ)資料，同時(shí)融入專業(yè)工程地質(zhì)人員的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)，能夠直觀地再現(xiàn)地質(zhì)單元的空間展布及其相互關(guān)系，模擬實(shí)現(xiàn)地質(zhì)現(xiàn)象，為分析、理解和重復(fù)地質(zhì)現(xiàn)象以及作用過程提供了很大的幫助。三維滑坡可視化研究大多是利用GIS系統(tǒng)中強(qiáng)大的空間分析和數(shù)據(jù)庫(kù)整合來實(shí)現(xiàn)的[4-7]，也有通過OpenGL圖形庫(kù)[2],GOCAD[3]，IDL[8]，Google SketchUp[9]，VisualSlope系統(tǒng)[10,11]等三維圖形處理或建模軟件。其基本方法都是通過三維地表模型的構(gòu)建，利用鉆孔和邊界控制的插值模擬或是根據(jù)虛擬鉆孔加密控制滑動(dòng)面，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)表象模型的剪力，但在基于三維模型的分析應(yīng)用上效果較差。

本文基于Petrel三維地質(zhì)建模軟件，結(jié)合工程控制建立了三維滑坡地質(zhì)模型，并利用三維滑坡模型的尺度化成果輸出，結(jié)合經(jīng)典算理驗(yàn)證并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)其工程應(yīng)用的可視化和應(yīng)用性進(jìn)行探討。

1 三維滑坡地質(zhì)模型構(gòu)建的基本思路

野外地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)勘察等研究工程地質(zhì)問題的成果數(shù)據(jù)，其資料數(shù)據(jù)點(diǎn)往往是離散的且在空間上分布不均勻。三維地質(zhì)數(shù)據(jù)體的建立需要結(jié)合工程地質(zhì)人員的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)，有機(jī)地將離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)聯(lián)系起來，形成宏觀的表征形態(tài)[3]。

三維滑坡地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)預(yù)處理工作尤為重要，數(shù)據(jù)預(yù)處理的過程更多是結(jié)合工程地質(zhì)人員的實(shí)踐認(rèn)識(shí)，對(duì)已獲取的地質(zhì)資料的真實(shí)性和可靠性進(jìn)行甄別，提取出具有理論依據(jù)和地質(zhì)意義的數(shù)據(jù)資料。通過數(shù)據(jù)資料矢量化處理和系統(tǒng)綜合研究，賦予其三維空間地質(zhì)意義，以此實(shí)現(xiàn)一維、二維數(shù)據(jù)資料下的三維地質(zhì)構(gòu)建。

三維滑坡地質(zhì)模型的建立主要是結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識(shí)、工程控制和邊界約束，對(duì)預(yù)處理的離散數(shù)據(jù)按照可控的網(wǎng)格密度進(jìn)行空間插值。通過對(duì)任意方向、任意位置的模型切面可視化分析與三維空間形態(tài)對(duì)比，可以滿足對(duì)交互式模型分析和質(zhì)量控制的需要。

圖1 三維地質(zhì)模型(1,2,3,6,8倍坡高)

2 基于整體滑動(dòng)的三維穩(wěn)定性分析方法及算理驗(yàn)證

假設(shè)滑坡體重心位置落在主滑方向線上，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩MS和抗滑力矩MR關(guān)系，這時(shí)安全系數(shù)有：

(1)

表1 基于三維地質(zhì)模型的滑動(dòng)極限平衡法參數(shù)

注：*標(biāo)識(shí)參數(shù)均為三維地質(zhì)模型獲取。

圖2 剖面圖

圖3 重心點(diǎn)位置及θ角

通過表2可以看出，基于模型的整體滑動(dòng)穩(wěn)定性分析方法與其他方法相比較為合理。同時(shí)，當(dāng)滑體沿坡面走向延伸的寬度遠(yuǎn)大于滑動(dòng)方向的長(zhǎng)度時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)逐漸變小，也與前人的計(jì)算成果較為接近。

3 工程示例

3.1 滑坡概況

某滑坡位于河流凸岸的高陡黃土斜坡上，滑坡整體形態(tài)呈“簸箕”狀，為1996年發(fā)生的新滑坡。坡滑體坡長(zhǎng)約428 m，前緣寬約700 m，平面面積約0.19 km2，主滑方向248°。根據(jù)野外調(diào)查和工程揭露，滑坡區(qū)出露地層由老到新依次為第三系甘肅群桔紅色泥巖(Ngn)、中更新統(tǒng)黃土(Qp2)和晚更新統(tǒng)黃土(Qp3)。其中，第三系甘肅群桔紅色泥巖具隔水作用，遇水易軟化，滑床完全落于該新近紀(jì)泥巖之上。

3.2 滑坡三維地質(zhì)建模

3.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

(1)收集本地區(qū)滑后大比例尺地形成果資料，并對(duì)文件的信息完整性進(jìn)行核對(duì)檢查。

(2)根據(jù)需要圈定工作區(qū)范圍，將范圍內(nèi)的地形線進(jìn)行矢量化處理。

(3)批量化導(dǎo)出地形線拐帶坐標(biāo)屬性信息，并進(jìn)行格式整理。

(4)結(jié)合野外綜合調(diào)查、鉆孔工程控制、基礎(chǔ)地質(zhì)資料等成果資料，提取出反映鉆孔位置、滑動(dòng)控制面深度、滑坡體范圍、地層劃分等有效地質(zhì)信息。

3.2.2 框架模型的建立

建立井?dāng)?shù)據(jù)信息庫(kù)，通過對(duì)鉆孔參數(shù)、巖心編錄等信息進(jìn)行分項(xiàng)數(shù)字化處理，導(dǎo)入并生成可視化的井?dāng)?shù)據(jù)，同時(shí)確立滑動(dòng)面深度控制，見圖4。可以看出鉆孔中包含了地層劃分、滑坡體厚度形態(tài)等空間數(shù)據(jù)信息。

圖4 鉆孔空間關(guān)系及地質(zhì)信息表達(dá)

導(dǎo)入預(yù)處理的地形文件，在三維空間中生成并顯示空間點(diǎn)/線數(shù)據(jù)，見圖5。通過在二維平面和三維空間視圖下的數(shù)據(jù)檢查，對(duì)缺漏的等高線進(jìn)行補(bǔ)查或?qū)?shù)字化輸入時(shí)的無效點(diǎn)或異常點(diǎn)進(jìn)行修正或刪除。

圖5 地形圖

根據(jù)模型實(shí)際需要，可以調(diào)節(jié)內(nèi)插網(wǎng)格的精細(xì)化程度，對(duì)修正后的地形線進(jìn)行等厚線插值計(jì)算生成地形框架模型。當(dāng)精細(xì)化程度越高，所反映的地形結(jié)構(gòu)或地質(zhì)現(xiàn)象與預(yù)處理數(shù)據(jù)資料越相符，軟件模擬的運(yùn)算處理速度也相對(duì)越慢。

通過離散的空間數(shù)據(jù)控制構(gòu)建一個(gè)完整的具有地質(zhì)意義的滑動(dòng)面是滑坡地質(zhì)模型的關(guān)鍵，利用井資料中獲取的滑動(dòng)面信息以及測(cè)繪資料或地形結(jié)構(gòu)面上拾取的滑坡體邊界作為條件約束，對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行曲面插值計(jì)算生成三維空間滑動(dòng)面。對(duì)生成的滑動(dòng)面空間展布進(jìn)行質(zhì)量檢查，結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識(shí)，對(duì)偏離地質(zhì)規(guī)律的區(qū)域進(jìn)行局部調(diào)整，以獲得能夠反映客觀實(shí)際的滑動(dòng)面空間形態(tài)(圖6)。

圖6 滑動(dòng)面形態(tài)與鉆孔空間控制

3.2.3 三維地質(zhì)模型

利用地形面、滑動(dòng)面和底界面的限定(圖7)，根據(jù)模型精度需要，通過空間插值運(yùn)算構(gòu)建三維可視化滑坡地質(zhì)模型，即賦有地質(zhì)信息的屬性模型(圖8)。

圖7 框架模型

圖8 三維滑坡地質(zhì)模型

為了更好地研究和認(rèn)識(shí)滑坡體地質(zhì)特征，可以以任意方向任意位置進(jìn)行實(shí)時(shí)切面快速制作(圖9，圖10)，同時(shí)還可以按照自由設(shè)定的步長(zhǎng)連續(xù)追蹤滑坡體切面地質(zhì)特征。切面顯示界面不僅可以進(jìn)行尺度化測(cè)量，還能夠以任意比例尺生成矢量格式文件，可以直接通過制圖軟件進(jìn)行編輯利用。

圖9 過ZK1,ZK2鉆孔的剖面圖

圖10 地層控制下的過井剖面

3.3 穩(wěn)定性分析

結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)，分別計(jì)算滑后坡體天然及飽和狀態(tài)下的滑坡穩(wěn)定性。結(jié)合主滑剖面及過井剖面，由于滑體前緣的阻滑效應(yīng)較為微弱，近似認(rèn)為為無阻滑體的簡(jiǎn)單滑坡(圖11)。利用AUTOCAD工程制圖軟件的查詢質(zhì)心，基于三維整體滑動(dòng)極限平衡法，計(jì)算得到滑后土體的安全系數(shù)為1.57，屬穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合近期坡體的變形破壞跡象，該滑坡在雨季復(fù)活的可能性比較小，危險(xiǎn)性較小。計(jì)算結(jié)果見表3。

圖11 主滑剖面

狀態(tài)c/kPaφ/(°)γ/(kN/m3)θ?/(°)S?/m2V?/m3F天然19145181162003773421278157飽和1714121201162003773421278129

注：*標(biāo)識(shí)參數(shù)均為三維地質(zhì)模型獲取。

4 結(jié)論

相對(duì)于傳統(tǒng)的二維平面表示方式，三維地質(zhì)模型能夠完整直觀地表達(dá)地質(zhì)現(xiàn)象的空間關(guān)系，便于工程研究及分析處理。本文通過對(duì)滑坡地形數(shù)字化處理、地質(zhì)資料分析整理，基于三維網(wǎng)格化的空間構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了三維滑坡地質(zhì)模型的建立。

三維地質(zhì)模型的建立不僅提供了直觀準(zhǔn)確的滑坡地質(zhì)形態(tài)，結(jié)合軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和解析能力，還可以實(shí)現(xiàn)模型剖面的快速制作及成果資料的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，為成果資料后期處理整飾及滑坡分析提供了有效的參考依據(jù)。同時(shí)，通過三維模型上滑坡體體積和滑動(dòng)面表面積的讀取，利用基于三維模型的整體穩(wěn)定性分析方法，不需要像常規(guī)的三維極限平衡方法進(jìn)行冗繁的條柱劃分，即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單邊坡的三維穩(wěn)定性分析解答。在之后的工作中，需要通過進(jìn)一步的理論分析與研究，以便更好地服務(wù)于實(shí)踐應(yīng)用。

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Research and Application of 3D Visualization Landslide Geological Model

ZUO Jianyang1, 2, NI Wankui1and JING Bo1

(1.SchoolofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an510054,China; 2.NingxiaInstituteofLandandResourceInvestigationandMonitoring,Yinchuan750002,China)

Asgeologicalexpressionofthediscretedatain3Dspace,visualizationlandslidemodelisnotonlydirectlydescribeandcharacterizethegeologicalinformation,butalsocanhelpustoresearchandanalyzethegeologicalproblems.Combinedwiththeengineeringdata,the3DlandslidegeologicalmodelcanbemadebyPetrel,whichhasgoodvisualandscaleeffect,alsocanbeusedtosectionsegmentationanddataexport.Throughthelandslidevolumeandslidingsurfaceareacanberead,the3Dmodelcanprovideareliablereferenceforthestabilityanalysismethodandbeverifiedbyclassicalcalculation.

3Dgeologicalmodel;landslide;visualization;stabilityanalysis

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.011.]

2016-05-27

2016-07-13

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃課題任務(wù)書(2012KTDZ03-03)

左健揚(yáng)(1988-)，男，寧夏銀川人，工程師,博士研究生，主要從事巖土體邊坡工程方面的研究. E-mail：zuo_jy@163.com

P642；X43

A

1000-811X(2017)01-0060-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.011

左健揚(yáng)，倪萬魁，景博. 三維可視化滑坡地質(zhì)模型的研究與應(yīng)用[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(1)：60-64. [ZUO Jianyang, NI Wankui and JING Bo. Research and application of 3D visualization landslide geological model[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(1)：60-64.