城市三維地質建模在砂土液化分析中的應用：以通州為例

李　靜，趙　帥

(1．中國地震應急搜救中心，北京 100049；2.北京市地震局，北京 100080)

城市三維地質建模在砂土液化分析中的應用：以通州為例

李靜1，趙帥2

(1．中國地震應急搜救中心，北京 100049；2.北京市地震局，北京 100080)

摘要：以城市區域地質、鉆孔、剖面等數據為基礎，結合3D GIS 方法技術、3D可視化技術以及一系列有關城市地質特征的描述、模型、分析評價的方法，利用三維建模理論構建研究區3D地質體模塊，并在3D可視化下綜合解析城市的砂土液化，將城市地質工作和城市規劃結合，構建一個城市三維地質信息系統，提高城市地質工作的研究水平。以通州地區為例，結合砂土液化災害理論知識從三維角度進行地質穩定性評價，劃定通州區地下潛在砂土液化災害區域，為后續災害防治工作提供決策依據。

關鍵詞：三維地質體；砂土液化；建模；評價

三維地質建模(3D Geoscience Modeling)，就是采用現代計算機技術，將地理空間信息、地質解譯、空間分析以及預測、地學計算統計，塊體內容分析結合圖形可視化等工具，在三維空間環境下,作用于地質條件分析的一項綜合性技術。城市工程地質環境質量評估利用3D地質-實體模型進行預測評價是伴隨著計算機3D建模技術的不斷發展逐步實施的；隨著中國城市建設中的3D立體地質調查項目的啟動，城市3D空間地質信息建設以及城市3D地質模型的構建也得到了穩步的發展。

3D地質體模型構建與3D可視化早期是由加拿大科學家 Simon W.Houlding[1-2]于1993 年提出，如今這一技術已成為計算科學可視化、數學地質、巖土工程、石油勘探與水電勘察等諸多領域的熱點研究方向?？偟膩碚f，國內外對3D地質可視化方面的研究都比較多，集中的研究方向在3D可視化的快速處理、地質數學模型構建、3D實體拓撲等等方面，其中地質數學模型構建的研究是地質體空間信息3D可視化的基礎及核心。城市的地質環境評估與3D地質實體模塊構建相結合分析城市地質內部關系方面的工作在最近幾年才開展；上世紀60年代我國的地質環境評估工作就已開展，其主要服務的目標是為預定的大型、超大型城市工程進行區域上的環境工程地質進行調查、評價。[3-4]國外，在上世紀90年代初期英美國、荷蘭、加拿大、澳大利亞等國家就相繼開展了各自的城市3D地質數學可視化構建工程。進行城市3D地質建模、空間分析，及時的分析出相關地質穩定性特征；能夠快速、有效避免因工程建設而導致的地質災害的發生；為城市規劃提出建設性的科學依據。

本次通州研究區位于北京市東南部，京杭大運河北端；主要通過收集研究區以往地質資料，厘定研究區地形、地貌、水文、巖土特性及構造等等城市地質環境影響因子，構建研究區三維地質模型進行砂土液化分析，采用的軟件主要有達索旗下SURPAC VISION、ESRI旗下Arcgis、ENVI、VRP、3DMAX等。

1地質背景

1.1區域構造

通州研究區地質構造上位于陰山構造帶的南緣，祁呂-賀蘭山“人”字型的東部構造帶、新華夏系構造帶、延昌弧型構造東部南緣結合部位；處于華北板塊(Ⅰ)中部，冀遼斷陷盆地(Ⅱ3)北部，大興隆起(Ⅲ4)三級構造單元平原區北東部(圖1)[5]。

圖1　通州研究區構造劃分示意圖

南苑-通縣活動斷裂(圖1)為通州研究區發育的主要控制性斷裂；總體上呈NE向展布；南起河北省涿縣塔上，往北，經北京市房山區碼頭鎮、兩間房，橫穿北京市永定河向北東方向繼續延伸，沿南苑鎮、高碑店、雙埠頭至順義區北務展布，全長約為 110km。；劃分出了北京迭凹陷和大興迭隆起兩個構造單元，控制了北京南部平原地區的斷裂分布[5]。

1.2水文地質

地表以下30m深度的地下水，通州研究區范圍內主要為潛水、承壓水，局部地區賦存有上層滯水。

潛水水位大于6m的地區主要分布在黑莊戶-梨園-宋莊-帶，其周邊水位埋深遞減，水位小于3m埋深位于樓梓莊、蒼頭地區。第四紀孔隙潛水水位標高在12～24m±，水位埋深在 0.7～9m，粉細砂及粉土層為主要的含水層巖性。[5]該地區地表下一般14～20m即可見承壓水，水位標高在0～8m±；粉細砂、中粗砂、礫-卵石及粉土層為該地區主要承壓水的含水層巖性。

2三維地質模型構建

以多年積累的二維地質調查成果與經驗為基礎，系統地總結研究區的地質背景以及水文地質條件；根據收集的研究區的工程圖、中段平面圖、勘探線剖面以及各類比例尺地質圖、剖面[7-8]，通過數據轉換，空間分析得到研究區各類地質體的輪廓線，利用地質三維建模技術構建三維地層巖性實體模型，以遙感與高程數據建立地表地形模型，以采集的尺寸與紋理信息遙感影像建立地上景觀模型，以工程尺寸與工程布置數據建立工程模型[10]；通過數據結構分解與多源數據轉換，實現地上地下的貫通以及二維三維等多源數據的集成，在此基礎上進行系統功能開發，實現三維可視化綜合分析，并建立空間數據庫，有機的融合研究區各種數據資料[12-13]。目的就是把那些空間上不連續、分布散亂的地質現象，采用現代計算機3D建模技術與數學擬合、圖形構建等技術想結合，實現現實地質現象的虛擬3D現實化[14]；處理各個地質體間真實反映，完成地下地質結構全面反映[15-16]。

本文研究的內容是通過3D地質建模進行區域地質穩定性評價工作，主要的建模工作流程如下所示。

1)資料搜集、整理與篩選：整理研究區217個鉆孔資料，33條實際剖面，同時獲取研究區157.85km2高分辨率遙感影像圖以及1∶1000地面高程數據。

2)勘探剖面圖布設：首先按照深孔分布，以及地質背景，沿北東方向布設深孔勘探線，考慮與已知5條勘探剖面相交的情況，在與已知剖面交叉重合部位，設定虛擬鉆孔；其次按照實測第四紀淺鉆孔分布情況，布設淺孔勘探線，同時，參考已知剖面以及周邊深鉆孔情況；在研究區外圍沒有鉆孔控制的區域，設立虛擬勘探線，將周邊的鉆孔按照趨勢分布在該勘探線上(圖2)。

3)繪制勘探剖面圖并立剖面：結合鉆孔數據繪制鉆空柱狀圖并進一步沿勘探線形成剖面圖，按照實際鉆孔位置及勘探線空間分布將二維剖面數據展布到三維空間當中，形成研究區空間立體剖面圖。

4)構建三維地質體：將研究區的所有剖面裝置到3D空間，按照地質體的形態，采用輪廓線重構面(wireframe modeling)[7,9,10,11]技術在相鄰勘探線之間用三角網連接三維地質體表面，最終形成地質體實體。

本次工作主要分層建立研究區的粉砂、細砂、中砂模型以及粉土、粉質黏土、黏土和粘質粉土模型(圖3、圖4)，最后將多個地質體進行空間疊加，形成研究區的實際地質體模型。

圖2　研究區勘探線布設(上)及三維布設(下)圖

圖3　研究區粉砂(a)、細砂(b)、中砂(c)

從圖3及圖4上的3D空間實體模型可以準確的發現研究區內粘性土與砂土互層。從構建的3D模型中發現，研究區地表以下30m的空間內，分布細砂、粉質粘土層兩層較厚的地層，同時可發現砂土從西到東逐漸變厚，埋深逐漸變淺；厚度為0.9～20.0m；整個研究區以細砂及粉質粘土為主，中砂、粘土及粘質粉土次之，粉砂、粉土零星分布主要呈水平方向展布(表1)。目前地下水位埋深較淺，歷史最高水位接近地表。

3砂土液化三維評價方法

砂土液化是指砂土液態化的表現，當地震發生時，在地震力的往復作用下，超靜孔隙水壓力承擔全部上覆土重時，砂土層內最上部的砂就會處于懸浮狀態(液化狀態)。超靜孔壓在上覆土層薄弱處，懸浮狀態的砂土隨水噴出地表，就會形成砂土液化致災。

3.1評價因子

經過調查發現，我國地質年代為晚更新世或以前的飽和土層未發生液化現象；同時，當地下水位小于界限值時，沒有發現砂土液化現象；砂土或粉土上覆蓋的非液化土層厚度越過臨界值時，沒有發現砂土液化現象。當粉土或砂土的粘粒含量超過某一界限值時，不會發生液化，這是由于土的黏聚力增大了，抗液化能力加強了。砂土或粉土的相對密度<50%的砂土液化現象普遍，沒有發生液化其相對密度均>70%。土的側壓力越大；地震烈度越高，持續的時間越長，砂土發生液化的可能性就越大；[5]一般地震烈度在6度以下，很少見到砂土液化，然而當烈度大于7度，砂土液化現象則較為普遍。砂土層內部孔隙水連通，處于飽和或近于飽和狀態，發生砂土液化的可能性就越高。

圖4　研究區粉土(a)、粉質黏土(b)、黏土(c)、粘質粉土(d)

土質類型上覆地層下伏地層最厚最薄平均粉砂粉質黏土中砂9.82.44.2細砂粉質黏土、黏土黏質粉土、細砂20.00.915.3中砂細砂、黏土—6.40.22.7粉土粉質黏土細砂、粉砂2.31.01.8粉質黏土細砂、黏質粉土細砂、粉土、粉砂、黏土20.00.814.8黏土粉質黏土中砂、細砂3.80.52.5黏質粉土細砂、粉質黏土、中砂中砂、粉質黏土13.40.87.6

因此存在砂土液化的可能必須具備以下幾個基本要素：①晚于晚更新世的砂土層；②黏粒(粒徑≤0.005mm的土顆粒)含量在一定范圍；③上覆蓋非液化層厚度能抑制可液化層噴水、冒砂；④砂土層位于地下水位以下，地下水位埋藏淺及徑流條件滯緩地帶；⑤砂層密實度差、結構松散；⑥土層埋深小于20m；⑦地震烈度和震級。

是否會發生液化現象，還有其他因素，包括埋深、地震條件、可液化層與非可液化層間的關系等。通州研究區地表以下 20m 深度范圍內分布粉土、砂土，歷史最高水位接近地表，地下水位埋深較淺，具備了產生砂土液化災害的基本條件。

3.2評價方法

為了對研究區內砂土層進行空間三維定位，采用地質體立方體法進行，將研究區內土層立體格網化，對每一個立方體進行液化可能性賦值，以準確的定位空間位置上，哪一個區域存在砂土液化的可能。

1)首先計算研究區內已知鉆孔的砂土液化指數[5]。根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)技術規范，對位于地下水位以下呈飽和狀態的砂土，結合基準標準貫入錘擊數判別該層是否發生液化，對于可液化砂土層，計算其液化指數，劃分砂土液化地質災害危險性級別。

砂土是否能產生液化的判別公式見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

(適用于地面以下15m以內)

式中：ds為飽和土標準貫入點深度(m)；dw為地下水位深度(m)；ρ0為黏粒含量百分數，小于3或為砂土時，取3；N0為飽和土液化判別的基準標準貫入錘擊數；Ncr為飽和土液化臨界標準貫入錘擊數。

對于可液化層，可按式(3)計算的液化指數(Iie)來確定液化等級。

(3)

式中：Ni為i點飽和土層實測標準貫入錘擊數；Ncri為臨界標準貫入錘擊數(相應于Ni深度處)；N為15m深度內鉆孔飽和土層標準貫入點總數；di為i處土層厚度(m)；Wi為i點單位土層厚度的影響函數值(單位m-1)。

最終獲得研究區194個鉆孔的液化指數數據。

圖5三維空間上分布的液化指數(截取研究區部分)

2)以三維地質砂土層為對象，結合地質立方體，采用距離冪次反比法計算研究區內砂土層三維空間上的砂土液化分布情況。進而對全區內的砂土層液化災害進行評價。首先對鉆孔內計算獲得的液化指數數據進行統計發現，其結果符合對數正太分布，結合空間變異結構分析，[13-16]最終采用SURPAC中的塊體模型，運用距離冪次反比法[15-16]對三維空間內的塊體進行液化指數賦值。

通過分析得知研究區80%左右的地區存在不同程度的可液化土層，平面面積約為137.63km2，按照液化指數0～5為輕度，5～15為中度，大于15為重度將研究區劃分為四個層次的液化區域，從輕微～嚴重比例分布見表2。其中面積約為 25.39km2，分布于樓梓莊、師姑屯—供給店北一帶為液化嚴重地區，可能的液化深度為 8～20m，平均深度約13.7m，體積約0.43km3；面積約為 40.08km2，主要分布于東石村-蒼頭、高安屯-北寺莊、梨園-小圣廟、垡頭一帶為中等程度液化地區，可能的液化深度為 6～16m，平均深度約12.6m，體積約0.67km3；輕微程度液化地區主要分布于研究區中部，面積約為 72.16km2，可能的液化深度為 2～9m，平均深度約7.7m 左右，體積約1.16km3；其空間分布情況見圖6。

從圖6可以發現砂土層主要分布于研究區細砂及粉質黏土層中。利用上述砂土液化判別標準結合研究區數據分析可知：可能液化的區域應該在距地表20m以下范圍內均存在砂土液化的可能。

表2　研究區砂土液化分區評價分析表

圖6研究區可能液化空間分布圖

4結論

1)本文利用三維地質建模技術結合地質砂土液化指數評價相關的理論對通州區潛在砂土液化區域進行評價研究，具體形象的展示了通州區地下土質的空間三維形態分布，便于客觀清楚的了解研究區地下土質結構，結合砂土液化判別理論，確定整個研究區易于發生砂土液化災害的地下范圍，為砂土液化災害的防治工作提供決策依據。

2)通過與北京通州地區其它地質資料對比，本次工作的成果符合地質現狀，本次工作結合三維地質體模型，拓展了傳統液化指數方法，將其從二維平面發展到三維空間，并且對于砂土危害程度一并進行了評估，將砂土液化工作從半定量分析發展到定量定位分析，為準確定位砂土液化位置，提供了一條準確科學的方法。

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Application of 3D geological modeling in the analysis of sandy soil liquefaction:a case study of Tongzhou

LI Jing1，ZHAO Shuai2

(1.National Earthquake Response Support Services，Beijing 100049，China；2.Earthquake Administration of BEIJING Municipality，Beijing 100080，China)

Abstract:Based on the data of regional geology，drilling and profile，combined with 3D GIS technology，3D visualization technology and a series of description，model and analysis evaluation method of urban geological characteristics，the 3D geological model was established by 3D modeling theory，and in the 3D visualization of the comprehensive analysis of the city of sand liquefaction，the combination of urban geological work and urban planning，to create an urban 3D geological information system，improve the level of urban geological work.Taking Tongzhou area as an example，combined with the theory of sandy soil liquefaction disaster，the geological stability evaluation is carried out from three aspects，and the potential sand liquefaction disaster area in Tongzhou District area is delineated，which provides a decision-making basis for the prevention and control of disaster.

Key words：3D geological body; sand liquefaction; modeling; evaluation

收稿日期：2015-10-17

作者簡介：李靜(1976-)，女，漢族，河南信陽人，碩士，工程師，主要研究方向為結構工程，E-mail：zz_lijing@126.com

中圖分類號：P642

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)05-0164-05