基于GIS的边坡三维有限元分析前处理

第1期矿　山　测　量No11

“3S”应用

基于GIS的边坡三维有限元分析前处理

刘庆元,韦建超,戴水财

(中南大学信息物理工程学院,长沙　410083)

摘要:三维有限元数值分析是最新发展起来的边坡稳定性定量分析方法,但其前处理工作非常繁琐,从而影响了该方法的整体效率。文中对利用GIS技术,实现了从滑坡范围的确定到有限元网格的自动生成的全部过程,提高了边坡三维有限元计算的前处理工作效率做了介绍。

关键词:边坡;有限元;GIS;前处理中图分类号:P208　　　文献标识码:B　　　文章编号:1001-358X(2007)01-0029-02　　边坡失稳是生态环境和工程建设中经常遇到的广泛且严重的地质灾害,在对边坡稳定性进行分析的方法中,有限单元法是较为常用的定量分析方法,其用于边坡中应力和位移的分析已经比较完善,并

[1]

得到了许多学者成功的应用。有限元用于边坡分析,其基本过程主要包括边坡体的离散化、有限元方程求解、计算结果(位移、应力、塑性区)个部分。据统计,5%～10%及50%～,,使得主要时间都用于边坡体的离散及结果的处理。实际上在边坡的有限元计算与分析中,所涉及的对象大多都为地理对象,所以利用GIS对地理对象的可视化管理和空间分析、以及可二次开发的强大功能,进行基于GIS的边坡有限元分析前分析,将会大大提高有限元分析的效率,同时也有利于将有限元分析结果与边坡空间信息的联系起来,实现3DGIS平台下的边坡有限元分析的可视化查询、显示。另外,基于GIS的边坡有限元分析系统,因集成了GIS的功能,更容易与GPS,RS,变形监测机器人等融合,对边坡变形进行更精确的监测。

为了达到上述目的,作者采用适合边坡三维可视化和三维有限元分析的三棱柱模型对边坡进行建模,建立边坡空间数据库,进行基于GIS的有限元分析前处理。1　边坡可视化建模

数据模型是空间采样点按某种规则连接形成相邻互

不重叠的三角形面。因为采样点可以不规则分布,所以可以处于最优位置,TIN可以用比其他数。由于边坡地,,地面形状相,比较光滑。地层面,断层只受岩层和地,相对光滑。所以采用基于地表TIN的三角形网格向下垂直延伸,各层面的三角划分以地面TIN为基准,获取各层面,断面层的TIN网格,既考虑了地表起伏,又兼顾层面变化,满足计算精度的要求,地面采样点不规则分布可以反映边坡表面变化关键点的空间特征,以较高精度模拟地面,如图1(a)所示。地面TIN向下垂直投影,TIN顶点的投影线与各层的交点Z值可以通过相应层面内插得到。这样地面与各层面的TIN三角形具有垂直对应关系,如图1(b)所示。利用VBA+ArcEngine对ArcGIS的3D模块进行扩展可以实现该模型

。

图1　基于TIN的三棱柱边坡模型

2　边坡数据库的建立

考虑到边坡地质结构呈层状的特点,本文采用

基于TIN的三棱柱(Tri-Prism)模型对边坡进行可

[2]

视化建模,该模型拓扑结构明确,易于剖分。TIN

由于关系数据库具有简单的表结构管理、完备

的二元理论支持以及完善的SQL语言支持。所以对边坡的图形和属性数据,也采用关系数据库以建立

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第1期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　矿　

山　测　量　　　　　　　　　　　　　　　　　　2007年3月

关系表的方法来组织和管理数据。211　图形数据库

图形数据分面和体两种表来进行组织管理。面表是用来存储各个层面的图形数据,这里利用TIN的典型储存方式来存储,即三个表结构;点表、三角形表和邻接三角形表。列出TIN的存储表(表1)。

表1　TIN存储表

编号(ID)

Text

点编号Text

三角形编号

Text

层面编号Text

其他字段......

坡稳定性的外界条件因素,包括:气温、降雨量、植被、各种震动(如爆破、运输等)、人工加固边坡而带来的各种负荷等。以上这些属性数据都可以通过建立相似的关系表来存储。属性数据和空间数据可通过用户编号来连接,例如当考虑滑面上摩擦系数、水压力、岩体抗剪强度等分布不均匀时,可建立相应的摩擦系数分布数字模型(DEM)、水压力分布数字模型、岩体抗剪强度分布数字模型等。3　基于GIS的有限元分析前处理

　　体表是从总体上对边坡的图形数据进行管理。

我们也采用两个表来进行存储。即:四边形表和三棱柱表(见表2)。

表2　三棱柱表

编号(ID)点编号

Text

Text

三角形编号

(分顶面和底面)

Text

棱边编号其他字段

Text

......

在以上模型和数据库的技术上,进行边坡的有

限元分析前处理,可通过以下步骤实现:

(1)利用GIS进行有限元计算前处理,首先建立边坡三维模型(图2a),在该模型基础上进行坡度坡向分析(图2b),2c、图2d。坡度坡向、,选。由于边坡模型通过ArcGIS上扩展得到,所以以。

(2)根据勘探资料,建立地层分界的数字高程模型,进行结构面的倾斜方位分析,

利用GIS的空间叠加功能,计算地表与结构面之间的倾斜方位角,从而进一步确定危险面的位置。

212　边坡的属性数据

边坡的属性数据非常多,性分析的重要依据,,:岩体结(,包括岩石的成因、、容量、空隙度、风化特征、溶蚀性等)、地下水;外部属性数据指的是影响边

图2　边坡有限元分析的GIS前处理

　　(3)将通过数据库建立的三维边坡地质模型输出为程序流,在ANSYS环境下用K、A和VA命令快30

速准确地建立三维地质模型。同时从数据库中获得

各地层及其他地质体的力学属性用VATT命令对各

第1期　　　　　　　　　　　　　刘庆元等:基于GIS的边坡三维有限元分析前处理　　　　　　　　　　　2007年3月

体元赋属性,获取各边界层面序号,对要约束的边界层面采用DX,DY或DZ进行约束,对要加载力的边界面用SFA命令加载,同时建立反馈机制。以下是按照ANSYS命令的格式进行三维边坡地质模型输出的命令流。

!以下命令流将在Ansys环境下建立三维地质

元分析前处理的科学性。结合较新的三维建模方法对边坡进行三维地质建模和建立三维地质数据库,便于边坡体空间属性数据存储查询和更新。以An2sys8.0有限元网格数据格式为标准,编写了接口程序输出命令流使前处理程序化提高了分析效率。　　参考文献:

[1]　张玉浩,张立宏1边坡稳定性分析方法及其研究进展

[J]1广西水利水电,2005(3)1

[2]　戴吾蛟,邹峥嵘1基于体素的三维GIS数据模型的研

模型

K,141,41250.0,-2250.0,500.0A,92,2,8,98!

82......

16,1,2......

VA,71,1,76,87,81,82!VSEL,,,,1VSEL,A,,,2......VATT,1,,1,0VSEL,ALL

!以下命令流为边界面加约束DA,2415,UZ,!155......

!以下命令流为边界面进行受力加载SFA,2586,1,PRES,TABLE1!166....4　结　语

!以下命令流为一组体元赋物理属性

究[J〗1矿山测量,2001(2)1

[3]　吴立新,史文中1地理信息原理与算法[M]1科学出版

社,20031

[5]　樊红,詹小国1ARC/INFO应用开发与技术[M]1武汉

大学出版社,20021

[6]　苏荣华,梁冰1———ANSYS应用[M]1

[7]　J..SettlementRiskAssessment;

andGIS[J]1Geomorphology,2003,51:-2881

作者简介:刘庆元(1958-)男,中南大学教授,主要从事GPS和GIS的研究与教学,发表论文三十余篇。

(收稿日期:2006-09-08)

本文提出基于,其

中基于TIN的三棱柱体元边坡模型既可以在ArcGIS上扩展得到,又可以与有限元软件Ansys相结合。GIS以其强大的空间分析和数据管理功能,实现有限

(上接第22页)川测绘2005(9)1

[2]　杜军等1校园环境规划中DEM的建立及应用[J]1重

6　结　语

庆交通学院学报2004(12)1

[3]　张英群等1数字高程模型DEM的建立与应用[J]1计

校园DEM的建立与应用研究取得了可喜的成果,校园DEM成果对校区规划建设意义重大,此成

果可以直接制作等高线图、任意指定方向的断面图、指定区域的土石方工程量计算、三维景观数字地形图、三维景观设计图等。一系列数字成果必将在科大的数字化校园建设中发挥积极的作用,同时针对特殊地形构网建模过程中遇到的问题及处理方法也可供同行借鉴。

参考文献:　　

[1]　王军德1CASS测图软件中DTM的建立与应用[J]1四

算机与农业2000(6)1

[4

]　郭秋英1GIS在高校校园规划和管理中的应用[J]1测

绘通报2000(4)1

作者简介:贾宝峰(1983-),男,河北省故城县人,现就读于辽宁科技大学资源与土木工程学院测绘工程专业。

(收稿日期:2006-11-15)

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ENGLISHABSTRACTSOFMAINARTICLESINTHISISSUE

ProbeintotheStudentsCultivationModewithDoubleTeachersintheSpecialty“SurveyingEngineering”inVo2cationalColleges-Inthelightoftheeducationtargetstressedinvocationalcolleges,i.e.takingdispositioned2ucationasthekey,focusingontheabilitycultivationandemphasizingthemergencebetweenknowledgeandtechni2calabilitytofostertalentedpersonswithhigh-leveltech2nicalability,andbasedonthecharacteristicsofthespe2cialty“SurveyingEngineering”,thepaperdiscussessomenewapproachestocultivatetalentedpersons.Andthenthecultivationmodewithdoubleteachersinthespecialty“SurveyingEngineering”invocationalcollegesiscrea2tivelyputforwardinthepaper,whichwillnotonlypro2motethescientificresearchlevelofteachers,butalsopro2videbroaderdevelopmentspaceforstudents.(LiuWen2longetal.)ReformandInnovationoftheTeachingSystemintheSpe2cialty“CivilEngineeringSurveying”-Inthepaper,basedonapplicationofmodernsurveyingandmappingtechniquesandrequirementofproductionpracticeforsur2veyingabilityoftalentedpersonsinthespecialty“Civilengineering”,aprobeismadeintotheconstructionofteachingsystemofthespecialty“CivilEngineeringSur2veying”,andasurveyingteachingsystemthatismoresuitableforlearningofcivilengineeringisalso.(WangHanxiongetal.)

ResearchonEstablishmentandtheDEaSchool-Inviewofonplanedinaschool,establish2mentoftheDEM()inproducingthree-dimensionalsceneofthevirtualcam2pus,andsomemajorprmsandcorrespondingcounter2measuresduringthiscoursearealsoputforwardforrefer2enceinthepaper.(JiaBaofengetal.)

DesignandRealizationoftheASP-basedExperimentalItemsSubmissionSystemDonebyExperimentalTeachers-Inthepaper,anonlineexperimentalitemssubmissionsystemisdevelopedonthebasisofsuchlanguagesasASPandVBScriptandrelatedtechniques,whichmakesthesubmission,managementanduseoftheexperimentalitemsrealizedthroughestablishmentandlinkoftheweb2siteanddatabase.(MaChunyanetal.)

Pre-processingoftheThree-dimensionalFiniteEle2mentAnalysisofSlopesbasedonGIS-Thethree-di2mensionalfiniteelementmethodisaquantitativeanalyt2icalmethodnewlydevelopedtoanalyzetheslopestabil2ity,butitspre-processingistime-consumingandmiscellaneous,thusaffectingoverallefficiencyofthemethod.Inthepaper,basedontheGIStechnology,thewholeprocessfromdeterminationofthesloperangetoautomaticgenerationofthefiniteelementgridisreal2ized,andefficiencyofthepre-processingofthree-dimensionalfiniteelementcomputationofslopesisim2provedgreatly.(LiuQingyuanetal.)

ResearchontheOptimumExperimentbasedontheGPSLevelingPolynomialSurfaceFittingModel-TherearemanymethodstofitcurvedsurfaceoftheGPSheight.Inthepaper,basedonbasicprincipleofmovingpoly2nomialstomakesurfacefitting,aprobeismadeintothelawthatdifferentmodelsaffectnumbersofgivenpointsandthepositionrelationbetweengivenpoints

andfittingpointsaffectstheaccuracy.Throughpractice

inactualengineeringinDalianWafangdianNuclearPowerPlant,somevaluableandpracticalconclusionsareobtained,whichisinstructiveforGPSactualpro2ductiontosomedegree.Meanwhile,basedonstatisticsandcomparisonoftheprocesseddata,theoptimummodelofacertainregionisalsogiveninthepaper.(WangChenghuaetal.)

ApplicationoftheCombinedOperatingModeoftheGPSandtheSurveyingRobotinDeformationMonitoringinanOpen-pit-Inordertosolvetheproblemsinclu2dingaccuracyandrealtimeoccurredindeformationmonitoringintheopen-pit,thecombinedoperatingmodeoftheGPSandthesurveyingrobot(TCA2003TotalStation)istestedinanopen-pit.Basedonanal2ysisandresearchonerrorresourceoftheGPSpositio2ning,useofthesurveyingrobotandtheAPSWinsys2temandthetestresultsetc.,sometechniquesrelatedtodataacquisitionandprocessingandselectionoftheGPSsurveyingstationareinthepaper.Sim2theandexperiencehowtoillimeterandreal-tionalsosummarizedin.al.)

BroadcastEphemeristoDeterminePositionoftheGPSSatellite-Inthepaper,ismadeonthemethodofusingthebroadcastephemeristodeterminethepositionofthesatelliteinthecasethatonlyonegroupofbroadcastephemerisoftheGPSsatellitearereceived,andthenthepositioningaccuracyofthesatellitepositionisdescribedbasedoncomparisontothepreciseephemeris.(TangJunboetal.)

AHighly-effectiveMethodofMAPGISDataTransfor2mation-TakingthedatatransformationinYangquanminingdistrictforexample,thepaperelaboratesdirectdatatransformationbetweentheDGNandtheMAPGIS,whichcanbesaidtobeakindofhighly-effectivedatatransformationmethod.(MiaoXiaoli)

ProbeintotheHigh-precisionThroughTechnologyontheUltraLong-distanceFace-Inthepaper,theesti2mationofthrougherrorsandprecisionassessmentontheultralong-distancefaceinahighly-effectivemodernmineisdescribed.Duetouseofthehigh-precisionthroughsurveymethod,thelimitprecisionoftheinstru2mentisdeveloped,realizingthehigh-precisionthroughoftheroadway.(ZhaoBaoji)

StudyonCoalMininginPillarsundertheVillageBuild2ingsinZhenxingCoalming-Howtorealizesafecoalminingundervillagebuildingsisoneofmainproblemsencounteredbymanyminingenterprises.Inthepaper,inthelightofdetailedgeologicalminingconditioninZhenxingCoalmineofDengfengCityinHenanProvinceandthestatus-quoofsurfacevillagebuildings,analysisandresearcharemadeonthecoalminingtechnologyinstripsundervillagebuildingsbasedontheanalysisoftheoreticalcomputation,surfacemovementanddeforma2tionestimation,andthentheschemeandrelatedparam2etersofthestripminingaregiven.What’smore,thefea2sibilityofusingsuchtechnologyunderthesebuildingsisalsoillustratedinthepaper.(HanHongxueetal.

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