周俊 卞勛生 劉瓊

（海南水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，海南 海口 571100）

1 引言

滑坡，是指斜坡上的土體或者巖體，受河流沖刷、地下水活動、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下沿著一定的軟弱面或者軟弱帶，整體或者分散地順坡向下滑動的自然現(xiàn)象[1]。運動的巖（土）體稱為變位體或滑移體，未移動的下伏巖（土）體稱為滑床[2]。

目前，滑坡治理及監(jiān)測、分析與設計主要借助理正等相關的計算分析軟件生成二維勘察成果，進行方案設計和施工、監(jiān)測工作[3]。傳統(tǒng)的工作方式存在地質(zhì)成果不直觀、設計方案不精準、施工作業(yè)風險高、監(jiān)測信息 化程度低等弊端，難以有針對性地指導現(xiàn)場動態(tài)設計、施工和優(yōu)化設 計參數(shù)，不能滿足施工、運營安全的時效性需求。因此，基于GIS 等新技術研究滑坡監(jiān)測地質(zhì)可視化建模應用，實現(xiàn)對滑坡治理設計、施工、監(jiān)測和 運營使用等各階段數(shù)字化無縫集成與展示，具有重要的社會價值和經(jīng)濟價值。

本文基于SuperMap GIS 新技術，結合作者參與實施的滑坡變形監(jiān)測工作，研究實現(xiàn)了變形監(jiān)測所需的地質(zhì)地層圖形、圖像、表格、文字報告等基本地質(zhì)地理信息一體化存儲管理，并利用鉆孔及剖面數(shù)據(jù)建立區(qū)域三維地質(zhì)結構模型，借助三維可視化技術直觀、形象地表達區(qū)域地質(zhì)構造單元的空間展布特征，實現(xiàn)了地質(zhì)可視化技術的集成與展示。

2 SuperMap 地質(zhì)可視化優(yōu)勢

SuperMap GIS 是北京超圖軟件股份有限公司研發(fā)的大型GIS 基礎軟件系列，是二、三維一體化的空間數(shù)據(jù)采集、存儲、管理、分析、處理、制圖與可視化的工具軟件[4]。

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測地質(zhì)成果局限于二維圖、表，不能形象直觀地描述地層的三維空間位置及不同施工節(jié)點時的變形情況[5]?；赟uperMap GIS 軟件可以對變形監(jiān)測所需的地質(zhì)地層圖形、圖像、表格、文字報告等形式的基本地質(zhì)地理信息，進行一體化存儲管理，并利用鉆孔及剖面數(shù)據(jù)建立區(qū)域三維地質(zhì)結構模型，借助三維可視化技術直觀、形象地表達區(qū)域地質(zhì)構造單元的空間展布特征[6]，如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)體可視化相關功能

SuperMap GIS 地質(zhì)建模具體優(yōu)勢如下：

（1）通過后臺構建地質(zhì)體，支持實時剖切、查看地質(zhì)體內(nèi)部；（2）提供基于地質(zhì)體的一系列實時分析功能，如通過多邊形實時裁剪地質(zhì)體查看裁剪區(qū)域的分布情況 ；提供圓柱體、多邊形等多種類型實時開挖地質(zhì)體，還能對地質(zhì)體進行虛擬鉆孔等。（3）針對地質(zhì)體巖層比較薄的情況，通過Z 方向拉伸處理，能更清晰地觀察地質(zhì)體巖層的分布情況。（4）還提供了地質(zhì)體紋理編輯和替換等，將巖層顯示效果替換成真實紋理圖，更直觀地表達巖層內(nèi)部結構及屬性信息。（5）還能把地質(zhì)體不同的巖層炸開，方便查看內(nèi)部結構。

3 技術路線

利用SuperMap GIS 軟件進行地質(zhì)體建模及應用主要技術流程如下：（1）導入各個地質(zhì)層已有的鉆孔數(shù)據(jù)，生成分層的三維地質(zhì)點數(shù)據(jù)集；（2）利用“地質(zhì)體構建”功能，加載數(shù)據(jù)集，建立地質(zhì)體模型并保存；（3）創(chuàng)建“地質(zhì)鉆孔分析”的點數(shù)據(jù)集，利用“地質(zhì)鉆孔”功能，自定義設置鉆孔直徑和鉆孔高度，獲得分析結果 ；（4）創(chuàng)建 “地質(zhì)剖面分析”的線/面數(shù)據(jù)集，利用 “地質(zhì)剖面”功能，自定義設置剖面厚度和剖面高度，獲得分析結果。技術路線如圖2 所示。

圖2 技術路線

主要步驟如下：

（1）在SuperMap iDesktop 新建文件型數(shù)據(jù)源，選擇相應的經(jīng)度、緯度和高程字段，批量導入各個地質(zhì)層數(shù)據(jù)；（2）選擇“地質(zhì)體構建”項，生成地質(zhì)分層清晰直觀的地質(zhì)體模型GeoBodyResult；（3）選擇“地質(zhì)鉆孔分析”項，生成BoreholeResult分析結果；（4）設置剖面厚度和剖面高度，生成BoreholeResult 分析結果。

4 工程實例

4.1 項目概況

項目地處澄邁縣某廣場北面的斜坡地帶，屬于火山巖風化臺地向南渡江Ⅲ級階地的過渡地貌單元?；麦w經(jīng)多次滑動和人為活動，地形總體呈緩坡形態(tài)，坡度10°～20°，局部呈平臺形態(tài)?？辈閰^(qū)北側滑坡后緣以上為空地，系緩坡地帶，高程93～102m，可見后緣拉裂縫；滑坡體上由于多次滑動形成2 處滑坡平臺和1 處滑坡臺坎，以及多條橫向裂縫，第一處后緣平臺長約45m，寬約15m，高程約87～88m，滑坡臺坎高約0.7～1.80m；第二處平臺長約88m，寬約22m，高程約81～82.5m，主滑體右側的桉樹東倒西歪呈“醉漢林”，其余為緩坡；堆積體部分已被人為清理，滑坡體主滑體前緣部分由人為改造后呈折線斜坡，植草覆面，坡角約30°～50°；滑坡前緣堆積區(qū)已被人工清除并修建排水溝，高程約71.2～72.4m，未見縱向裂隙?，F(xiàn)場照片如圖3 和圖4 所示。

圖3 滑坡體左側照片

圖4 滑坡體中部照片

項目的地層為第四系松散堆積層（Qml）、玄武巖風化土（Qel）、凝灰?guī)r風化土（Qel）和第四系更新統(tǒng)沖洪積土（Q1al+pl）地層，與工程密切的地層由新至老如下：

（1）人工填土（Q4ml）：除zk2 缺失外，其余鉆孔均有分布，褐紅色，松散狀，欠壓實。主要成分為素填土，滑坡體平臺地段上部局部地段含1.0～2.5m 左右的建筑垃圾，為混凝土塊、碎石堆填；滑坡堆積區(qū)部分主要由粘黏性土和中細砂堆填。堆填時間約3 年。揭露厚度0.50～9.40m。

（2）粉質(zhì)黏土（Qel）：為玄武巖風化土，僅zk1、zk2 有揭露，褐紅色，灰色為主，可塑狀，主要成分為粉黏粒夾風化碎塊，碎塊粒徑2～5cm，呈棱角狀，主要分布于滑坡后緣處，揭露厚度3.60～4.30m。

（3）黏土（Qel）：為凝灰?guī)r風化土。除zk8、zk10、zk14～zk17 缺失外，其余鉆孔均有揭露，黃色，淺黃色，褐紅色，可塑狀，局部硬塑狀，主要成分為粉黏粒，含少量石英質(zhì)中細粒，局部富集。zk1 未揭穿，已揭穿鉆孔中，揭露厚度0.70～12.20m。在鉆探施工中本層黏土存在遇水縮徑現(xiàn)象，通過膨脹性試驗結果可知，本層粘土為中膨脹潛勢土。

（4）黏土（Q1al+pl）：僅zk8 有揭露，黃色為主，可塑狀，主要成分為黏粒。揭露厚度0.70m。

（5）粗砂（Q1al+pl）：僅zk4、zk6～zk8、zk14～zk15有揭露，黃色為主，稍密-中密狀，稍濕-濕，石英質(zhì)，亞圓狀，以中粗粒為主，礫次之，局部含少量卵石。揭露厚度0.70～3.50m。

（6）黏土（Q1al+pl）：zk1 未揭露，zk16、zk17 缺失，淺黃色夾淺綠色，可塑狀，主要成分為粉粒和黏粒，局部夾薄層粉砂。揭露厚度0.80～4.30m。

（7）中砂（Q1al+pl）：除滑坡體后緣未揭露外，其余地段均有分布，灰白色為主，中密狀，飽和，石英質(zhì)，亞圓狀，以中粗粒為主，礫次之。揭露厚度1.00～4.00m。

（8）1粉砂（Q1al+pl）：主要分布在滑坡前緣的左側，橙黃色為主，松散-稍密狀，飽和，石英質(zhì)以粉粒為主，細粒次之。揭露厚度1.60～2.50m。

（9）粉砂（Q1al+pl）：除滑坡體后緣未揭露外，其余地段均有分布，未揭穿，橙黃色，淺紅色，中密狀，飽和，石英質(zhì)，以粉細粒為主，中粒次之，局部含團狀黏性土。揭露厚度1.00～11.40m。

（10）粉質(zhì)黏土（Q1al+pl）：僅zk7、zk17 有揭露，黃色，可塑狀，以粉粘粒為主。揭露厚度1.00～1.40m。

（11）粉砂（Q1al+pl）：僅zk7、zk17 有揭露，淺紅，紫紅色，中密狀，飽和，石英質(zhì)，亞圓狀，以粉細粒為主。揭露厚度2.00 ～9.40m。代表性工程地質(zhì)剖面如圖5所示。

圖5 代表性工程地質(zhì)剖面

4.2 地質(zhì)建模實現(xiàn)

（1）鉆孔數(shù)據(jù)分層

需要對鉆孔屬性表格數(shù)據(jù)分層，形成7 份分層表格數(shù)據(jù)，各個分層含17 個采樣點。

（2）生成三維地質(zhì)點數(shù)據(jù)

將表格數(shù)據(jù)導入SuperMap iDesktop 數(shù)據(jù)源，生成三維地質(zhì)點數(shù)據(jù)集。

（3）地質(zhì)體構建

打開“地質(zhì)體”構建窗口。單擊“三維數(shù)據(jù)”選項卡中“模型”組中“地質(zhì)體”下拉按鈕，在彈出的下拉菜單中選擇“地質(zhì)體構建”。將地質(zhì)體成果GeoBodyResult 加載到三維場景中顯示。

4.3 地質(zhì)體可視化構建應用

（1）地質(zhì)鉆孔分析

“地質(zhì)鉆孔分析”功能，根據(jù)點數(shù)據(jù)集，通過設置鉆孔參數(shù)，實現(xiàn)地質(zhì)鉆孔分析[7]。地質(zhì)鉆孔分析中點數(shù)據(jù)集支持二維點和三維點。使用地質(zhì)鉆孔分析，可以自定義設置鉆孔直徑和鉆孔高度，實時獲得不同鉆孔參數(shù)的分析結果，如圖6 所示。

圖6 地質(zhì)鉆孔分析效果

單擊 “三維數(shù)據(jù)”選項卡“模型”組中“地質(zhì)體”下拉按鈕，在彈出的下拉菜單選擇“地質(zhì)鉆孔分析”項。

源數(shù)據(jù)：選擇需要進行地質(zhì)鉆孔分析的地質(zhì)體數(shù)據(jù)集。

鉆孔數(shù)據(jù)：選擇鉆孔數(shù)據(jù)集。

參數(shù)設置：設置鉆孔直徑和底部高程。

結果設置 ：設置結果數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集名稱默認為BoreholeResult，也可自定義輸入。

（2）地質(zhì)剖面分析

“地質(zhì)剖面分析”功能，根據(jù)剖面數(shù)據(jù)集，提取獲得指定剖面的地質(zhì)模型[8]。剖面數(shù)據(jù)集支持二維線、二維面、三維線和三維面。使用地質(zhì)剖面分析，可以自定義設置剖面厚度和剖面高度，實時獲得不同剖面的分析結果，如圖7 所示。

圖7 地質(zhì)剖面分析效果

（3）滑動面分析

根據(jù)現(xiàn)場勘查和物探測試結果，滑坡體的裂縫寬度緩慢擴大，前緣出現(xiàn)了局部土體滑動等變形，前緣剪出口位于滑坡體前緣的排水溝處，滑坡大部分 處于蠕動變形階段。分析滑坡結構特征和可能的變形發(fā)展情況，采用定量計算進一步判斷其穩(wěn)定性，變形破壞模式為滑坡體沿人工填土底部圓弧形滑動，破壞模式穩(wěn)定性計算按瑞典分條法進行[9]。分析效果如圖8所示。

圖8 滑動面分析效果

（4）監(jiān)測點位布設

根據(jù)《崩塌、滑坡、泥石流監(jiān)測規(guī)范》要求，現(xiàn)場開展水平位移監(jiān)測點、豎向位 移監(jiān)測點、深層水平位移監(jiān)測點、地下水位監(jiān)測點等變形監(jiān)測工作。滑坡體三維可視化建模完成后，可以快速直觀地在模型上布設各類監(jiān)測標志。效果如圖9 所示。

圖9 監(jiān)測點布設效果

地質(zhì)三維可視化的集成與展示應用，使得本項目的地質(zhì)情況、地層分層線、地下水位線、滑動面等多種類型信息更加直觀，并且可以在三維可視化成果基礎上快速布設各類監(jiān)測點位，為后續(xù)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)成果、分析結果、預警預報、風險研判等設計施工、安全保障工作提供技術支撐[10]。

5 總結與展望

本文基于SuperMap GIS，結合三維GIS 技術與滑坡變形監(jiān)測需求，實現(xiàn)了滑坡地質(zhì)三維可視化建模，有效提升滑坡變形監(jiān)測的信息化程度，目前已經(jīng)在部分項目中成功進行集成與展示應用。今后將進一步在滑坡監(jiān)測穩(wěn)定性分析、三維建模、BIM 應用等方面加強研究，生產(chǎn)更高質(zhì)量、多屬性、美觀度高的模型，提高變形監(jiān)測工作的可靠性、準確性和規(guī)范化水平，為滑坡監(jiān)測施工與運營管理提供更新的方法和手段，加快GIS 技術在滑坡變形監(jiān)測領域的推廣應用[11]。