基于GOCAD的三維工程地質(zhì)地層建模研究

黃靜莉 ，王 清

1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026；2.長春工程學(xué)院，吉林 長春 130021

城市地下空間的開發(fā)利用是現(xiàn)代化城市發(fā)展的必然趨勢(shì)。有效利用城市地下空間，避免產(chǎn)生工程事故或不必要的資源浪費(fèi)，就必須查明地層巖土體的特性及分布狀態(tài)，為城市規(guī)劃和工程建設(shè)提供可靠依據(jù)。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷加速，我國先后開展了北京、上海、天津、南京、廣州和杭州等6 個(gè)城市的三維城市地質(zhì)調(diào)查工作。另外，深圳、武漢、昆明、重慶等城市也相繼進(jìn)行了大規(guī)模的城市地下空間開發(fā)利用的研究和以城市交通改造為主的城市再開發(fā)[1-8]。

對(duì)城市地下空間的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間模擬及可視化是當(dāng)前巖土工程勘察工作發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。一方面，對(duì)單項(xiàng)工程的三維可視化能夠提供比二維的剖面圖更加直觀的表現(xiàn)形式，并能為后期的設(shè)計(jì)和施工工作提供輔助參考。另一方面，對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的工程地質(zhì)概況進(jìn)行三維模擬，能夠從宏觀上更好地了解其地層分布，并且通過對(duì)三維模型的切割觀察，可以輔助未知地層的勘察，為實(shí)際勘察工作提供借鑒。

1 三維地質(zhì)建模軟件

目前三維地質(zhì)建模軟件在工程地質(zhì)學(xué)方向常見的應(yīng)用包括邊坡工程數(shù)值分析、地下水模擬、地面沉降分析、地下工程監(jiān)測(cè)等。根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的服務(wù)對(duì)象，大體上可以按照用途分為以下幾種：

一種是基于地理信息系統(tǒng)的三維地質(zhì)建模軟件，如ARCGIS，主要用于描述地形和地理空間要素的分布狀況，可以用于記錄地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，按照點(diǎn)、線、面可分為不同用途的圖層。

其次，還有為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)服務(wù)的三維建模軟件，如3DMAX，三維CAD，ANSYS 等。其特點(diǎn)是軟件對(duì)幾何體的表達(dá)能力強(qiáng)，但是對(duì)地學(xué)對(duì)象的表達(dá)能力弱。其中ANSYS 除了應(yīng)用于機(jī)械類或材料類的三維力學(xué)模擬，在邊坡受力分析方便的應(yīng)用也比較多。

另外，還有為水文地質(zhì)專業(yè)服務(wù)的地下水計(jì)算應(yīng)用軟件，如GMS、MODFLOW、FEFLOW 等。其中， GMS 的三維可視功能比較強(qiáng)大。GMS 屬于真三維構(gòu)模軟件,既可以構(gòu)造面元模型，又可以構(gòu)造非規(guī)則體元模型。

最后，還有針對(duì)石油開采而開發(fā)的專用軟件，如GOCAD、 CTech 、Earth Vision、Gemcom、Surpac Vision、Micro LYNX、Comet、Eclipse 等。其中，GOCAD 在建立復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的三維實(shí)體地質(zhì)模型方面頗有獨(dú)到之處[9-11]。

2 GOCAD軟件介紹

GOCAD 是一款完整的面和體建模系統(tǒng)。它即能構(gòu)建幾何對(duì)象，也能對(duì)其空間屬性進(jìn)行模擬。應(yīng)用GOCAD 軟件的三維地質(zhì)建模方法可以構(gòu)建出三維地質(zhì)構(gòu)造模型和三維儲(chǔ)層?xùn)鸥窠Y(jié)構(gòu)模型。

其中三維地質(zhì)構(gòu)造模型主要用于模擬地層面、斷層面的形態(tài)、位置和相互關(guān)系。GOCAD 軟件具有自由曲面構(gòu)建功能，其以 DSI 插值方法為基礎(chǔ)，融合地質(zhì)體形狀的定性數(shù)據(jù)，提供了一種“地質(zhì)體網(wǎng)格”的概念：一個(gè)地質(zhì)體網(wǎng)格由邊界和內(nèi)部網(wǎng)格單元組成，其中邊界由地質(zhì)體的界面定義，內(nèi)部網(wǎng)格單元代表地質(zhì)體的內(nèi)部組成，用來進(jìn)行面向?qū)ο蟮碾S機(jī)模擬方法。因此GOCAD 軟件能夠直接利用測(cè)量所得的地形數(shù)據(jù)點(diǎn)生成三維地形，并生成相應(yīng)的等高線地形圖，或者利用地質(zhì)平面測(cè)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），可以直觀展示各地質(zhì)單元間的空間關(guān)系和因果關(guān)系。

而三維儲(chǔ)層?xùn)鸥窠Y(jié)構(gòu)模型則是在三維地質(zhì)構(gòu)造模型的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格化，剖分出形狀理想的六面體網(wǎng)格，為工程數(shù)值分析提供良好的網(wǎng)格前處理。還能根據(jù)研究需要賦予其相應(yīng)的地層屬性，如地層的孔隙度、滲透率、重度等，可對(duì)這些物性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和綜合分析，得到地質(zhì)體的物性參數(shù)模型。

GOCAD 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Auto CAD、Excel 及多種GIS 軟件、圖形軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。GOCAD 生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)可導(dǎo)入ABAQUS、FLAC3D 等數(shù)值分析軟件使用。

3 三維地質(zhì)建模實(shí)例

論文以單項(xiàng)工程的鉆孔數(shù)據(jù)為例，利用GOCAD 軟件模擬構(gòu)建其三維工程地質(zhì)地層模型。該單項(xiàng)工程數(shù)據(jù)來自《長春市兩橫兩縱快速路系統(tǒng)——二環(huán)路工程（二段標(biāo)）巖土工程勘察報(bào)告（詳勘）》，由上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院提供。該工程基本上所有鉆孔深度都達(dá)到了50 m 深，且鉆孔間距較緊密，能夠較好地反映實(shí)際地層的分布情況。

3.1 地層層面數(shù)據(jù)的抽取及導(dǎo)入

利用GOCAD 軟件構(gòu)造地層層面，可以采用測(cè)繪地形數(shù)據(jù)輸入、井文件輸入及點(diǎn)文件輸入等方式。論文采用點(diǎn)文件輸入的方式，從原始勘察報(bào)告中提取各個(gè)地層層面的點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將其保存為*.txt文本。該工程的勘察范圍是從伊通河西岸起延伸至?xí)勾蠼郑孛矄卧獙儆谝患?jí)階地，地層分布從上至下依次為人工填土層、褐黃色可塑粉質(zhì)粘土層、褐灰色軟塑有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)粘土層、灰色稍密—中密中粗砂層、全風(fēng)化泥巖與粉砂質(zhì)泥巖互層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖與粉砂質(zhì)泥巖互層、中風(fēng)化泥巖與粉砂質(zhì)泥巖互層。

為了便于觀察坐標(biāo)點(diǎn)的空間位置，需要首先導(dǎo)入長春市街路圖作為底圖。導(dǎo)入方法是在Voxet 中Import from Picture，然后在其屬性定義中修改底圖的四個(gè)邊角的坐標(biāo)點(diǎn)（Resize Voxet with Points），從而調(diào)整好底圖正確的坐標(biāo)位置。

點(diǎn)的輸入有兩種方法，一種是用*.txt 文件導(dǎo)入（在PointSet 選項(xiàng)中選擇Column_based File），另一種是用屏幕定點(diǎn)的方式輸入。論文從現(xiàn)有資料中獲得了精確的坐標(biāo)值，因此可以采用*.txt 文件導(dǎo)入的方法生成點(diǎn)文件。生成的點(diǎn)文件如圖1 所示。該工程點(diǎn)在東西方向上沿著衛(wèi)星路從伊通河西岸一直延伸到會(huì)展大街以東。鉆孔點(diǎn)基本上呈東西向條帶狀分布，在彩宇大街局部存在南北向條帶狀分布。

3.2 生成曲面

圖1 鉆孔平面分布圖Fig.1 Bores plane distributing

GOCAD 曲面由三角面組成，可以由點(diǎn)，線（由GOCAD 生成或由資料數(shù)字化所得），井型標(biāo)志，實(shí)體表面和等高線等資料來創(chuàng)建曲面。利用Gocad的高斯插值算法（DSI），可以從幾何學(xué)角度對(duì)曲面進(jìn)行編輯，通過不同的約束輸入數(shù)據(jù)來控制曲面的外形，如控制點(diǎn)約束，控制斜坡約束，接觸控制約束。

其中，由點(diǎn)、線生成面的時(shí)候，需要首先繪制邊界線，然后用點(diǎn)擬合生成面（General mode-Surface mode-New-From point set）。 如 果 沒 有 指定邊界線，系統(tǒng)將自動(dòng)生成。論文采用點(diǎn)文件生成面，邊界線由系統(tǒng)自動(dòng)擬合生成。具體操作方法是Application-Wizards-Surface Creation-From Data（without internal borders）-From Points and Computed Outline-Direct Triangulation。生成的曲面如圖2 所示。將層面模型在深度Z 方向上放大10倍后，可以更為清晰地觀察到地層缺失的情況。如圖3 中展示的局部地段，圖片左邊的地層層面重疊說明在該區(qū)段內(nèi)缺失有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)粘土層，圖片右邊的地層層面重疊則表明該區(qū)段人工填土層直接覆蓋在全風(fēng)化巖層上。

3.3 生成曲線及邊界曲面

曲線的輸入可以用*.dxf 文件導(dǎo)入（File-Import object-Acad-Dxf），也可以在屏幕繪制。需要注意的是，繪圖的平面默認(rèn)是水平面，但隨著視角的變化可能會(huì)改變。論文根據(jù)已經(jīng)生成的地層層面的邊界來生成曲線（Creat from Border），用于擬合模型的縱向表面。分別將各地層的上下兩個(gè)邊界曲線擬合生成垂直于地層層面方向的邊界曲面（Surface-From Several Curves）。如圖4，展現(xiàn)的是中風(fēng)化巖層的邊界曲面形態(tài)。

3.4 生成三維工程地質(zhì)地層模型

在Gocad 中，即可以由邊界曲面來定義實(shí)體，也可以把實(shí)體定義為離散化的空間。層可以由規(guī)則格柵組成，特性由規(guī)則格柵確定。首先建立好地層層面（包括頂?shù)酌妫?，然后使用SGrid 工具中的俯視和正北工具生成Sgrid（Sgird-New-From objects box-Edit-Proportionally between top and bottom）。

基于三維可視化的需要，論文僅建立了三維工程地質(zhì)地層模型。根據(jù)邊界曲面和地層的頂?shù)酌嫔蓸?gòu)造模型的實(shí)體表面，如圖5 所示。從模型中可以觀察到，研究區(qū)的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化巖層的分布比較均勻，在區(qū)段以西靠近伊通河的部位存在有大面積的軟塑有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)粘土層的缺失，可塑粉質(zhì)粘土層和稍密～中密中粗砂層也存在局部缺失?？傮w上，該區(qū)段的土層分布相對(duì)比較均勻。

圖2 地層曲面形態(tài)圖Fig.2 Stratum curved surface f igure

圖3 地層曲面局部示意圖Fig.3 Partial schemati c diagram of stratum curved surface

圖4 邊界曲面示意圖Fig.4 Schematic diagram of boundary curved surface

圖5 三維工程地質(zhì)地層模型Fig.5 Three-dimensional engineering geology strata model

4 結(jié)語

論文以實(shí)際工程為例，介紹了應(yīng)用GOCAD 軟件建立三維工程地質(zhì)地層模型的方法。該方法建立模型快速簡便，且可視化效果良好，能夠較真實(shí)地反映實(shí)際情況，適合于將其廣泛應(yīng)用于巖土工程的勘察行業(yè)，并且能為工程設(shè)計(jì)和施工提供輔助參考。

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