基于虚拟现实技术的川藏铁路地质灾害易发区减灾选线优化:以洛隆车站为例
周杰1,丁明涛1,黄涛1,陈宁生2
（1.西南交通大学 地球科学与环境工程学院,四川 成都611756；2.中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所,四川 成都610041）
摘 要
铁路沿线频发的滑坡泥石流灾害,对山区铁路建设与安全运营造成重大影响。在山区铁路选线过程中,如何科学规划铁路线位和工程方案,真正把铁路地质灾害问题解决在成灾之前,实现科学防灾减灾,已成为国内外学者关注的焦点问题。提出一种基于虚拟现实技术(VR)的铁路地质灾害易发区减灾选线场景仿真系统,利用CAD、Sketch Up等软件制作三维地形环境模型,进行铁路沿线滑坡泥石流灾变演化仿真分析;基于Unity3D平台,应用3Ds Max、Photoshop等软件完成研究区的虚拟铁路场景模型搭建,通过网页版的UI交互设计,实现虚拟铁路场景的三维可视化体验;以新建川藏铁路洛隆车站为例,采用该方法建立了多种线路方案优化。结果表明:所建立的虚拟现实场景系统具有很好的可视性和较为流畅的交互性,可充分展示研究区铁路建设及运营安全的可行性。
关键词
川藏铁路;滑坡;泥石流;减灾选线;虚拟现实
0 引 言
规划建设中的川藏铁路起于四川盆地西部,东西横穿横断山脉,最后止于青藏高原中东部。拟建铁路沿线地形地貌极其复杂,新构造运动强烈,地震活动频繁,不良地质现象极为发育,铁路建设难度极大[1,2,3,4,5]。川藏铁路沿线及邻区地质灾害强烈发育,以滑坡和泥石流最为多发[6,7],潜在的地质灾害已然对山区铁路的建设及运营构成极大的威胁,是规划铁路线路和工程方案所面临的亟待解决的难题。
山区铁路选线由于其面向对象是复杂且特殊的山区,所以它是一项需考虑多专业协同的系统性规划设计工作。随着山区铁路建设经验和成果不断积累,山区铁路选线技术也随之发展进步,大体上经历了由“地形选线”、“地质选线”到“减灾选线”三个阶段[8]。减灾选线是以规避、防范铁路全寿命周期(建设及运营期间)可能发生的地质灾害为根本目的和出发点,运用系统工程、风险管理等先进的理论、方法,对灾害风险进行判识,并在此基础上科学选择铁路线位、工程方案及灾害防控措施的技术过程[9]。简单来说,防灾胜于救灾,而减灾选线就能够很好地从源头上规避、防控铁路地质灾害风险。朱颖等[9,10,11]认为,在地质灾害识别的基础上,智慧选线是减灾选线的关键,实现智慧选线的关键又在于将灾害数据建立集成到虚拟环境的数字模型中,而解决的途径就是利用计算机技术。目前,铁路及相关学科领域专家学者已在计算机辅助选线设计方面开展了大量的工作[12,13,14,15,16],旨在提高选线设计工作质量和效率。综合来看,现有铁路减灾选线研究欠缺同时具备高可视性和强交互性的虚拟铁路场景模型,尤其是在难于绕避的地质灾害(滑坡、泥石流等)易发区。
虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)是指围绕计算机技术本身,协同融合多学科技术,以此打造出具有高度逼真感的三维交互式虚拟可视化环境。随着虚拟现实应用的日益推广和普及,其现实的含义也愈加丰富,发展出了半沉浸和非沉浸式技术等,即借助于计算机鼠标、键盘和传声器等外设,通过屏幕完成对三维场景的体验[17,18,19]。考虑到铁路设计行业特点和普适化的应用需求,在铁路减灾选线设计中推广使用非沉浸式虚拟现实技术,往往能够较好地产出更多利于当下的社会价值和经济价值。Unity3D平台是一款支持多脚本语言、兼容多系统和可以跨平台整合资源的虚拟现实开发引擎。这款开发引擎在国外已广泛应用于专业游戏的制作,鉴于其高性价比和易浏览的网页发布方式,国内外众多行业也已开始推广使用[20,21,22,23],如虚拟驾驶、虚拟教学、虚拟实验室和虚拟导游培训(系统)等。当前铁路减灾选线的关键是智慧选线,纵观现有的铁路三维选线设计方法或系统[9,16,24-26],在灾害场景三维可视化上存在着真实感不足、沉浸感不佳等问题。因此可以考虑在减灾选线设计中采用灾变演化三维可视化技术,实现对地质灾害识别与分析的可视化验证,其结果不仅可以用于工程技术人员使用,还能够为政府管理以及高校和科研机构等人员提供灾害视角下的体验。为此本文对Unity3D平台功能特点和交互设计进行了研究,在研究区野外调查和资料分析的基础上,将虚拟铁路场景与灾变演化三维可视化技术相结合,提出了一种基于虚拟现实技术的铁路地质灾害易发区减灾选线场景仿真系统,实现了区内减灾选线的三维交互式可视化设计。
1 研究区概况
研究区包括拟建的洛隆车站及其周边区域,属于川藏铁路昌都至伯舒拉岭段。该段线路起于昌都市,沿线经过八宿县、洛隆县,止于伯舒拉岭,沿线的滑坡和泥石流灾害较为突出[27]。结合川藏铁路前人研究及野外调查结果,新建洛隆车站左侧山体发育有一条泥石流沟,即察达1号泥石流沟(图1),该泥石流沟兼具滑坡和泥石流灾害并发的风险。
图1 研究区地理位置
察达1号泥石流沟(图2)位于腊久乡、冻错曲右岸,沟口地理坐标为N30°19'12.01″、E96°11'2.32″。察达1号泥石流沟流域东高西低,主沟总体顺直,沟槽整体呈“U”形。沟道内物源分布不集中,沟槽内松散物质丰富,并且形成了三级缓坡和台地,物质粒度及成分有一定的分异。沟道两侧均无明显支沟发育,仅有小型坡面冲沟分布,形成区分散。该沟流域特征参数如表1所示。沟域内出露的地层主要为第四系、三叠系、二叠系、石炭系和泥盆系地层,其中第四系地层包括残坡积层、崩积层、滑坡堆积层、崩坡积层、泥石流堆积层和洪积层等块碎石土、碎石土,出露基岩包括古近系始新统宗白群、上石炭统—下二叠统来姑组、白垩纪花岗岩等。沟口区域地形平坦开阔,平面形态呈近扇形,老堆积扇上有少量村民居住并种植有果树,沟内未修建任何防治工程。另外,沟口存在一可能发生滑坡灾害的察达1号坡体。该坡体属于冰川剥蚀后沿坡面远程裹挟运动堆积而成的冰碛扇,主要由巨型漂砾、孤石以及块石等组成。根据实地钻探结果,坡体下部缓坡平台主要为河漫滩堆积及冲洪积层,上部斜坡顶部为崩坡积层,中下部为冲洪积层,最底部推测为坡面原生植被炭化或堰塞湖堆积所形成的黑色土层。坡体松散物质有局部垮落、滚落等现象,且落石一般滞留于坡脚。本文参照《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T 0220—2006),按照附录H“泥石流调查表”对察达1号泥石流沟进行了易发程度评分。通过对表中所列的泥砂沿程补给长度比、沟口泥石流堆积活动程度、沟谷纵坡以及区域构造影响程度等15个要素进行打分,然后对各分项分值进行累计,应用丁明涛等[28,29]提出的滑坡泥石流风险评估框架体系进行对比分析,最后综合判定该沟属于中等易发泥石流冲沟,具备暴发滑坡泥石流灾害的可能。
图2 察达1号泥石流沟地貌特征
表1 察达1号泥石流沟流域特征参数
2 系统框架和关键技术
2.1 系统框架介绍
铁路地质灾害易发区减灾选线场景仿真系统主要由三维地形环境建模、虚拟铁路场景建模和Web UI交互设计三大模块构成,其模拟框架结构如图3所示。
图3 铁路地质灾害易发区减灾选线场景模拟框架
(1)模块1:三维地形环境建模。
地质灾害易发区三维地形环境建模主要由三个阶段组成,即收集大区域地形地貌数据、CAD提取地形图与Photoshop处理纹理图片,利用Sketch Up建立三维地形环境模型。通过上述方法建立的三维模型,是后续仿真和设计的基础。
(2)模块2:虚拟铁路场景建模。
虚拟铁路场景建模是仿真系统实现的关键,主要由承灾体模型构建、滑坡泥石流灾变演化模拟和铁路基础设施模型构建与拼接三个部分组成。
(3)模块3:Web UI交互设计。
实现防灾减灾是铁路减灾选线的根本目标,Web UI交互设计不仅是为实现虚拟铁路场景的三维可视化体验,更是关系到整个减灾选线的成败。Web UI交互设计是对Unity3D铁路场景模型的集成化展示,主要包括用户体验(UE)设计、界面(UI)设计和交互设计三部分内容。
2.2 三维地形环境建模
三维地形环境模型的构建方式多种多样,考虑到设计应用的合理性和视觉的美观感,在借鉴与学习现有方法的基础上[30,31,32],本文使用了一种适用于铁路设计工作的三维地形环境建模方法,即使用CAD、Photoshop和Sketch Up三款与设计相关的软件实现对研究区的三维地形环境建模。首先将收集的大区域地形等高线图在CAD环境下完成信息的提取,得到研究区所要的地形图。然后,利用Photoshop对获取的纹理图片(包括植被、山川等)进行处理,包含图像纠正与顺序叠加、裁剪、图片格式的转换和图像数据压缩等,进而获得清晰且符合设计要求的地形纹理图片。最后,将CAD地形图导入到Sketch Up软件中,安装Plugins插件,自动将等高线加载成面,然后使用该软件的材质贴图功能将地形纹理渲染到三维模型上(图4),最终输出满足3Ds Max软件使用格式要求的文件。
图4 研究区三维地形环境模型
2.3 虚拟铁路场景建模
(1)承灾体模型构建。
承灾体模型构建是指在研究区的三维地形环境模型基础上,完成一个灾变周期内(灾变周期,又称灾变生命周期,是指研究区内自然斜坡上的岩土体,由当前稳定或较稳定的状态可能演变为灾害所经过的时间)主要承灾体虚拟模型的搭建,包括房屋、道路、森林等[33,34]。3Ds Max是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件,其渲染制作的模型具有良好的逼真度。具体制作方法为:先将模块1中获取的三维地形环境模型文件导入到3Ds Max软件中,然后根据研究区实测资料、规划设计、生态产业结构以及地方特色等,综合确定现有地形地物及未来拟建设构筑物的形态样式、地理坐标和高度等,使用3Ds Max软件提供的编辑工具实现对承灾体虚拟模型的建构和渲染,期间还可结合使用Photoshop软件对承灾体纹理图片进行精细化处理,以此获得更加真实的虚拟模型,渲染输出的效果如图5所示。
图5 承灾体模型渲染输出效果
(2)滑坡泥石流灾变演化模拟。
滑坡泥石流灾变演化模拟既是对地质灾害识别与分析的可视化验证,同样也为铁路减灾选线提供数据支撑。灾变演化模拟是指在广泛收集地质灾害易发区已有勘察设计资料的基础上,结合灾害危险性评价(定量预测)和专家经验(定性预测)[35,36],借用当前发展比较成熟的方法和技术等对灾害体进行模拟分析或模型试验,获取有一定科学依据的关键数据,再利用3Ds Max、Photoshop等与动画设计相关的软件,三维动态模拟与承灾体直接相关联的灾变演化过程。考虑到虚拟现实场景的高可视性的要求,还可以使用3Ds Max和Unity3D制作天气模型、烟雾和声音等。
(3)铁路基础设施模型构建与拼接。
铁路基础设施模型的构建与拼接是实现对铁路线位和工程方案的三维可视化设计。本文将铁路基础设施模型分为标准和非标准两类,其中标准指的是设计尺寸、结构、样式等各个方面已经完全标准化的设施模型,后期可以建立一个较为完善的模型库。而非标准指的是结合应用需要,自行设计制造的设施模型。虚拟铁路基础设施同样使用3Ds Max软件提供的编辑工具来实现对模型的构建与拼接,期间还可结合使用Photoshop软件对设施纹理图片进行精细化处理,以此获得更加真实的虚拟模型。最后将上述完成的三维地形环境模型、承灾体模型、三维动态灾变模型和拼接好的铁路基础设施模型导入到Unity3D中再次进行合理的渲染及优化,以求达到较佳的视觉效果,最终生成虚拟铁路场景。
2.4 Web UI交互设计
(1)用户体验(UE)设计。
用户体验(User Experience,UE)设计[37,38,39]是以服务的用户为中心,将使用人群的主观感受和谐地融入产品设计理念中,并贯穿产品或服务的整个生命周期。本文提出的仿真系统主要是用于滑坡泥石流胁迫下重点区段的铁路线位和工程方案的三维可视化设计以及方案比选,侧重服务于业主决策人员和线路专业设计人员,最终达到科学防灾减灾的目标。上述针对用户人群的设计理念,贯穿于整个仿真系统建构或服务的始终。
(2)界面(UI)设计。
作为一个应用于铁路选线设计的仿真系统,网页版(Web)的界面(User Interface,UI)设计以简洁实用为主。首先将Photoshop软件预先处理过的图标、按钮、窗口等图像导入到Unity3D中,再利用Unity3D提供的界面(UI)编辑模块完成界面的人性化设计。
(3)交互设计。
本系统交互设计核心工作是实现虚拟铁路场景的浏览控制,用户可以在仿真系统中自由漫游。在系统中,用户可以使用键盘上的“W”、“S”、“A”、“D”键控制视点的“前”、“后”、“左”、“右”移动,通过鼠标右键拖拽屏幕控制视线的上扬和下俯,还可以利用“Q”、“E”键控制视线的升高和降低,进而实现对虚拟铁路场景全方位、立体化的浏览。除此之外,系统还有多种交互辅助命令。
3 案例分析
3.1 滑坡泥石流灾变演化模拟结果
利用上述的滑坡泥石流灾变演化模拟方法,结合地质灾害易发区危险性评价和专家经验,对洛隆车站区段构成直接威胁的滑坡和泥石流分别进行了动态灾变演化仿真。
3.2 综合评价
3.1.1 灾变演化仿真基础与参数依据
察达1号坡体下部为一级缓坡平台,发生滑动的可能性较小,因此主要计算了坡度较大处坡体的稳定性。由于该处斜坡岩土体性质整体差异性较小,因而结合相关工程实践经验,对坡体在不同工况下的物理力学参数(单位重度、黏聚力和内摩擦角等)进行了整体综合取值,并采用GeoStudio中的Slope模块分别根据沟道总纵剖面(取沟道流通区下游约1 400 m为计算剖面)和沟口堆积区地形特征(取坡面顶部二级缓坡下方约600 m处为计算剖面)选取计算剖面,运用Mohr-coulomb模型,使用较为通用的Morgenstern-Price法,土层参数则选用天然参数。综合分析计算结果得知:察达1号坡体在天然工况下整体处于稳定状态,在暴雨饱和工况下处于欠稳定状态,且可能发生浅层的溜滑。再根据传递系数法的浅表层滑坡稳定性分析,最后选定沟口坡体在暴雨作用下发生可能性最大的浅层小型滑坡作为后续滑坡灾变演化过程的仿真基础与参数依据。察达1号泥石流沟流域内植被较为发育,物源动储量仅约为11.61万m3,物源透水性较好,通过查表法确定泥石流容重为1.703 g/cm3,属于黏性泥石流。泥石流堆积范围按照沟道和堆积扇地形确定,堆积厚度按照蒋忠信在《震后泥石流治理工程设计简明指南》中推荐的计算公式演算可推知: 设计暴雨频率为一百年一遇泥石流堆积厚度(考虑泥石流的爬高)约为3.34 m。另外,依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T 0220—2006)等相关规范或标准,可以确定泥石流流速、流量和最大冲刷深度等其他特征值,最后将上述所获取信息作为后续泥石流灾变演化过程的仿真基础与参数依据。
3.1.2 滑坡灾变演化过程仿真
对滑坡灾变演化的4个阶段进行仿真。(1)微小变形阶段:图6(a)模拟了整体性滑坡发生的前期阶段,滑坡后缘岩土体破碎、裂隙发育,在极端暴雨的情况下,滑体后缘岩(土)体出现局部下移与隆起,此时整体变形较小。(2)初始滑动阶段:图6(b)展示了滑坡后部陡壁逐渐发生塌落,崩滑物堆积于滑体后缘并形成加载,随着后缘加载推力的增加,后缘发生大幅度拉裂下陷,前缘伴随产生挤压鼓胀,滑坡整体临近失稳。(3)加速滑动阶段:图6(c)显示了整个滑坡后缘出现明显下移,从而上部滑体推动着下部滑体沿着主滑面发生整体性滑移,具有快速、连续、剧烈、破坏力强等特点。(4)休止阶段:图6(d)展现了滑坡内部岩土体经过相互碰撞和快速位移,能量和速度不断耗损直至为零,最后堆积于下方车站建筑后方。
图6 滑坡灾变演化过程仿真
3.1.3 泥石流灾变演化过程仿真
泥石流灾变主要包含启动、流动和堆积三个过程,考虑到洛隆车站区段主要位于察达1号泥石流沟谷的中下段,所以本文集中模拟了泥石流灾变演化的流动过程和堆积过程。(1)物源汇集阶段:图7(a)模拟了在极端暴雨的情况下,坡面物源、沟道物源以及崩滑物源等松散物质集中汇聚于泥石流主沟道的中下部,此时形成了积蓄巨大能量和速度的高压流体。(2)流动阶段:图7(b)显示了夹杂泥砂石块的特殊洪流顺着沟道向下流动,遇小山脊的阻挡分叉为两部分,之后于另一端汇合并冲出沟口。(3)破坏及堆积阶段:图7(c)展现了碎屑流高速冲击并淤埋下部城镇建筑,最终因流体能量和速度不断耗损而停止。
图7 泥石流灾变演化过程仿真
3.2 地质灾害易发区减灾选线设计思路
新建洛隆车站区段虚拟现实场景减灾选线设计的原则是:在充分认清滑坡泥石流灾变演化规律、特征以及危害的前提下,灵活运用一种或多种针对性强且精准的新技术和新手段,尽可能从源头上规避与防控地质灾害风险,实现铁路工程科学防灾减灾。修建川藏铁路的重要意义之一就是服务于地方经济建设,洛隆车站沿该区域布置有其必要性和现实性。因此,本文在拟建区设计了4个比选方案,其中方案1和方案2为绕避方案,方案3为规避方案,方案4为减轻地质灾害的工程方案。
方案1设计思路如下:如图8(a)所示,纵向降低线位高度,采用隧道的方式从滑坡泥石流灾害体的下方穿山而过,隧道顶部没有伸入滑坡体或泥石流沟道,并且有一定的厚度。隧道洞口严格按照早进洞、晚出洞以及少挖多填的原则布置[40],洞身则采用单洞双线拱式喷锚衬砌。由于洞顶埋深较大,隧道需暗挖施工,施作时要注意控制开挖步距,可以采用掌子面超前注浆或地表注浆等方式降低施工安全风险。
图8 地质灾害易发区减灾选线设计方案
方案2设计思路如下:如图8(b)所示,纵向提升线位高度,采用线路整体外移架设桥梁的方式躲避滑坡泥石流灾害。一方面,线路整体向外移动可以规避工程建设活动对山体的影响,从而不破坏其原有的较稳定状态,最终达到降低滑坡灾害风险的目的。另一方面,采用高墩大跨桥梁以远高于泥石流发育上界的安全高度定线,并且可以尽可能多地利用桥跨间的净空跨越绕避泥石流危险区。
方案3设计思路如下:如图8(c)所示,主要采用抗滑明洞[41,42,43]从灾害体前部穿越,洞身为双线拱圈式结构,洞顶呈平台状,洞顶边坡放缓后土体反压至洞顶,坡面栽种绿色植物营造生态防护。该方案整治效果优良,既可以有效消除滑坡灾害风险,又可以减轻泥石流灾害对铁路工程的影响。
方案4设计思路如下:如图8(d)所示,在保障边坡既有稳定状态的前提下,通过滑坡泥石流灾害上界确定最佳填筑高度,于山体的前端以填方的形式修筑高路堤。另外,高路堤内侧挖设盲沟截排水,表面设置排水沟,外侧预留排水孔道进行排水。高路堤可以间接起到治理滑坡泥石流的作用,从而减轻滑坡泥石流灾害带来的风险。
3.3 减灾选线方案分析
基于三维现实场景和减灾选线原则对4个方案进行分析。
方案1:该方案属纵向绕避,是以山岭隧道的形式从滑坡泥石流灾害体下方穿越,整体线路长度相对较短,工程造价高,若要避免洞身伸入滑坡体或泥石流堆积体,隧址只能继续向内迁移,隧道的长度和造价相应地也会增加;隧道为独立封闭空间,可以很好地避免与不良地质灾害体发生直接冲突,行车安全与速度能够得到有效保障;相较于桥梁和路堤,山岭隧道施工难度更高;对滑坡泥石流不良地质体的扰动相对较小,对原始地貌环境的影响也相对有限。
方案2:该方案同属纵向绕避,是以大跨桥梁的形式以远高于泥石流发育上界的安全高度跨越泥石流灾害体,考虑到山体滑坡可能的威胁,线路又采取横向外移躲避,区段线路长度有一定增加,工程造价适中;由于是从立面与平面两个角度综合判定桥梁位置,很大程度上降低了地质灾害风险,行车安全和运营速度均较佳;长大桥梁施工难度较大;基本上未对山体斜坡造成扰动,对原始地貌环境有一定改造。
方案3:该方案属规避方案,是以抗滑明洞的形式从不良地质体的前缘穿越,整体线路长度一般,由于需要对滑坡体进行间接整治,其工程造价很大;抗滑明洞为人为营造的封闭空间,可以间接消除或减轻滑坡泥石流灾害风险,行车安全和速度能够得到一定保障;由于要从滑坡体和堆积体等软弱岩土中直接穿越,其施工难度往往最大;若不能严格控制施工的工艺与水平,可能会提前导致灾害的发生,对原始地貌环境有改造。
方案4:该方案为减轻地质灾害的工程方案,是以填筑的方式从坡体前缘通过,整体线路长度趋近合理,工程造价相对最小;未实质消除地质灾害源,行车安全与运营速度一般;施工难度相对较小;一定程度上起到了防治的效果,对原始地貌环境有一定改造。
在4个比选方案中,方案2可以将地质灾害风险控制在最小范围,工程总体投资适中,若考虑可能会受到高位崩塌的影响,线路可适当再增大横向外移距离。综上所述,建议以方案2作为该地区的推荐方案。
4 结论
针对复杂艰险山区铁路沿线滑坡泥石流灾害频发导致选线困难的挑战,本文提出了一种铁路地质灾害易发区减灾选线场景建模的模拟框架,以新建川藏铁路洛隆车站为例,运用虚拟现实技术对该区段滑坡泥石流灾害前期识别与分析进行三维可视化验证,建立了虚拟铁路场景,分析了不同方案下减灾选线设计的思路以及可行性情况,得到以下认识:
(1)虚拟现实的综合应用方便了对灾变过程仿真模型和虚拟铁路场景的建立,实现了在对滑坡泥石流灾变可视化验证基础上的三维交互式设计。虽然本文只对滑坡和泥石流两个典型灾种进行了研究,但其中一些思路和方法也可以用到更多地质灾害类型灾变模拟上。目前,这一研究实例已被推广用于高校地质灾害实验教学以及铁路地质灾害人才培训。
(2)依据本文提出的模拟框架所建立的虚拟铁路现实场景具有逼真的视觉感受,营造了一个网络环境下的复杂艰险山区铁路减灾选线中重难点区段的交互式虚拟环境,为铁路线位规划、方案论证和防灾减灾提供了参考。
由于滑坡、泥石流等地质灾害的灾变演化是一个复杂且动态变化的过程,其仿真模拟仍有待进一步修正与完善。此外,虚拟现实场景中的承灾体建模高度依赖于人工操作,比较不适用于庞杂的大型建筑,今后会考虑拓展引入建筑信息模型(Building Information modeling,BIM)来打造虚拟现实场景。
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