某危岩体基于BIM+GIS的三维稳定性分析

梁梁 海震 曾立

金沙江下游某水库内发育一危岩体[1]，其总体积亿立方米以上，危岩体的稳定性对水库稳定安全运行至关重要[2]。由于危岩体规模巨大，其结构面空间相态特征、形成机制、失稳模式等均是工程勘察的难点，为此，针对其进行的稳定性分析将受控于基本特征的获取；为解决此不足危岩体勘察过程中利用BM_GeoModelerS进行精准建模，精确分析了各类结构面特征，为稳定性评价提供基本条件。

危岩体稳定性评价一般分定性分析和定量计算，定量计算以二维稳定性计算、三维数值分析为主。二维稳定性计算一般选取典型剖面进行计算，难以反映空间上特征；三维数值分析难以计算出危岩体整体下滑力以及阻滑力，难以给以直观的形象，且建模计算复杂[3-9]。

本文针对的危岩体总体潜在顺层滑动，分析计算上为指定滑动面[10]。故可以利用BIM精准建模获取结构面空间数据后，再利用GIS强大的数据提取分析功能，依次提取地形高程数据、滑面高程数据、滑面坡度、滑面倾向等数据后，进行三维稳定性分析，为危岩体稳定性评价提供较为直观的依据。基于GIS的三维稳定计算，谢谟文等之前有所研究[3]，本文在其基础上，结合当前BIM地质建模技术，对巨型危岩体进行稳定性分析。

1 危岩体基本地质特征

1.1 地形地貌

危岩体位于金沙江左岸，江面高程约882 m，两岸第一岸坡坡顶高程1 700～1 900 m，岸坡地形陡峭，地形坡度30°～60°。

危岩体平面上呈“等腰三角形”状，“底边”即前缘临空，分布高程882～1 750 m；“右侧腰”即危岩体后缘及东侧为陡崖，陡崖高差50～100 m为主、靠近最后缘高程陡增至300 m左右；“左侧腰”即危岩体内侧，为张开裂缝，裂缝可见有20～50 m的错坎状。

1.2 地层岩性

危岩体区由老至新依次出露震旦系澄江组（Z1c）石英砂岩、观音崖组（Z2g）白云岩与碎屑岩互层、灯影组（Z2d）白云岩、第四系地层。

构成危岩体的主要地层有两组：灯影组（Z2d）分为上、下段，其中上段（Z2d2）厚约800 m，为灰白色、肉红色厚层-巨厚层白云岩；下段（Z2d1）厚约96 m，为肉红色-深灰色中厚层白云岩夹浅黄色薄层泥晶白云岩等。观音崖组（Z2g）厚约104 m，为深灰黑色-灰褐色中-薄层白云岩、紫红色砂岩及页岩互层。

1.3 结构特征

危岩体位于一区域活动断层附近，危岩体的形成与之密切相关；受区域构造强烈影响，危岩体大体受4条断层切割形成如今之形态特征，如图1所示。顺江两条断层F4及F192，垂江断层F6与F191，其中F4至 于F6、F6止 于F192。F4与F6在 地 形 上 形 成 明显的错坎，高差20～50 m。

图1 危岩体结构特征概化图

危岩体地表发育较大的裂缝共有82条。危岩体前缘发育裂缝有26条，顺江和垂江方向均有发育；中后缘共发现裂缝56条，主要垂江方向发育，平面迹线最大长度约650 m，一般长度在150 m左右。危岩体所在的左岸岸坡前缘地层倾角约10°，受岩层挠曲影响，在F4裂缝一带岩层向上弯曲，地层产状逐渐变陡，倾向200°～210°、倾角35°～44°，加之观音崖组（Z2g）、灯影组下段（Z2d1）又多软岩（夹层），故岸坡结构总体呈前缓后陡多夹层顺向坡地质结构，如图2所示。

图2 危岩体岸坡结构图

危岩体岩性组成与分布上，中、上部为灯影组上段（Z2d2）巨厚层白云岩，厚约400 m；下部为灯影组下段（Z2d1）中厚层-厚层白云岩夹极薄层-薄层泥晶白云岩（泥晶白云岩一般厚0.5～1.8 m），以及观音崖组（Z2g）薄-中厚层白云岩、砂岩及页岩互层（页岩一般厚1～5 cm）。总体上构成了“上硬下软”不利岸坡地质结构。

1.4 层间剪切带特征

灯影组下段及观音崖组地层中相对软弱岩层发育，2组地层中共发育14条层间剪切带。其中灯影组下段发育12条，均位于泥晶白云岩夹层（共7层）内发育，或位于泥晶白云岩顶底部、或单一的薄层泥晶白云岩；观音崖组地层中发育2条，位于该组地层顶底部各1条，顶部主要为层间碎裂岩加剧风化等，底部为似古风化壳物质。

通过地表调查、平洞及钻孔各部位揭露剪切带性状看，各个部位性状有所不同，剪切带可以分为四类。总体以岩块岩屑（A类）、岩屑夹泥（B类）或泥夹岩屑（C类）为主，偶见泥型（D类）。

通过分析，2组地层中分布的14条剪切带在空间上是连续贯通的，但不同的部位剪切带性状有所差别，且无明显规律性。

1.5 边界特征及分区

（1）底部边界：前述分析可知，危岩体底部发育14条层间剪切带，其分布连续，但性状特征存在变化。受断层切割影响，底部剪切带空间关系复杂，利用BM_GeoModelerS对危岩体进行精确建模，理清各条剪切带与断层间相互关系，如图3所示。总体上观音崖地层内的2条剪切带虽空间上连续性较好，但在危岩体东侧一带且并未完全临空或切割为侧边界，仍存在较大的侧向约束，其作为潜在底滑面可能性较小；而灯影组下段地层中的12条剪切带在前缘均临空（不考虑上覆覆盖层影响）、东侧缘均临空、西侧缘受断层切割已具贯通的切割边界。故灯影组下段地层中的12条剪切带为危岩体潜在最危险底滑面分布范围。

图3 危岩体BIM模型

（2）侧缘边界：危岩体前缘临空、东侧缘临空，均为陡崖状，在地形上构成了危岩体的天然外侧边界条件；西侧为裂缝L34及冲沟顺接连成，L34未完全贯通，危岩体整体边界不贯通。但危岩体内部发育的F6及F191两条断层相连，构成了危岩体西侧的连续切割边界。

（3）分区特征：从地形地貌、岩体结构、变形破坏等特征看，危岩体不同部位存在明显的差异，以地表裂缝F6、F4及L34为界，可将危岩体分为3个区（如图4所示）：F4至前缘金沙江边为Ⅰ区，体积约4 800万m3；F4及F6围限的东侧为Ⅱ区，体积约4 100万m3；F6至西侧边界裂缝L34之间为Ⅲ区，体积约4 000万m3。

图4 危岩体分区及边界特征图

2 滑移模式及常规计算分析

2.1 滑移模式分析

根据危岩体分区特征可知（如图4所示），Ⅰ区地层平缓，下滑力有限，不会产生整体滑移破坏，为危岩体的阻滑段；Ⅱ区为危岩体的推移段，但受前缘Ⅰ区阻隔，亦会单独产生滑动；Ⅲ区位于Ⅱ区内侧，亦不会产生滑动。故Ⅰ区+Ⅱ区的组合模式为危岩体潜在最危险变形失稳模式。

危岩体潜在最危险底滑面位于灯影组下段地层内，存在12条层间剪切带，该12条层间剪切带性状有所差异，通过勘探揭露综合分析，其中τN3-1、τN4-2、τN7-1共3条剪切带性状最差，其相互组合可构成连续的滑动面，如图5所示。τN3-1、τN4-2两条剪切带相距很近，总体上滑移模式相似，只是性状略有不同，τN3-1相对较差。

图5 危岩体滑移模式概化图

根据危岩体分区特征及潜在底滑面特征分析，Ⅰ区+Ⅱ区沿τN3-1+τN7-1底滑面产生滑动的可能性最大，本文据此作为分析计算模型。

2.2 计算参数

根据现场相关原位试验、室内试验以及岩性特征等，综合给定各类剪切带等计算参数，详见表1。

表1 危岩体计算所用参数表

2.3 常规计算分析

（1）二维刚体极限平衡分析：危岩体潜在最大可能滑动方向为顺层滑移，由于危岩体地形变化较大，本文选取了4条典型剖面进行了天然工况下的二维刚体极限平衡计算，计算结果表明，按典型剖面由西至东的顺序，其结果依次为1.06、1.15、1.11、1.29。稳定性计算与宏观分析基本一致，最东侧剖面前缘平缓段占据比例最大，稳定性系数最高；最西侧剖面后缘滑移段占据比例最大，稳定性系数最小。

（2）本文采用采用3DEC对危岩体在天然工况下的三维稳定性进行数值模拟研究。计算结果表明，采用强度参数折减技术校核了危岩体沿潜在滑移路径的强度储备安全系数为1.46。

3 基于BIM+GIS的三维稳定性计算

3.1 BIM模型建立

本文模型采用BM_GeoModeler平台建立，该平台核心技术特别针对地质体特点设计，采用DSI插值算法作为核心建模底层，建模方法先进、数据结构合理，不仅能满足任意复杂地质体快速建模、及其日常性图件的生产需要，而且可以服务岩土工程分析、设计，平台同时提供与Autodesk、Catia、MicroStation、Revit等下游主流专业三维设计软件之间的图形数据交换接口。

危岩体结构复杂，发育14条层间剪切带，且被断层F4、F6、F191、F192错断，利用BM_GeoModeler先进的建模技术，理清了各条剪切带、断层之间的相互关系，如图3所示，分析了可能的失稳模式，为危岩体稳定性评价提供了技术支撑。

3.2 BIM模型转GIS栅格

通过BM_GeoModeler平台强大的数据转换功能，可将建立的模型数据转为多种平台支撑的数据，本文分析了各个剪切带之间的相互关系以及性状特征，通过综合分析，认为沿τN3-1+τN7-1作为底面剪切滑动的可能性最大，同时将沿着此方向剪断前缘的覆盖层。

为此将τN3-1、τN7-1、沿着剪切方向的覆盖层底面、侧缘F6边界、侧缘F191边界作为危岩体潜在的底滑面，将之转换为等值线数据，在导入GIS中，生成相应的栅格数据。

3.3 三维稳定性计算

根据滑坡二维刚体极限平衡理论，在三维空间上，将二维理论模型转变为三维模型，安全系数可表示为[3]：

式中F——三维安全系数；

W——柱体的质量；

A——主体底面积；

c——黏聚力；

φ——内摩擦角；

θ——滑面的法线方向角；

J、I——分别为滑体范围内柱体单元的行列数。

利用已有的地形数据、滑面栅格数据，即可利用GIS强大的数据提取分析功能获取三维稳定计算所需的相应数据。首先根据危岩体潜在滑动主方向，确定滑动方向，在该方向及滑动方向的垂直方向上，均按5 m×5 m大小的密布网格作为提取栅格数据的网格单元，危岩体内共划分了165个滑动方向上的列方向，各列方向划分了58～236个行方向，共计26 424个网格单元。按划分好的网格单元，依次提取该网格单元对应的地面高程数据、滑面高程数据、滑面坡度数据、滑面坡向数据以及滑面参数数据，各类数据的获取均按5 m×5 m网格内获取的平均值计算，总体的过程如图6所示，获取的数据见表2。

图6 基本数据获取过程图

表2 危岩体三维稳定计算参数表

利用上述获取的基本数据，根据式（1），危岩体主滑方向为210°，将各个柱体底面倾向投影至210°方向后，计算得出的总的下滑力为7.7×108kN，抗滑力为10.2×108kN，稳定性系数1.4。

依据此网格划分原则，相当于进行了165个剖面数据的计算，通过计算数据分析，各个剖面的稳定性系数0.77～1.72不等，如图7所示。

图7 各剖面稳定性系数曲线

3.4 稳定性评价

通过危岩体基本特征分析，宏观认为危岩体前缘缓平段即阻滑段面积较大，有利于危岩体整体稳定；同时东侧为一突出的山脊状形态，前缘缓平占比大、且后缘滑移段山体厚度小，有利于整体稳定。同时通过对危岩体的变形监测表面，未见明显变形。宏观上总体认为危岩体整体上基本稳定。

通过三维稳定性分析计算可知，危岩体在天然工况下整体稳定性为1.4，与常规的三维稳定性数值模计算出的稳定系数1.46具有较好的一致性，同时比选取的典型剖面计算的稳定系数1.03～1.29大。表明危岩体在三维空间上具较好的安全储备，尤其是危岩体前缘缓平段宽大，危岩体靠近东侧缘一带后缘山体厚度下、前缘缓平段后段大，其安全系数明显增加。

通过宏观分析成果与三维稳定性计算结果具较好的一致性，危岩体整体基本稳定。

4 结 语

（1）某危岩体规模巨大，整体为多夹层、上硬下软的顺向坡结构。前缘、东侧缘临空，西侧缘受断层作用切割边界明确，总体上危岩体具很好的侧缘边界条件。危岩体底部发育14条层间剪切带，虽空间上受断层错断影响，但仍可以台阶状组合而产生滑动。

（2）危岩体岸坡结构不利，加之侧缘边界及底部边界条件明确，危岩体具备产生整体滑动的不利条件，为此需更加客观分析评价危岩体的稳定性。

（3）本文综合运用宏观分析以及不同计算方法的对比，得出危岩体整体基本稳定的结论。

（4）通过运用BIM+GIS技术，首先利用BIM计算将危岩体复杂的地层、构造关系进行了真实展现，然后将建立的精准模型转换为关键的地质数据，而不再是“好看”的模型。

（5）三维模型转换为数据后，实现了三维稳定性计算，计算结果很好地应用于危岩体稳定性评价，通过天然单一工况的对比分析可知，本文探讨的计算方法与三维稳定性数值模拟具很好的一致性，具很好的参考意义。