復雜地質(zhì)體三維建模技術(shù)研究

王長海，李 輝，許 國

（1.廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計研究院，南寧 530023；2.中國地質(zhì)大學，武漢 430074）

1994年加拿大學者S.W.Houlding提出了三維地學建模（3D Geoscience Modeling）的概念。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，三維地質(zhì)建模技術(shù)越來越受到地學界的重視，并成為地學的熱點之一。國際三維地質(zhì)建模軟件已經(jīng)形成相當規(guī)模，法國、美國、加拿大、澳大利亞、英國等國家相繼推出多種代表性的軟件， 比較典型的有GOCAD、Earth Vision、Gemcom、Surpac Vision等。隨著軟件產(chǎn)品的豐富和完善，國外的三維地質(zhì)模型應(yīng)用已經(jīng)非常普及，特別是石油、礦山等行業(yè)，三維應(yīng)用已經(jīng)完全深入到生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。但在水電工程地質(zhì)領(lǐng)域，至今還沒有發(fā)現(xiàn)專門的針對性開發(fā)的大型商業(yè)軟件系統(tǒng)。

近年來，國內(nèi)水電設(shè)計企業(yè)針對地質(zhì)建模進行了研究和嘗試，北京勘測設(shè)計研究院基于AutoCAD及其擴展版本CIVIL 3D的三維功能進行開發(fā)和擴展，華東勘測設(shè)計研究院與中國地質(zhì)大學坤迪公司合作開發(fā)了GEOENGINE系統(tǒng)，成都勘測設(shè)計研究院與天津大學合作開發(fā)了VisualGeo系統(tǒng)。

由于水電工程地質(zhì)領(lǐng)域具有地質(zhì)條件表現(xiàn)復雜、地下結(jié)構(gòu)不清楚、要求的建模精度高等特點，進行建模具有較大難度，很難建立滿足工程要求的三維地質(zhì)模型，針對此類問題，在三維建模技術(shù)方面還需要進行深入研究。

以巖灘水電站擴建工程為例，在GOCAD平臺上，利用多種數(shù)據(jù)，基于自由曲面構(gòu)建、DSI方法等技術(shù)，構(gòu)造了三維地質(zhì)模型及其地下洞室群結(jié)構(gòu)模型，解決了建模數(shù)據(jù)量不足和鉆孔、地質(zhì)圖等多種資料的綜合利用問題，建立了巖灘水電站的三維地質(zhì)模型，反映了該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征及地下廠房布置，并為數(shù)值分析計算提供了可靠的六面體網(wǎng)格模型。

1 巖灘水電站擴建工程概況

巖灘水電站工程位于廣西的紅水河中游河段上，是紅水河十個梯級電站的第五級。距上游龍灘水電站166km，距下游大化水電站83km，至南寧市170km。巖灘水電站擴建工程為地下廠房方案，工程裝機容量為2×300MW，布置在右岸山體內(nèi)，距一期地面廠房開挖邊線為60m。主體工程由進口引水明渠、進水口閘門、引水壓力隧洞、主廠房洞、主變室洞、尾水隧洞（支洞和主洞）、尾水閘門廊道、尾水主洞明挖回填段、尾水明渠、運輸洞和一、二期廠房交通洞等組成。此外還有施工洞、排風洞和防滲帷幕灌漿洞等臨時洞室，構(gòu)成右岸地下廠房洞室群。

廠區(qū)洞室全為輝長輝綠巖和輝綠巖，總厚度為110～180m，以橫河走向F48陡立逆斷層為分界線，下盤（上游側(cè)）絕大部為Ⅱ類圍巖，深部低高程有Ⅰ類圍巖，上盤（下游側(cè)）為Ⅲ類圍巖。主要不利地質(zhì)因素有：與主廠房縱軸線夾角較小的兩組陡傾角節(jié)理很發(fā)育，其中一組（北西西向）與縱軸線基本平行，另一組（北東東向）與壩軸線近于一致。

擴建工程引水發(fā)電系統(tǒng)位于大壩右岸山體內(nèi)，上覆巖體厚度不大，其中地下廠房區(qū)為75～120m，圍巖為堅硬的輝綠巖，引水隧洞及地下廠房洞室群位于F48斷層下盤，巖體相對較完整，但地下廠房、主變洞及引水洞進口上部存在的石英脈和蝕變巖、廠區(qū)緩傾角裂隙及與洞室軸線小角度相交的陡傾角裂隙等，對洞室穩(wěn)定不利；廠區(qū)距水庫較近，施工期存在地下水的影響問題；尾水洞位于2個斷層之間，上覆巖體較薄，小斷層及裂隙發(fā)育，巖體破碎，成洞條件差；引水隧洞進口、尾水隧洞出口存在邊坡穩(wěn)定問題。通過三維地質(zhì)建模直觀地把石英脈、蝕變巖的分布、厚度、斷層和擠壓破碎帶的分布和影響范圍等主要地質(zhì)問題反映出來，有助于工程地質(zhì)人員和設(shè)計人員的空間分析的需要。

2 三維地質(zhì)建模關(guān)鍵技術(shù)

三維地質(zhì)建模的主要難點：地質(zhì)體本身是一個三維性、非均質(zhì)性非常明顯的復雜體，而進行三維地質(zhì)建模所需的邊界條件，即實測資料分布極不均勻和不全面，具有很強的個性特點，且主要為一維結(jié)果（如鉆孔）。因此，在三維地質(zhì)建模過程中由一維邊界（或部分二維邊界）向三維整體所進行的推演具有很大的不確定性。所以，根據(jù)實際工程情況，進行三維地質(zhì)建模過程中，需要具備諸如自由曲面構(gòu)建、離散平滑內(nèi)插、多種數(shù)據(jù)及相關(guān)地質(zhì)對象的三維表達、與數(shù)值分析的結(jié)合等方面的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)功能

2.1.1 自由曲面構(gòu)建功能

直接利用測量得到的地形數(shù)據(jù)點高效準確（滿足工程要求）的生成三維地形，并生成相應(yīng)的等高線地形圖；利用地質(zhì)平面測繪數(shù)據(jù)和地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，生成地質(zhì)分界面（如巖性分界面、斷層面等），直觀展示各地質(zhì)單元間的空間關(guān)系和因果關(guān)系。

2.1.2 齊全的數(shù)據(jù)接口

提供了齊全的通用數(shù)據(jù)接口，支持自由文本數(shù)據(jù)，可以直接和AUTOCAD、EXCEL及多種GIS軟件、圖形軟件進行數(shù)據(jù)共享，生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)可導入ABAQUS、FLAC3D等數(shù)值分析軟件使用。

2.1.3 離散平滑內(nèi)插方法（DSI）

相對基于連續(xù)多項式函數(shù)的經(jīng)典CAD方法，DSI方法用一系列具有物體幾何和物理特性的相互連結(jié)的節(jié)點來模擬地質(zhì)體。用DSI方法模擬幾何和物理特性時，已知節(jié)點和地質(zhì)學中的典型信息被轉(zhuǎn)化為線型約束，引入到模型生成的過程中。DSI方法具有一定的優(yōu)點，如自由選擇格網(wǎng)模型，自動調(diào)整格網(wǎng)模型，實時交互操作，能夠處理一些不確定的數(shù)據(jù)等。DSI的這些優(yōu)點決定了它在地質(zhì)建模和可視化中的重要位置。

2.2 不同地質(zhì)對象的建立和數(shù)據(jù)表達

2.2.1 測量數(shù)據(jù)及地形對象

工程區(qū)域的工程測量是嚴格按工程精度要求進行，因此由測量得到的數(shù)據(jù)完全滿足建模的精度要求。

2.2.2 鉆孔數(shù)據(jù)及鉆孔對象

鉆孔數(shù)據(jù)是三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)，鉆孔是以測井（Well）的形式表示的，Well作為基本對象之一，包含有位置信息（Well Path）和屬性信息（Well Logs），提供了多種國際通用的鉆孔錄入數(shù)據(jù)接口，但與目前流行的鉆孔數(shù)據(jù)有一定差別，建模中基本采用文本文件方式錄入鉆孔及相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2.3 巖層面、結(jié)構(gòu)面的建模

巖層面和結(jié)構(gòu)面的建模是三維地質(zhì)建模最核心的部分，這些面存在于地質(zhì)體內(nèi)部空間，無法直觀地觀察到。在三維地質(zhì)建模中，就是將這些無法完整觀察到的面重構(gòu)出來，包括它們的幾何形態(tài)、相互間的位置關(guān)系等。

2.2.4 剖面的生成

任意切割剖面是現(xiàn)階段地質(zhì)三維建模的重要目的之一。剖面圖仍是勘察設(shè)計的主要依據(jù)和成果，基于三維模型，可以快速高效地切割出勘察設(shè)計需要的剖面圖。

2.2.5 網(wǎng)格/實體模型的建立

面模型的建立確定了各地質(zhì)要素間的基本關(guān)系，但它還不是真正的地質(zhì)三維模型，因為它在面與面之間依然是不連續(xù)的，在模型中除了面以外的區(qū)域是不攜帶任何信息的。

2.3 與數(shù)值計算相結(jié)合的技術(shù)

隨著計算機技術(shù)和計算方法的發(fā)展，對于復雜的工程問題，在廣泛吸收現(xiàn)代數(shù)學、力學理論的基礎(chǔ)上，可以采用離散化的數(shù)值計算法并借助計算機得到滿足工程要求的數(shù)值解。

但在許多水電工程數(shù)值分析中，由于地質(zhì)體的不規(guī)則和不確定，數(shù)值分析軟件需要構(gòu)建大量的自由曲面和形狀復雜的單元集，使得數(shù)值分析人員花費大量的時間和精力用于構(gòu)建地質(zhì)體模型，嚴重影響了數(shù)值分析的效率和成本。

另外，由于當前的數(shù)值模擬軟件普遍利用六面體單元，但六面體剖分的實現(xiàn)具有一定困難，特別是對復雜的地質(zhì)構(gòu)造的六面體剖分，難度更大。因此，在三維地質(zhì)建模技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究六面體剖分方法，為數(shù)值模擬軟件提供盡可能真實地反映地質(zhì)實際的計算模型，對提高計算結(jié)果的可靠性有重要意義。

地質(zhì)三維建模與數(shù)值計算相結(jié)合的技術(shù)，能夠簡單快捷地建立復雜地質(zhì)體的三維網(wǎng)格模型，剖分出形狀理想的六面體網(wǎng)格單元，為工程數(shù)值分析（邊坡穩(wěn)定分析、壩肩穩(wěn)定分析等）提供良好的網(wǎng)格前處理。

3 三維地質(zhì)模型及應(yīng)用

三維地質(zhì)模型的建立，不但可以很好地解釋地質(zhì)數(shù)據(jù)、反映地質(zhì)構(gòu)造，而且還為其他方面的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如地質(zhì)剖面圖的自動成圖、地下廠房結(jié)構(gòu)及數(shù)值計算模型等。

3.1 工程巖體三維地質(zhì)建模及可視化分析

基于GOCAD建模的構(gòu)造思路和方法，利用工程地質(zhì)勘探所獲得地質(zhì)信息（包括鉆孔、平硐、地形及地表露頭等信息）和專業(yè)地質(zhì)人員交互解譯出的二維剖面圖（包括橫、縱剖面圖和不同高程的平切面圖），完成了巖灘水電站工程壩址區(qū)域三維巖體結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)造，如圖1、2所示，其中包含了主要地形面、斷層、破碎帶、地下廠房相關(guān)建筑物等綜合信息。經(jīng)過與已有鉆孔、平硐及二維剖面圖的對比檢驗，該模型精度較高，能夠滿足地質(zhì)人員和設(shè)計人員的分析要求。

在重建的三維巖體結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，可作任意方向、任意地點和任意深度的三維剖切操作，進行相應(yīng)的工程巖體結(jié)構(gòu)可視化分析，主要包括地下建筑物的巖體結(jié)構(gòu)分析、開挖方量計算分析、模擬數(shù)字鉆孔、結(jié)構(gòu)面等值線圖自動繪制分析等，如圖3所示，為從整體模型中掏挖出的地下洞室三維地質(zhì)模型，各部位顯示的巖性和斷層可為設(shè)計人員提供地質(zhì)依據(jù)，如圖4所示。

3.2 與數(shù)值計算技術(shù)的結(jié)合

本項目研究中，利用投影技術(shù)解決了自由曲面建模的難題，利用拓樸技術(shù)解決了有限元網(wǎng)格多向掃略，進而徹底解決了純六面體地質(zhì)網(wǎng)格的建模問題。

構(gòu)建出來的巖灘純六面體有限元網(wǎng)格有83068個單元，89126個節(jié)點，全面反映了上述的地質(zhì)特征和所有水工結(jié)構(gòu)。單元形態(tài)好，數(shù)值計算收斂快，在地應(yīng)力的反演中得到了很好的應(yīng)用。巖灘純六面體網(wǎng)格解決了自由曲面生成、多相網(wǎng)格掃略、參數(shù)化建模和純六面體的高難度要求，如圖5、6所示。

數(shù)值分析模型的重點是地形、巖層面、斷層面、地下廠房等結(jié)構(gòu)。以地質(zhì)模型為基礎(chǔ)創(chuàng)建100×100×50節(jié)點的網(wǎng)格模型，對不同巖性的單元賦予不同的巖性屬性值。將三維模型中的數(shù)據(jù)文件通過數(shù)據(jù)接口導出為模型數(shù)據(jù)文件格式，然后導入ANSYS，得到的三維局部結(jié)構(gòu)模型如圖7所示，對應(yīng)的三維有限元模型如圖8所示。

4 結(jié)語

（1）針對水電工程的地質(zhì)特點，基于GOCAD的三維地質(zhì)建模技術(shù)突破了復雜地質(zhì)體和地下結(jié)構(gòu)三維建模表達的限制，提供了表達精確的地質(zhì)模型及計算分析模型，在質(zhì)量上達到了實際要求，并在應(yīng)用中得到了推廣。

（2）針對水電工程中地質(zhì)體結(jié)構(gòu)的復雜性和不確定性，可以精確表達，并建立了完善的三維可視化模型，為水電工程的設(shè)計、施工、勘探布置及數(shù)值模擬分析等提供模型資料，為地質(zhì)人員的分析判斷提供綜合信息，為設(shè)計人員提供可視化參考和數(shù)值分析。

［1］吳鍵，曹代勇，鄧愛居，等.三維地質(zhì)建模技術(shù)在油田基礎(chǔ)地質(zhì)研究中的應(yīng)用［J］.地球科學與環(huán)境學報，2005，27（3）：52－55.

［2］鄭貴洲，申永利.地質(zhì)特征三維分析及三維地質(zhì)模擬現(xiàn)狀研究［J］.地球科學進展，2004，19（2）：21－22.

［3］鐘登華，李明超，王剛.大型水電工程地質(zhì)信息三維可視化分析理論與應(yīng)用［J］.天津大學學報，2004，37（12）：1046－1052.

［4］柴賀軍，黃地龍，黃潤秋，等.巖體結(jié)構(gòu)三維可視化及其工程應(yīng)用研究［J］.巖土工程學報，2001，23（2）：217－220.

［5］林高印，謝放，夏禮祖,等.水利水電工程地質(zhì)三維模型的研究［J］.東北水利水電，2005，23（4）：49－52.

［6］李亦綱，曲國勝，陳建強.城市鉆孔數(shù)據(jù)地下三維地質(zhì)建模軟件的實現(xiàn)［J］.地質(zhì)通報，2005，24（5）：470－475.

［7］White M J.Visualization of the EI Berrocal granite： Application to rock engineering［J］.Engineering Geology，1998，49（3/4）：185－194.

［8］Pinto V，F(xiàn)ont X，Salgot M，et al.Using 3D structures and their virtual representation as a tool for restoring opencast mines and quarries［J］.Engineering Geology，2002，63（1/2）：121－129.