本發(fā)明涉及工程地質(zhì)勘測(cè)分析領(lǐng)域，特別涉及一種基于三維實(shí)景和赤平投影的巖石塊體穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法。

背景技術(shù)：

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

極射赤平投影(以下簡(jiǎn)稱赤平投影)用來分析邊坡塊體穩(wěn)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(yīng)用廣泛?；谠摲椒ǖ睦碚撗芯恳逊浅３墒?。但在實(shí)用操作方面，赤平投影法仍存在諸多弊端。比如需要提前繪制“吳氏網(wǎng)”，以及攜帶一些作圖工具，這使得該方法不便用于野外操作；傳統(tǒng)的手動(dòng)繪圖準(zhǔn)確度不高；無法表示斜坡幾何要素的絕對(duì)規(guī)模，如平面的大小、直線的長(zhǎng)短和點(diǎn)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(fā)明了一個(gè)赤平投影儀，將吳氏網(wǎng)和透明紙安裝在一個(gè)小型儀器里，解決了野外勘測(cè)中儀器不便于攜帶等問題。但其使用方法仍屬于傳統(tǒng)的手繪投影，作圖過程相對(duì)繁瑣且準(zhǔn)確度不高；薛健和李建勇[4]基于該理論發(fā)明了一種“塊體理論赤平投影的三維可視化方法”，其主要實(shí)現(xiàn)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(jì)算機(jī)編程作圖增加了表現(xiàn)力，并在此基礎(chǔ)上研究塊體的穩(wěn)定。但該方法沒有結(jié)合三維實(shí)景平臺(tái)，缺少實(shí)景效果，功能單一，且可操作性不強(qiáng)。

隨著科技的發(fā)展，新技術(shù)與傳統(tǒng)方法的整合已然成為一種趨勢(shì)。一方面，GPS定位技術(shù)已日臻完善，這使得地質(zhì)工作者在獲取地質(zhì)數(shù)據(jù)方面得以更加精確和快捷；另一方面，通過無人機(jī)航拍進(jìn)行三維地形建模的技術(shù)也逐漸成為主流，這使得以往的記錄結(jié)構(gòu)面信息的方式更為有效。綜合上述問題，本發(fā)明結(jié)合GPS、無人機(jī)、平板電腦、數(shù)據(jù)庫和三維建模等軟硬件設(shè)備，依托赤平投影理論，專門為地質(zhì)勘察人員在野外環(huán)境下提供了一種快速、實(shí)時(shí)的塊體穩(wěn)定性分析手段。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]劉洪,陳福春.基于極射赤平投影的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和防治措施[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2012,23(3):93-98.

[3]龐慶山,趙榮,朱煥來,張紹臣,劉吉余.一種赤平投影儀[P].發(fā)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(fā)明專利ZL201210253763.8,2012.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于三維實(shí)景和赤平投影的巖石塊體穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法，以供地質(zhì)勘察人員在野外環(huán)境下簡(jiǎn)便快速地對(duì)可能滑移的塊體進(jìn)行多方面的分析，包括：在野外環(huán)境下，快速、準(zhǔn)確地確定邊坡上結(jié)構(gòu)面和邊坡臨空面的空間組合關(guān)系，確定邊坡上可能不穩(wěn)定塊體的幾何形態(tài)、規(guī)模大小，接觸面面積，以及不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的可能變形位移方向，直觀地做出邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)評(píng)價(jià)，同時(shí)可以定性分析人開挖邊坡后穩(wěn)定性情況。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的方案是：

基于三維實(shí)景和赤平投影的巖石塊體穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟：

步驟A、采集工程區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)信息；

步驟B、將地質(zhì)數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入三維實(shí)景平臺(tái)生成三維地形，并將地質(zhì)數(shù)據(jù)信息嵌入地形數(shù)據(jù)；

步驟C、確定待分析天然巖質(zhì)邊坡；

步驟D、在待分析天然邊坡范圍內(nèi)，篩選出所有結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)信息；

步驟E、根據(jù)結(jié)構(gòu)面信息，在三維實(shí)景平臺(tái)中切割出塊體；

步驟F、根據(jù)極射赤平投影法，快速生成邊坡穩(wěn)定性分析報(bào)告；

步驟G、根據(jù)施工方案，輸入人工邊坡數(shù)據(jù)；

步驟H、根據(jù)極射赤平投影法、天然邊坡數(shù)據(jù)與人工邊坡數(shù)據(jù)，快速生成穩(wěn)定性報(bào)告。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟A中獲取地質(zhì)數(shù)據(jù)信息的方式包括：羅盤測(cè)量、GPS定位以及無人機(jī)航拍，這些數(shù)據(jù)被采集后被存入數(shù)據(jù)庫。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟B中的三維實(shí)景平臺(tái)，是工程地質(zhì)野外編錄區(qū)域所對(duì)應(yīng)的帶實(shí)景貼圖的三維地形模型，是由無人機(jī)航拍獲取的影像和高程數(shù)據(jù)疊加處理形成的能夠準(zhǔn)確表征野外地形環(huán)境的三維數(shù)字場(chǎng)景。

作為進(jìn)一步優(yōu)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(shí)現(xiàn)。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟D中所述篩選出所有結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)信息，是在已存檔于地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行搜索圈選范圍內(nèi)所有結(jié)構(gòu)面信息，包括地質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)、傾向和傾角。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟E中所述在三維實(shí)景平臺(tái)中切割出塊體，包括：以結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)為基礎(chǔ)生成可視化結(jié)構(gòu)面，由結(jié)構(gòu)面的交匯切割出塊體。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟F具體包括：

步驟F1、建立投影球、赤平面、基圓、極射點(diǎn)、經(jīng)向大圓的數(shù)學(xué)模型；

步驟F2、獲取邊坡以及邊坡內(nèi)結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角信息，建立邊坡及結(jié)構(gòu)面的數(shù)學(xué)方程；

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

作為進(jìn)一步優(yōu)化，步驟G中輸入的人工邊坡數(shù)據(jù)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(jìn)一步優(yōu)化，步驟H具體包括：

步驟H1、添加設(shè)計(jì)邊坡數(shù)據(jù)；

步驟H2、建立投影球、赤平面、基圓、極射點(diǎn)、經(jīng)向大圓的數(shù)學(xué)模型；

步驟H3、確定邊坡以及邊坡內(nèi)結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角信息，建立邊坡及結(jié)構(gòu)面的數(shù)學(xué)方程；

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

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過結(jié)合三維地質(zhì)實(shí)景平臺(tái)，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡塊體的穩(wěn)定性分析，將傳統(tǒng)的分析過程簡(jiǎn)單化、形象化、易于操作，并從多個(gè)方面豐富了傳統(tǒng)的分析手段，為野外地質(zhì)工程勘測(cè)人員提供了便捷的快速塊體分析方法，具有很好的實(shí)用性。

附圖說明

圖1為基于三維實(shí)景和赤平投影的巖石塊體穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明旨在提供一種基于三維實(shí)景和赤平投影的巖石塊體穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法，以供地質(zhì)勘察人員在野外環(huán)境下簡(jiǎn)便快速地對(duì)可能滑移的塊體進(jìn)行多方面的分析，直觀地做出邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)評(píng)價(jià)，同時(shí)可以定性分析人開挖邊坡后穩(wěn)定性情況。

如圖1所示，本發(fā)明中的基于三維實(shí)景和赤平投影的巖石塊體穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法包括以下實(shí)施步驟：

步驟A、數(shù)據(jù)的采集需要工程地質(zhì)勘測(cè)人員于現(xiàn)場(chǎng)使用羅盤、GPS定位裝置采集；

步驟B、導(dǎo)入數(shù)據(jù)可通過手動(dòng)輸入及電子設(shè)備的有線或無線傳輸；

步驟C、圈選待分析邊坡：通過順序點(diǎn)觸三維地形，系統(tǒng)按點(diǎn)觸順序生成貼合地形表面的曲線，當(dāng)形成封閉環(huán)時(shí)，則確定封閉環(huán)內(nèi)的地形為待分析區(qū)域；

步驟D、在遍歷地質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)記點(diǎn)的信息，在以待分析區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)，提取在些區(qū)域中的數(shù)據(jù)點(diǎn)，確定這些點(diǎn)為建立結(jié)構(gòu)面(或臨空面)模型的基礎(chǔ)點(diǎn)；

步驟E、以上一步中搜索到的點(diǎn)的坐標(biāo)及產(chǎn)狀生成結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面平面方程為：

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

其中，結(jié)構(gòu)面(或臨空面)的傾角為α，傾向β，標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)為(x₀,y₀,z₀)，結(jié)構(gòu)面的法向量為(sinαsinβ,sinαcosβ,cosα)；切割塊體的方法為，以結(jié)構(gòu)面及臨空面切割分析區(qū)域可生成；

步驟F1、投影坐標(biāo)系為xyz坐標(biāo)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(diǎn)，投影位置為下半球投影；

步驟F2、將結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)需用到“輸入面板”，如果是邊坡產(chǎn)狀(包括天然邊坡和人工設(shè)計(jì)邊坡)，則選擇“臨空面”，如果是結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀則選擇“結(jié)構(gòu)面”，傾向統(tǒng)一以NE方向?yàn)闇?zhǔn)，范圍為NE 0°～360°，如果輸入錯(cuò)誤，可以在輸入框中修改，也可點(diǎn)擊“重置”重新輸入；

如果輸入的是臨空面產(chǎn)狀，將被自動(dòng)編號(hào)命名為“A_數(shù)字”形式，顯示于“產(chǎn)狀面板”，如果是結(jié)構(gòu)面，將被自動(dòng)命名為“B_數(shù)字”形式，為了便于查看，無論各個(gè)產(chǎn)狀的輸入順序如何，“A_數(shù)字”編號(hào)的面會(huì)被自動(dòng)排序到表格前排，其中“數(shù)字”將以“A”類面的輸入順序從“1”開始按順序加一自動(dòng)計(jì)算生成，“B_數(shù)字”編號(hào)的面會(huì)被自動(dòng)排序到表格“A”類之后，其中“數(shù)字”將以“B”類面的輸入順序從“1”開始按順序加一自動(dòng)計(jì)算生成；

如果要重新編輯已輸入的產(chǎn)狀，要在“產(chǎn)狀面板”中點(diǎn)選編號(hào)，“輸入面板”中將顯示其信息，修改完畢后點(diǎn)擊確定并刷新；

步驟F3、當(dāng)所有信息輸入完成之后，點(diǎn)擊“開始分析”，“赤平投影面板”中將顯示所有結(jié)構(gòu)面的投影結(jié)果，“分析報(bào)告面板”中顯示系統(tǒng)作出的分析報(bào)告，其中赤平投影做圖在本法中的實(shí)現(xiàn)方式為“三點(diǎn)定圓”，先以產(chǎn)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，并可得走向線與基圓兩個(gè)交點(diǎn)(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，再根據(jù)傾角找到大圓弧對(duì)在赤平面上對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)(x₃,y₃)，由三點(diǎn)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(nèi)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(bào)告中滑動(dòng)方向和穩(wěn)定狀態(tài)，可根據(jù)赤平投影情況得出，其中穩(wěn)定等級(jí)分為：不穩(wěn)定狀態(tài)、較不穩(wěn)定狀態(tài)、基本穩(wěn)定狀態(tài)、最穩(wěn)定狀態(tài)；

滑動(dòng)面面積和塊體體積為結(jié)構(gòu)面和三維地形共同交匯切割計(jì)算得出；最終分析報(bào)告可編輯也可導(dǎo)出；

在生成投影結(jié)果與分析報(bào)告的同時(shí)，“產(chǎn)狀面板”將生成所有結(jié)構(gòu)面之間的交線產(chǎn)狀，并顯示在B類產(chǎn)狀之后，編號(hào)形式為“L_數(shù)字”，點(diǎn)擊某一編號(hào)時(shí)，投影圖中會(huì)將對(duì)應(yīng)的點(diǎn)高亮顯示；

步驟G、按照設(shè)計(jì)要求，修改邊坡面，添加設(shè)計(jì)邊坡傾向傾角，人工邊坡也屬臨空面，在“產(chǎn)狀信息面板”中被歸為“A”類，并規(guī)定A類信息不能超過兩條；

步驟H、點(diǎn)擊“開始分析”，將生成修改后的邊坡與各個(gè)結(jié)構(gòu)面的分析報(bào)告；

通過上述步驟，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)塊體穩(wěn)定性的快速分析。