工程勘察设计BIM技术在滑坡治理工程中的应用

彭海游, 陈 渝, 任秀文, 陈柏林, 郭 琪,邹常生

(1. 重庆地质矿产研究院, 重庆 401120； 2. 重庆市地质环境监测总站, 重庆 401122； 3. 重庆中科勘测设计有限公司, 重庆 400042)

0 引 言

三维地质建模就是将地质调查、勘探、测井、物探等资料和各种解释结果综合在一起生成三维定量模型。于20世纪90年代产生，近年随计算机技术的发展越来越受到人们重视。三维地质建模及应用在业界还有如地质BIM、GIM、勘察岩土BIM、GeoIM等不同的名称，与建筑BIM有本质区别。建筑BIM是根据确切的数据去构建模型；地质建模实质则是根据有限的勘查数据，通过地质算法，把感兴趣范围内的地质体空间状态和地质属性构建起来，其重点在地质推演，以及推演出来的地质模型的应用。随着计算机技术的飞速发展和数字化、信息化时代的到来，三维地质模型在地质、岩土行业越来越受到重视，并成为研究热点之一。

继1993年S.W.HOULDING[1]首先提出了三维地质建模概念以来，国内外学者已开展了相关研究，并取得可喜的研究成果[2]。针对地质体建模的特殊性和复杂性，J.L.MALLET[3]提出的离散光滑插值技术已成为地质体计算机辅助设计的核心技术，并在国际上得到极大的重视。国外目前三维地质建模软件有EVS、GOCAD、Geosec、GeoToolkit、GeoFrance3D、ROCKWARE、C-Tech、SURPAC等。国内学者和机构也开展了相关研究工作，如中科院地质所的三维地质成果、武汉中地的MAPGIS平台、超维创想的CREATAR平台、长沙迪迈的DIMINE平台等。虽然国内外研发的三维地质软件已有数十款，主要应用于地质学研究、油气、水利水电、矿产等行业[4-11]。在岩土工程和地质灾害领域，国内学者开展了相关研究并取得一定成果[12-14]，但仍起步较晚。笔者借助当前已有的软件平台，通过整合各软件平台的优势，充分发挥其特点，研究形成了一种用于滑坡治理的工程勘察设计BIM技术方法。

1 工程勘察设计BIM技术方法

根据滑坡治理工程勘察设计的技术流程，将工程勘察设计BIM技术方法按先后顺序分为3个步骤，分别为勘察数据处理、三维地质建模和滑坡治理工程设计。在整合各软件优势的基础上，形成了一种滑坡治理工程勘察设计BIM技术方法，技术流程如图1，具体技术方法如下：

1)勘察数据处理。借助办公软件Office及绘图软件AutoCAD等，将工程勘察成果资料，如地形图、地质钻孔编录、地质剖面图、钻孔柱状图等，按照三维地质建模软件GOCAD的建模数据要求进行标准化处理，形成可供GOCAD识别的岩土体分层数据。将处理后的勘察数据导入GOCAD软件中，形成三维地质建模的数据集。

2)三维地质建模。利用工程勘察的钻孔、地质剖面、物探、地形测量等多源数据，借助GOCAD软件的流程化建模方法，构建滑坡工程勘察区的三维地质模型。GOCAD的三维地质流程化建模方法具有快速、高效、人机交互等特点。按照GOCAD设定的流程(图2)，首先进行地层层序设置，即岩土体各层之间相互关系设定；然后进行光滑曲面插值，拟合岩土体层面，构建地层面；最后将各层岩土体层面封装形成地质体，从而构建起三维地质模型。建模过程中，地质人员通过人机交互模式，对模型进行主动干预和矫正，可实现工程勘察区三维地质模型快速、准确、高效建模。

3)滑坡治理工程设计。将GOCAD构建的三维地质模型导出开展治理工程三维设计。利用三维设计模型的可视化功能，查看、测量岩土体以及设计要素空间信息和相互关系，从而开展方案的优化设计。将三维设计模型导入数值分析软件，开展数值计算，对滑坡治理工程位移、应力及稳定性进行分析，从而开展治理方案的优化设计。

图1 滑坡治理工程勘察设计BIM技术流程Fig. 1 Technical process of engineering survey and design BIM in landslide control project

图2 GOCAD流程化建模过程Fig. 2 GOCAD process modeling

2 滑坡治理工程应用实例

2.1 滑坡概况

滑坡位于重庆市北碚区周家岩，长约264.0 m，宽约60 m，坡向约104°～117°，高差约18.0～38.0 m，滑坡体主要成分为粉质黏土和砂泥岩碎石。坡脚和坡体出现多处变形裂缝，变形范围呈圆弧形，前缘位于龙凤溪河岸边。由于上部主滑段工程加载，下滑力增大，坡脚土层厚度大，坡脚土层为强度较低的粉质黏土，且长期受龙凤溪河水浸泡，加之上部土体在向下推力作用下发生较大的竖向位移，导致发生整体滑动变形，如图3。

图3 滑坡全貌(削方施工过程中)Fig. 3 Overall picture of landslide (during cutting construction)

2.2 勘察数据处理

将勘察数据进行必要的标准化处理，包括地形数据、地质钻孔数据、地质剖面数据。

1)地形数据。因为GOCAD建立地形面对数据的要求与常规工程地形测绘成果的差异(通常地形测绘CAD图中除等高线外，地物和微地貌等都是无高程信息)，需要对常规的测绘地形图进行标准化处理。例如，利用空间三维多段线对陡坎等微地形进行处理，如图4。通过对地形图的标准化处理得到了三维空间下的地形数据，真实地反映了滑坡的地貌形态，如多级陡坎、建构筑物、公路和河流等。

2)剖面数据。将地质勘察的剖面图成果进行标准化处理，构建了三维空间下的剖面图CAD文件，如图5。三维空间剖面图中包含了地面线、地层分界线，还原了剖面所揭示的岩土体空间位置等相关信息。

3)钻孔数据。将包括孔位、孔深、高程和分层等地质钻孔信息进行标准化处理后形成的excel表格文件导入GOCAD中，如图6。

图4 标准化处理后的地形数据Fig. 4 Terrain data after standardized processing

图5 标准处理后的空间地质剖面数据Fig. 5 Spatial geological section data after standardized processing

图6 标准化处理后导入GOCAD的地质钻孔数据Fig. 6 Geological drilling data imported into GOCAD after standardized processing

2.3 三维地质建模

将建模数据(2.2节)导入GOCAD软件后形成了建模所需数据集，如图7，包括地形数据、剖面数据和钻孔数据。然后借助GOCAD流程化建模方法，通过对岩土体相互关系的设定，自动构建岩土体层面，最后通过层面封装完成三维岩土体建模。

图7 导入GOCAD的三维地质建模基础数据集合Fig. 7 Basic data set of 3D geological modeling imported into GOCAD

滑坡治理工程三维地质模型如图8，模型真实地反映了滑坡岩土体相关信息，如滑床(基岩)的砂泥岩互层结构、岩层厚度、岩层产状以及岩土体的歼灭形态；模型准确地表达了滑面(岩土界面)的位置和空间形态，还准确地再现了多层土体的先后形成过程。图8(b)是第1层冲洪积土形成，图8(c)是第2层残坡积土形成，图8(d)是第3层冲洪积土形成，图8(e)是第4层素填土形成。

图8 滑坡岩土体形成过程的可视化呈现Fig. 8 Visualization of formation process of landslide rock and soil

2.4 滑坡治理工程设计应用

2.4.1 三维设计模型的可视化运用

滑坡治理工程采用坡体削方放坡结合抗滑桩的治理方案。坡体削方采用多级放坡处理，抗滑桩分别设置在坡体上部和坡脚处，形成上下两排抗滑桩，形成了初步设计方案。然后构建了初步设计方案的滑坡治理工程三维设计模型，如图9。从图9中可以看出削方后的坡面三维形态、抗滑桩与滑坡岩土体的相互关系以及抗滑桩平面位置、桩截面尺寸、桩顶标高和嵌岩深度(图10)。

图9 基于三维地质模型的滑坡治理工程三维设计模型Fig. 9 3D design model of landslide control project based on 3D geological model

图10 滑坡治理工程抗滑桩Fig. 10 Anti-slide pile of landslide control project

利用三维设计模型的可视化功能，对抗滑桩的嵌岩深度进行了优化，如图11。由图11可知桩体嵌岩段和置入土层段的分布情况。初步设计方案中抗滑桩在虚线范围内的嵌岩段太短，土层中的部分较长，不能起到抗滑支护作用，如图11(a)。进而对设计方案进行调整，加大虚线范围内的抗滑桩桩长，同时加大截面尺寸，如图11中(b)，以起到有效的抗滑支护作用。

图11 抗滑桩优化设计Fig. 11 Optimal design of anti-slide pile

2.4.2 三维设计模型的数值分析

对三维设计模型进行了数值分析网格剖分，如图12。设计模型的岩土体物理力学参数选取如表1。

图12 滑坡治理工程设计模型数值分析网格Fig. 12 Numerical analysis grid of landslide control engineering design model

表1 物理力学计算参数Table 1 Calculation parameters of physical mechanics

1)削方放坡方案优化。根据削方放坡初步设计方案，构建了滑坡削方放坡的三维模型，如图13(a)。通过计算发现，该方案会出现局部垮塌，如图13(b)。于是对该削方放坡方案进行了调整，对出现垮塌的位置进行局部放坡，如图13(c)。通过计算发现，该处的垮塌现象得到的良好的处理，如图13(d)。

图13 削方放坡方案设计与优化Fig. 13 Design and optimization of cutting and grading scheme

2)抗滑桩优化设计。根据抗滑桩设计方案1〔图14(a)〕进行的数值计算可知，设计方案基本可行，但上排抗滑桩少数桩顶〔图14(b)中C区域内〕位移较大，最大桩顶位移达61 mm。于是对方案1进行调整，对桩顶位移较大的几根桩的桩截面尺寸和配筋率等力学性能进行加强，得到设计方案2，再进行数值计算。从计算结果〔图14(c)〕可知，B区域内桩位移明显减小，该处桩顶位移得到一定控制，而A区域内4根桩位移相对较大。对设计方案2进行再次调整得到设计方案3。由计算结果〔图14(d)〕可知，D区域内4根桩桩顶位移明显减小。

3)基于三维设计模型，不断调整抗滑桩设计方案，使得抗滑桩桩顶位移得到较好地控制，最终确定了抗滑桩设计方案3。

图14 滑坡坡体及抗滑桩水平位移Fig. 14 Horizontal displacement of landslide slope and anti-slide pile

2.4.3 应用效果

笔者利用滑坡治理工程勘察设计BIM技术方法开展了周家岩滑坡治理工程设计应用，最终确定了治理工程设计方案，并按设计方案进行了滑坡治理施工。图15为滑坡治理工程竣工后的实拍照片。由图15可知，项目达到了预期的治理效果，论证了笔者提出的滑坡治理工程勘察设计BIM技术方法是可行的。

图15 滑坡治理工程竣工照片Fig. 15 Completion photo of landslide control project

3 结 论

通过对现有软件的整合，充分发挥各软件的特点，形成了一种滑坡治理工程勘察设计BIM技术方法。首先将地形、地质钻孔、地质剖面等进行标准化处理；然后借助GOCAD进行流程化三维地质建模；最后将三维地质模型导入数值分析软件开展治理工程设计应用。以重庆周家岩滑坡治理工程为例对提出的工程勘察设计BIM技术方法进行了实际应用，其工程实际效果论证了技术方法的可行性和实用性。