基于三维建模的岩质边坡稳定性分析方法、系统及介质与流程

1.本发明涉及岩土工程边坡力学性能分析技术领域，尤其涉及一种基于三维建模的岩质边坡稳定性分析方法、系统及介质。


背景技术：

2.随着科技的发展和社会的进步，公路网络建设所涵盖的范围越来越广泛。而在公路设计施工的过程中，难免遇到复杂的地质和地形条件，造成部分位置的边坡稳定性差，使得边坡的稳定性一直受到公路工程领域的重点关注，这也是公路建设过程中的难点所在，因此对其进行合理有效的稳定性分析十分重要。
3.例如，桂林地区属于典型的喀斯特地貌形式，岩体溶洞、裂隙强烈发育，地下水丰富，这一地质条件使山体岩质边坡的稳定性更为复杂，加之丰沛的降雨，桂林地区的岩质边坡失稳、崩塌、落石等灾害也极其广泛。仅2020年，桂林就7处出现了岩石边坡的相关的地质灾害。
4.在边坡上设置在线监测系统，实时传回地质参数，对边坡的失稳及时预警，是降低灾害损失的有效办法。在线监测会实时传回地质参数，但在以往针对边坡问题的研究中，传统分析方法的片面性无法对边坡的地质情况切实准确地进行模拟；同时，复杂的地质情况长期地影响着地质勘察的精度和广度，也让地质问题的分析变得更加棘手。地质工程师只能根据有限的经验和理论分析进行推测，通过人工交互引入辅助解释数据的方式将专家的经验应用到模型的构建中，以达到提高后期模型的分析精度的目的。这些传统分析方法得到的分析结果与实际情况的偏差普遍较大。传统分析方法不能根据监测系统传回数据，及时准确的做出边坡稳定性分析。
5.鉴于此，有必要提供一种新的岩质边坡稳定性分析方法，以解决现有技术的不足。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于三维建模的岩质边坡稳定性分析方法、系统及介质，基于实际数据构建的三维地质模型来进行稳定性分析，有效提高分析结果的准确性。
7.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
8.一种基于三维建模的岩质边坡稳定性分析方法，包括以下步骤：
9.步骤1：获取待分析边坡的地形数据集和地质数据集；
10.步骤2：采用evs可视化地质建模方法，根据所述地形数据集和所述地质数据集进行三维建模，得到evs边坡地质模型；
11.步骤3：采用geo5岩土分析方法，对所述evs边坡地质模型进行分析，得到第一稳定性分析结果；并采用optumg2有限元极限分析方法，对所述evs边坡地质模型进行分析，得到第二稳定性分析结果；
12.步骤4：判断所述第一稳定性分析结果与所述第二稳定性分析结果之间的差值是
否在预设范围内，若是，则执行步骤5；若否，返回所述步骤2；
13.步骤5：采用所述optumg2有限元极限分析方法，根据所述第二稳定性分析结果对所述evs边坡地质模型进行弹塑性分析，得到所述待分析边坡的目标稳定性分析结果。
14.依据本发明的另一方面，还提供了一种基于三维建模的岩质边坡稳定性分析系统，应用于本发明中的基于三维建模的岩质边坡稳定性分析方法中，包括数据获取模块、三维建模模块、第一分析模块、第二分析模块、判断模块和循环模块；
15.所述数据获取模块用于获取待分析边坡的地形数据集和地质数据集；
16.所述三维建模模块用于采用evs可视化地质建模方法，根据所述地形数据集和所述地质数据集进行三维建模，得到evs边坡地质模型；
17.所述第一分析模块用于采用geo5岩土分析方法，对所述evs边坡地质模型进行分析，得到第一稳定性分析结果；
18.所述第二分析模块用于采用optumg2有限元极限分析方法，对所述evs边坡地质模型进行分析，得到第二稳定性分析结果；
19.所述判断模块用于判断所述第一稳定性分析结果与所述第二稳定性分析结果之间的差值是否在预设范围内；
20.所述第二分析模块还用于当所述判断模块的判断结果为是时，采用所述optumg2有限元极限分析方法，根据所述第二稳定性分析结果对所述evs边坡地质模型进行弹塑性分析，得到所述待分析边坡的目标稳定性分析结果；
21.所述循环模块用于当所述判断模块的判断结果为否时，循环执行所述三维建模模块、所述第一分析模块、所述第二分析模块和所述判断模块的功能，直至得到所述标稳定性分析结果。
22.依据本发明的另一方面，提供了一种基于三维建模的岩质边坡稳定性分析系统，包括处理器、存储器和存储在所述存储器中且可运行在所述处理器上的计算机程序，所述计算机程序运行时实现本发明中的基于三维建模的岩质边坡稳定性分析方法中的步骤。
23.依据本发明的另一方面，提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质包括：至少一个指令，在所述指令被执行时实现本发明的基于三维建模的岩质边坡稳定性分析方法中的步骤。
24.本发明的基于三维建模的岩质边坡稳定性分析方法、系统及存储介质的有益效果是：首先获取待分析边坡的地形数据集和地质数据集，这些数据均为符合待分析边坡实际地形特征和实际地层特征的数据，更符合待分析边坡的真实情况；依据这些数据，采用evs可视化地质建模方法进行三维建模，一方面可以得到更真实更准确的三维模型，来反映待分析边坡的边坡稳定性情况，另一方面还可以实现三维可视化效果，帮助相关人员更直观地分析；采用geo5岩土分析方法对所述evs边坡地质模型进行分析，能初步解决边坡稳定性分析问题，得到较为准确的第一稳定性分析结果，采用optumg2有限元极限分析方法对所述evs边坡地质模型进行分析，能真实模拟出自然工况下的边坡情况，得到较为准确的第二稳定性分析结果；通过对这两种分析结果的对比判断，能判断出建模的准确率，当差值较小时，说明三维建模得到的evs边坡地质模型的精度符合要求，可以满足后续的分析要求，再采用optumg2有限元极限分析方法对evs边坡地质模型进行弹塑性分析，可以得到更为全面、更为可靠的目标稳定性分析结果；当差值较大时，说明evs边坡地质模型的精度还不符
合要求，需要重新建模并进行分析，直至根据建模的evs边坡地质模型得到的两种分析结果之间的差值在预设范围内；
25.本发明的基于三维建模的岩质边坡稳定性分析方法、系统及介质，实现了对岩质边坡稳定性的高精度分析，基于实际数据进行准确的三维建模和分析，分析结果真实可靠，大大提高了稳定性分析的准确性，同时不额外增加工程勘察的工作量，省时省力，操作简单，指导性强，极其适用于岩溶发育区岩质高陡边坡的稳定性分析领域，能够显著降低公路建网施工事故的发生概率，能帮助提高施工效率。
附图说明
26.图1为本发明实施例一中一种基于三维建模的岩质边坡稳定性分析方法的流程示意图；
27.图2为本发明实施例一中岩质高边坡段钻孔位置图；
28.图3为本发明实施例一中摩根斯坦法分析出的第一稳定性分析结果示意图；
29.图4为本发明实施例一中optumg2有限元极限分析方法分析出的第一稳定性分析结果示意图；
30.图5为本发明实施例一中目标稳定性分析结果中的横向位移示意图；
31.图6为本发明实施例一中目标稳定性分析结果中的纵向位移示意图；
32.图7为本发明实施例一中目标稳定性分析结果中的总位移示意图；
33.图8为本发明实施例一中目标稳定性分析结果中的原始塑性应变示意图；
34.图9为本发明实施例一中削坡处理后的处理稳定性分析结果示意图；
35.图10为本发明实施例一中支护处理后的处理稳定性分析结果示意图；
36.图11为本发明实施例一中支护处理后的横向位移示意图；
37.图12为本发明实施例一中支护处理后的纵向位移示意图；
38.图13为本发明实施例一中支护处理后的总位移示意图；
39.图14为本发明实施例二中一种基于三维建模的岩质边坡稳定性分析系统的结构示意图。
具体实施方式
40.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
41.下面结合附图，对本发明进行说明。
42.实施例一、如图1所示，一种基于三维建模的岩质边坡稳定性分析方法，包括以下步骤：
43.s1：获取待分析边坡的地形数据集和地质数据集；
44.s2：采用evs可视化地质建模方法，根据所述地形数据集和所述地质数据集进行三维建模，得到evs边坡地质模型；
45.s3：采用geo5岩土分析方法，对所述evs边坡地质模型进行分析，得到第一稳定性分析结果；并采用optumg2有限元极限分析方法，对所述evs边坡地质模型进行分析，得到第二稳定性分析结果；
46.s4：判断所述第一稳定性分析结果与所述第二稳定性分析结果之间的差值是否在预设范围内，若是，则执行s5；若否，返回s2；
47.s5：采用所述optumg2有限元极限分析方法，根据所述第二稳定性分析结果对所述evs边坡地质模型进行弹塑性分析，得到所述待分析边坡的目标稳定性分析结果。
48.本实施例的基于三维建模的岩质边坡稳定性分析方法，实现了对岩质边坡稳定性的高精度分析，基于实际数据进行准确的三维建模和分析，分析结果真实可靠，大大提高了稳定性分析的准确性，同时不额外增加工程勘察的工作量，省时省力，操作简单，指导性强，极其适用于岩溶发育区岩质高陡边坡的稳定性分析领域，能够显著降低公路建网施工事故的发生概率，能帮助提高施工效率。
49.具体地，evs可视化地质建模方法是基于evs(earth volumetric studio)可视化地质建模软件来实现的，earth volumetric studio是一个独立的windows程序，提供极致的速度、功能和灵活性，将先进的体积网格、地质统计分析和4d可视化工具整合到一个软件系统中，以满足所有地球科学家学科的需求。图形用户界面与模块化分析和图形例程集成，可以对其进行定制和组合，以满足任何应用程序的分析和可视化需求。基于该软件evs可视化地质建模软件实现的evs可视化地质建模方法能得到更真实更准确的三维可视化地质模型，即evs边坡地质模型。
50.geo5岩土分析方法是基于geo5岩土工程软件来实现的，能用于岩土工程的设计与分析，解决各种岩土工程问题。基于该geo5岩土工程软件实现的geo5岩土分析方法能有效解决本实施例中的边坡稳定性分析问题。
51.optumg2有限元极限分析方法是基于optumg2岩土分析软件来实现的，该软件集极限分析和有限元分析为一体，能够自动加密网络，支持有限元分析，收敛性强，极其适用于本实施例中的复杂地质条件、复杂支撑结构的破坏模式的分析，同时还具有友好的用户界面，一键式的集成分析和可靠度分析，无需依赖于有限元分析经验，有效提高了计算效率和准确度。
52.优选地，s1具体包括以下步骤：
53.在所述待分析边坡上布置多个钻孔，对每个钻孔分别进行岩土工程钻探，得到每个钻孔一一对应的钻孔数据；根据所有钻孔在所述待分析边坡上提取多个钻孔岩样，对所有钻孔岩样进行力学实验，得到所述待分析边坡的岩土材料基本参数；对每个钻孔分别进行钻孔电视勘察，得到每个钻孔一一对应的岩性一览表；并根据所述岩土材料基本参数、所有钻孔的钻孔数据和岩性一览表，得到所述地质数据集；
54.从预设的gis地理信息系统中提取每个钻孔的高程点信息，根据所有钻孔的高程点信息得到所述地形数据集。
55.通过上述的工程钻探、力学实验及钻孔电视勘察分别得到的三类数据构成地质数据集，一方面能全面、准确的反映出待分析边坡的实际地层情况，另一方面能便于后续的三维建模，提高模型在体现岩质地层特征上的准确性；而直接从预设的gis地理信息系统中提取每个钻孔的高程点信息，构成地形数据集，一方面能全面、准确的反映出待分析边坡的实际地形情况，另一方面能便于后续的三维建模，提高模型在体现岩质地形特征上的准确性，进而提高整个evs边坡地质模型的全面性和准确性，极其适用于岩溶发育区岩质高陡边坡的稳定性分析。
56.具体地，钻孔数据包括钻孔的x坐标、y坐标、层顶深度、层底深度、孔口标高和岩性等；力学实验包括岩石饱和单轴抗压强度试验、岩石饱和单轴压缩试验、岩石饱和抗拉强度(劈裂)试验和变角板试验；岩体材料基本参数包括粘聚力、内摩擦角、法向应力、剪应力、破坏荷载、抗拉强度、抗压强度、弹性模量、松散系数、天然重度、泊松比和饱和重度等；岩性一览表中包含柱状图名称、柱状图图片、由地面标高由上向下的高程、规模，孔内表面完整性描述和截图标号等信息，这些信息能反映出各钻孔内岩体裂隙发育情况及待分析边坡所在地区的特殊地质情况；高程点信息包括高程点或等高线。
57.具体地，本实施例以桂林市兴安至阳朔公路延长线工程k5 420—k5 740岩质高边坡段作为待分析边坡为例进行说明，该边坡段位于阳朔县阳朔新区兴福路附近。工程初步勘察中发现该区域地质情况复杂，位于里程k5 620附近拟设计坡高超过100m的岩质边坡一直发生落石，崩塌事故。对该项目边坡段进行岩土工程钻探，布置4个工程钻孔，标号为zk1～zk4，钻探采用一桩一孔，钻孔平面位置位于桩基中心，如图2所示。在图2中，网格部分为边坡区域，bp*(zk*)代表钻孔位置。因数据繁多，无法一一罗列，仅以数据最复杂的钻孔1(即zk1)为例，得到的钻孔数据如表1所示。在表1中，分别将钻孔标号(loca_id)、指定试验类型(testtype，钻孔的指定试验类型用borehole表示)、x坐标(loca_locx)、y坐标(loca_locy)、z坐标(loca_locz)、地层厚度(f_layr_thck)和岩土材料名称(geol_geo2)等信息按顺序编写如excel表格中。
58.表1钻孔zk1的钻孔数据
[0059][0060]
具体地，在通过力学实验得到岩土材料基本参数的过程中，取孔深至少超过挖方高程10m的岩样，且岩样不少于6组，分别做岩石饱和单轴抗压强度试验、岩石饱和单轴压缩试验、岩石饱和抗拉强度(劈裂)试验和变角板试验等，部分实验结果如表2和表3所示。
[0061]
表2岩样经岩石饱和单轴压抗压强度试验的检测报告
[0062]
[0063][0064]
表3岩样经变角板试验的检测报告
[0065][0066]
优选地，s2具体包括以下步骤：
[0067]
对所有高程点信息进行稀疏处理，并采用所述evs可视化地质建模方法，根据稀疏处理后的所有高程点信息生成三维地形模型；
[0068]
对所有钻孔数据进行预处理，并采用所述evs可视化地质建模方法，根据所述岩土材料基本参数、所有岩性一览表以及预处理后的所有钻孔数据，生成三维地层模型；
[0069]
根据所述三维地形模型和所述三维地层模型，得到所述evs边坡地质模型。
[0070]
由于gis地理信息系统提取的高程点信息数据较多，通过稀疏处理，可以避免数据太密、太多，减少数据量和计算量，以便evs可视化地质建模方法中更好地识别，提高三维地形模型的建模效果，进而准确地体现出待分析边坡的实际地形特征；通过对钻孔数据进行预处理，可以筛选出主要地层参与三维建模，以消除自动建模逻辑错误造成的不兼容，以便得到三维地层模型所需的建模数据，提高三维地层模型的建模效果，进而准确地体现出待分析边坡的实际地层特征。
[0071]
具体地，在稀疏处理过程中，抽稀导入的点可根据实际情况选择和调整，并尽量选取边坡范围进行针对性提取；预处理具体可以根据实际情况选择合适的处理方法，并将预处理后的钻孔数据按照每个钻孔的钻孔标号、x坐标、y坐标、高程、厚度、深度、岩土材料名
称及图例按照顺序依次整理到excel表格中。
[0072]
evs边坡地质模型是将三维地形模型和三维地层模型相结合起来的模型，首先在evs可视化地质建模软件中设置好项目的基本信息及所采用的钻孔电视勘察数据模板。然后在三维地形模型的建模过程中，是将稀疏处理后的所有高程点信息以*.dxf或*.dwg格式导入evs可视化地质建模软件的read_cad工具中，将数据分割成不同的列，具体为x、y、z坐标变量指定数据列，再连接scat_in_tin工具生成地形面，最后连接write_coordinates工具生成*.gmf文件。gmf地形文件部分内容如表4所示。其中，表4中各数据代表国家2000坐标系下的三维坐标。
[0073]
表4三维建模中的gmf地形文件部分内容
[0074]
xyz45246927384111454524692738411145452469.72738411145
[0075]
在三维地层模型的建模过程中，采用剖面建模和钻孔数据建模相结合。剖面建模需要在二维工作界面完成，先将岩性一览表和岩土材料基本参数导入evs可视化地质建模软件中，在“编辑地质剖面”选项卡中，依据岩性一览表对特殊地质进行表达，例如：断层、地下水、透镜体、岩体溶浊、构造裂隙、层间错动面等，使得模型更加精确；工程师可以依据工程经验绘制地层分界面，在工作界面自定义地层线和断面线，对钻孔电视描述的溶洞的大小及形态、断层的空间位置等进行多段线绘制，将岩土材料信息进行赋值，确保每一层的多段线都参与到建模中，即可生成地质剖面，本实施例生成4个地质剖面，针对4个钻孔的信息进行描述。在上述剖面建模时需要注意地层的深度不宜过小，避免导致后期网格划分时网格点和网格线距离过小，使得分析结果与实际情况出现偏差。至此，三维地层建模的钻孔数据和剖面数据全部定义完成，进行下一步的钻孔数据建模。
[0076]
在钻孔数据建模中，是将预处理后的所有钻孔数据导入evs可视化地质建模软件中，然后设置一个尽可能容纳所有地层的“层序控制孔”，以便建模时钻孔能够更好的兼容。此外还可添加“虚拟钻孔”对未探测位置的地形进行局部精细化设计，然后对其他参与建模的所有钻孔添加虚拟层，使所有钻孔处于激活状态，参与三维建模；本实施例选择为zk1为“层序控制孔”，其他钻孔均勾选“激活”窗口，显示“原始”状态则示为参与建模，点击生成即可完成整个evs边坡地质模型的创建。
[0077]
优选地，所述第一稳定性分析结果包括所述待分析边坡的第一安全系数和第一潜在滑动面，所述第二稳定性分析结果包括所述待分析边坡的第二安全系数和第二潜在滑动面；
[0078]
在s3中，得到所述第一稳定性分析结果，具体包括以下步骤：
[0079]
采用赤平投影方法，从所述evs边坡地质模型中提取所述待分析边坡的多个最不稳定剖面投影点；
[0080]
采用布尔运算剖切方法，根据所有最不稳定剖面投影点进行剖切，得到所述待分析边坡的最不稳定二维剖面；
[0081]
采用摩根斯坦法对所述最不稳定二维剖面进行稳定性分析，得到所述待分析边坡的所述第一安全系数和所述第一潜在滑动面；
[0082]
在s3中，得到所述第二稳定性分析结果，具体包括以下步骤：
[0083]
采用所述optumg2有限元极限分析方法，对最不稳定二维剖面进行稳定性分析，得到所述待分析边坡的所述第二安全系数和所述第二潜在滑动面。
[0084]
geo5岩土分析方法包括赤平投影、布尔运算剖切和基于摩根斯坦法的稳定性分析三个步骤，通过赤平投影便于找出evs边坡地质模型中最不稳定的投影点(即最不稳定剖面投影点)，能反映出最能影响待分析边坡失稳的特征，便于后续确定出最不稳定二维剖面；利用布尔运算剖切方法来确定出最不稳定二维剖面，便于基于最不稳定二维剖面来进行稳定性分析，提高分析效率；分别采用摩根斯坦法以及optumg2有限元极限分析方法对最不稳定二维剖面进行稳定性分析，能从两个不同角度分析出反映待分析边坡的稳定性的特征(即第一安全系数和第一潜在滑动面，及第二安全系数和第二潜在滑动面)，并便于后续的对比判断，验证evs边坡地质模型的准确性，进而便于后续提高整个稳定性分析的分析结果的准确性，能够显著降低施工事故的发生概率，提高施工效率，节约资金，缩短工期，操作容易，指导性强。
[0085]
具体地，本实施例将evs边坡地质模型输入geo5岩土分析软件中，利用geo5岩土分析软件中的赤平投影模块找到多个最不稳定剖面投影点的位置在里程k5 620附近(钻孔zk1附近)，再geo5岩土分析软件中的通过布尔运算剖面模块对该位置的地质剖面进行剖切，选择边坡较高的一侧进行边界调整，根据郑颖人《边坡与滑坡工程治理》中的边界界定，取上边界为122m，下边界为226m，坡高47m，上下边界总高不低于94m。可以直接将之前设置好的岩土材料基本参数复制至geo5岩土分析软件中，再赋予到最不稳定二维剖面中。最后设置分析步，在分析步中设置好滑面类型、计算方法和分析类型，本实施例在geo5岩土分析软件中，将“滑动面”设置为圆弧，计算方法为摩根斯坦法，分析类型为自动搜索，在界面中绘制潜在滑动面的圆弧，即可对整个待分析边坡进行自动搜索，直至找到最危险滑动面(即为第一潜在滑动面)及第一安全系数，如图3所示(图中圆弧面即为第一潜在滑动面)，第一安全系数具体数值为0.82。
[0086]
具体地，本实施例中采用的摩根斯坦法是一种边坡稳定性分析极限平衡方法，通过假设条块间的作用力都为非零值，条块间剪切力和法向力的合力作用角度对于各条块是变化的(半正弦函数形式)，改变条间合力的作用方向以求得最佳解和满足滑动面法向和滑动面方向力的平衡及对底滑面中点的力矩平衡。该摩根斯坦法满足了所有三个平衡方程
‑
水平和竖直方向上的作用力平衡方程以及力矩平衡方程，所以在某种程度上摩根斯坦法是一种严格的求解方法。
[0087]
具体地，本实施例中，将剖切后得到的最不稳定二维剖面输入optumg2有限元极限分析软件中，在optumg2有限元极限分析软件中对岩土材料基本参数进行定义，再赋予到最不稳定二维剖面的每一层；并对最不稳定二维剖面的左右边界施加竖向约束，底部边界施加完全约束，顶端及边坡部分定义为自由边界，利用该optumg2有限元极限分析软件对最不稳定二维剖面进行稳定性分析，可以得到第二安全系数和第二潜在滑动面，本实施例基于optumg2有限元极限分析方法得到的第二安全系数和第二潜在滑动面如图4所示，第二安全系数具体数值为0.8。
[0088]
优选地，s4具体包括以下步骤：
[0089]
判断所述第一安全系数与所述第二安全系数之间的第一差值是否在第一预设范
围内，并判断所述第一潜在滑动面与所述第二潜在滑动面之间的第二差值是否在第二预设范围内，若两项判断结果均为是，则执行s5；若至少一项判断结果为否，则返回s2。
[0090]
通过上述方法对比判断，可以初步验证两种分析方法之间的准确性，进而验证出三维建模得到的evs边坡地质模型用来描述待分析边坡的准确性，便于保证整个稳定性分析得到的分析结果更加准确。当两种分析方法得到的两个安全系数的差值在第一预设范围内，两个潜在滑动面之间的位置差值在第二预设范围内时，说明两种分析方法得到的分析结果偏差不大，evs边坡地质模型能用来准确描述待分析边坡，否则需要重新三维建模，直至得到符合要求的evs边坡地质模型。
[0091]
具体地，本实施例对比图3和图4，第一安全系数与第二安全系数之间的第一差值在第一预设范围内，第一潜在滑动面与第二潜在滑动面之间的第二差值也在第二预设范围内，则所构建的evs边坡地质模型符合要求。
[0092]
优选地，在s5中，所述目标稳定性分析结果包括所述待分析边坡的第三安全系数、第三潜在滑动面、原始破坏模式、原始位移数据和原始塑性应变。
[0093]
当验证evs边坡地质模型的准确性之后，采用optumg2有限元极限分析方法，并根据第二稳定性分析结果对evs边坡地质模型进行弹塑性分析，得到的第三安全系数、第三潜在滑动面、原始破坏模式、原始位移数据和原始塑性应变可以得到更加全面、准确的描述待分析边坡的稳定性情况。
[0094]
具体地，采用optumg2有限元极限分析方法对evs边坡地质模型进行弹塑性分析的具体过程包括三个分析步骤(包括分析步1、分析步2和分析步3)。本实施例中利用之前已导入的最不稳定二维剖面，首先设置分析步1为“强度折减”，具体为有限元极限分析方法，该方法在计算过程中通过不断降低材料强度(即按照一定的比例降低岩土粘聚力、内摩擦系数)或增大荷载，直至边坡达到失稳状态，形成圆弧滑动面(即为第三潜在滑动面)。这种方法不需要事先知道潜在滑动面，也能够分析出极限荷载和第三安全系数，同时还能利用边坡的破坏面特征，确定第三潜在滑动面(包括第三潜在滑动面的位置和形态)，进一步，再根据第三潜在滑动面的位置和形态确定出原始破坏模式。该方法计算精度高、效率高且实用性强。本实施例在optumg2有限元极限分析软件的“设置”选项卡中设置参数，包括将“折减强度”设置为“实体”，“单元类型”设置为“下限”，“单元数量”设置为8000，用网格自适应的方法对模型网格进行划分，初始单元数量为2000。其中，得到第三安全系数、第三潜在滑动面和原始破坏模式的具体方法为现有技术，具体细节此处不再赘述。
[0095]
然后设置分析步2为“初始应力”，具体采用土压力系数法或重力荷载法计算初始应力，为下一分析步做准备。该方法主要目的是找到满足平衡条件和屈服条件的应力分布，并且最大程度的满足初始应力条件。当选择该方法时，需要指定土压力系数k0的值。对于硬黏土，k0通常取0.66。本实施例在optumg2有限元极限分析软件的“设置”选项卡中修改“单元类型”为“6
‑
高斯节点”，“单元数量”还是设置为8000。
[0096]
最后设置分析步3为“弹塑性”，这步主要是用常规的有限元方法，是将土体的抗剪强度指标，用一个折减系数进行折减，然后用折减后的抗剪强度指标取代原来的抗剪强度指标，在有限元分析中使用，直到其达到破坏状态为止，同时也可以得到第三安全系数。该方法需要事先知道基于分析步1中的第三潜在滑动面的位置，结合折减系数、折减后的抗剪强度指标以及分析步2中的初始应力即可得分析出边坡失稳的原始位移数据及原始塑性应
变；其中，原始位移数据包括待分析边坡失稳的横向位移(或x方向位移)、纵向位移(或y方向位移)和总位移(或xy方向位移，该位移由横向位移和纵向位移的矢量合成而得)。
[0097]
其中，抗剪强度指标包括粘聚力和内摩擦角，用折减系数对这两个指标进行折减的公式如下：
[0098][0099]
f
s
为折减系数，c和φ分别为折减前的粘聚力和内摩擦角，c
f
和φ
f
分别为折减后的粘聚力和内摩擦角。
[0100]
需要说明的是，根据第三潜在滑动面的位置、折减系数、折减后的抗剪强度指标以及分析步2中的初始应力得到原始位移数据及原始塑性应力的具体计算方法为现有技术，具体细节此处不再赘述。另外，由于s5的步骤是在验证evs边坡地质模型准确之后的步骤，因此得到的第三安全系数与第二安全系数一致，第三潜在滑动面与第二潜在滑动面也一致，可直接将第二安全系数和第二潜在滑动面作为结果输出，其结果如图4所示。
[0101]
具体地，本实施例得到的原始破坏模式可通过图4的第二潜在滑动面得出，原始位移数据中的横向位移、纵向位移和总位移分别图5、图6和图7所示，原始塑性应变如图8所示(图8中的总应变即为原始塑性应变)。从图4中，可以得到第三安全系数(与第二安全系数相等，图4中的强度折减系数即代表了第二安全系数)为0.80；图5中的横向方向(或x方向)上，最大横向位移出现在距离坡脚35m的位置，最大横向位移(即自然工况下的x方向最大位移
△
u[x])达到3.8mm，位移变形集中于边坡的破碎土层堆积处；图6中可以看出在纵向(或y方向)上，边坡整体均存在向下移动的趋势，其中纵向位移的最大值出现在坡顶处，即自然工况下的y方向最大位移
△
u[y]为1.8mm；图7中可以看出总位移最大位置为圆弧形，最大总位移(即自然工况下的xy方向最大位移
△
u)达到4mm，且在破碎土层和黏性土之间出现了贯通的塑性区，有相对滑移的趋势，这是后续支护处理中需要重点关注的支护区域；从图8可以看出塑性应变沿破碎土层、黏性土与砾岩层交界面分布，形成局部塑性应变集中带。结合以上分析，边坡在破碎土层和黏性土交界处的位移最大，该处边坡稳定性主要受到岩体溶浊、构造裂隙、层间错动的影响较大，极有可能沿着断层、破碎带的分界面发生剪切滑动现象。
[0102]
优选地，在s5之后还包括：
[0103]
s6：判断所述第三安全系数是否在预设标准范围内，若是，则判定所述待分析边坡为稳定状态，并直接输出所述待分析边坡的所述第三安全系数、所述第三潜在滑动面、所述原始破坏模式、所述原始位移数据和所述原始塑性应变；
[0104]
若否，则判定所述待分析边坡为失稳状态，并根据所述第三潜在滑动面、所述原始破坏模式、所述原始位移数据和所述原始塑性应变对所述最不稳定二维剖面依次进行削坡处理和支护处理，得到处理二维剖面；采用所述optumg2有限元极限分析方法，对所述处理二维剖面进行弹塑性分析，得到所述处理二维剖面对应的处理稳定性分析结果并输出；
[0105]
其中，所述处理稳定性分析结果包括第四安全系数、第四潜在滑动面、处理破坏模式、处理位移数据和处理塑性应变。
[0106]
通过上述第三安全系数的判断，可以直观地判断出待分析边坡是稳定状态还是失
稳状态，当为稳定状态，则可以直接输出目标稳定性分析结果中的各数据以便直接进行公路建网工程，并为后续的公路建网提供数据基础；当为失稳状态，则说明需要对该边坡进行针对性的处理措施(即削坡处理和支护处理)，得到的目标稳定性分析结果中的各数据则可以为针对性的削坡处理和支护处理提供数据依据，以便使得该边坡能合理用于公路建网工程，进一步显著降低公路建网施工事故的发生概率，能帮助提高施工效率。
[0107]
具体地，当判定所述待分析边坡为失稳状态，对所述最不稳定二维剖面依次进行削坡处理和支护处理，具体步骤如下：
[0108]
根据所述第三潜在滑动面、所述原始破坏模式、所述原始位移数据和所述原始塑性应变对所述最不稳定二维剖面进行削坡处理，得到削坡处理二维剖面；采用所述optumg2有限元极限分析方法，对所述削坡处理二维剖面进行弹塑性分析，得到所述削坡处理二维剖面对应的第四安全系数、第四潜在滑动面、第一破坏模式、第一位移数据和第一塑性应变；
[0109]
判断所述第四安全系数是否在所述预设标准范围内，若是，则判定经削坡处理后的所述待分析边坡为稳定状态，并直接输出所述第四安全系数、所述第四潜在滑动面、所述第一破坏模式、所述第一位移数据和所述第一塑性应变；若否，则判定经削坡处理后的所述待分析边坡为失稳状态，并根据所述第四潜在滑动面、所述第一破坏模式、所述第一位移数据和所述第一塑性应变对所述削坡处理二维剖面进行支护处理，得到支护处理二维剖面；采用所述optumg2有限元极限分析方法，对所述支护处理二维剖面进行弹塑性分析，得到所述支护处理二维剖面对应的第五安全系数、第五潜在滑动面、第二破坏模式、第二位移数据和第二塑性应变，并输出所述第五安全系数、所述第五潜在滑动面、所述第二破坏模式、所述第二位移数据和所述第二塑性应变。
[0110]
目标稳定性分析结果中的各数据作为削坡处理的数据依据，可以在一定程度上对待分析边坡的稳定性进行干预，以使该边坡达到稳定状态，当该边坡进行削坡处理之后，将削坡处理后的模型(即削坡处理二维剖面)输入optumg2有限元极限分析软件中，按照三个分析步同样的方法进行弹塑性分析，得到对应的稳定性分析结果(包括第四安全系数、第四潜在滑动面、第一破坏模式、第一位移数据和第一塑性应变)；若此时的第四安全系数达到预设标准范围，则无需继续后续的支护处理，输出对应的稳定性分析结果为公路建网工程进行数据支撑；若此时的第四安全系数未达到预设标准范围，则还需依据此时的稳定性分析结果继续后续的支护处理，并按照削坡处理同样的验算方法判断支护处理后的边坡是否达到稳定状态；若还未达到，则循环进行削坡处理和支护处理，并对每个处理过后的稳定性分析结果进行验算，直至最终的安全系数在预设标准范围内，即得到能合理用于公路建网工程的稳定边坡。
[0111]
具体地，本实施例中预设标准范围为[1.35,∞]，则第三安全系数为0.80＜1.35，处于失稳状态，进行削坡处理。根据勘察所得的地质地形特征，结合项目区域地质灾害特点、周边环境及工程经验，采取削坡处理方案如下：对于待分析边坡，挖方边坡设置10m一级，设置1.5m平台，挖方路段设置碎落台，碎落台宽度1.5m。前三级使用0.3的坡率进行放坡，后坡全部采用0.5边坡坡率进行放坡。在第一级边坡坡顶处设置被动防护网，用于防治坡面碎石落到行车道上，边坡顶处设置一处被动防护网，用于防治坡顶落石。在距被动防护网5米处设置截水沟，以保护边坡被雨水径流冲刷，破坏边坡稳定。将最不稳定二维剖面也
根据上述处理方案调整，重复弹塑性分析进行验算。如图9所示，得到削坡工况下边坡的第四安全系数(即图9中的强度折减系数)为0.65<1.35，边坡仍处于失稳状态，进一步进行支护处理。
[0112]
结合削坡分析和有限元分析的结果以及本项目的基本地质情况和工程特征，提出了如下边坡治理方案：对于待分析边坡，在第一级边坡坡顶处设置别动防护网，用于防治坡面碎石落到行车道上；边坡顶处设置一处被动防护网，用于防止坡顶落石；在距离被动防护网五米处设置截水沟，以保护边坡被雨水径流冲刷，破坏边坡稳定。边坡防护重点为40
‑
80m开挖深度范围，即四至八级边坡范围，采用锚杆挂网喷混凝土防护措施。锚杆行距
×
排距为2.5m
×
2.5m，呈梅花状布设，单根锚杆长l＝9m～26m(具体视开挖后节理裂隙发育特征确定)，设计锚孔孔径90mm，锚杆入射角(俯角)为20
°
，锚筋采用钢筋，锚杆孔内灌注m30水泥砂浆或纯水泥浆。钢筋网采用钢筋，网度200mm
×
200mm，喷射细混凝土厚度为8cm，混凝土强度等级为c20。挂网边缘用钢筋，锚固长度为1m将钢筋网固定。局部坡面岩石较完整地段，采用c20素混凝土对坡面进行5cm的喷锚防护。喷射混凝土区埋设浅泄水孔，采用梅花状锚杆布置，在边坡上部每20
㎡
设置一个，边坡下部每10m2设置一个，角度(仰角)3
°
～5
°
。将削坡工况下的削坡处理二维剖面也根据上述治理方案添加锚杆，重复弹塑性分析进行验算。如图10所示，得到经过支护处理的边坡安全系数(图10中的强度折减系数)达到1.689>1.35，边坡处于稳定状态，相比未处理情况下的安全系数提高了一倍。如图11、图12和图13所示，经过支护后边坡的最大横向位移(即支护工况下的x方向最大位移
△
u[x])只有0.071mm，最大纵向位移(即支护工况下的y方向最大位移
△
u[y])只有0.017mm，最大总位移(即支护工况下的xy方向最大位移
△
u)只有0.071mm，对边坡的稳定性影响不大。
[0113]
优选地，所述方法还包括以下步骤：
[0114]
利用预设的gbim云平台，分别对所述地形数据集、所述地质数据集、所述evs边坡地质模型、所述目标稳定性分析结果和所述处理稳定性分析结果进行展示。
[0115]
由于工程地质条件在自然状态下存在特殊不规律性，如层间错动、褶皱构造、断层构造等情况，传统二维地质图纸具有不直观、不全面、表述不清等特点，而地质工程师用软件模拟分析出来的结果又无法以数字化技术存储和传递，极大地降低了地质工程领域的工作效率，也不便于其他领域之间的信息交互，本实施例通过对实际勘察过程中的数据集以及分析过程中的结果数据进行三维可视化展示，进一步提高了工作效率，有利于信息交互。其中，处理稳定性分析结果包括削坡处理后的稳定性分析结果和支护处理后的稳定性分析结果。
[0116]
具体地，gbim云平台为预先设置好的云平台，在该云台的项目管理界面新建项目，包括项目地理位置及项目中的数据表单。将s1中地形数据集和地质数据集中的各数据上传至对应的表单中，evs边坡地质模型以*.eff格式导入，目标稳定性分析结果和处理稳定性分析结果中的各数据以excel文件导入，便于各阶段设计及施工人员的查询和预览。
[0117]
实施例二、如图14所示，一种基于三维建模的岩质边坡稳定性分析系统，应用于实施例一中的基于三维建模的岩质边坡稳定性分析方法中，包括数据获取模块、三维建模模块、第一分析模块、第二分析模块、判断模块和循环模块；
[0118]
所述数据获取模块用于获取待分析边坡的地形数据集和地质数据集；
[0119]
所述三维建模模块用于采用evs可视化地质建模方法，根据所述地形数据集和所述地质数据集进行三维建模，得到evs边坡地质模型；
[0120]
所述第一分析模块用于采用geo5岩土分析方法，对所述evs边坡地质模型进行分析，得到第一稳定性分析结果；
[0121]
所述第二分析模块用于采用optumg2有限元极限分析方法，对所述evs边坡地质模型进行分析，得到第二稳定性分析结果；
[0122]
所述判断模块用于判断所述第一稳定性分析结果与所述第二稳定性分析结果之间的差值是否在预设范围内；
[0123]
所述第二分析模块还用于当所述判断模块的判断结果为是时，采用所述optumg2有限元极限分析方法，根据所述第二稳定性分析结果对所述evs边坡地质模型进行弹塑性分析，得到所述待分析边坡的目标稳定性分析结果；
[0124]
所述循环模块用于当所述判断模块的判断结果为否时，循环执行所述三维建模模块、所述第一分析模块、所述第二分析模块和所述判断模块的功能，直至得到所述标稳定性分析结果。
[0125]
本实施例的基于三维建模的岩质边坡稳定性分析系统，实现了对岩质边坡稳定性的高精度分析，基于实际数据进行准确的三维建模和分析，分析结果真实可靠，大大提高了稳定性分析的准确性，同时不额外增加工程勘察的工作量，省时省力，操作简单，指导性强，极其适用于岩溶发育区岩质高陡边坡的稳定性分析领域，能够显著降低公路建网施工事故的发生概率，能帮助提高施工效率。
[0126]
本实施例中的未尽细节，详见实施例一以及图1至图13的具体描述内容，此处不再赘述。
[0127]
实施例三、基于实施例一和实施例二，本实施例还公开了一种基于三维建模的岩质边坡稳定性分析系统，包括处理器、存储器和存储在所述存储器中且可运行在所述处理器上的计算机程序，所述计算机程序运行时实现所述s1至s5的具体步骤。
[0128]
通过存储在存储器上的计算机程序，并运行在处理器上，实现了对岩质边坡稳定性的高精度分析，基于实际数据进行准确的三维建模和分析，分析结果真实可靠，大大提高了稳定性分析的准确性，同时不额外增加工程勘察的工作量，省时省力，操作简单，指导性强，极其适用于岩溶发育区岩质高陡边坡的稳定性分析领域，能够显著降低公路建网施工事故的发生概率，能帮助提高施工效率。
[0129]
本实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有至少一个指令，所述指令被执行时实现所述s1至s5的具体步骤。
[0130]
通过执行包含至少一个指令的计算机存储介质，实现了对岩质边坡稳定性的高精度分析，基于实际数据进行准确的三维建模和分析，分析结果真实可靠，大大提高了稳定性分析的准确性，同时不额外增加工程勘察的工作量，省时省力，操作简单，指导性强，极其适用于岩溶发育区岩质高陡边坡的稳定性分析领域，能够显著降低公路建网施工事故的发生概率，能帮助提高施工效率。
[0131]
本实施例中的未尽细节，详见实施例一以及图1至图14的具体描述内容，此处不再赘述。
[0132]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和
原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。