三維地質設計在孟底溝工程中的應用

王 剛，田華兵,劉仕勇,梅稚平

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

三維地質設計在孟底溝工程中的應用

王 剛，田華兵,劉仕勇,梅稚平

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

復雜的地質條件給水電工程地質分析帶來了極大的困難，為了解決孟底溝水電站地質分析難題，采用GeoSmart系統作為分析工具，基于其工程地質信息管理、工程地質三維解析和工程地質綜合應用功能展開分析，結果表明，相關地質分析難題得到了較好的解決。該系統在實際水電站的地勘全程數字化三維設計工作中的應用，不僅高效地解決了各類復雜地質問題，而且有效提升了工程地質的分析方法和手段，具有良好的推廣應用價值。

水電工程；工程地質；三維設計；GeoSmart

0 前 言

孟底溝水電站為大(1)型水電水利工程，位于西南高山峽谷區，地形地貌復雜。山高谷深，沖溝發育，交通極為不便，高山陡坡，地形及地質測繪難度很大。工程區地層為燕山期早期侵入的不規則空巖體，為中粒花崗閃長巖、少量黑云母花崗巖，后期蝕變強烈，主要為花崗巖化和粘土化蝕變帶，發育的蝕變帶和蝕變集中帶規模大小、分布形態較復雜。同時，壩區斷層發育，導致斷層、蝕變帶、巖脈等空間交切關系極為復雜。如何準確分析反映復雜地質結構空間展布形態和交切關系，是影響工程地質條件的關鍵因素之一。

要準確分析復雜地質結構的空間展布形態和交切關系，必須首先獲得各項地質資料。由于水電工程特有的復雜地形地質條件，原始地質資料眾多，資料的完整保存和調用將直接影響地質分析的精度；同時，由于地質體千變萬化，傳統的二維分析手段已難以滿足工程設計的實際需求，利用計算機技術進行三維可視化分析以及三維表達已是地質專業發展的必然趨勢[1]，目前已有不少這方面的研究成果[2-5]。

要解決上述問題，最好的方法是找到一種既可以完整保存、隨時調取地質資料，同時又可以開展三維可視化分析的工具。經深入對比分析，本文選取GeoSmart系統作為工具，運用其強大的信息管理、三維解析及信息綜合應用功能對孟底溝水電站的地質結構進行三維地質分析。

1 GeoSmart系統簡介

GeoSmart系統主要包含工程地質信息管理、工程地質三維解析、工程地質綜合應用三個方面的功能，主界面如圖1所示。

圖1 三維地質設計數字化系統界面

1.1 工程地質信息管理

工程地質信息管理子系統作為三維地質建模、地質分析評價、成果輸出以及其他應用的唯一數據源，可以完整、規范地存儲全部的基礎資料、不同階段的解析成果及校審記錄等。該數據庫可以進行空間坐標的統一轉換和定位，勘探、施工編錄、試驗成果等全部信息均按照地質屬性、工程屬性進行分類。數據采集方式融合了相關規程規范的規定，將各種信息以地質類別為綱目進行統一儲存管理。該系統實現了網絡環境下的數據輸入、輸出、審核認證與交互管理，如圖2所示。

1.2 工程地質三維解析

工程地質三維解析子系統以GOCAD[6](Geological Object Computer Aided Design)為基礎研發，如圖3所示。GOCAD主要應用于地質領域的三維可視化建模，具有強大的三維建模、可視化、地質解譯和分析的功能。在GeoSmart系統中，三維解析遵從數據中心提取→分類空間表達→展布形態擬合→屬性總結→返回數據中心這樣一個循環交互過程，從而將原始資料、分析過程、合理性判斷至形成解析結果的過程關聯起來，這些關聯關系以及解析得到的成果，作為一個認識固化后形成一個階段性成果。

圖2 網絡環境下的工程地質信息管理系統

圖3 基于GOCAD的三維地質空間解析系統

1.3 工程地質綜合應用

工程地質綜合應用子系統的主要功能是基于三維模型和地質屬性信息的綜合應用，提供多種功能：報表輸出可根據用戶需求，輸出勘探任務書、工作量統計表、地層統計表、小斷層統計表、風化卸荷統計表、試驗成果匯總分析表等多種實用表格；原始資料可以輸出勘探布置圖、實際材料圖、鉆孔柱狀圖、平硐展示圖等各種圖件；依據模型和數據可以輸出各種平剖切圖、等值線圖等；并為常用計算軟件提供數據前處理、數據交換接口，并將計算結果可視化展示；利用數據中心集中存儲的多工程數據進行工程類比輔助分析；可在線查詢相關標準、規范及質量管理體系文件。

2 孟底溝水電站三維地質數字化設計

該工程自預可研工作始即全程采用數字化三維設計，通過建立中心數據庫，進行三維解析與建模，并依據數據、模型展開專題地質分析，具體過程如下。

2.1 數據采集與中心數據庫的建立

對于地形資料，由機載激光雷達獲取地形高精度點云(DEM)生產高精度地形面，與正射影像(DOM)疊加形成三維虛擬場景，生成的地形面和影像導入到數據中心。

對于地表地質測繪資料，采用先進的3S地表地質測繪技術現場在三維平臺中定位地質點，根據實測地質點勾勒地表地質界線，如圖4所示，并錄入或導入到數據中心。

對于地質勘探和相應的試驗資料，物探、鉆探、硐探、坑井等原始資料，以及與勘探相關的，如：抽壓水試驗、動力觸探、巖土體物理力學試驗等直接錄入到數據庫中統一管理，如圖5所示，供其他系統建模分析時調用。

圖4 壩區三維虛擬場景

圖5 地質勘探數據

2.2 三維解析與建模

三維地質解析是一個交互的過程，系統通過服務與數據中心進行數據交換，按不同地質屬性分別擬合出不同的地質界面，結合三維場景對整個范圍內的地層巖性、地質構造(斷層、擠壓帶等)、風化卸荷、地下水等因素分析及歸類，形成不同的地質屬性綜合描述和相應的參數，并賦予三維地質體，形成包含地質屬性的三維模型(基礎地質模型或工程巖土體分層分類模型)，并隨生產過程漸進明細。基于中心數據庫數據建立的孟底溝三維地質模型(見圖6)，圖7展示了地質體間的空間展布形態和交切關系。

2.3 數據、模型的應用分析

數據、模型的應用分析依托工程地質綜合應用子系統進行，在所建立的地質數據庫和三維地質模型的基礎上，開展了一系列地質設計分析工作。

(1)地質體間空間交切關系分析。前期勘探階段對于地質條件的認識，最重要的是認識各種地質邊界的空間展布，這在二維分析時代是比較困難的，主要通過二維剖切面來輔助地質人員分析，存在的主要問題是難以同時協調空間的多個已知條件，而在三維空間內來解析則能較好地處理這個問題。如：f4斷層作為壩區規模最大的斷層，對壩區構造格局有較大的影響，有多條斷層受其限制，巖脈的分布規律與其關系極大，在孟底溝三維數字化設計過程中，它為其他斷層、巖脈的分布交切提供了重要的參考作用。針對f4的勘探，先通過三維模型分析其空間展布，再開展有目的的調查及勘探，節省了工作量，縮短了工作周期。

圖6 最終完成的孟底溝模型

圖7 地質體空間關系分析

(2)等值線分析。在大壩設計過程中，建基面的確定是一個復雜的過程，其中基巖頂板及微新巖體的查明是一個基本要求，孟底溝河床完成鉆孔11個，查明了河床覆蓋層及微新巖體空間形態，并生成等值線供下游專業使用。

(3)體積計算。在料場工作中，一個重要的要求就是查明料場儲量，傳統的平行斷面法、平均厚度法，都是一種近似計算方法。在高山峽谷區，微地形變化較大，傳統的方法誤差較大，且效率低下，三維模型完成后，料場儲量計算及其簡單。

(4)二維出圖。孟底溝項目啟動以來近5年的時間內，通過互提資料單提供二維圖件772張，100%由三維模型剖切。孟底溝項目自2009年啟動以來，地質專業便啟動了全過程數字化設計，完成了孟底溝工程地質數據庫、孟底溝三維地質模型，并在此基礎上向下游專業提供了大量二維圖件。

孟底溝水電站地勘全程數字化三維設計工作的成功應用表明，該系統以生產建模過程為主線，以地質特性為綱目，建立的關聯數據庫結構合理，工程屬性數據完整；由此進行的數字化設計與生產過程深度融合，操作簡便，已將設計標準、管理流程規定、校審體系以及質量控制體系固化到系統中；設計成果模型準確，精度、粒度、可靠性高，屬性信息完整，此外還包含了與其關聯的過程信息，并能追本溯源；系統采用一鍵式出圖，二維出圖自動化程度高，精度滿足設計要求，與傳統方式相比，三維設計的成果更合理，出圖效率高。

3 結 語

(1)GeoSmart系統有效地解決了孟底溝水電站海量地質資料的存儲和三維地質分析難題，基于其三維可視化和三維表達功能，地質人員對地質體的空間展布形態和交切關系有了清晰的認識，同時，其地質信息綜合應用子系統為上下游專業之間的銜接提供了便利條件。

(2)GeoSmart系統強大的分析統計功能能夠輔助地質人員依據地質勘察資料分析地質對象，通過控制三維面的變形體現地質工程師的認識，三維模型不再是地質工程師的額外負擔，而是其認識分析過程自然的產物。水電工程三維地質設計不僅能夠高效地解決工程中各類復雜地質問題，還使工程地質的方法和手段產生了飛躍，對降低成本、縮短工期有著顯著效果，在水電工程地質專業有良好的應用空間與發展前景。

[1] 張咸恭, 王思敬, 張倬元. 中國工程地質學[M]. 北京: 科學出版社, 2000.

[2] 鐘登華, 李明超. 水利水電工程地質三維建模與分析理論及實踐[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2006.

[3] Houlding S.W. 3D Geoscience Modeling: Computer Techniques for Geological Characterization[M]. Berlin: Springer-Verlag, 1994.

[4] 鐘登華, 王剛, 李明超, 王義鋒. 三維地質模型信息可視化與工程應用[J]. 天津大學學報, 2005, 38(1): 36-40.

[5] Zhang Liqiang, Tan Yumin, Kang Zhizhong, Rui Xiaoping, Zhao Yuanyuan, Liu Liu. A methodology for 3D modeling and visualization of geological objects[J]. Sci. China Ser. D-Earth Sci., 2009, 52(7): 1022-1029.

[6] Zhu Liangfeng, Wang Xifeng, Zhang Bing. Modeling and visualizing borehole information on virtual globes using KML[J]. Computers & Geosciences, 2014, 62(1): 62-70.

2017-01-16

王剛(1973-)，男，四川成都人，碩士，教授級高級工程師，從事水利水電工程地質勘探設計與分析工作。

TP391;TV221.2

B

1003-9805(2017)02-0036-05