基于GOCAD的壩址區三維地質建模及成果應用

魏愷泓, 崔中濤, 李進元, 李青春, 王 剛

(1.中國電建集團 成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072; 2.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,四川 成都 610059)

基于GOCAD的壩址區三維地質建模及成果應用

魏愷泓1,2, 崔中濤1, 李進元1, 李青春1, 王 剛1

(1.中國電建集團 成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072; 2.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,四川 成都 610059)

在傳統的水電勘測設計過程中,地質模型常用傳統的二維剖面形式展現,無法構建地質體的空間幾何形態及分布。利用GOCAD系統強大的三維建模功能建立某水庫電站壩址區工程地質模型,模型直觀顯示了河床基覆界面、砂層透鏡體、覆蓋層內部界面、風化卸荷面等地質對象的空間屬性,并借助地質解譯、空間分析功能進行超深厚覆蓋層條件下河谷形態研判及天然防滲鋪蓋層可靠性分析。其意義在于加強壩址區超深厚覆蓋層成因以及河谷演化地質宏觀認識,指導后續勘探布置,實現水電工程協同設計。

GOCAD;地質模型;超深厚覆蓋層;河谷形態;鋪蓋層

圖1 壩址區覆蓋層層次結構示意圖Fig.1 The sketch map of hierarchy structure of dam covering layer1.風積堆積;2.崩坡積堆積;3.沖風積堆積;4.坡洪積堆積;5.洪積堆積;6.泥石流堆積;7.沖洪積堆積;8.現代河流沖積堆積;9.河流階地沖積堆積;10.冰川冰水堆積;11.河湖相堆積;12.湖相堆積;13.泥石流堆積;14.超基性巖體;15.念唐古拉山巖群a巖組;16.覆蓋層分層編號。

目前,隨著信息技術的發展,應用于三維地質建模的軟件程序也越來越多,由于各軟件應用重點不同,其建模難易程度、模型精度及模型應用等有較大差別。國際上廣泛應用的GOCAD大型三維建模軟件在地質建模方面有著獨到之處,它不但具有核心的地質建模功能,可以實現結構特征與地質屬性統一表示,還具備強大的可視化功能和地質解釋功能[1];依托其離散平滑插值技術,能夠利用地表及地層界面信息數據(等高線地形圖、鉆孔數據等)建立地表面和地層分界面(對象)[2]。此外,可通過二次開發編寫接口程序,將GOCAD中對象輸入到有限元分析軟件中,實現數值模型的建立和模型的數值分析[3]。該系統不僅滿足建立幾何模型和三維展示的需要,更重要的是需要幫助進行工程分析和決策,實現輔助設計的目的[4-5]。

本文以某水庫電站工程為例,由于壩址區河床覆蓋層超深厚且層次結構復雜,在建立地質對象時需要綜合考慮對象邊界條件、疊覆關系、空間展布等因素,因此在有限勘探信息的條件下,利用系統離散平滑內插方法(簡稱DSI)建立壩址區基覆界面、透鏡體、風化卸荷界面等地質對象,并檢驗、修正基覆界面,使河谷形態及空間展布更精確,在此基礎上利用系統解析功能,對具有相對隔水特性,能作為鋪蓋的層進行可靠性分析,最終達到協同設計效果。

1 基本地質條件

某水庫電站壩址區河谷開闊,寬近2 km,呈較順直寬緩“U”型谷,兩岸山體雄厚,岸坡地形較陡。勘探揭示覆蓋層最大厚度為567 m,基巖為片麻巖(Pt2-3Nqa)、超基性巖(∑),覆蓋層按成因類型主要有沖洪積、堰塞湖相沉積、冰積與冰水堆積,以及坡洪積、泥石流堆積、風積等。

河床覆蓋層從下至上可分為四個大層,九個亞層(見圖1),其中具有重大工程意義的第③層為堰塞湖相沉積,以細顆粒土為主,累計厚度達200～250 m,按物質組成又分為三個亞層(見表1)。

表1 第③層物理特性統計表Table 1 Physical properties of the third layer

2 三維地質建模思路及意義

壩址區地質模型的構建采用成都院地質處自主研發的GeoSmart平臺,該平臺形成集數據管理—模型構建—模型應用于—體的數字化體系[6]。

建模過程中首先需要通過GeoIM工程地質信息管理系統對原始勘探數據(鉆孔、平硐、地質點、試驗等)進行錄入,并進行成果單因素解析[7]。在GOCAD系統中,按照“提取數據”—“提取坐標點”—“創建/定義地質界面”—“數據關聯”的步驟(見圖2),建立相應的地質界面,設計人員可將界面的三維形態與工程地質定性分析相結合,利用三維模型與二維剖面“互校”方法對模型進行檢驗、補充、修改,如地質曲面的邊界控制、切割和平順處理,地質體的體積、空間形態展布控制等,最終形成具有參數屬性的地質對象。

圖2 建模步驟Fig.2 Modeling step

壩址區GOCAD三維地質模型(見圖3)直觀顯示基覆界面、砂層透鏡體、覆蓋層內部界面、風化卸荷面等對象的空間屬性,而其中核心部件基覆界面的形態精確度不僅關系到河谷演化,也對地下廠房、引水線路、溢洪道、壩基處理、壩肩開挖錨固等工程設計亦有重要指導意義。但在覆蓋層厚度超500 m且成因類型極其復雜的條件下,若要做到通過剖切面準確判斷河谷形態,需要大量的勘探工作,消耗大量的時間和經費,且現場實施難度極大。同時,③-2層作為相對隔水層,若能作為水平鋪蓋防滲層,可以節約投資成本。因此,通過鉆孔、地表測繪點控制約束建立壩址區表面和實體模型,并運用可視化操作,使不同方位、不同水平的地質信息迅速方便而又直觀地顯示出來,可解決勘測數據較少的情況下河谷形態研判及鋪蓋層可靠性分析。

圖3 壩址區GOCAD地質模型Fig.3 GOCAD geological model of the dam area

3 GOCAD模型應用實例

3.1 河谷形態研判

DSI方法是運用一系列具有物體幾何和物理特性的相互連結的節點來模擬地質體。本文實例中,“U”型河谷“深槽”曲面內插數據僅通過4個鉆孔(表2)獲取,數據缺乏且離散,此外數據顯示下游基巖高于上游基巖。因此在將數據轉化為連續曲面時,系統運算擬合出不合常規的網格節點[8],表現為原始模型中的“基巖反翹”現象,不符合地下水滲流規律。

表2 河谷“深槽”曲面插值數據Table 2 Interpolation data of valley deep groove

對原始模型“病灶”分析可以看出,河床中軸線(Y軸方向)長度為5.45 km,“深槽”上游起點至下游3.6 km段形態平順合理,解析出模型的平均縱坡降比為0.01。結合地質宏觀認識研究判斷,zkm01與zkm02中點M(節點M位于河床中軸線上)高程異常偏高是導致“基巖反翹”原因。因此,以縱坡降比0.01為參考值,通過計算公式(1)得出節點M的合理高程(即Z軸坐標)應為2 332 m。

HM=Hzkm304-Lzkm304-M×i

(1)

式中:HM為節點M合理高程,m;Hzkm304為鉆孔zkm304高程,m;Lzkm304-M為鉆孔zkm304至節點M水平距離,m;i為河谷縱坡降比。

為了修正原始模型,采用添加虛擬鉆孔的方法,以節點M的XY坐標為鉆孔坐標,在地質分層數據信息中增加基覆界線點,高程錄入為2 332 m,以該點為新的約束點,進行局部的“撕分”、“迭代”處理,最終形成縱坡降比為0.01的“U”型河谷“深槽”空間形態(圖4)。

圖4 河谷最終形態Fig.4 The final form of valley

3.2 ③-2層可靠性分析

(1) 按照GOCAD建模的基本方法,首先建立防滲鋪蓋層的上下頂底面;

(2) 通過厚度約束并計算誤差,將誤差云圖(厚度等值線)投影到頂面或底面上;

(3) 在被投影的面屬性欄中,查找到“厚度值”,應用腳本將“厚度值”與“Z”屬性替換;

(4) 通過線子集將厚度等值線創建為新的線對象;

(5) 將對象輸出,形成DXF、DWG格式文件。

圖5 ③-2層厚度等值線圖(圓點表示鉆孔,數字表示厚度)Fig.5 The map of thickness contour of ③-2 layer (dots indicate drilling,digital indicate thickness)

由圖5可得出:該層厚度為6～26 m,總體呈“中間薄,兩岸厚”的趨勢,最厚與最薄處都位于同一勘探線上,間距較小,且靠近左岸,說明該處層厚起伏較大。為了確保厚度分布的準確性,下一階段需進行有針對性的驗證性勘探,在缺乏鉆孔控制的部位進行補充性勘探。

該層無“天窗”發育,分布連續的現象與勘查結果一致。試驗成果顯示其抗剪強度平均值分別為c=14.5 kPa,φ=23.1°,若作為堆石壩鋪蓋層,總體能起到一定抗滑移作用。此外,GOCAD將工程地質信息系統解析的其余試驗成果(如顆分、滲透性、密度、含水率、比重、壓縮系數等)與對象的屬性關聯,水工專業可運用現有成果,確定鋪蓋范圍、厚度,計算鋪蓋作用下的水力梯度,對比不同防滲體作用下的防滲效果。

在河谷演化過程中,該層沉積同時伴有古河流沖刷,厚度較薄的部位則河流沖刷效應顯著。沿河床中心線該層厚度變化較大、坡降不連續,推斷古河流流向并非沿河床中部自上游到下游,與現代河流流向不同,出現改道現象,如圖5中箭頭所示。

4 結論

三維地質建模是地質學研究的基礎,也是水電工程設計的基礎,基于GOCAD系統可進行地質信息以及后續施工信息動態化管理。結合系統平滑插值方法(DSI方法)的可視化操作,直觀地顯示了三維模型,節約了大量勘探工作量,但由于插值數據有限,對重點區域的研究采用添加虛擬鉆孔的方法進行原始模型的檢驗、修正,使地質對象空間展布合理,符合地質宏觀認識。此外,系統的解譯功能將地質定量與定性分析相結合,有助于工程地質評價,并對下階段勘查起到一定的指導作用;同時,該系統也可同其他軟件對接,模型轉換后可進行巖土體應力應變、穩定性,地下水滲流等數值分析。

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(責任編輯：費雯麗)

3D Geological Modeling and Application of Dam Site Area Based on GOCAD

WEI Kaihong1,2, CUI Zhongtao1, LI Jinyuan1, LI Qingchun1, WANG Gang1

(1.PowerChinaChengduEngineeringCo.,Ltd,Chengdu,Sichuan610072; 2.StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059)

Geological models are often shown in traditional two-dimensional profiles in traditional design methods of hydropower survey,therefore,the spatial geometry shape and distribution of geological bodies cannot be constructed. In this paper,the engineering geological model of dam site of reservoir power station is established by 3D modeling function in GOCAD system. The model shows the spatial attributes of geological objects such as riverbed base cover interface,sand lens,covering internal interface,weathering and unloading surface. At the same time,the river valley shape analysis and reliability analysis of natural impervious blanket can be carried out under ultra-deep overburden through geological interpretation and spatial analysis function. It is significantly to enhance geology awareness of formation of ultra-deep overburden and valley evolutionin dam site area,guide the layout of exploration subsequently and realize the collaborative design of hydropower projects.

GOCAD; geologic model; ultra-deep overburden; valley morphology; bedding layer

2017-06-20;改回日期:2017-07-11

魏愷泓(1989-),男,工程師,博士,地質工程專業,從事水電工程和巖土工程勘察設計工作。E-mail:kaihongwei0908@126.com

TV222.2

A

1671-1211(2017)04-0510-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.034

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170622.1655.010.html 數字出版日期:2017-06-22 16:55