汉十高速公路韩家垭边坡工程地质信息管理和可视化研究
目录
1 研究意义
2 工程地质信息数据库的建立
3 数字高程模型的建立
4 边坡稳定性分析与计算
5 结 论
公路工程硕士论文
关键词 工程地质，韩家垭边坡，信息管理，数字高程模型，可视化
1 研究意义
从 20 世纪末开始，随着城市化进程的加快和基础设施建设规模的扩大，水利水电、道路交通和矿山工程中出现的边坡稳定性问题成为国家十分重视的研究问题。作为国家基础设施体系的重要组成部分，高等级公路在我国得到了飞速的发展。复杂的地形条件决定了我国中西部地区(尤其是山区)高等级公路的修建必然会遇到“高挖低填”，因而产生了大量的挖方边坡和填方边坡，其突出特点是数量多、高度大、形成时间短、地质条件极为复杂。因此，对边坡进行快速稳定性评价和灾害预测，使工程设计既能确保安全稳定，又经济合理，成为在我国山区公路建设中亟待解决的问题。由于边坡工程所包含的数据是典型的空间多源数据，其稳定性问题实质是一个空间分析问题，因此，在边坡工程中采用信息化和可视化技术，可以实现系统管理和资源共享，是实现稳定性快速、适时及综合分析的有效技术途径，便于管理部门及时采取合理措施以尽量降低经济损失。文[1]用平面弹性理论，对地质体中分布的各种不连续面进行拟合，实现了边坡工程地质信息的可视化，并将它应用于结构面空间发育规律的预测、风化带发育规律的预测、块体稳定性的评价以及开挖量的计算。文[2]提出了公路三维实体建模方法，填挖过程可由实体间的布尔运算来实现。本文在收集汉十高速公路韩家垭边坡相关工程地质资料的基础上，利用已经开发的三维地层信息系统[3，4]，建立了边坡工程地质信息数据库，在此基础上建立了公路修建前后的数字高程模型，并对典型不稳定剖面进行极限平衡分析，实现了 GIS 支持下的边坡可视化设计及快速稳定性评估，对类似工程具有一定的指导意义。
2 工程地质信息数据库的建立
从工程地质测绘、勘探和试验获得的有关信息是建立斜坡工程地质信息数据库的基础，它能为可视化和稳定性评价提供基本依据。斜坡工程中从各方面可以获取的数据包括：
(1) 地形资料：包括等高线、高程控制点、标志性地物、地理标注等。
(2) 基础地质资料：包括地层岩性、地质构造、地下水、不良地质现象等。
(3) 勘察资料：包括钻孔、浅井、坑槽布置情况，编录资料，物探解译成果和化探资料等。
(4) 监测资料：包括施工前后所进行的变形监测工作的结果。
(5) 工程设计信息：包括设计的公路位置、高程、坡面形态等。对以图形方式表示的信息(工程地质平面图、剖面图、柱状图等)进行扫描，运用图形矢量化软件进行半自动矢量化，然后在 CAD 中进行人工后处理。在图形输入过程中，需要将图形要素如地形等高线、特征地质点、地层界线、断层出露界线、滑坡周界、勘探线(点)以及工程布置等，划分为不同图层，得到不同编号表示的点集、曲线集和多边形集。斜坡工程中的多源图形数据可能出现比例尺不统一、坐标体系不一致等不协调的地方，必须对它们进行比例变换、投影变换、坐标变换等操作以实现数据的标准化。根据高速公路边坡工程地质资料的特点，对地形信息、地层信息、钻孔特征和分层信息以及力学参数建立规范化的数据格式(表 1～5)，形成公路边坡工程地质信息库及其相应的编辑和查询功能
3 数字高程模型的建立
从边坡工程地质信息数据库中提取表示地面高程的离散点数据(x 坐标、y 坐标和高程)，采用合适的插值方法，即可得到规则网格表示的数字高程模型(图 1)。模型的精确度取决于网格大小和插值方法。网格取得越小，插值结果越精确。目前常用的插值方法包括距离倒数法、滑动拟合法、SHEPARD 法、有限元法、最小二乘法、多面函数法以及文[5]基于平面弹性理论而提出的插值方法等。滑动拟合法[6]是一种局部逼近方法，其基本思想是在以内插点 P 为中心的某个区域 D 内，利用 P点周围的数据点的值，建立一个二次多项式函数来拟合地形表面，并使其到各数据点的距离之加权平方和为最小。图 1 研究区数字高程模型Fig.1 Digital elevation model of interest region假定地形表面的拟合二次多项式函数为= =+++2+00100120z f( x，y)ccxcycx21102c xy+ cy(1)由最小二乘法求解如下带权的极小值： ∑=niiiV12min ω (2)式中：iω 为权重；Vi为残差；n 为 P 点周围的数据点的个数，取值为 3～10。对于公路开挖，用小段折线逼近弯曲的公路中心线，按照设计的路面高程、宽度和坡比向两侧延伸。图 2 表示公路及拟形成的边坡实体模型。图 2 公路和边坡实体模型Fig.2 Solid model of roadway and slope公路施工由地面高程[T1]ij与三维挖方实体[T2]ij之间的代数运算来实现： =ijijijijijijijTTTTTTM0[][][][][][][]121212(3)图 3 为开挖后的数字高程模型，可以对此模型进行缩放、旋转、平移。实现公路边坡三维实体的动态显示。图 3 开挖后的数字高程模型Fig.3 Digital elevation model after cutting
4 边坡稳定性分析与计算
根据地表调查结合钻孔揭示的变形迹象，圈定滑体的空间形态特征。利用数字高程模型进行剖切，在切出的剖面上直接进行条分，采用规范中的剩余推力法，可以计算出自重作用下滑坡的稳定性系数以及给定安全系数时滑坡的剩余推力，以此作为治理设计的依据。以汉十高速公路韩家垭滑坡研究为例[7]，以前期勘测设计资料为依据，建立数据库，形成数字高程模型，在此基础上进行公路开挖可视化，并对典型位置切割剖面并作稳定性评估，由此实现对公路边坡信息化管理和快速评估及安全预测。汉十高速公路 K427+750～K428+180 段属构造剥蚀丘陵区斜坡地貌，相对高差 168 m，自然坡角20°～35°，区内表层为第四系残坡积层，基岩为武当山岩群变质火山岩组，其间夹有大量前震旦纪变质基性岩脉。韩家垭滑坡是一目前相对稳定的老滑坡，滑坡后壁为变质辉绿岩与变粒岩夹片岩的南侧分界面，滑坡体主要发育在变质辉绿岩中，滑动带基本与变质辉绿岩内分布的破劈理平行，破碎带内可见明显的滑动擦痕，滑动面尚未完全贯通，滑体前缘变粒岩夹片岩受挤压作用强烈弯曲，岩层十分破碎。根据勘测设计资料，形成了数字高程模型图 1及施工开挖后的工程模型图 3。对图 3 所示的数字高程模型，沿图中剖面线 I-I 剖分，形成计算剖面II≥＜ 1600 岩石力学与工程学报 2003 年(图 4)，依此计算公路开挖前后老滑体的安全系数。计算过程中采用表 6 所示的物理力学参数。图 4 韩家垭老滑坡计算剖面Fig.4 Calculating section of Hanjiaya old slide表 6 稳定性分析中采用的物理力学参数Table 6 Mechanical parameters for stability analysis计算结果表明：天然状态下，韩家垭老滑坡的稳定性系数为 0.825；公路施工后，其稳定性系数为0.770。由于靠近坡脚部位的强风化变粒岩夹片岩极为破碎，为此进行通过坡脚点的最危险滑动面的搜索，图 5 所示为圆弧法搜索出的潜在滑动面。通过计算，坡脚的潜在滑体在天然状态下的稳定性系数为 1.005，处于临界状态；公路施工后仅为 0.837。图 5 通过坡脚的潜在滑面Fig.5 Potential sliding plane through foot
5 结 论(1) 对边坡工程中的空间多源信息建立数据库进行管理，有利于提高资料处理的信息化程度，也能为快速适时的可视化和稳定性分析提供必要的基础数据。(2) 本文对离散点进行几何内插建立了研究区的数字高程模型，并可实现图形的缩放、平移、旋转功能，为设计决策提供了可视化的直观图象。(3) 对数字高程模型进行代数运算即实现了公路和边坡的开挖，通过三维模型的变换和图切剖面，能进一步以各种成熟的边坡稳定性评估方法，计算任意剖面的安全系数，为安全预测和加固设计提供了快速可行的手段。(4) 以汉十高速公路韩家垭边坡为例的安全评估表明，该边坡是不稳定的，无论是老滑体还是公路开挖施工形成的坡脚潜在滑体都不稳定，有必要进行加固处理，这同设计单位、施工单位的研究分析意见一致。(5) 信息化和可视化技术在高速公路边坡稳定性分析中具有广阔的应用前景，本文的研究初步形成了基于 GIS 技术支撑的边坡研究信息化体系，对类似的工程问题具有一定的借鉴作用。
参 考 文 献1 陈昌彦，张菊明，杜永康等. 边坡工程地质信息的三维可视化及其在三峡船闸边坡工程中的应用[J]. 岩土工程学报，1998，20(4)：1～62 王福建，吴国雄，孙 勇. 三维实体模型在公路设计中的应用研究[J]. 浙江大学学报(工学版)，2002，36(1)：7～113 白世伟，贺怀建，王纯祥. 三维地层信息系统和岩土工程信息化[J].华中科技大学学报(城市科学报)，2002，19(1)：23～264 白世伟，王笑海. 岩土工程的信息化和可视化[J]. 岩土工程界，2001，4(8)：16～175 张菊明，王思敬，刘大安等. 复杂地质体建模及其图形显示方法研究[A]. 见：中国岩石力学与工程学会编. 中国岩石力学与工程学会第五次学术大会论文集[C]. 北京：中国科学技术出版社，1997，345～3506 王家耀. 空间信息系统原理[M]. 北京：科学出版社，20017 洪德昌，白世伟，汪 稔等. 汉十高速公路武许段工程地质勘察、稳定性分析与整治方案报告[R]. 武汉：交通部第二公路勘测设计研究院，2000地层名称天然容重/ kN•m－3粘聚力/ kPa内摩擦角/(°)残坡积土层 21.0 18 9强风化变质辉绿岩 23.0 70 20强风化变粒岩夹片岩 21.8 50 20
摘要 根据汉十高速公路韩家垭边坡工程的特点，建立了工程地质信息库对地勘资料进行科学管理。由离散点几何内插得到数字高程模型(DEM)，通过 DEM 之间的代数运算实现了公路及边坡的开挖，通过切制剖面对韩家垭滑体和由于开挖可能形成的通过坡脚的滑体进行了稳定性计算，对类似工程具有一定的指导意义。