基于监测数据的边坡位移可视化分析系统
第22卷 第8期
岩石力学与工程学报 22(8)：1324～1328
2003年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2003
2001年12月18日收到初稿，2002年3月1日收到修改稿。 * 国家自然科学基金资助项目(59704004)。
作者 贾明涛 简介：男，1973年生，博士，1995年毕业于中南工业大学，现为中南大学讲师，主要从事采矿及岩土工程可视化分析等方面的研究工作。
基于监测数据的边坡位移可视化分析系统*
贾明涛 王李管 潘长良
(中南大学资源与安全工程学院 长沙 410083)
摘要 以我国南方某大型水电站左岩边坡监测网为基础，提出了一种新的基于可视化分析技术的三维边坡位移分析模型，并开发了相应的计算机软件分析系统。该系统以监测信息数据库为核心，采用距离幂反比空间数据插值算法对边坡内任一点的位移进行估值，通过可视化图形环境将位移分布等值线、边坡表面位移线、原始观测点即被评价点位移矢量及地下水位线等分析结果与工程地质图有机地结合起来，为及时圈定潜在滑动区域及进行边坡稳定性评价提供了一种非常有效实用的技术和工具。对监测系统、数据库系统、三维分析模型、软件系统、可视化分析技术等内容进行了详细的讨论，并应用该系统对我国南方该大型水电站左岸边坡的位移分布及稳定性进行了评价。
关键词 岩土工程，位移监测系统，可视化分析技术，边坡位移信息系统，软件系统
分类号 P 642.22，TP 391.41，TU 454 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)08-1324-05
VISUAL ANALYSIS SYSTEM FOR SLOPE DISPLACEMENT
BASED ON MONITORED DATA
Jia Mingtao ，Wang Liguan ，Pan Changliang
(College of Resources and Security Engineering ，Central South University ， Changsha 410083 China )
Abstract A new visual analysis technique is presented for rock slope displacement. The presentation is based on the data obtained from the system for monitoring displacement at a hydropower station in South China. Database technique ，3D displacement analysis model ，and visualization analysis technique make up the core of this study. According to these techniques and methods ，a set of software for slope displacement information system is developed.
Key words rock and soil engineering ，displacement monitoring system ，visualization analysis technique ，slope displacement information system ，software system
1 引 言
近年来，随着大量的工程在边坡附近建设，其潜在的滑坡问题日益严重，如何采取科学、有效的技术和方法对可能发生的滑坡灾害进行预测预报，变得日益重要，引起了越来越多的关注。
已经知道，建立监测系统对边坡进行监测是确保边坡稳定的有效而重要的途径之一。但是，出于经济及工程条件等因素的限制，在监测过程中测点
的数量是有限的。一方面，必须对这些有限的测量
数据进行全面的分析；另一方面，必须采用有效的方法通过这些有限的数据对大范围内的未知点进行估值才能得到有意义的结果。同时，大量的数值信息由于其直观性不强，工程技术人员欲从中得到有指导意义的结果，不仅需要具有较深厚的专业知识，而且将花费大量的时间和物力，这对于及时进行边坡稳定性分析有着极大的制约作用。可视化技术[1]融合了计算机图形技术、工作站技术、计算机辅助设计和交互技术、网络技术、视频技术等。从准备
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数据、实施计算到表达结果都用图形或图像来完成或表现，将繁杂的数据准备及修改交给计算机去做，使用者只与图形(或图像)打交道，能直接看到其所做工作的效果，具有极强的直观性。
本文是结合我国南方某大型水电站监测网络的实际进行的。文中首先介绍监测系统的逻辑结构，接着分别对监测信息数据库、三维位移估值模型以及基于微机的可视化分析方法进行讨论。
2 系统逻辑结构
2.1工程背景[2]
该水电站由混凝土重力坝、右岸坝后的发电站厂房以及左岸边坡的三级连续船闸三部分组成。大坝坝顶长为719.7 m，最大坝高为85.83 m，船闸本体长为492 m，最大工作水头为42.5 m，左岸高边坡距船闸约500 m，顺河流方向长约500 m，最大坡高为165 m。该边坡工程地质条件复杂，左岸近坝上游1～3 km库岸存在6处典型的蠕变体与滑坡体，对于大坝安全运行不利。通过对左岸边坡进行监测和信息处理，为在该处施工与船闸工程建筑物的安全运行提供及时、准确的监测信息和判断依据。2.2系统逻辑结构
该系统主要由三部分组成：监测网、监测数据库和可视化分析系统。系统逻辑结构见图1。
图1 系统逻辑结构
Fig.1 Logical structure of the monitoring system
3 监测网
3.1监测网布置
边坡中部位移的基本特征是压缩变形及剪切变形，而边坡下方位移的主要特征则为剪切滑动。因此，测点主要布置在边坡的关键位置处。此外，在边坡表面、隧道边壁以及钻孔中也布设了测点，从而形成了一个立体监测网络。
以重点剖面与一般部位、局部与整体相互结合为原则，在边坡的6个主要的垂直剖面线上布设了64个测点，每4个测点构成一组，呈网格形覆盖整个边坡，测点为水平位移和沉陷观测共用点。地表水平位移观测采用三边交汇法进行，测边用DI2002测距仪，垂直位移以边坡沉陷工作基点与测点组成环线，按国家二等水准要求作业。考虑到边坡地表变形观测点的布置，结合已有平洞的分布和边坡开挖后洞身段的留置情况，选择10个巷道应用三测线法来测量巷道的位移。
3.2监测项目及仪器
应用多种监测方法及仪器对左岸岩质边坡的变形、渗流及应力、应变、温度等情况进行监测。变形监测项目有：边坡的水平和垂直位移、边坡倾斜、边坡岩体内部变形；平洞内断层变形、平洞内升、降、倾斜以及平洞内裂缝开合度等。所用仪器包括：经纬仪、水准仪、测距仪、地表倾斜仪、多点伸长计、钻孔倾斜仪、断层活动测量仪、伸长仪、静力水准仪、水管式倾斜仪以及固定式单向测缝计等。渗流监测项目有：渗透压力、渗流量、地下水位等。所用仪器包括：差动电阻式渗压计、量水堰、容积计以及自动钻孔水位计等。应力、应变监测通过差动电阻式DJ-25应变计、钢弦应力计等进行，温度监测则由差动电阻式DJ-25应变计监测。
4 监测数据库
采用Microsoft Access作为数据库管理系统。根据监测信息的特征，数据库系统中包括两种类型的数据：静态数据和动态数据。前者有测点位置、仪器属性以及初始数据等，后者则为每个测点的当前测量值。
数据入库有两种方式，由电子传感器顺序获得的数据可直接通过数模转换技术录入数据库，而从其他手工仪器等获得的数据可由操作员手工录入。
变形信息分析软件系统采用Microsoft Visual C++ 6.0开发，借助于开放式数据库连接(ODBC)技术实现对数据库的访问。
5 位移可视化分析模型
尽管通过监测网络获得的数据非常庞大，但它们只能反映边坡表面或内部某些部位的变形、应力、应变等情况，而不能表征整个边坡的状态。建立位移可视化分析模型，就是为了通过有限的观测位移值，快速、准确地估计边坡表面及其内部的位移，
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并将其结果利用可视化技术显现出来。 5.1 位移估值方法
任何在空间上分布的变量均称作区域化变量，边坡位移亦是如此。建立这些变量的模型必须充分考虑结构性和随机性两大部分[3
，4]
。用于处理这种
既有结构性又有随机性的区域化变量的最优无偏估计方法是地质统计学方法。自20世纪60年代该理论提出以来，已产生了许多相应的估值方法。本研究中，采用比较常用的普通克立格(OK)法，该方法可描述如下：设Z (x )是一个二阶平稳的随机函数，它在n 个位置取样：Z (x 1)，Z (x 2)，…，Z (x n )。则点x 0处的OK 估计量为
∑==n
x Z x Z 1
0)()(αααλ (1)
式中：) 2 1(n ，，，
L =αλα为权系数，满足无偏性条 件：11
=∑=n
ααλ，可由下面的OK 方程组解得
?????=∑==+∑==1) 2 1( 101
n
n
n C C ββααβββλαμλ，，，L (2) 式中：μ为拉格郎日乘数；)]()([Cov βααβx Z x Z C ，= ) 2 1(n ，，，，L =βα，为两个样品间的样品对样品的协方差函数；)]()([Cov 00x Z x Z C ，αα=，为在x α 处的样品和估计点x 0之间的样品对点的协方差函数。对空间问题而言，(1)，(2)两式中的x 对应于u ，v ，w 。
这里，位移为三维矢量，既有大小，又有方向。为此，需先将每个已知测点上的矢量数据沿三个坐标轴方向进行分解，然后用上述方法，对每个方向进行估值，最后再进行矢量合成运算。 5.2 数据搜索方法
在空间数据搜索中，球体和椭球体搜索是基本的两种方法。通常来说，球体搜索用于各向同性数据的搜索，椭球体搜索用于各向异性数据的搜索。对于这两种方法，分别具有两种类型：最近点搜索和扇区搜索。由于边坡位移为空间矢量数据，采用椭球体搜索。以插值点为球心，根据变异分析获得的变程来确定椭球体参数，包括其长轴、次长轴、短轴的长度及其方向。
采用逐步变动法以确定动态变化的搜索球半径[5]。从数据的平均疏密度出发，从最近的已知数据点开始搜索，一直到收满指定的数据点数为止。 由??
????=πN V k r 334得 3
43N
kV
r π=
(3) 式中：k 为指定搜集的点数，r 为动态搜索球半径，V 为边坡总体积，N 为已知测点总数。
求得最小搜索半径后，判定搜索球体内是否保证收集到指定的数据点数。如果不能保证球体内有指定点数，则依次加大k 值，直到满足条件为止，此时的r 即为最大搜索球半径，记作r max 。
5.3 建立分析模型
研究中采用三维块段模型进行边坡位移稳定性
分析。将一定范围内的边坡体包纳在一个长方体中，然后，沿三个坐标轴方向将其离散为一定尺寸的单元体。对于各单元体，其位移可通过已知测点的位移利用前述位移估值方法及数据搜索技术进行推估。这样，就可得到一个三维的规则数据场[6]。
虽然三维数据场体视化技术的研究已取得一定的进展，但是，由于其对计算机软、硬件水平及算法要求较高，一般均是基于工作站进行的。对于该工程而言，要求系统能在微机上运行；同时，工程关注的主要是几个典型剖面和平面的稳定性。基于此，在可视化分析时，沿边坡特征面建立剖面和平面分析模型，既能反映空间位移矢量的变化情况，又能方便分析和表示。
6 可视化分析[7
～9]
可视化分析的内容包括以下4个部分：(1) 各重要平、剖面地质图形的可视化管理；(2) 各重要地质平、剖面的位移可视化分析；(3) 各原始外观位移测点和多点伸长计测点位移随时间变化过程、各钻孔倾斜位移随钻孔测深的变化过程及各测孔地 下水位随时间变化过程的可视化分析；(4) 多种重要物理量的时空分析结果的可视化自动演示。 6.1 数据及可视化分析流程
数据及可视化分析流程见图2。由图可知，监测数据库是整个系统的核心，系统所有的数据估值及处理工作均基于该数据库。在整个系统中，三维分析模型是非常重要的；同时，用于进行原始工程地质图件输入、编辑、存储以及显示的图形系统亦是非常重要的，它为可视化分析提供了一个平台。 6.2 平、剖面位移可视化分析
平、剖面位移可视化采用位移矢量、位移线和位移等值线的方式来表示。位移矢量表示边界上具体位移大小及其方向，位移线表示边坡坡面或平面边界上测点位置变化的情况，而位移等值线则表示
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Fig.2 Visual analysis process of the slop displacement
边坡体内部位移的分布情况。取任一剖面或任一平、剖面(见图3)，设该边界(包括坡面和平面边界)上有n 个位移测点或位移估值点，经过一段时间后，边坡体发生了位移，由测点的初始位置和发生位移后的位置，求出位移的量值和方向。用带箭头的线段可绘制出各边界点的位移矢量，连接各位移矢量的终点，即可绘制出位移线图，对于位移等值线，通过一定的等值线追踪方法，将边坡体内所有等值的监测及估计位移点连接起来即可作出。最后，将原始位移矢量、推估位移线、内部位移等值线及气象信息粘贴在相应的地质平、剖面图上，即可得到地质平、剖面图位移可视化结果。图4，5是两个典型的平、剖面位移图。
6.3 单项目位移及地下水位的可视化分析
系统除了对典型平、剖面以位移为主的信息进行可视化分析外，还对各原始外观位移测点和多点伸长计测点位移随时间变化过程、各钻孔倾斜位移
(a) 剖面 (b) 平面
图3 平、剖面位移线、位移矢量示意图
Fig.3 Sketch of the displacement and displacement vector in
plane and section
图4 剖面位移可视化分析结果
Fig.4 Analysis result of the displacement in a section
图5 平面位移可视化分析结果
Fig.5 Analysis result of the displacement in a plane
位移可视化分析结果剖面号：280
日期：8/28/1996，天气：多云上游水位：106.88 m ， 下游水位：50.50 m 降雨量：0.0 mm
日期：8/28/1996，天气：多云
上游水位：106.88 m ，下游水位：50.50 m 降雨量：0.0 mm
xoy 面上投影/m
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图6 各单项位移及地下水位可视化分析结果
Fig.6 Visual analysis results of single item displacement and ground water
随钻孔测深的变化过程及各测孔地下水位随时间变化过程进行可视化描述，使用户可以方便、迅速地查阅所有原始位移数据，对各测点位移的变化情况及工程的稳定性作出正确的判断。图6为外观点位移、钻孔倾斜位移变化、多点伸长计位移变化、地下水位变化的可视化查询窗口。 6.4 综合时空分析
综合时空分析主要指外观位移、多点伸长计以及地下水位的时间、空间分析，实现各对应项目随时空的动态变化自动演示。这里主要采用图层管理技术，每一图层存放着不同时间的三维位移或水位分布情况。在进行综合时空分析时，对应打开相应的文件，然后，通过不同图层的变化，实现动态效果[7]。这里，每个文件包括20个图层。
7 结 论
有效预防工程结构附近自然边坡的滑坡灾害是非常重要的，建立位移和其他边坡岩体力学状态的监测网络及可视化分析系统是预测预报滑坡灾害的重要途径之一。开发本系统的主要目的是能够科学、准确、快速、方便地进行边坡信息的可视化分析。
该岩质边坡位移可视化分析系统已于1998年交付
工程使用。应用效果表明，该系统能够快速、准确、自动地进行边坡信息的分析和显示，对大坝安全运行具有极大的工程意义。
参 考 文 献
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9 邓建辉，李焯芬，葛修润. BP 网络和遗传算法在岩石边坡位移反分析中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2001，20(1)：1～5
(b) 钻孔倾斜可视化分析结果
(a) 外观点位移可视化分析结果
(d) 地下水位可视化分析结果
(c) 多点伸长计位移可视化分析结果