基于GIM與BIM技術(shù)的滑坡治理研究

鐘 恒，劉廷偉，熊桂開

(重慶市勘測(cè)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(wěn)的現(xiàn)象[1]?；率且环N對(duì)人類活動(dòng)危害最普遍的地質(zhì)災(zāi)害類型，且破壞性較為嚴(yán)重，一旦發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害，就會(huì)對(duì)所發(fā)生區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境、人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的侵害，其中，三峽庫區(qū)為我國滑坡災(zāi)害最為典型地區(qū)[2]。

通過工程實(shí)例，基于GIM與BIM技術(shù)整合的三峽庫區(qū)師專群沱子滑坡地質(zhì)及支護(hù)結(jié)構(gòu)模型，提出采用改進(jìn)的小排距雙排樁加固措施，并通過三維有限元分析對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)估。與傳統(tǒng)勘察設(shè)計(jì)相比，通過GIM模型和BIM模型有機(jī)結(jié)合，能夠很好地把勘察與設(shè)計(jì)專業(yè)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。

1 工程概況

新建場(chǎng)平基坑位于三峽庫區(qū)重慶市涪陵區(qū)長江、烏江匯合口東岸，在地塊北、東、南三側(cè)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?，F(xiàn)狀地形總體呈東北高西南低，場(chǎng)地北側(cè)為裸露的巖石陡崖，東側(cè)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(qū)域滑坡規(guī)模綜合判定，項(xiàng)目規(guī)模為大型。周邊建構(gòu)筑物多，結(jié)構(gòu)多，北側(cè)邊坡差異風(fēng)化致使部分巖石塊體懸空高度達(dá)54m巖質(zhì)邊坡，坡頂為涪清路架空結(jié)構(gòu)；東側(cè)團(tuán)結(jié)路有衡重式擋墻、建筑陶瓷廠、師院附中、師專老校區(qū)等；現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜，江邊地下水條件復(fù)雜；同時(shí)，涪陵師專-群沱子滑坡是新建基坑設(shè)計(jì)的最大難題，項(xiàng)目的實(shí)施需對(duì)滑坡進(jìn)行支護(hù)及滑坡土體開挖，對(duì)施工影響嚴(yán)重，項(xiàng)目極為復(fù)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(zhì)復(fù)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(zhì)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(nèi)，為場(chǎng)地主要土層。本次場(chǎng)平基坑范圍內(nèi)，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?；鏋榛鶐r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(nèi)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(jīng)過兩次治理，本次工程于原抗滑工程后部實(shí)施支護(hù)結(jié)構(gòu)后開挖切割滑坡體，條件復(fù)雜且難度大。

在滑坡完全治理前，師?；碌男纬山?jīng)歷了蠕動(dòng)、拉裂變形及滑移多個(gè)階段?；w在庫區(qū)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(shí)在地下水的持續(xù)作用下，導(dǎo)致坡體中部出現(xiàn)裂隙，然后一直延續(xù)到滑坡頂部沿應(yīng)力集中帶產(chǎn)生的裂隙持續(xù)向深部及兩側(cè)發(fā)展，隨著變形的持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致滑帶處巖土體軟化，使其抗剪強(qiáng)度迅速降低。斜坡上部巖土體逐漸松馳，坡體變形進(jìn)入累進(jìn)性破壞過程。地下水逕流活動(dòng)不斷加劇，追蹤優(yōu)勢(shì)裂隙面不斷擴(kuò)展，地表變形趨于明顯。在源于巖土體自重而產(chǎn)生的下滑推力作用下，剪應(yīng)力高度集中，迅速向沿前緣已破壞的滑動(dòng)面發(fā)展，導(dǎo)致后緣拉裂面與前緣剪裂面貫通，最終產(chǎn)生突發(fā)性破壞，形成牽引式滑坡。通過本次鉆孔中采集的土樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)與原滑坡勘察豎井中采集的土樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，綜合考慮原設(shè)計(jì)治理的滑坡至今效果良好，充分說明滑坡治理采用的參數(shù)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(shè)計(jì)

在GIM建模方面，本項(xiàng)目利用山地城市區(qū)域地質(zhì)三維模型構(gòu)建集成方法(專利號(hào)：ZL201410157873.3)和基于鉆孔數(shù)據(jù)的海量三維地質(zhì)模型網(wǎng)格式并行構(gòu)建方法(專利號(hào)：ZL201310499848.9)，基于DSI離散光滑插值算法的地質(zhì)體綜合建模體系建立了場(chǎng)地。利用1∶500地形圖，并參考孔口坐標(biāo)，可以生成網(wǎng)格均勻、曲面精細(xì)的地形模型，真實(shí)反映地表的復(fù)雜起伏變化。首先建立土層模型，該場(chǎng)地覆蓋層主要由素填土和滑坡體碎石土構(gòu)成。在巖性建模方面，首先利用三維地質(zhì)建模軟件，實(shí)現(xiàn)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(jù)構(gòu)建的整個(gè)場(chǎng)地的地質(zhì)體模型和立方網(wǎng)模型，對(duì)滑坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。通過自主研發(fā)的三維地質(zhì)可視化平臺(tái)，成功解決了該項(xiàng)目中的山地城市區(qū)域地質(zhì)三維模型的構(gòu)建問題，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目整體多鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)模型構(gòu)件及區(qū)域地質(zhì)三維模型的可視化集成，為地質(zhì)應(yīng)用分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

基于REVIT的巖土工程支護(hù)結(jié)構(gòu)信息模型，將支護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊建(構(gòu))筑物及環(huán)境，利用BIM技術(shù)在場(chǎng)景中進(jìn)行集成展示，實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)可視化，提高勘察設(shè)計(jì)人員對(duì)巖土工程信息的高效利用。最后，通過三維地質(zhì)可視化平臺(tái)，本項(xiàng)目建立了場(chǎng)地和基坑模型，利用“場(chǎng)平設(shè)計(jì)”功能，可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地基坑開挖、放坡作業(yè)，基于地質(zhì)體模型，可準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)工程開挖方量，將GIM模型和BIM模型有機(jī)結(jié)合起來。

抗滑樁是一種效果較好的傳統(tǒng)滑體加固方式。對(duì)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?？够瑯对诨麦w上挖孔設(shè)樁，不會(huì)因施工破壞其整體穩(wěn)定。該方法滑坡治理中較為有效[3]。基于GIM+BIM模型，本項(xiàng)目采用小排距雙排樁加固措施，但擬設(shè)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(duì)布置雙排樁，因此，改進(jìn)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(shè)置整體冠梁，冠梁厚度2m，寬度7m。樁基設(shè)計(jì)中，類比三峽庫區(qū)涪陵區(qū)長江烏江匯合口東岸防洪護(hù)岸綜合整治工程群樁承臺(tái)基礎(chǔ)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，江邊水位漲落變化不適用采用人工挖孔樁，對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行機(jī)械成孔支護(hù)樁設(shè)計(jì)[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(jié)構(gòu)相互作用的分析，其研究方法主要有數(shù)理力學(xué)方法和經(jīng)驗(yàn)類比方法兩類。而常見的數(shù)理力學(xué)方法包括理論分析研究、模型實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，其中，理論分析研究又包括純理論解析分析和數(shù)值解析分析。由于巖土工程的復(fù)雜性及特殊性，經(jīng)驗(yàn)法與解析法通常缺乏一定的通用性，其結(jié)果很難保證其準(zhǔn)確性。數(shù)值模擬分析方法可以考慮地層條件、空間效應(yīng)、輔助工法等影響因素，能夠較為真實(shí)地反映模擬邊坡的受力行為，在對(duì)工程的前后安全影響分析中得到廣泛應(yīng)用。

分析思路為：根據(jù)工程技術(shù)資料、分析研究對(duì)象實(shí)際空間位置關(guān)系及地質(zhì)條件對(duì)新建基坑過程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源，運(yùn)用MIDAS/GTS有限元分析軟件進(jìn)行仿真數(shù)值模擬計(jì)算，分析滑坡治理效果[5]。

通過分析結(jié)構(gòu)物之間的相互影響關(guān)系，建立三維有限元模型。巖土材料采用理想彈塑性本構(gòu)模型(摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則)，混凝土材料采用線彈性本構(gòu)模型。巖土層厚度、巖土層力學(xué)參數(shù)等工程地質(zhì)條件，按照勘察報(bào)告提交的參數(shù)進(jìn)行選取，參數(shù)如表1。

模型邊界條件：模型底面采用固定約束，側(cè)面采用對(duì)稱約束，地表為自由邊界。荷載包括巖土結(jié)構(gòu)自重，即有限元軟件根據(jù)輸入的巖土及結(jié)構(gòu)的材料容重自動(dòng)計(jì)算；外部荷載，即支擋結(jié)構(gòu)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(gè)模擬工況，施工工序?yàn)椋?/p>

(1)原始地形地貌。

(2)基坑的開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)施工。

(3)完成通車后的運(yùn)營階段。

通過對(duì)基坑開挖過程的數(shù)值模擬計(jì)算，提取基坑施工后的位移云圖及彈塑性狀態(tài)云圖，如圖2、圖3所示，基坑建設(shè)后雙排樁變形分析見表2。

圖2 基坑建設(shè)后水平方向變形云圖(單位：mm)

圖3 運(yùn)營階段水平方向變形云圖(單位：mm)

根據(jù)應(yīng)力云圖分析，支護(hù)結(jié)構(gòu)完成后，基巖最大壓應(yīng)力0.97MPa，未超過巖石允許強(qiáng)度(泥巖飽和抗壓強(qiáng)度2.7MPa)，樁基周邊圍巖基本處在彈性狀態(tài)，塑性狀態(tài)主要存在于滑坡帶范圍內(nèi)，圍巖整體處在穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析，本工程施工前后，樁基樁頂?shù)淖畲笏阶冃?22.2mm，運(yùn)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(tài)?，F(xiàn)該項(xiàng)目已竣工驗(yàn)收2年。建設(shè)單位委托第三方監(jiān)測(cè)單位對(duì)施工期間及運(yùn)營期進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4。

圖4 排樁支擋體系水平位移時(shí)程曲線圖(單位：mm)

監(jiān)測(cè)期內(nèi)排樁支護(hù)體系冠梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變化值為15.9～104.6mm，累計(jì)沉降變化值為-5.4～21.0mm，冠梁累計(jì)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化較大，在近一年的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化較小，變形趨于收斂，現(xiàn)階段排樁支擋體系處于穩(wěn)定狀態(tài)。支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與計(jì)算結(jié)果相符，邊坡整體穩(wěn)定，項(xiàng)目是成功的。

4 結(jié)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(jī)制、土拱形成條件、應(yīng)力應(yīng)變特征等基礎(chǔ)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(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響，提出了小排距雙排樁改進(jìn)的等效單排樁的滑坡治理措施，經(jīng)工程驗(yàn)證，該場(chǎng)地基坑已竣工驗(yàn)收2年，邊坡整體穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際較為符合，項(xiàng)目是成功的。

(2)該項(xiàng)目通過GIM模型和BIM模型有機(jī)結(jié)合，能夠很好地把勘察與設(shè)計(jì)專業(yè)結(jié)合起來。在GIM+BIM模型中，有效地輔助方案的布置與優(yōu)化，進(jìn)一步減少邊坡支護(hù)、開挖工作對(duì)場(chǎng)地現(xiàn)有環(huán)境影響，尤其是對(duì)滑坡范圍建筑結(jié)構(gòu)、擋墻造成的不良影響，進(jìn)而更好地指導(dǎo)施工方案的編制，顯示出基于BIM技術(shù)的勘察設(shè)計(jì)一體化應(yīng)用的巨大潛力。

(3)滑坡體支護(hù)及開挖可能會(huì)對(duì)既有房屋建筑、道路、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，利用有限元模型進(jìn)行邊坡支護(hù)計(jì)算和支護(hù)結(jié)構(gòu)與項(xiàng)目結(jié)構(gòu)相互影響分析，針對(duì)重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)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(dǎo)施工和后期運(yùn)維，確保工程安全，有效規(guī)避了工程風(fēng)險(xiǎn)。