水利水電工程三維地質建模流程及應用體會

趙文超，張賀飛，袁彥超，陳 柳，周小娟

(1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222;2.湖北省地質調查院，湖北武漢 430034)

水利水電工程中，地質情況千變萬化，地質體在空間的分布以及其對工程的影響很難清楚地表達出來。隨著社會的發展和科技的進步，對地質專業質量和效率的要求也越來越高。傳統地質勘察圖編制主要依據地質科學理論，運用數學投影原理，將地質現象投影到一個平面上，從而對地質特征進行表達［1］。當地質現象比較復雜時，二維解譯圖難以準確地表達地質構造情況，會出現勘察成果圖和實際地質情況不一致的問題［2］，地質工作者也無法將自己認識的三維地質情況快速準確地展現出來，這些都嚴重地影響了地質工作的質量和效率。

三維地質建模能很好地解決以上問題。目前國外三維地質軟件主要有 GOCAD、CATIA、Gemcom、Geo-Quest、GRISYS 等，國內研制的有 VisualGeo［3］、Geoview、GeoEngine等。本文簡單介紹了華東勘測設計研究院研發的基于MicroStation三維平臺的地質三維勘察設計系統GeoStation，結合云南李仙江戈蘭灘水電站工程壩址區的三維地質建模，對建模流程和工程應用進行介紹。

1 軟件介紹

地質三維勘察設計系統(即GeoStation系統)主要由數據管理、三維建模、模型分析、二維出圖、查詢統計和輔助設計等模塊組成。數據管理模塊主要用于維護項目、勘探、物探、試驗、觀測、地質各類數據和模型、圖紙、報告等成果數據。三維建模模塊主要用于提供特征化的便捷工具幫助用戶高效生成各類地質對象。模型分析模塊主要用于進行各類地質分析，如剖面分析、開挖量計算、多主題可視化展示等［4］。二維出圖模塊主要用于基于三維模型和地質數據庫快速生成各類地質成果圖，減少人工干預過程。輔助設計模塊為設計提供基于地質三維成果的基礎、邊坡設計工具，使樞紐布置、建基面選擇更符合地質條件。

2 工程概況

戈蘭灘水電站位于云南省紅河哈尼族彝族自治州綠春縣(左岸)與思茅地區江城縣(右岸)交界的李仙江河段上，是李仙江干流梯級開發的第6個梯級電站。設計正常蓄水位456 m，水庫總庫容4.09億m3，最大壩高113 m，壩頂長度466 m，電站總裝機容量450 MW。壩址區河谷除個別轉彎處外，為基本對稱的“V”型谷。兩岸山頂高程最高達1 025 m，谷嶺高差最大超過650 m。兩岸地形坡度一般為35°～40°，局部超過45°，自下而上逐漸變緩。壩址區地層主要為二疊系上統龍潭組(P2l)，其間穿插有華力西期中基性噴出巖(P2M)及蝕變輝綠巖、輝長巖(υ34)巖脈;二疊系下統茅口組(P1m)、棲霞組(P1q)和三疊系上統一碗水組(T3y)分布在壩址區外圍;第四系地層廣泛分布。

3 三維地質建模的基本流程

三維地質建模基本流程一般為:地形建模、數據入庫、三維剖面、三維建模以及模型分析等，見圖1。現結合戈蘭灘水電站工程，將三維地質建模的基本流程作出進一步闡述。

圖1 三維地質建模的基本流程圖Fig.1 Basic flow chart of three-dimensional geological modeling

3.1 地形建模

目前測繪專業提供的一般是數據格式為dwg的地形圖，需要轉換到GeoStation中去。dwg格式沒有工作單位，只有繪圖單位，而GeoStation是有工作單位的，這就涉及到單位轉換問題。國內設計一般以米為單位，這樣需要將dwg單位設置為米或無單位，這樣轉換到GeoStation中的地形數據才是真實準確的。然后處理掉沖溝、建筑物等沒有賦予屬性的點和線，只保留等高線。由于現階段設計多是二維設計，測繪專業提供的地形圖中等高線和高程點雖然都帶高程屬性，但是作為成果的地形圖多以平面圖表達，這樣在三維顯示時經常會發現有一些等高線或高程點異常地突出地面或深陷地面以下。這樣就需要與測繪專業溝通，結合實際情況處理掉這些異常的點線。處理好的三維等高線，見圖2。

圖2 三維等高線Fig.2 Three-dimension contour

選中等高線，利用GeoStation中自帶地形面建模工具，擬合方法一般選克里金法，勾選“高精度擬合”，工具將進行多次迭代擬合以提高精度，單擊直接生成三維地形面，見圖3。

圖3 三維地形面Fig.3 Three-dimensional terrain

3.2 數據入庫

首先，在數據庫端進行項目管理，包括新建項目、定義項目屬性、新建工程區、定義工程區屬性、指定項目成員并分配不同工作權限;其次，進行本工程的基本地質定義，包括:地層、巖性、地產界面、地質構造等;再次，進行勘探布置，包括勘探線布置、鉆孔布置、平洞布置、坑槽布置等;最后，錄入地質測繪數據、勘探數據、試驗數據。地質測繪數據包括測繪點、實測剖面等，勘探數據包括鉆孔、平洞、探坑、探槽等所有地質勘探數據，試驗數據包括土工試驗、物探試驗等。

3.3 三維剖面

目前中國水利水電勘察設計大多采用二維設計方法，為了快速地利用現有成果，將項目勘察設計方式由二維轉到三維，可以將前期已有地質剖面圖導入GeoStation中。勘探剖面導入工具將二維地質剖面成果導入到三維空間中，使其按照勘探線的延伸方向延伸，并以二維圖中的y值作為高程。導入的剖面線將保留原始數據的線型、顏色等信息。這樣就由原始二維地質剖面成果(圖4)形成了三維剖面線(圖5)，為下一步的三維建模提供了基礎。

3.4 三維建模

水平地質界面建模，包括風化面、卸荷面、地下水面等。以強風化面建模為例，選中三維剖面線中的強風化屬性線條，以及鉆孔、平洞中揭露的強風化屬性點，由這些空間點線共同擬合生成三維強風化面，見圖6。

圖4 原始二維剖面線Fig.4 Original two-dimensional section line

圖5 三維剖面線Fig.5 Three-dimensional section line

圖6 地形面、風化面、基巖面、地下水面Fig.6 Topologic surface，weathering surface，bedrock surface and groundwater surface

豎向地質界面建模，包括地層界面、斷層面等。以斷層面建模為例，首先將原始平面圖中地質測繪得到的斷層出露跡線投影到三維地形面，得到三維跡線。將測繪得到的斷層產狀賦予跡線，當產狀變化較大時，可分段賦予。再加上剖面圖中解譯的斷層線和鉆孔、平洞中揭露的斷層點。綜合以上數據共同擬合生成三維斷層面，見圖7。

圖7 地層界面及斷層面Fig.7 Formation interface and fault plane

因為外業勘察靠地質測繪、勘探、物探等手段得到的數據量有限，僅在壩軸線和其他建筑物位置按規范要求布置一定量的鉆孔、平洞，這就造成了按上述方法三維地質建模得到水平界面和豎向界面，僅在有勘察資料控制的地方時相對準確，為得到整個壩址區完整的三維地質模型，需要有經驗的地質人員加入很多輔助剖面進行調整，這樣就得到了現階段的三維地質模型，見圖8。

圖8 三維地質模型Fig.8 Three-dimensional geological model

3.5 模型分析及表達

三維地質模型建立好后，地質專業及相關設計專業項目成員可以很方便地查詢數據庫庫中錄入的地質信息。而且能夠自動化二維出圖，包括兩類:一是根據數據庫數據自動繪制鉆孔柱狀圖、綜合地層柱狀圖等;二是根據地質模型圖形端數據以及數據庫數據共同生成的平面圖、剖面圖、平切圖等。為了更加形象直觀、方便展示匯報，依托軟件強大的三維功能，一般還將三維地質面模型做成三維地質體模型，見圖9。

4 應用體會

(1)測繪專業提供的地形圖一般范圍較大，需根據工程需要進行裁剪，去掉無建筑物和洞線通過，對工程意義不大的部分;當地形數據較大時，需在保證精度的前提下進行輕量化處理，以提高建模速度;地形建模除采用GeoStation自帶工具外，也可以使用MicroStation系列軟件中的GEOPAK提取等高線、高程點數據建立DTM，即數字地表模型。

(2)數據庫中地質定義對后期數據錄入、數據驅動建模、二維自動出圖以及設計使用都尤為重要，需要項目負責人建立后經地質總工和設計方共同確認后再繼續下一步。

圖9 三維地質體模型Fig.9 Three-dimensional model of geological structure body

(3)前期二維剖面成果，在導入時，注意只保留基巖覆蓋層界線、風化線、卸荷線等基本地質線條;而且看似是一條完整的線條，經常是好多斷線，并且重合在一起的，也需要加以處理;將前期二維剖面成果導入成三維剖面線后，經常發現剖面交點處同一屬性地質線條不重合或者空間位置特別不合理，這就起到了校核前期地質成果的目的。

(4)為使整個模型完整、相對準確，滿足現階段的勘察深度和設計要求，經常需要添加較多的輔助剖面;在沒有勘察數據控制的部位添加輔助剖面，需要地質建模人員用相應的專業知識和工作經驗;重點部位的地質要素空間分布需要與地質項目負責人和總工共同商討確定，并在下一階段補充勘察。

(5)本次應用是利用了已有二維圖紙生成三維地質模型，對前期成果進行了校核，對下一階段的勘察工作布置也有很好的指導意義;以后應用到實際生產項目時，沒有現成圖紙，對三維地質建模人員的專業知識、工作經驗和三維設計水平要求更高;三維地質建模中還應進行三維巖土數值計算方面的探索，這樣與設計結合更緊密，更好地體現三維優越性。

(6)三維地質建模是水利水電三維協同設計的基礎，可以使前期方案設計和比選更加直觀高效，為下一階段的勘察設計提供依據，隨著應用到全生命周期還可以指導施工和運營維護。

(7)現階段，水利水電行業設計、施工等使用的圖紙主要為二維圖紙，三維設計成果目前仍需轉為二維圖紙。這一傳統設計習慣和目前的計算機軟硬件技術水平，決定了未來一段時間內三維設計和二維設計將共同存在。要合理劃分項目，發揮三維、二維各自的優越性，比如地質條件復雜、工程問題較多的大中型水利樞紐工程更適合采用三維設計;而工程簡單、周期較短的小型閘站、泵站、渠道、堤防等工程，采用傳統二維設計更加經濟合理。

5 結語

三維協同設計代表了最新的設計理念和先進的設計水平，已成為當今工程設計領域的潮流和趨勢。在房建、地鐵、道路、橋梁等行業BIM應用廣泛，相應的軟件成熟，勘察、設計、施工、業主等相關工程人員認知和使用程度較高，已取得較好的社會和經濟效益。在水利水電行業，三維協同設計起步較晚，行業認知度還不高，目前僅在一些大設計院和單位推廣應用，相應的軟件也還不夠成熟和完善。三維協同設計的推廣是一個循序漸進的過程，需要協調好三維設計和二維設計的關系，已達到互補共存、平穩過渡的效果。隨著社會科技的進步，編校審的設計流程和相關質量體系、行業規范標準的制定和完善，三維協同設計一定會為水利水電行業的發展帶來更大的價值。

［1］ 范留明，柴賀軍，黃潤秋.巖體機構二維可視化模型及其應用研究［J］.地質災害與環境保護，2000，11(4):341 －345.

［2］ 朱良峰，吳信才，劉修國，等.城市三維地層建模中虛擬鉆孔的引入與實現［J］.地理信息科學，2004，20(6):26 －30.

［3］ 鐘登華，李明朝.水利水電工程地質三維地質建模與分析理論及實踐［M］.北京:水利水電出版社，2006.

［4］ 翁發根，梁必玦.三維協同設計在浯溪口水利樞紐中的應用［J］.上海水利水電技術，2014，62(增刊):32 －35.