占森方 李元松 陶文華 陳 陣 楊毛毛 姜 珊

（武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院）

邊坡失穩(wěn)問(wèn)題對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)造成了重大損失，也對(duì)交通、自然環(huán)境造成了極大破壞。邊坡信息繁雜，包括影像信息和文本信息，普通的管理手段難以進(jìn)行統(tǒng)一、有序地管理；邊坡失穩(wěn)破壞是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，針對(duì)不同的邊坡破壞模式，應(yīng)采用不同的分析方法來(lái)計(jì)算其穩(wěn)定狀態(tài)，然而各種評(píng)價(jià)模型既有定性指標(biāo)、又有定量參數(shù)，同時(shí)涉及到大量的理論計(jì)算，一般工作人員難以熟練掌握［1］。因此，對(duì)邊坡信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過(guò)科學(xué)、簡(jiǎn)便的方法，準(zhǔn)確、快速地給出邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，并為不穩(wěn)定邊坡推薦支擋與防護(hù)方案，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，隨著自動(dòng)化、信息化的發(fā)展，逐步有專家學(xué)者對(duì)邊坡數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)［2］、邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)［3-4］進(jìn)行研究，但對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)、空間分析功能研究較少。本研究通過(guò)ArcGIS、SQL Server、ArcSDE、Visual Studio等工具，開(kāi)發(fā)邊坡信息管理及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)（Slope Information Management and Stability Evaluation System，SIMSES），實(shí)現(xiàn)圖形可視化、空間分析功能，對(duì)邊坡空間信息和屬性信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，提供信息儲(chǔ)存、檢索、輸出等功能；集成多種邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，系統(tǒng)按邊坡類型為用戶推薦評(píng)價(jià)方法，用戶僅需輸入邊坡參數(shù)即可進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，大大降低了邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)難度，并提高了工作效率，評(píng)價(jià)完成后即可實(shí)時(shí)將評(píng)價(jià)結(jié)果儲(chǔ)存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

1 系統(tǒng)需求分析與設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

邊坡信息管理及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研發(fā)是以G0711烏尉高速公路勘察、設(shè)計(jì)工程為依托，主要服務(wù)于從事工程地質(zhì)勘察的技術(shù)與管理人員，進(jìn)行邊坡信息管理、邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并推薦不穩(wěn)定邊坡的治理方案，同時(shí)也可供內(nèi)業(yè)整理、領(lǐng)導(dǎo)了解工程進(jìn)展，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供依據(jù)。

為滿足以上需求，SIMSES需具備系統(tǒng)信息管理功能、工程管理功能、邊坡信息管理功能、邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)功能、推薦邊坡支擋與防護(hù)方案功能、生成報(bào)告功能等，系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邊坡信息管理及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)應(yīng)滿足圖形可視化和空間分析功能，因此SIMSES基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，GIS是一種特定的空間信息系統(tǒng)，它以數(shù)據(jù)地圖為基礎(chǔ)，結(jié)合空間數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地理信息的輸入、存儲(chǔ)、查詢、分析、管理和顯示，GIS技術(shù)將抽象數(shù)據(jù)和客觀世界緊密地聯(lián)系在一起，將圖像和屬性建立關(guān)系。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式一般采用C/S（Client/Server，客戶機(jī)/服務(wù)器）架構(gòu)或B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，C/S架構(gòu)相對(duì)B/S架構(gòu)來(lái)說(shuō)開(kāi)發(fā)周期短，安全性、交互性、可拓展性更強(qiáng)，處理信息、運(yùn)行速度更快，因此采用C/S架構(gòu)開(kāi)發(fā)SIMSES能更好地實(shí)現(xiàn)其實(shí)用性、可靠性、先進(jìn)性和可擴(kuò)充性，并且具有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和信息管理體系。

邊坡信息具有海量的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，SQL Server是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理能力，ArcSDE是企業(yè)級(jí)空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，不僅能創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫(kù)，并且能連接空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向查詢，因此，SIMSES采用SQL Server和ArcSDE開(kāi)發(fā)并管理數(shù)據(jù)庫(kù)。Visual Studio C#是一個(gè)現(xiàn)代的、通用的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，使用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的程序具有更高效率并且可以在多種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上編譯，因此SIMSES基于VS.Net平臺(tái)使用Visual Studio C#語(yǔ)言進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。SIMSES整體架構(gòu)如圖2所示。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

2.1 屬性數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

SIMSES基于G0711烏尉高速公路勘察、設(shè)計(jì)、施工階段的資料設(shè)計(jì)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，屬性數(shù)據(jù)庫(kù)主要儲(chǔ)存工程資料、邊坡勘察信息、邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)信息等，按實(shí)體關(guān)系模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分、歸納后儲(chǔ)存在相應(yīng)的表中，通過(guò)對(duì)每個(gè)表設(shè)置主鍵（primarykey）來(lái)保證其唯一性，并且基于主鍵生成索引以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、檢索、修改、更新、刪除等操作。SIMSES實(shí)體關(guān)系模型如圖3所示。

2.2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

邊坡具有海量空間信息，傳統(tǒng)的管理手段繁瑣且低效，難以完整地描述地理實(shí)體，因此開(kāi)發(fā)邊坡空間數(shù)據(jù)庫(kù)，管理邊坡空間信息并實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)圖形可視化，便于工程人員直觀地查詢，幫助工程人員判斷、決策，以進(jìn)行資源調(diào)度。ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎可以為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)定義一個(gè)開(kāi)放的接口，它允許Geodatabase在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存、管理其空間數(shù)據(jù)［5］。SIMSES通過(guò)ArcSDE創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫(kù)并使其與SQLServer連接，將空間數(shù)據(jù)與前文提到的屬性數(shù)據(jù)一同儲(chǔ)存在通過(guò)SQL Server所創(chuàng)建的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，這些數(shù)據(jù)通過(guò)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的外鍵（foreign key）建立參照關(guān)系，使用Geodatabase中的關(guān)聯(lián)類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，地理信息數(shù)據(jù)管理邏輯如圖4所示。

3 系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)及實(shí)現(xiàn)

3.1 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1.1 模塊功能

邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)功能是SIMSES的核心功能，其主要流程為選擇邊坡→選擇邊坡工程類型→選擇邊坡材料類型→選擇邊坡評(píng)價(jià)方法。邊坡選擇有直接在底圖中點(diǎn)選邊坡圖層和條件查詢2種方式。針對(duì)不同類型的邊坡應(yīng)使用不同的評(píng)價(jià)方法，SIMSES采取多種邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法：極限平衡法（直線滑動(dòng)法、瑞典圓弧滑動(dòng)法、Bishop法、剩余推力法）［6］、［BQ］巖體質(zhì)量分級(jí)法［7］、模糊綜合評(píng)價(jià)法［8］和赤平極射投影法［9］。根據(jù)邊坡類型，系統(tǒng)自動(dòng)篩選出適宜的評(píng)價(jià)方法。邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.1.2 實(shí)現(xiàn)技術(shù)

（1）點(diǎn)選邊坡要素。通過(guò)Point Class類函數(shù)實(shí)例化一個(gè)點(diǎn)，并將該點(diǎn)作為拓?fù)渌阕?，以此進(jìn)行要素選擇。

（2）評(píng)價(jià)方法篩選。對(duì)邊坡工程類型、邊坡材料類型進(jìn)行聯(lián)合篩選確定評(píng)價(jià)方法，篩選出評(píng)價(jià)方法后由子窗體（選擇邊坡類型子窗體）將篩選數(shù)據(jù)（string類型）通過(guò)數(shù)據(jù)傳參技術(shù)傳至父窗體（系統(tǒng)主界面）并進(jìn)行實(shí)時(shí)更新顯示。

（3）評(píng)價(jià)方法實(shí)現(xiàn)技術(shù)。以模糊綜合評(píng)價(jià)法為例，通過(guò)SQLSELECT語(yǔ)句從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢待評(píng)價(jià)邊坡的相關(guān)信息并顯示在模糊綜合評(píng)價(jià)界面中，將模糊綜合評(píng)價(jià)算法通過(guò)C#編程語(yǔ)言寫(xiě)入程序中評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)完成后通過(guò)SQL INSERT語(yǔ)句將評(píng)價(jià)信息儲(chǔ)存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2 支擋與防護(hù)方案

不穩(wěn)定邊坡一旦失穩(wěn)，將對(duì)工程建設(shè)產(chǎn)生巨大不良影響，甚至造成重大損失，因此需要對(duì)不穩(wěn)定邊坡采取有效的防治措施。SIMSES支擋與防護(hù)方案功能模塊可以為不穩(wěn)定邊坡推薦支擋結(jié)構(gòu)形式、坡面防護(hù)方案和排水方案。以支擋結(jié)構(gòu)形式為例，支擋結(jié)構(gòu)形式篩選分為2步：根據(jù)邊坡工點(diǎn)的工程地質(zhì)條件、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，考慮所在地區(qū)、設(shè)置位置、物質(zhì)組成、地基性質(zhì)、地面坡度、場(chǎng)地環(huán)境、安全等級(jí)等因素初選多個(gè)支擋方案，然后從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性、環(huán)保、安全等角度，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)初選支擋方案進(jìn)行優(yōu)選。

3.3 綜合信息查詢

（1）模塊功能。SIMSES可以對(duì)邊坡相關(guān)信息進(jìn)行查詢、修改、新增、刪除等操作，工程人員可以根據(jù)工程進(jìn)度、實(shí)際情況實(shí)時(shí)管理、更新邊坡信息。依據(jù)綜合查詢結(jié)果，生成簡(jiǎn)易報(bào)表并輸出打印，可供管理實(shí)時(shí)了解工程進(jìn)展，為決策提供依據(jù)。

（2）實(shí)現(xiàn)技術(shù)。通過(guò)SQL SELECT語(yǔ)句檢索數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)查詢功能，通過(guò)SQL INSERT語(yǔ)句向數(shù)據(jù)表中插入新的行，實(shí)現(xiàn)新增、保存功能，通過(guò)SQL DELETE語(yǔ)句刪除數(shù)據(jù)表中指定的行，實(shí)現(xiàn)刪除功能，通過(guò)SQL UPDATE語(yǔ)句修改數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)修改、更新功能。生成報(bào)表實(shí)現(xiàn)步驟：建立Word書(shū)簽?zāi)０宕娣旁诔绦虻?inDebug目錄下；利用SQL SELECT語(yǔ)句查詢數(shù)據(jù)庫(kù)表中的數(shù)據(jù)；配置XML書(shū)簽文件，將查詢出的數(shù)據(jù)替換Word模板中的書(shū)簽并生成新的Word文檔。

4 工程應(yīng)用

G0711烏尉高速公路位于烏魯木齊市西南，地勢(shì)起伏大，穿越地區(qū)地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，地處典型“三高”地區(qū)。邊坡信息管理及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)直接應(yīng)用于烏尉公路地質(zhì)勘查、工程建設(shè)階段，沿線共調(diào)查了36個(gè)邊坡，使用SIMSES管理邊坡勘察信息，評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，并為不穩(wěn)定邊坡推薦支擋與防護(hù)方案。

SIMSES以工程項(xiàng)目為單元進(jìn)行管理，同一工程所有的邊坡勘察、評(píng)價(jià)資料等，都集中在同一工程文件中。新建一個(gè)工程項(xiàng)目，導(dǎo)入研究區(qū)柵格圖或矢量圖，使用空間編輯功能在底圖上繪制邊坡圖層，使用邊坡信息管理功能錄入邊坡勘察信息。對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，在底圖點(diǎn)選待評(píng)價(jià)邊坡，系統(tǒng)根據(jù)邊坡類型推薦評(píng)價(jià)方法，從數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索邊坡信息，將計(jì)算所需參數(shù)提取到穩(wěn)定性評(píng)價(jià)界面中，用戶輸入定量參數(shù)或定性指標(biāo)，即可評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，圖6為使用模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的結(jié)果。為不穩(wěn)定邊坡推薦支擋與防護(hù)方案，用戶在功能界面選擇影響因素，進(jìn)行方案初選，完成后在隸屬度表中輸入技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保因素的隸屬度，進(jìn)行優(yōu)選，為用戶推薦最佳方案。

對(duì)研究區(qū)36個(gè)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，其中2個(gè)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，22個(gè)處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài)，12個(gè)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果與工程實(shí)際情況高度一致，為潛在不穩(wěn)定及欠穩(wěn)定邊坡推薦支擋與防護(hù)方案，取得了良好的防治效果。由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確地進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、為不穩(wěn)定邊坡推薦防治方案，可以作為用戶對(duì)邊坡進(jìn)行信息管理及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的平臺(tái)。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)邊坡信息管理與邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的問(wèn)題，對(duì)ArcGIS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)邊坡空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并將二者關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)圖形可視化和空間分析功能；通過(guò)Visual Studio C#編程語(yǔ)言將邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法、支擋與防護(hù)方案篩選寫(xiě)入程序中，實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、支擋與防護(hù)方案推薦的自動(dòng)化、智能化、快速化，為工程建設(shè)中邊坡信息管理、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、防護(hù)決策等問(wèn)題提供可靠的技術(shù)支持。系統(tǒng)應(yīng)用于烏尉公路地質(zhì)勘查、工程建設(shè)階段，各功能運(yùn)行良好，達(dá)到用戶需求。