基於三維實景和赤平投影的巖石塊體穩定性快速評價方法與流程

2023-10-08 12:31:34

本發明涉及工程地質勘測分析領域，特別涉及一種基於三維實景和赤平投影的巖石塊體穩定性快速評價方法。

背景技術：

巖質邊坡塊體的穩定性分析問題歷來是地質工程、巖石工程中重要的基礎性工作[1]。邊坡塊體的變形和破壞主要是受巖體中發育的各類結構面所控制。結構面是指巖體內具有一定方向、延展較大、厚度較小的面狀地質界面，包括物質的分界面和不連續面。根據地質力學的原理，裂隙、層面、斷層等巖體的主要結構面可以分成大致相互平行的若干組，而其中一些相交的結構面將某些臨空的邊坡巖體切割成可滑動塊體，在重力及其他因素的作用下，這些塊體將沿著結構面產生滑動。

極射赤平投影(以下簡稱赤平投影)用來分析邊坡塊體穩定一直是一種很好的方式，擁有極好的可操作性，方便快捷、直觀形象且應用廣泛。基於該方法的理論研究已非常成熟。但在實用操作方面，赤平投影法仍存在諸多弊端。比如需要提前繪製「吳氏網」，以及攜帶一些作圖工具，這使得該方法不便用於野外操作；傳統的手動繪圖準確度不高；無法表示斜坡幾何要素的絕對規模，如平面的大小、直線的長短和點間的距離等[2]。這些使得該方法存在著很大的局限性。龐慶山[3]等人曾發明了一個赤平投影儀，將吳氏網和透明紙安裝在一個小型儀器裡，解決了野外勘測中儀器不便於攜帶等問題。但其使用方法仍屬於傳統的手繪投影，作圖過程相對繁瑣且準確度不高；薛健和李建勇[4]基於該理論發明了一種「塊體理論赤平投影的三維可視化方法」，其主要實現方法是將以往的投影方式通過投影球而非平面方式展示出來，通過計算機編程作圖增加了表現力，並在此基礎上研究塊體的穩定。但該方法沒有結合三維實景平臺，缺少實景效果，功能單一，且可操作性不強。

隨著科技的發展，新技術與傳統方法的整合已然成為一種趨勢。一方面，GPS定位技術已日臻完善，這使得地質工作者在獲取地質數據方面得以更加精確和快捷；另一方面，通過無人機航拍進行三維地形建模的技術也逐漸成為主流，這使得以往的記錄結構面信息的方式更為有效。綜合上述問題，本發明結合GPS、無人機、平板電腦、資料庫和三維建模等軟硬體設備，依託赤平投影理論，專門為地質勘察人員在野外環境下提供了一種快速、實時的塊體穩定性分析手段。

參考文獻：

[1]朱根深,張亮.赤平投影法在巖質邊坡穩定性分析中的應用[J].巖土工程與地下工程,2014,34(4):115-117.

[2]劉洪,陳福春.基於極射赤平投影的巖質邊坡穩定性評價和防治措施[J].地質災害與環境保護,2012,23(3):93-98.

[3]龐慶山,趙榮,朱煥來,張紹臣,劉吉餘.一種赤平投影儀[P].發明專利ZL201120125419.1,2011.

[4]薛健,李建勇.塊體理論赤平投影的三維可視化方法[P].發明專利ZL201210253763.8,2012.

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：提供一種基於三維實景和赤平投影的巖石塊體穩定性快速評價方法，以供地質勘察人員在野外環境下簡便快速地對可能滑移的塊體進行多方面的分析，包括：在野外環境下，快速、準確地確定邊坡上結構面和邊坡臨空面的空間組合關係，確定邊坡上可能不穩定塊體的幾何形態、規模大小，接觸面面積，以及不穩定結構體的可能變形位移方向，直觀地做出邊坡穩定性狀態評價，同時可以定性分析人開挖邊坡後穩定性情況。

本發明解決上述技術問題所採用的方案是：

基於三維實景和赤平投影的巖石塊體穩定性快速評價方法，包括以下步驟：

步驟A、採集工程區域巖體結構地質數據信息；

步驟B、將地質數據信息導入三維實景平臺生成三維地形，並將地質數據信息嵌入地形數據；

步驟C、確定待分析天然巖質邊坡；

步驟D、在待分析天然邊坡範圍內，篩選出所有結構面數據信息；

步驟E、根據結構面信息，在三維實景平臺中切割出塊體；

步驟F、根據極射赤平投影法，快速生成邊坡穩定性分析報告；

步驟G、根據施工方案，輸入人工邊坡數據；

步驟H、根據極射赤平投影法、天然邊坡數據與人工邊坡數據，快速生成穩定性報告。

作為進一步優化，步驟A中獲取地質數據信息的方式包括：羅盤測量、GPS定位以及無人機航拍，這些數據被採集後被存入資料庫。

作為進一步優化，步驟B中的三維實景平臺，是工程地質野外編錄區域所對應的帶實景貼圖的三維地形模型，是由無人機航拍獲取的影像和高程數據疊加處理形成的能夠準確表徵野外地形環境的三維數字場景。

作為進一步優化，步驟C中所述確定待分析邊坡，由用戶通過觸控平板電腦屏幕的方式圈選地形而實現。

作為進一步優化，步驟D中所述篩選出所有結構面數據信息，是在已存檔於地質信息資料庫中進行搜索圈選範圍內所有結構面信息，包括地質點坐標、傾向和傾角。

作為進一步優化，步驟E中所述在三維實景平臺中切割出塊體，包括：以結構面的產狀和標記點的坐標為基礎生成可視化結構面，由結構面的交匯切割出塊體。

作為進一步優化，步驟F具體包括：

步驟F1、建立投影球、赤平面、基圓、極射點、經向大圓的數學模型；

步驟F2、獲取邊坡以及邊坡內結構面的傾向、傾角信息，建立邊坡及結構面的數學方程；

步驟F3、做赤平投影圖，做塊體分析，包括可能滑動的塊體以及滑動方向、滑動面面積以及塊體體積。

作為進一步優化，步驟G中輸入的人工邊坡數據為施工方案中擬定的待開挖的人工邊坡的傾向、傾角。

作為進一步優化，步驟H具體包括：

步驟H1、添加設計邊坡數據；

步驟H2、建立投影球、赤平面、基圓、極射點、經向大圓的數學模型；

步驟H3、確定邊坡以及邊坡內結構面的傾向、傾角信息，建立邊坡及結構面的數學方程；

步驟H4、做赤平投影圖，做塊體分析，包括可能滑動的塊體以及滑動方向、滑動面面積以及塊體體積。

本發明的有益效果是：

本發明通過結合三維地質實景平臺，使用計算機技術實現了對邊坡塊體的穩定性分析，將傳統的分析過程簡單化、形象化、易於操作，並從多個方面豐富了傳統的分析手段，為野外地質工程勘測人員提供了便捷的快速塊體分析方法，具有很好的實用性。

附圖說明

圖1為基於三維實景和赤平投影的巖石塊體穩定性快速評價方法流程圖。

具體實施方式

本發明旨在提供一種基於三維實景和赤平投影的巖石塊體穩定性快速評價方法，以供地質勘察人員在野外環境下簡便快速地對可能滑移的塊體進行多方面的分析，直觀地做出邊坡穩定性狀態評價，同時可以定性分析人開挖邊坡後穩定性情況。

如圖1所示，本發明中的基於三維實景和赤平投影的巖石塊體穩定性快速評價方法包括以下實施步驟：

步驟A、數據的採集需要工程地質勘測人員於現場使用羅盤、GPS定位裝置採集；

步驟B、導入數據可通過手動輸入及電子設備的有線或無線傳輸；

步驟C、圈選待分析邊坡：通過順序點觸三維地形，系統按點觸順序生成貼合地形表面的曲線，當形成封閉環時，則確定封閉環內的地形為待分析區域；

步驟D、在遍歷地質數據標記點的信息，在以待分析區域為基礎，提取在些區域中的數據點，確定這些點為建立結構面(或臨空面)模型的基礎點；

步驟E、以上一步中搜索到的點的坐標及產狀生成結構面，結構面平面方程為：

sinαsinβ(x-x0)+sinαcosβ(y-y0)+cosα(z-z0)＝0 (1)

其中，結構面(或臨空面)的傾角為α，傾向β，標記點的坐標為(x0,y0,z0)，結構面的法向量為(sinαsinβ,sinαcosβ,cosα)；切割塊體的方法為，以結構面及臨空面切割分析區域可生成；

步驟F1、投影坐標係為xyz坐標系(x軸向北，y軸向東，z軸鉛直向上)，投影球面方程：

x2+y2+z2＝R2 (2)

xOy面為赤平面，赤平面與投影球相交得到的圓為基圓，基圓方程為：

(0，0，R)極射點，投影位置為下半球投影；

步驟F2、將結構面以及邊坡的傾向傾角輸入到「塊體分析」功能模塊中，其中，添加數據需用到「輸入面板」，如果是邊坡產狀(包括天然邊坡和人工設計邊坡)，則選擇「臨空面」，如果是結構面產狀則選擇「結構面」，傾向統一以NE方向為準，範圍為NE 0°～360°，如果輸入錯誤，可以在輸入框中修改，也可點擊「重置」重新輸入；

如果輸入的是臨空面產狀，將被自動編號命名為「A_數字」形式，顯示於「產狀面板」，如果是結構面，將被自動命名為「B_數字」形式，為了便於查看，無論各個產狀的輸入順序如何，「A_數字」編號的面會被自動排序到表格前排，其中「數字」將以「A」類面的輸入順序從「1」開始按順序加一自動計算生成，「B_數字」編號的面會被自動排序到表格「A」類之後，其中「數字」將以「B」類面的輸入順序從「1」開始按順序加一自動計算生成；

如果要重新編輯已輸入的產狀，要在「產狀面板」中點選編號，「輸入面板」中將顯示其信息，修改完畢後點擊確定並刷新；

步驟F3、當所有信息輸入完成之後，點擊「開始分析」，「赤平投影面板」中將顯示所有結構面的投影結果，「分析報告面板」中顯示系統作出的分析報告，其中赤平投影做圖在本法中的實現方式為「三點定圓」，先以產狀的傾向推求走向，傾向線與走向線正交且都過圓心，可得走向線，並可得走向線與基圓兩個交點(x1,y1)、(x2,y2)，再根據傾角找到大圓弧對在赤平面上對應的頂點(x3,y3)，由三點確定圓心(x0,y0)和半徑R：

以此確定的圓與基圓相交，保留基圓內的部分，其中A類投影均以普通黑線加黃色高亮顯示，B類投影均以普通黑線顯示；

分析報告中滑動方向和穩定狀態，可根據赤平投影情況得出，其中穩定等級分為：不穩定狀態、較不穩定狀態、基本穩定狀態、最穩定狀態；

滑動面面積和塊體體積為結構面和三維地形共同交匯切割計算得出；最終分析報告可編輯也可導出；

在生成投影結果與分析報告的同時，「產狀面板」將生成所有結構面之間的交線產狀，並顯示在B類產狀之後，編號形式為「L_數字」，點擊某一編號時，投影圖中會將對應的點高亮顯示；

步驟G、按照設計要求，修改邊坡面，添加設計邊坡傾向傾角，人工邊坡也屬臨空面，在「產狀信息面板」中被歸為「A」類，並規定A類信息不能超過兩條；

步驟H、點擊「開始分析」，將生成修改後的邊坡與各個結構面的分析報告；

通過上述步驟，即可實現對塊體穩定性的快速分析。