某危巖體基于BIM+GIS的三維穩(wěn)定性分析

梁梁 海震 曾立

金沙江下游某水庫內(nèi)發(fā)育一危巖體[1]，其總體積億立方米以上，危巖體的穩(wěn)定性對水庫穩(wěn)定安全運(yùn)行至關(guān)重要[2]。由于危巖體規(guī)模巨大，其結(jié)構(gòu)面空間相態(tài)特征、形成機(jī)制、失穩(wěn)模式等均是工程勘察的難點(diǎn)，為此，針對其進(jìn)行的穩(wěn)定性分析將受控于基本特征的獲取；為解決此不足危巖體勘察過程中利用BM_GeoModelerS進(jìn)行精準(zhǔn)建模，精確分析了各類結(jié)構(gòu)面特征，為穩(wěn)定性評價(jià)提供基本條件。

危巖體穩(wěn)定性評價(jià)一般分定性分析和定量計(jì)算，定量計(jì)算以二維穩(wěn)定性計(jì)算、三維數(shù)值分析為主。二維穩(wěn)定性計(jì)算一般選取典型剖面進(jìn)行計(jì)算，難以反映空間上特征；三維數(shù)值分析難以計(jì)算出危巖體整體下滑力以及阻滑力，難以給以直觀的形象，且建模計(jì)算復(fù)雜[3-9]。

本文針對的危巖體總體潛在順層滑動，分析計(jì)算上為指定滑動面[10]。故可以利用BIM精準(zhǔn)建模獲取結(jié)構(gòu)面空間數(shù)據(jù)后，再利用GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)提取分析功能，依次提取地形高程數(shù)據(jù)、滑面高程數(shù)據(jù)、滑面坡度、滑面傾向等數(shù)據(jù)后，進(jìn)行三維穩(wěn)定性分析，為危巖體穩(wěn)定性評價(jià)提供較為直觀的依據(jù)?；贕IS的三維穩(wěn)定計(jì)算，謝謨文等之前有所研究[3]，本文在其基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前BIM地質(zhì)建模技術(shù)，對巨型危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1 危巖體基本地質(zhì)特征

1.1 地形地貌

危巖體位于金沙江左岸，江面高程約882 m，兩岸第一岸坡坡頂高程1 700～1 900 m，岸坡地形陡峭，地形坡度30°～60°。

危巖體平面上呈“等腰三角形”狀，“底邊”即前緣臨空，分布高程882～1 750 m；“右側(cè)腰”即危巖體后緣及東側(cè)為陡崖，陡崖高差50～100 m為主、靠近最后緣高程陡增至300 m左右；“左側(cè)腰”即危巖體內(nèi)側(cè)，為張開裂縫，裂縫可見有20～50 m的錯(cuò)坎狀。

1.2 地層巖性

危巖體區(qū)由老至新依次出露震旦系澄江組（Z1c）石英砂巖、觀音崖組（Z2g）白云巖與碎屑巖互層、燈影組（Z2d）白云巖、第四系地層。

構(gòu)成危巖體的主要地層有兩組：燈影組（Z2d）分為上、下段，其中上段（Z2d2）厚約800 m，為灰白色、肉紅色厚層-巨厚層白云巖；下段（Z2d1）厚約96 m，為肉紅色-深灰色中厚層白云巖夾淺黃色薄層泥晶白云巖等。觀音崖組（Z2g）厚約104 m，為深灰黑色-灰褐色中-薄層白云巖、紫紅色砂巖及頁巖互層。

1.3 結(jié)構(gòu)特征

危巖體位于一區(qū)域活動斷層附近，危巖體的形成與之密切相關(guān)；受區(qū)域構(gòu)造強(qiáng)烈影響，危巖體大體受4條斷層切割形成如今之形態(tài)特征，如圖1所示。順江兩條斷層F4及F192，垂江斷層F6與F191，其中F4至 于F6、F6止 于F192。F4與F6在 地 形 上 形 成 明顯的錯(cuò)坎，高差20～50 m。

圖1 危巖體結(jié)構(gòu)特征概化圖

危巖體地表發(fā)育較大的裂縫共有82條。危巖體前緣發(fā)育裂縫有26條，順江和垂江方向均有發(fā)育；中后緣共發(fā)現(xiàn)裂縫56條，主要垂江方向發(fā)育，平面跡線最大長度約650 m，一般長度在150 m左右。危巖體所在的左岸岸坡前緣地層傾角約10°，受巖層撓曲影響，在F4裂縫一帶巖層向上彎曲，地層產(chǎn)狀逐漸變陡，傾向200°～210°、傾角35°～44°，加之觀音崖組（Z2g）、燈影組下段（Z2d1）又多軟巖（夾層），故岸坡結(jié)構(gòu)總體呈前緩后陡多夾層順向坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 危巖體岸坡結(jié)構(gòu)圖

危巖體巖性組成與分布上，中、上部為燈影組上段（Z2d2）巨厚層白云巖，厚約400 m；下部為燈影組下段（Z2d1）中厚層-厚層白云巖夾極薄層-薄層泥晶白云巖（泥晶白云巖一般厚0.5～1.8 m），以及觀音崖組（Z2g）薄-中厚層白云巖、砂巖及頁巖互層（頁巖一般厚1～5 cm）。總體上構(gòu)成了“上硬下軟”不利岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

1.4 層間剪切帶特征

燈影組下段及觀音崖組地層中相對軟弱巖層發(fā)育，2組地層中共發(fā)育14條層間剪切帶。其中燈影組下段發(fā)育12條，均位于泥晶白云巖夾層（共7層）內(nèi)發(fā)育，或位于泥晶白云巖頂?shù)撞?、或單一的薄層泥晶白云巖；觀音崖組地層中發(fā)育2條，位于該組地層頂?shù)撞扛?條，頂部主要為層間碎裂巖加劇風(fēng)化等，底部為似古風(fēng)化殼物質(zhì)。

通過地表調(diào)查、平洞及鉆孔各部位揭露剪切帶性狀看，各個(gè)部位性狀有所不同，剪切帶可以分為四類。總體以巖塊巖屑（A類）、巖屑夾泥（B類）或泥夾巖屑（C類）為主，偶見泥型（D類）。

通過分析，2組地層中分布的14條剪切帶在空間上是連續(xù)貫通的，但不同的部位剪切帶性狀有所差別，且無明顯規(guī)律性。

1.5 邊界特征及分區(qū)

（1）底部邊界：前述分析可知，危巖體底部發(fā)育14條層間剪切帶，其分布連續(xù)，但性狀特征存在變化。受斷層切割影響，底部剪切帶空間關(guān)系復(fù)雜，利用BM_GeoModelerS對危巖體進(jìn)行精確建模，理清各條剪切帶與斷層間相互關(guān)系，如圖3所示?？傮w上觀音崖地層內(nèi)的2條剪切帶雖空間上連續(xù)性較好，但在危巖體東側(cè)一帶且并未完全臨空或切割為側(cè)邊界，仍存在較大的側(cè)向約束，其作為潛在底滑面可能性較小；而燈影組下段地層中的12條剪切帶在前緣均臨空（不考慮上覆覆蓋層影響）、東側(cè)緣均臨空、西側(cè)緣受斷層切割已具貫通的切割邊界。故燈影組下段地層中的12條剪切帶為危巖體潛在最危險(xiǎn)底滑面分布范圍。

圖3 危巖體BIM模型

（2）側(cè)緣邊界：危巖體前緣臨空、東側(cè)緣臨空，均為陡崖狀，在地形上構(gòu)成了危巖體的天然外側(cè)邊界條件；西側(cè)為裂縫L34及沖溝順接連成，L34未完全貫通，危巖體整體邊界不貫通。但危巖體內(nèi)部發(fā)育的F6及F191兩條斷層相連，構(gòu)成了危巖體西側(cè)的連續(xù)切割邊界。

（3）分區(qū)特征：從地形地貌、巖體結(jié)構(gòu)、變形破壞等特征看，危巖體不同部位存在明顯的差異，以地表裂縫F6、F4及L34為界，可將危巖體分為3個(gè)區(qū)（如圖4所示）：F4至前緣金沙江邊為Ⅰ區(qū)，體積約4 800萬m3；F4及F6圍限的東側(cè)為Ⅱ區(qū)，體積約4 100萬m3；F6至西側(cè)邊界裂縫L34之間為Ⅲ區(qū)，體積約4 000萬m3。

圖4 危巖體分區(qū)及邊界特征圖

2 滑移模式及常規(guī)計(jì)算分析

2.1 滑移模式分析

根據(jù)危巖體分區(qū)特征可知（如圖4所示），Ⅰ區(qū)地層平緩，下滑力有限，不會產(chǎn)生整體滑移破壞，為危巖體的阻滑段；Ⅱ區(qū)為危巖體的推移段，但受前緣Ⅰ區(qū)阻隔，亦會單獨(dú)產(chǎn)生滑動；Ⅲ區(qū)位于Ⅱ區(qū)內(nèi)側(cè)，亦不會產(chǎn)生滑動。故Ⅰ區(qū)+Ⅱ區(qū)的組合模式為危巖體潛在最危險(xiǎn)變形失穩(wěn)模式。

危巖體潛在最危險(xiǎn)底滑面位于燈影組下段地層內(nèi)，存在12條層間剪切帶，該12條層間剪切帶性狀有所差異，通過勘探揭露綜合分析，其中τN3-1、τN4-2、τN7-1共3條剪切帶性狀最差，其相互組合可構(gòu)成連續(xù)的滑動面，如圖5所示。τN3-1、τN4-2兩條剪切帶相距很近，總體上滑移模式相似，只是性狀略有不同，τN3-1相對較差。

圖5 危巖體滑移模式概化圖

根據(jù)危巖體分區(qū)特征及潛在底滑面特征分析，Ⅰ區(qū)+Ⅱ區(qū)沿τN3-1+τN7-1底滑面產(chǎn)生滑動的可能性最大，本文據(jù)此作為分析計(jì)算模型。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場相關(guān)原位試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)以及巖性特征等，綜合給定各類剪切帶等計(jì)算參數(shù)，詳見表1。

表1 危巖體計(jì)算所用參數(shù)表

2.3 常規(guī)計(jì)算分析

（1）二維剛體極限平衡分析：危巖體潛在最大可能滑動方向?yàn)轫槍踊?，由于危巖體地形變化較大，本文選取了4條典型剖面進(jìn)行了天然工況下的二維剛體極限平衡計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，按典型剖面由西至東的順序，其結(jié)果依次為1.06、1.15、1.11、1.29。穩(wěn)定性計(jì)算與宏觀分析基本一致，最東側(cè)剖面前緣平緩段占據(jù)比例最大，穩(wěn)定性系數(shù)最高；最西側(cè)剖面后緣滑移段占據(jù)比例最大，穩(wěn)定性系數(shù)最小。

（2）本文采用采用3DEC對危巖體在天然工況下的三維穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。計(jì)算結(jié)果表明，采用強(qiáng)度參數(shù)折減技術(shù)校核了危巖體沿潛在滑移路徑的強(qiáng)度儲備安全系數(shù)為1.46。

3 基于BIM+GIS的三維穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 BIM模型建立

本文模型采用BM_GeoModeler平臺建立，該平臺核心技術(shù)特別針對地質(zhì)體特點(diǎn)設(shè)計(jì)，采用DSI插值算法作為核心建模底層，建模方法先進(jìn)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合理，不僅能滿足任意復(fù)雜地質(zhì)體快速建模、及其日常性圖件的生產(chǎn)需要，而且可以服務(wù)巖土工程分析、設(shè)計(jì)，平臺同時(shí)提供與Autodesk、Catia、MicroStation、Revit等下游主流專業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件之間的圖形數(shù)據(jù)交換接口。

危巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)育14條層間剪切帶，且被斷層F4、F6、F191、F192錯(cuò)斷，利用BM_GeoModeler先進(jìn)的建模技術(shù)，理清了各條剪切帶、斷層之間的相互關(guān)系，如圖3所示，分析了可能的失穩(wěn)模式，為危巖體穩(wěn)定性評價(jià)提供了技術(shù)支撐。

3.2 BIM模型轉(zhuǎn)GIS柵格

通過BM_GeoModeler平臺強(qiáng)大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，可將建立的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為多種平臺支撐的數(shù)據(jù)，本文分析了各個(gè)剪切帶之間的相互關(guān)系以及性狀特征，通過綜合分析，認(rèn)為沿τN3-1+τN7-1作為底面剪切滑動的可能性最大，同時(shí)將沿著此方向剪斷前緣的覆蓋層。

為此將τN3-1、τN7-1、沿著剪切方向的覆蓋層底面、側(cè)緣F6邊界、側(cè)緣F191邊界作為危巖體潛在的底滑面，將之轉(zhuǎn)換為等值線數(shù)據(jù)，在導(dǎo)入GIS中，生成相應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)。

3.3 三維穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)滑坡二維剛體極限平衡理論，在三維空間上，將二維理論模型轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型，安全系數(shù)可表示為[3]：

式中F——三維安全系數(shù)；

W——柱體的質(zhì)量；

A——主體底面積；

c——黏聚力；

φ——內(nèi)摩擦角；

θ——滑面的法線方向角；

J、I——分別為滑體范圍內(nèi)柱體單元的行列數(shù)。

利用已有的地形數(shù)據(jù)、滑面柵格數(shù)據(jù)，即可利用GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)提取分析功能獲取三維穩(wěn)定計(jì)算所需的相應(yīng)數(shù)據(jù)。首先根據(jù)危巖體潛在滑動主方向，確定滑動方向，在該方向及滑動方向的垂直方向上，均按5 m×5 m大小的密布網(wǎng)格作為提取柵格數(shù)據(jù)的網(wǎng)格單元，危巖體內(nèi)共劃分了165個(gè)滑動方向上的列方向，各列方向劃分了58～236個(gè)行方向，共計(jì)26 424個(gè)網(wǎng)格單元。按劃分好的網(wǎng)格單元，依次提取該網(wǎng)格單元對應(yīng)的地面高程數(shù)據(jù)、滑面高程數(shù)據(jù)、滑面坡度數(shù)據(jù)、滑面坡向數(shù)據(jù)以及滑面參數(shù)數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)的獲取均按5 m×5 m網(wǎng)格內(nèi)獲取的平均值計(jì)算，總體的過程如圖6所示，獲取的數(shù)據(jù)見表2。

圖6 基本數(shù)據(jù)獲取過程圖

表2 危巖體三維穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表

利用上述獲取的基本數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1），危巖體主滑方向?yàn)?10°，將各個(gè)柱體底面傾向投影至210°方向后，計(jì)算得出的總的下滑力為7.7×108kN，抗滑力為10.2×108kN，穩(wěn)定性系數(shù)1.4。

依據(jù)此網(wǎng)格劃分原則，相當(dāng)于進(jìn)行了165個(gè)剖面數(shù)據(jù)的計(jì)算，通過計(jì)算數(shù)據(jù)分析，各個(gè)剖面的穩(wěn)定性系數(shù)0.77～1.72不等，如圖7所示。

圖7 各剖面穩(wěn)定性系數(shù)曲線

3.4 穩(wěn)定性評價(jià)

通過危巖體基本特征分析，宏觀認(rèn)為危巖體前緣緩平段即阻滑段面積較大，有利于危巖體整體穩(wěn)定；同時(shí)東側(cè)為一突出的山脊?fàn)钚螒B(tài)，前緣緩平占比大、且后緣滑移段山體厚度小，有利于整體穩(wěn)定。同時(shí)通過對危巖體的變形監(jiān)測表面，未見明顯變形。宏觀上總體認(rèn)為危巖體整體上基本穩(wěn)定。

通過三維穩(wěn)定性分析計(jì)算可知，危巖體在天然工況下整體穩(wěn)定性為1.4，與常規(guī)的三維穩(wěn)定性數(shù)值模計(jì)算出的穩(wěn)定系數(shù)1.46具有較好的一致性，同時(shí)比選取的典型剖面計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)1.03～1.29大。表明危巖體在三維空間上具較好的安全儲備，尤其是危巖體前緣緩平段寬大，危巖體靠近東側(cè)緣一帶后緣山體厚度下、前緣緩平段后段大，其安全系數(shù)明顯增加。

通過宏觀分析成果與三維穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果具較好的一致性，危巖體整體基本穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

（1）某危巖體規(guī)模巨大，整體為多夾層、上硬下軟的順向坡結(jié)構(gòu)。前緣、東側(cè)緣臨空，西側(cè)緣受斷層作用切割邊界明確，總體上危巖體具很好的側(cè)緣邊界條件。危巖體底部發(fā)育14條層間剪切帶，雖空間上受斷層錯(cuò)斷影響，但仍可以臺階狀組合而產(chǎn)生滑動。

（2）危巖體岸坡結(jié)構(gòu)不利，加之側(cè)緣邊界及底部邊界條件明確，危巖體具備產(chǎn)生整體滑動的不利條件，為此需更加客觀分析評價(jià)危巖體的穩(wěn)定性。

（3）本文綜合運(yùn)用宏觀分析以及不同計(jì)算方法的對比，得出危巖體整體基本穩(wěn)定的結(jié)論。

（4）通過運(yùn)用BIM+GIS技術(shù)，首先利用BIM計(jì)算將危巖體復(fù)雜的地層、構(gòu)造關(guān)系進(jìn)行了真實(shí)展現(xiàn)，然后將建立的精準(zhǔn)模型轉(zhuǎn)換為關(guān)鍵的地質(zhì)數(shù)據(jù)，而不再是“好看”的模型。

（5）三維模型轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)后，實(shí)現(xiàn)了三維穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果很好地應(yīng)用于危巖體穩(wěn)定性評價(jià)，通過天然單一工況的對比分析可知，本文探討的計(jì)算方法與三維穩(wěn)定性數(shù)值模擬具很好的一致性，具很好的參考意義。