基于GIM与BIM技术的滑坡治理研究

钟 恒，刘廷伟，熊桂开

(重庆市勘测院 重庆市 400020)

0 引言

滑坡是指在重力和其他外力的作用下，斜坡上的土体或者岩体沿着一定的软弱面或者软弱带整体失稳的现象[1]。滑坡是一种对人类活动危害最普遍的地质灾害类型，且破坏性较为严重，一旦发生滑坡地质灾害，就会对所发生区域内的生态环境、人们的生命财产安全造成巨大的侵害，其中，三峡库区为我国滑坡灾害最为典型地区[2]。

通过工程实例，基于GIM与BIM技术整合的三峡库区师专群沱子滑坡地质及支护结构模型，提出采用改进的小排距双排桩加固措施，并通过三维有限元分析对其安全性进行评估。与传统勘察设计相比，通过GIM模型和BIM模型有机结合，能够很好地把勘察与设计专业结合起来，实现优化设计方案、提高设计质量的目的。

1 工程概况

新建场平基坑位于三峡库区重庆市涪陵区长江、乌江汇合口东岸，在地块北、东、南三侧形成挖方高边坡，边坡平面上呈一折线状分布。边坡总长约为530m，最大高度54.1m，边坡总立面面积约17000m2。现状地形总体呈东北高西南低，场地北侧为裸露的岩石陡崖，东侧为师专-群沱子滑坡。从边坡最大高度、边坡立面面积及所在区域滑坡规模综合判定，项目规模为大型。周边建构筑物多，结构多，北侧边坡差异风化致使部分岩石块体悬空高度达54m岩质边坡，坡顶为涪清路架空结构；东侧团结路有衡重式挡墙、建筑陶瓷厂、师院附中、师专老校区等；现场场地地质条件复杂，江边地下水条件复杂；同时，涪陵师专-群沱子滑坡是新建基坑设计的最大难题，项目的实施需对滑坡进行支护及滑坡土体开挖，对施工影响严重，项目极为复杂。

师专群沱子滑坡位于乌江右岸斜坡上，属斜向坡地形，平面上为槽状地形，斜坡总体宽缓且均一，平均地形坡度10°～15°。滑坡堆积主要分布于滑坡地带，组成物质复杂，有粘土夹块石，块石粒径一般10～400mm(局部块石粒径大于1000mm)，含量10%～40%，一般含量为30%，块碎石夹少量粘土、粉土、粉质粘土，人工堆积的弃土弃渣，厚度变化较大，钻探揭露厚度3.2～34.31m，主要分布在师专群沱子滑坡范围内，为场地主要土层。本次场平基坑范围内，滑体顺江宽约320m，后缘宽约100m，纵长约1300m，面积26.65×104m2，滑体厚度一般在6.10～34.72m，平均厚度约14.40m，滑体方量约384×104m3，属于松脱式、中层、大型、松散堆积层滑坡。滑面为基岩顶界面，滑面倾角一般3°～6°，局部倾角较大约28°，总体上为一平直型滑坡。滑体前缘位于乌江冲刷岸，地形向江内凸起，无漫滩分布，河床有顺江深槽分布，深槽高程126～131m。该滑坡2003年和2010年已经过两次治理，本次工程于原抗滑工程后部实施支护结构后开挖切割滑坡体，条件复杂且难度大。

在滑坡完全治理前，师专滑坡的形成经历了蠕动、拉裂变形及滑移多个阶段。滑体在库区水位消落的情况下，滑坡前缘的土体不断被冲刷和掏空，形成临空面，滑坡前缘加剧，临空面不断加大。同时在地下水的持续作用下，导致坡体中部出现裂隙，然后一直延续到滑坡顶部沿应力集中带产生的裂隙持续向深部及两侧发展，随着变形的持续发展，导致滑带处岩土体软化，使其抗剪强度迅速降低。斜坡上部岩土体逐渐松驰，坡体变形进入累进性破坏过程。地下水迳流活动不断加剧，追踪优势裂隙面不断扩展，地表变形趋于明显。在源于岩土体自重而产生的下滑推力作用下，剪应力高度集中，迅速向沿前缘已破坏的滑动面发展，导致后缘拉裂面与前缘剪裂面贯通，最终产生突发性破坏，形成牵引式滑坡。通过本次钻孔中采集的土样试验数据与原滑坡勘察竖井中采集的土样试验数据对比分析，综合考虑原设计治理的滑坡至今效果良好，充分说明滑坡治理采用的参数有效、可靠，本次滑带土饱和C取12kPa、Ф取8.77°；本次滑体土饱和C取23.7kPa、Ф取16.2°。

2 GIM和BIM模型滑坡治理设计

在GIM建模方面，本项目利用山地城市区域地质三维模型构建集成方法(专利号：ZL201410157873.3)和基于钻孔数据的海量三维地质模型网格式并行构建方法(专利号：ZL201310499848.9)，基于DSI离散光滑插值算法的地质体综合建模体系建立了场地。利用1∶500地形图，并参考孔口坐标，可以生成网格均匀、曲面精细的地形模型，真实反映地表的复杂起伏变化。首先建立土层模型，该场地覆盖层主要由素填土和滑坡体碎石土构成。在岩性建模方面，首先利用三维地质建模软件，实现钻孔分层信息的快速解译，可快速高效地生成岩体模型。最后，根据构建的整个场地的地质体模型和立方网模型，对滑坡体进行稳定性分析。通过自主研发的三维地质可视化平台，成功解决了该项目中的山地城市区域地质三维模型的构建问题，实现了项目整体多钻孔数据的三维地质模型构件及区域地质三维模型的可视化集成，为地质应用分析提供了数据基础。

基于REVIT的岩土工程支护结构信息模型，将支护结构与周边建(构)筑物及环境，利用BIM技术在场景中进行集成展示，实现支护结构可视化，提高勘察设计人员对岩土工程信息的高效利用。最后，通过三维地质可视化平台，本项目建立了场地和基坑模型，利用“场平设计”功能，可实现场地基坑开挖、放坡作业，基于地质体模型，可准确统计工程开挖方量，将GIM模型和BIM模型有机结合起来。

抗滑桩是一种效果较好的传统滑体加固方式。对一些中、深层滑坡，用抗滑挡墙难以整治的情况下，可以用抗滑桩。抗滑桩在滑坡体上挖孔设桩，不会因施工破坏其整体稳定。该方法滑坡治理中较为有效[3]。基于GIM+BIM模型，本项目采用小排距双排桩加固措施，但拟设桩平面位置宽度约为7.5m，空间较小，受空间狭窄限制，不能前后排正对布置双排桩，因此，改进的双排桩采用前后排梅花形布置，形式于加密的单排桩，桩基间距5m，桩径3m，桩顶设置整体冠梁，冠梁厚度2m，宽度7m。桩基设计中，类比三峡库区涪陵区长江乌江汇合口东岸防洪护岸综合整治工程群桩承台基础实施经验，江边水位涨落变化不适用采用人工挖孔桩，对本项目进行机械成孔支护桩设计[4]。

3 滑坡治理影响分析

滑坡治理影响分析涉及到岩土与结构相互作用的分析，其研究方法主要有数理力学方法和经验类比方法两类。而常见的数理力学方法包括理论分析研究、模型实验研究和现场实测研究，其中，理论分析研究又包括纯理论解析分析和数值解析分析。由于岩土工程的复杂性及特殊性，经验法与解析法通常缺乏一定的通用性，其结果很难保证其准确性。数值模拟分析方法可以考虑地层条件、空间效应、辅助工法等影响因素，能够较为真实地反映模拟边坡的受力行为，在对工程的前后安全影响分析中得到广泛应用。

分析思路为：根据工程技术资料、分析研究对象实际空间位置关系及地质条件对新建基坑过程中的风险进行分析。针对风险源，运用MIDAS/GTS有限元分析软件进行仿真数值模拟计算，分析滑坡治理效果[5]。

通过分析结构物之间的相互影响关系，建立三维有限元模型。岩土材料采用理想弹塑性本构模型(摩尔-库仑强度准则)，混凝土材料采用线弹性本构模型。岩土层厚度、岩土层力学参数等工程地质条件，按照勘察报告提交的参数进行选取，参数如表1。

模型边界条件：模型底面采用固定约束，侧面采用对称约束，地表为自由边界。荷载包括岩土结构自重，即有限元软件根据输入的岩土及结构的材料容重自动计算；外部荷载，即支挡结构顶部车辆荷载及人行荷载。

图1 滑坡治理措施的有限元模型

本次模型共分三个模拟工况，施工工序为：

(1)原始地形地貌。

(2)基坑的开挖及支护结构施工。

(3)完成通车后的运营阶段。

通过对基坑开挖过程的数值模拟计算，提取基坑施工后的位移云图及弹塑性状态云图，如图2、图3所示，基坑建设后双排桩变形分析见表2。

图2 基坑建设后水平方向变形云图(单位：mm)

图3 运营阶段水平方向变形云图(单位：mm)

根据应力云图分析，支护结构完成后，基岩最大压应力0.97MPa，未超过岩石允许强度(泥岩饱和抗压强度2.7MPa)，桩基周边围岩基本处在弹性状态，塑性状态主要存在于滑坡带范围内，围岩整体处在稳定状态。根据支护结构变形分析，本工程施工前后，桩基桩顶的最大水平变形122.2mm，运营阶段由于桩顶车辆荷载，最大水平变形减小为115.1mm，变形基本可控，边坡处在安全状态。现该项目已竣工验收2年。建设单位委托第三方监测单位对施工期间及运营期进行了监测，监测结果如图4。

图4 排桩支挡体系水平位移时程曲线图(单位：mm)

监测期内排桩支护体系冠梁监测点水平位移变化值为15.9～104.6mm，累计沉降变化值为-5.4～21.0mm，冠梁累计变形监测数据变化较大，在近一年的监测周期内各监测点的数据变化较小，变形趋于收敛，现阶段排桩支挡体系处于稳定状态。支护结构变形与计算结果相符，边坡整体稳定，项目是成功的。

4 结论

(1)在了解梅花形布置的双排圆形抗滑桩的桩土共同作用机制、土拱形成条件、应力应变特征等基础上，研究梅花形布置的双排圆形抗滑桩桩径、桩距、排距等参数对支护效果的影响，提出了小排距双排桩改进的等效单排桩的滑坡治理措施，经工程验证，该场地基坑已竣工验收2年，边坡整体稳定，计算结果与实际较为符合，项目是成功的。

(2)该项目通过GIM模型和BIM模型有机结合，能够很好地把勘察与设计专业结合起来。在GIM+BIM模型中，有效地辅助方案的布置与优化，进一步减少边坡支护、开挖工作对场地现有环境影响，尤其是对滑坡范围建筑结构、挡墙造成的不良影响，进而更好地指导施工方案的编制，显示出基于BIM技术的勘察设计一体化应用的巨大潜力。

(3)滑坡体支护及开挖可能会对既有房屋建筑、道路、结构产生一定的影响，利用有限元模型进行边坡支护计算和支护结构与项目结构相互影响分析，针对重点风险对象，模拟分析边坡开挖所引起的建筑地基变形(沉降、倾斜)情况，可指导施工和后期运维，确保工程安全，有效规避了工程风险。