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边坡稳定性计算程序中的三维可视化技术
2011年3月12日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:夏元友,朱 勇,周强新
    单位:武汉理工大学土木工程与建筑学院

    在边坡稳定性分析程序中,条分法可视化实现所面临的难题是图形的拓扑运算和对应的属性数据提取,尤其是在自动搜索最危险圆弧滑面的过程中,这种图形拓扑运算和数据提取过程就显得更为频繁。传统边坡稳定性评价极限平衡法程序在实现可视化方面是将矢量图形功能作为程序的一个功能模块,属于独立封闭的系统,不具有松散耦合性[1] 。为了解决这个问题,不少研究人员利用GIS 软件中的空间数据处理的模块,做了很多有价值的研究工作[2~7] 。这些应用研究有效地展示了GIS 技术在边坡领域的应用前景,这种前景与它强大的空间数据处理功能是分不开的。但是基于商业GIS 平台所开发出来的这些软件涉及到推广成本的限制。

    通过开发单独的图形拓扑运算模块,作为所有程序的公共模块使用,能节省大量的资源,大大提高程序的执行效率。就三峡库区高切坡稳定性评价系统软件的研究,结合GIS 技术在空间数据处理方面的优越性[8] ,以及CAD 技术在图形编辑、建模和显示等方面的长处,解决了各种稳定性评价方法的可视化关键技术。

    1  边坡稳定性分析条分法概述

    条分法[1 ,9]是建立在垂直条分的基础上,将可能滑动的土体分成若干条,假定边坡土体的抗剪强度指标c′和f′减少为c′/ F 和tan f′/ F( F 为安全系数) ,使土体从目前稳定状态进入极限平衡状态,此时,滑体出现一假想滑裂面,在该滑裂面上,每一点的法向应力和切向应力都满足摩尔2库仑强度准则,因此又可以统称为极限平衡条分法。

    根据条间力的假定不同,条分法可分为以下几种:1) 不考虑条间力:瑞典法;2) 仅考虑条间水平作用力:Bishop 法;3) 假定条间作用力方向:J anbu 法、Spencer 法;4) 通用条分法:Morgenstern2Price 法。不同的条分法虽然假设不同,但所涉及的数据组织、数据提取方式、建模方式则大同小异,所以无需对每种具体的方法分别作出分析。

    2  边坡稳定性条分法程序中的可视化技术

    可视化是近年来发展起来的一种计算机实用技术,它融合了图形学、图像处理、数据管理、计算机网络和其它的相关领域技术,目的在于解决海量数据的处理和信息的综合表示问题,提高信息利用的效率。边坡稳定性分析条分法涉及的可视化的关键技术主要包括数据组织、建模技术以及条分过程中所涉及的拓扑运算[10] 。

    2. 1  数据组织

    在边坡稳定性评价中,为了方便稳定计算过程中空间对象的数据参数提取以及图形拓扑运算, 对边坡剖面按照不同的属性对象进行分层组织,描述边坡体的空间信息和属性信息,以图层的方式来组织数据。表1 是通用图形平台GE2Graph 中针对条分法所建立的图层结构。

边坡稳定性计算程序中的三维可视化技术

    数据组织的另外一个特点是空间数据和属性数据一体化。由于部分图层需要附带属性数据,因此空间数据与属性数据如何连接在一起就是需要解决的问题,图1 是边坡稳定性计算模型中主要的多边形拓扑关系表与多边形属性表之间的联系图。

    图1 中多边形2结点拓扑关系表定义了多边形的空间特征拓扑关系,而多边形属性表则通过共同的并且是唯一的多边形标志符与多边形2结点拓扑关系表建立了联系,程序通过这种方式保证空间特征和属性记录之间一一对应的关系,通过这种对应关系,就能在计算过程中保证属性数据提取的准确性。

多边形的空间特征拓扑关系
图1 多边形的空间特征拓扑关系

    2. 2  建模技术

    建模的主要目的是为了将计算剖面图按照一定的方式组织起来,形成合法的计算模型,供稳定性评价使用。建模方式主要是以参数化建模为主,辅助以人机交互的模式。

    参数化建模的过程要求首先输入空间控制点坐标,形成控制点坐标图层。空间点坐标也可以通过读取CAD 或者Map GIS 等制图软件制作的剖面图获得数据。通过控制点按照拓扑关系构建空间对象。如果图层中空间对象存在属性数据,则在构建空间对象的时候,相应地定义空间对象的属性数据。针对条分法而言,水位线、坡面线是不附带属性数据的,而破坏面线、岩土层区域则需要附带抗剪强度参数。参数化建模的优点在于方便编辑修改,缺点在于坐标点数据输入相对繁琐。

    2. 3  条分过程中的拓扑运算

    条分的过程实际上是各种图层之间的拓扑运算过程,除了已经定义的各种图层之外,还会产生一些新的空间坐标点,形成新的面元。边坡稳定性分析中所涉及到的主要有求交点的运算、包含与重叠运算、交叠运算。

    交点计算是图形处理算法中的基础,以空间图形处理为基础的条分法也不例外。所需要计算的交点主要有以下几种:

    1) 坡面线与潜在破坏面的交点,在搜索最危险圆弧破坏面时,需要计算出圆弧与坡面的交点,以便确定边坡的破坏区域,条块即在这个破坏区域中划分;

    2) 潜在破坏面与岩土层边界线的交点,这些交点主要作为条块自动划分的标记;

    3) 同样作为条块划分拐点的还有水位线与岩土层线的交点;

    4) 水位线与潜在破坏面的交点。除了这些交点以外,还需计算条块边界线与岩土层线、破坏面线、水位线的交点。

    条分法的关键在于条块的自动划分。首先在一些重要的拐点处划分条块线,然后再根据已经划分出来的条块大小,以及自定义的条分宽度,自动判断是否有必要做进一步细分。这种划分方式所得到的条块不会是均匀的,但对于计算却是有利的,避免了在计算过程中出现条块内存在拐点的情况,减轻了面积计算的困难。为避免无限小的条块出现,需识别非常相近的2 个点,对其作重叠处理。同时,还需自动剖分具有岛屿的区域。

    区域的叠加运算是建立在交点计算的基础上的,新的区域形成实际是新交点按顺序连接起来的过程。如在考虑地下水的情况下,地下水位线以下的重度当取饱和重度,地下水位线以上区域则应该取天然重度,因此,有必要将计算区域划分为地下水位线以上部分和地下水位线以下部分。当潜在破坏面线确定以后,潜在破坏面与坡面线所形成的区域即为破坏区域,程序需要确定落在该区域内的岩土层区域,并将这个区域与由地下水位线所分开的2 个区域交叠,确定各区域的参数应该如何选取。另外,由于条分法需要自动划分条块,所以还需要处理条块与岩土层区域的叠加运算。

    3  实 例

    现以Bishop 法为例,选取澳大利亚ACADS 组织为了检验该国所使用的边坡稳定性评价软件而制定的考题来检验程序开发的正确性与有效性。算例的原始空间数据如图2 所示,属性数据如表2 所示,经开发程序计算,得到的分析结果如表3 ,计算结果如图3 所示。

边坡稳定性计算程序中的三维可视化技术
图2 ACADS算例的原始空间数据

边坡稳定性计算程序中的三维可视化技术
图3  计算结果

   由比较可知,所开发的Bishop 法的计算结果与国外的同类软件比较,搜索到的最危险滑面位置与A2CADS 所提供的最危险滑面位置基本一致,计算结果在正常值范围内,其与ACADS 推荐值相差亦在精度范围内。不仅如此,因图形附带属性使得本程序与目前国内外相应软件相比,其数据准备工作更简单。

表2  算例属性数据表
表2  算例属性数据表

表3  算例计算结果比较
表3  算例计算结果比较

    4  结 语

    可视化是边坡稳定性分析软件的关键技术,特别是在条分法中,利用可视化技术,可实现快速、形象化建模,并且具有图形的精确定位、交互操作、编辑修改和拓扑分析功能。同时,充分利用CAD 和GIS 相关技术特点,实现了条分法计算过程中模型参数自动提取,计算结果可视化表达。通过大量的工程计算实践表明,该软件建模方便快捷,计算效率较高,计算结果准确,完全能够满足工程需要,是当前开发具有完全自主知识产权的边坡稳定性分析软件的有益尝试。

    参考文献

    [1]  陈祖煜. 土质边坡稳定分析[M] . 北京:中国水利水电出版社,2003.

    [2]  张 勇,陈新民. 地理信息系统在边坡数据处理中的应用[J] . 西部探矿工程, 2003 ,87 (8) :178~179.

    [3]  陶丽娜,唐胜传,陈谦应. 基于组件式GIS 技术的边坡支护方案优化设计系统[J] . 2004 ,23 (16) :2824~2829.

    [4]  余运华. 应用GIS 研究边坡稳定性的三维极限平衡分析法及软件研究[D] . 南京:河海大学,2000.

    [5]  谢谟文,江崎哲郎,周国云,等. 基于GIS 空间数据库的三维边坡稳定性分析[J] . 岩石力学与工程学报,2002 ,21 (10) :1494~1499.

    [6]  谢谟文,江崎哲郎,周国云. 基于边坡单元的三维滑坡灾害评价的GIS 方法[J] . 岩石力学与工程学报, 2003 ,22 (6) :969~976.

    [7]  袁艳斌, 姜龚晖. 三峡坝区边坡构造专题GIS 的研制[J] . 山地学报,2000 ,18 (1) :63~68.

    [8]  陈述彭,鲁学军,周成虎. 地理信息系统导论[M] . 北京:科学出版社,2000.

    [9]  潘家铮. 建筑物的抗滑稳定和滑坡分析[M] . 北京:水利出版社,1980.

    [10]  金廷赞. 计算机图形学[M] . 杭州:浙江大学出版社,1988.

标签:边坡可视化
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