馮 馳，談德富，方 權(quán)

（1.重慶市地勘局107 地質(zhì)隊(duì)地質(zhì)環(huán)境勘查院，重慶 401120；2.重慶一零七市政建設(shè)工程有限公司，重慶 401120）

在地質(zhì)勘查工作中，需建立健全完善的地質(zhì)體三維可視化以及分析系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)地質(zhì)體信息進(jìn)行三維仿真分析，可詳細(xì)展現(xiàn)出地質(zhì)勘查成果，為地質(zhì)信息分析提供便利。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、硬件的快速發(fā)展，在地質(zhì)體三維建模以及可視化分析過(guò)程中，可聯(lián)合應(yīng)用三維仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字地質(zhì)以及計(jì)算機(jī)軟件等創(chuàng)建三維地質(zhì)模型，為地質(zhì)構(gòu)造以及礦產(chǎn)資源分布形式分析提供參考。因此，亟需對(duì)地質(zhì)災(zāi)害勘查中三維建模技術(shù)的應(yīng)用方式進(jìn)行深入研究[1]。

1 三維地質(zhì)建模技術(shù)概述

三維地質(zhì)模型是由信息分析、數(shù)據(jù)分析作為基礎(chǔ)的學(xué)科類型，通過(guò)創(chuàng)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，將各項(xiàng)信息以及解釋結(jié)果進(jìn)行有效結(jié)合。在地質(zhì)勘查中，通過(guò)應(yīng)用三維地質(zhì)建模技術(shù)，能夠?qū)Ω黜?xiàng)勘查作業(yè)產(chǎn)生輔助作用，可為地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析提供參考。在地質(zhì)勘查中，利用勘查技術(shù)獲得大量勘查數(shù)據(jù)，在據(jù)此創(chuàng)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維模型，便于勘查人員全面了解勘查區(qū)域地質(zhì)實(shí)際情況，有利于對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行搜集和整理分析。與以往的地質(zhì)勘查工作模式相比，通過(guò)將三維建模技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)勘查工作中，能夠有效提高勘查效率，同時(shí)降低地質(zhì)勘查所需成本。

2 BlM+GlS技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害勘查中的應(yīng)用

2.1 GIS 技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

（1）數(shù)據(jù)采集與儲(chǔ)存。在地質(zhì)工程勘查中，數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)為十分重要的環(huán)節(jié)，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，一般只需對(duì)基本的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，對(duì)于派生數(shù)據(jù)無(wú)需存儲(chǔ)，能夠有效減少數(shù)據(jù)冗余度。在地質(zhì)災(zāi)害勘查中，可利用GIS 技術(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害勘查區(qū)域地質(zhì)地形條件進(jìn)行全面掃描，進(jìn)而對(duì)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域地面地質(zhì)條件進(jìn)行實(shí)地勘查，光燦采集地形地貌數(shù)據(jù)、巖土性質(zhì)、環(huán)境降雨情況等，在勘查過(guò)程中可搜集大量數(shù)據(jù)信息、文字、照片等資料，對(duì)于各類勘查數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、篩選以及輸入，再利用GIS 軟件對(duì)所輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，通過(guò)多次重復(fù)收集數(shù)據(jù)，并對(duì)勘查數(shù)據(jù)進(jìn)行更新以及修正處理，即可創(chuàng)建完善的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)空間查詢與分析。在對(duì)地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及分析處理時(shí)，首先需進(jìn)行實(shí)地勘查，做好相應(yīng)的防范措施，再利用GIS 技術(shù)，采集勘查區(qū)域的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害影響因素進(jìn)行分析，并創(chuàng)建綜合數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）數(shù)據(jù)輸出與建模。在GIS 技術(shù)中，具有數(shù)據(jù)編輯功能、數(shù)據(jù)選取功能以及數(shù)據(jù)處理功能，通過(guò)利用可視化操作形式，以及數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)信息，即可繪制地質(zhì)災(zāi)害體二維圖像以及三維圖像。GIS 技術(shù)具有專題圖制作功能、地圖編輯功能以及打印輸出功能等，對(duì)于輸出結(jié)果，可應(yīng)用于BIM 三維模型創(chuàng)建中，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害體進(jìn)行可視化模擬分析。

2.2 BIM 技術(shù)特性

（1）可視性。BIM 技術(shù)具有可視化特征，對(duì)于地質(zhì)勘查所得數(shù)據(jù)資料，可以三維形式展現(xiàn)出出來(lái)。通過(guò)利用BIM 技術(shù)創(chuàng)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維模型，便于對(duì)地質(zhì)災(zāi)害體進(jìn)行全面細(xì)致的分析，進(jìn)而全面了解地質(zhì)災(zāi)害實(shí)際情況以及各類影響因素。

（2）模擬性。BIM技術(shù)具有模擬性特征，在地質(zhì)災(zāi)害勘查和建模分析中，可進(jìn)行模擬分析，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生過(guò)程進(jìn)行可視化模擬。

（3）優(yōu)化性。利用BIM技術(shù)，可對(duì)地質(zhì)災(zāi)害三維模型進(jìn)行優(yōu)化處理。

（4）可出圖性。在利用BIM 技術(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行模擬分析后，可將所創(chuàng)建的模型導(dǎo)出形成層圖紙，便于后續(xù)分析和使用。

2.3 BIM 與GIS 相結(jié)合

在地質(zhì)勘查中聯(lián)合應(yīng)用GIS 技術(shù)與BIM 技術(shù)創(chuàng)建地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維模型，首先利用GIS 技術(shù)采集勘查區(qū)域各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、運(yùn)算、分析以及描述，然后再利用BIM 技術(shù)創(chuàng)建地質(zhì)災(zāi)害體模型。最后，利用3DSMax 軟件、Lumion 軟件等，對(duì)虛擬數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬以及渲染處理。

3 工程概況

圖1 危巖體結(jié)構(gòu)特征概化圖

圖2 危巖體岸坡結(jié)構(gòu)圖

在某水庫(kù)工程運(yùn)行管理中，對(duì)水庫(kù)工程周邊環(huán)境進(jìn)行地質(zhì)勘查，在水庫(kù)內(nèi)發(fā)現(xiàn)危巖體，體積較大，而危巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)于水庫(kù)運(yùn)行安全的影響較大。根據(jù)初步勘查分析發(fā)現(xiàn)，該危巖體體積大，在地質(zhì)勘查中，很難了解結(jié)構(gòu)面空間形態(tài)特征、形成機(jī)制以及穩(wěn)定性，對(duì)此，為了對(duì)危巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，需獲其危巖體結(jié)構(gòu)的基本特征數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的勘查方式無(wú)法滿足上述要求。對(duì)此，在該水庫(kù)工程內(nèi)部危巖體進(jìn)行勘查時(shí)，采用BMGeoModelerS 進(jìn)行建模分析，即可詳細(xì)了解危巖體結(jié)構(gòu)面特征數(shù)據(jù)，進(jìn)而為危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析提供可靠的參考依據(jù)。本文根據(jù)該危巖體總體潛在順層滑動(dòng)特征，在分析計(jì)算中為指定滑動(dòng)面，利用GIS 技術(shù)獲取危巖體各項(xiàng)數(shù)據(jù)，據(jù)此對(duì)危巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，該危巖體處于區(qū)域活動(dòng)斷層附近位置，因此危巖體的形成與該活動(dòng)斷層密切相關(guān)，勘查區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈，危巖體受到4 條斷層切割影響，形態(tài)特征比較復(fù)雜，如圖1所示。另外，岸坡結(jié)構(gòu)總體為前緩后陡形式，如圖2 所示。

該危巖體分區(qū)特征如圖3 所示，通過(guò)對(duì)圖3 進(jìn)行分析可見：I 區(qū)地層結(jié)構(gòu)平緩，下滑力有限，因此不會(huì)造成整體滑移動(dòng)，屬于該危巖體阻滑段；II 區(qū)為該危巖體的推移段，而I 區(qū)能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生阻隔作用，因此可單獨(dú)發(fā)生滑動(dòng)；該危巖體潛在最危險(xiǎn)底滑面處于燈影組下段地層中，共受12 條層間剪切帶影響，各條層間剪切帶的形狀差異比較大。通過(guò)勘查分析發(fā)現(xiàn)，τN3-1、τN4-2、τN7-1 剪切帶的性狀比較差，三者相互組合，即可形成連續(xù)滑動(dòng)面，如圖4 所示。

圖3 危巖體分區(qū)及邊界特征圖

圖4 危巖體滑移模式概化圖

4 BlM+GlS在危巖體勘查和穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

（1）BIM 模型建立。在本次地質(zhì)勘查中，對(duì)于危巖體三維模型，采用BMGeoModeler 平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)建，能夠根據(jù)地質(zhì)體特征進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。該危巖體結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，共有14 條層間剪切帶，通過(guò)采用三維建模分析方式，能夠?qū)Ω鳁l剪切帶與斷層之間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析，如圖5所示，據(jù)此對(duì)危巖體失穩(wěn)形式進(jìn)行分析，進(jìn)而為危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析提供可靠依據(jù)。

圖5 危巖體BIM 模型

（2）BIM 模型轉(zhuǎn)GIS 柵格。BMGeoModeler 平臺(tái)具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，在本次地質(zhì)勘查分析中，需對(duì)各個(gè)剪切帶之間的關(guān)系以及剪切帶形狀特征進(jìn)行分析，根據(jù)綜合性分析，τN3-1+τN7-1 作為底面剪切滑動(dòng)的可能性比較大，因此，危巖體潛在底滑面是由τN3-1、τN7-1、覆蓋層底面、側(cè)緣F6 邊界、側(cè)緣F191 邊界所形成的，可將其轉(zhuǎn)換為等值線數(shù)據(jù)，并且導(dǎo)入至GIS 中，即可形成柵格數(shù)據(jù)。

（3）三維穩(wěn)定性計(jì)算。依據(jù)滑坡二維剛體極限平衡理論，在危巖體三維空間的基礎(chǔ)上，可將二維理論模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲r體三維模型，安全系數(shù)計(jì)算方式如公式（1）所示：

在上述公式中，F(xiàn) 為三維安全系數(shù)；J、I 分別為滑體范圍內(nèi)柱體單元的行列數(shù)；c 為黏聚力；A 為主體底面積；W 為柱體的質(zhì)量；θ 為滑面的法線方向角；為內(nèi)摩擦角。

在根據(jù)地質(zhì)工程勘查獲得地形數(shù)據(jù)以及滑面柵格數(shù)據(jù)后，即可利用GIS 的數(shù)據(jù)提取以及分析功能，為危巖體三維模型創(chuàng)建分析提供所需數(shù)據(jù)資料。首先，確定危巖體結(jié)構(gòu)潛在滑動(dòng)主方向，然后在該方向以及滑動(dòng)方向的垂直方向，將5m×5m 密布網(wǎng)格作為提取柵格數(shù)據(jù)的網(wǎng)格單元，在該危巖體中，共需劃分165個(gè)滑動(dòng)方向上的列方向，而對(duì)于各列方向，還需劃分58 ～236個(gè)行方向，因此，共劃分出26424 個(gè)網(wǎng)格單元。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要對(duì)BIM 技術(shù)聯(lián)合GIS 技術(shù)，在地質(zhì)災(zāi)害勘查分析中的應(yīng)用方式進(jìn)行了詳細(xì)探究，選擇某危巖體作為勘查對(duì)象，利用BIM 技術(shù)對(duì)該危巖體地層結(jié)構(gòu)以及構(gòu)造特征進(jìn)行計(jì)算分析和展示，并創(chuàng)建危巖體三維模型，根據(jù)模型分析轉(zhuǎn)換出關(guān)鍵地質(zhì)數(shù)據(jù)，據(jù)此對(duì)危巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于計(jì)算結(jié)果，可應(yīng)用于危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析中。由此可見，在地質(zhì)災(zāi)害勘查中，應(yīng)加強(qiáng)三維建模技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害體進(jìn)行可視化模擬分析，為地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)分析以及防治工作提供可靠依據(jù)。