文/何晖、贺峰 西安工业大学　陕西西安　710000

基坑开挖对周围环境的影响分析及其可视化方法研究

文/何晖、贺峰 西安工业大学陕西西安710000

本文以基坑开挖所产生的变形及其对周围环境的影响分析方法为研究主题，结合三维可视化技术开发，探讨了基坑开挖过程对周围环境的影响问题。通过OpenGL技术对基坑变形的有限元计算结果和现场监测数据进行可视化，实现了基坑变形图、位移云图和等值线等的绘制，并提出了云图与等值线绘制新方法和新思路。结合具体工程施工方案，验证了该类方法的合理可靠性，同时证明了本文所探讨的方法对于基坑开挖影响分析具有较好地实际应用价值[1]。

环境影响；基坑开挖；可视化分析；OpenGL

引言：

科学计算可视化指的是应用计算机图形学和图像处理技术，将计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术[2]。它不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程计算数据的可视化，如有限元分析的结果等，同时也包括测量数据的可视化，如用于基坑工程施工监测和墙体位移分析数据的可视化等等。

1、基坑周围土体变形的可视化分析方法

1.1研究宗旨

利用现行的三维图形标准库OpenGL在可视化领域的优越性，探索和发现利用它进行基坑土体和支护结构等变形可视化原理和方法。为克服目前一般可视化方法中变形图、云图、等值线图绘制过程中图形质量与绘制速度之间的矛盾，研究OpenGL明暗过渡方法构造云图，并以云图为基础逆向绘制等值线的方法。

1.2基坑开挖可视化实现方法

1.2.1变形图

绘制基坑变形图时，可通过绘制每个单元的局部变形得到整体最终变形，且绘制过程中不需考虑各节点的全局排列，而只需在单元内部考虑节点的排列情况。

此外，当基坑变形较小时，以实际比例绘制的变形图难以区分变形前后的单元，此时需设定某放大系数，根据此系数将各结点位移值进行放大。

1.2.2彩色云图

目前应用较广泛的几种云图绘制方法都具有明显缺点，都没有解决云图质量与绘制速度间的矛盾。因此，作者考虑利用OpenGL的颜色明暗处理功能解决这一问题。可按照以下步骤和流程，实现基坑有限元计算结果和监测数据的云图绘制:

（1）确定计算结果中位移或应力的最小值与最大值；（2）根据“场量值一颜色”曲线确定数值与颜色的对应关系；（3）对所有有限单元，根据其顶点处的数值确定顶点颜色；（4）在OpenGL中绘制所有单元，并通过颜色明暗处理实现单元内颜色的平滑过渡。

1.2.3等值线

若能在云图上找出代表某一场量值的所有颜色象素点，则这些点即构成了此场量值的离散等值线，当象素点比较密集时，其显示结果就基本等同于连续等值线。此即等值线构造的逆向云图法。

逆向云图法构造等值线的过程可归纳如下:

（1）根据计算结果数据，通过OpenGL明暗处理绘制彩色云图；

（2）根据等值线绘制条数及间距.结合“颜色-场量值”曲线，确定各等值线对应的象素颜色；

（3）获取云图各象素的颜色值；

（4）扫描获取的云图象素，保留符合等值线颜色的象索点，填充其它象素点为背景色，从而得到以象素点表示的所有等值线。

2、分析实例

2.1源数据的构成

从广州地铁体育中心站基坑的变形计算结果中，我们提取了以下数据做为可视化计算的源数据：

①有限元节点编号和坐标（x,y,z）;

②开挖引起的坑外土体的变形，包括不同施工阶段的水平位移、纵向位移等等。

2.2体视化计算

2.2.1云图

利用OpenGL绘制三角形的方法，以及实现颜色过渡的明暗处理技术，对该断面上的每个节点赋予对应的场量颜色值，从而得到均匀过渡的位移云图，经对比发现本文绘制的云图能更好地反映各单元的位移变化情况，而不会出现ANSYS中所示的阶梯状变化。

2.2.2等值线

由云图绘制的“场量一颜色”对应关系可知，不同的颜色对应不同大小的位移值。因此，当给定一组等值线数值后，即可根据该关系确定其对应云图颜色，从而在扫描云图时将非等值线颜色更改为背景色，得到以象素构成的离散位移等值线，如图1所示。

图1　加支撑前位移等值线图

2.2.3体数据分析

将图1(a3)的等值线进行对比，可发现本文逆向云图法不但可生成ANSYS所示等值线，而且还可在ANSYS各等值区域内细分生成其它数值的等值线，且全部绘制过程只需扫描一次云图，因而该方法具有较大的实用性和优越性。

由图1看出，靠近开挖区域的等值线具有比较理想的显示效果，而距离开挖区域较远的等值线则出现了线宽过大的缺陷。这主要是由于开挖区域附近的水平位移值变化比较剧烈，从而使得该区域内等值线的云图颜色不会占据太多象素区域的缘故，而在位移变化不明显的区域，等值线对应的云图颜色就有可能占据大量象素区域从而造成线宽过大。

结论：

本文以OpenGL为手段，在基坑开挖有限元计算和现场监测数据的基础上，探讨了基坑工程的二维和三维可视化方法，并针对目前彩色云图和等值线绘制中的缺陷，提出了相应的改进方法，即云图的OpenGL明暗处理生成法和等值线的逆向生成法。将本文三维地层构造及数值计算结果可视化方法等内容应用于广州地铁体育中心站基坑工程中，计算结果符合现场勘查情况，并比通常有限元简化计算结果更精确，验证了本文方法的合理可靠性，可在类似工程中进行应用和验证。

[1]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M]，北京：中国建筑工业出版社，1997.4.

[2]郑宜枫.基坑工程的可视化分析方法[J].中国岩石力学与工程学报，2003,22.

[3]王诚东.浅谈深基坑中岩土勘察技术要求[J].中国房地产业.2015.7

何晖，教授，博士，院长，从事岩土工程科研工作。