Geostation for City在長距離管線地質(zhì)模型的應用

李汶諭，劉喜珠，張航釩，杜道寬

（山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013）

Geostation是依托Bentley平臺，并基于MicroStation的地質(zhì)三維勘察設計系統(tǒng)，其系統(tǒng)功能流程如圖1所示，通過Microsoft SQLServer和ProjectWise兩個數(shù)據(jù)服務平臺，實現(xiàn)客戶端對工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和文檔的異地遠程訪問、存儲。集數(shù)據(jù)管理、地質(zhì)建模、計算分析、二維出圖、土木工程設計等模塊于一體，廣泛應用于水電、水利、工民建、地鐵、公路等地質(zhì)工程領域。該系統(tǒng)很好地滿足了工程地質(zhì)三維建模、三維分析、二維出圖、項目數(shù)據(jù)管理、勘察信息化、標準化、流程化以及工程勘察與下游各設計專業(yè)三維協(xié)同設計一體化的需求。GeoDataManage、Geostation for City是Geostation按照行業(yè)領域劃分的子系統(tǒng)之一，也是對Bentley工程三維協(xié)同設計軟件體系的極大補充。

三維地質(zhì)建模是運用計算機技術(shù)，在三維環(huán)境下將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預測、地學統(tǒng)計及圖形可視化等工具結(jié)合，用于地質(zhì)研究的一種技術(shù)。它具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點。對于地質(zhì)工程研究、礦產(chǎn)資源開發(fā)、地質(zhì)災害防治和地理信息系統(tǒng)研究具有重要意義。

利用Geostation三維地質(zhì)建模系統(tǒng)，能高效地進行三維地質(zhì)建模和信息傳遞，提高研究設計階段的效率，提升項目決策水平，對于項目設計的勘察、方案分析、設計、效果展示、決策、施工、管理及運營等方面有諸多益處。為此，筆者構(gòu)建長距離管線地質(zhì)模型，結(jié)合Geostation for City的軟件功能，實現(xiàn)對長距離管線模型的建立、分析和反饋，并對Geostation for City應用過程進行分析探討。

圖1 Geostation系統(tǒng)功能流程示意圖

1 模型創(chuàng)建

Geostation for City作業(yè)流程如圖2所示，數(shù)據(jù)、模型、查詢、統(tǒng)計一體化聯(lián)動，形成一套完整的模型創(chuàng)建流程。該軟件中模型建立、二維出圖等功能高效便利，保存、修正交互聯(lián)動，并與設計協(xié)同應用，多專業(yè)有機結(jié)合，工作效率高。

1.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

建模第一步是建立數(shù)據(jù)庫，GeoDataManage就是用于創(chuàng)建地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)梳理地質(zhì)信息內(nèi)容，完成之后再與Geostation for City交互聯(lián)動，便于地質(zhì)建模。

圖2 作業(yè)流程示意圖

1.1.1 地質(zhì)定義

結(jié)合工程區(qū)地質(zhì)資料，進行標準地層、地層界面、地質(zhì)構(gòu)造等信息錄入，實現(xiàn)工程區(qū)的地質(zhì)定義，如圖3所示。地質(zhì)定義可以說是一個分模塊、系統(tǒng)性的地質(zhì)概況，將工程區(qū)的地質(zhì)最基本信息建立數(shù)據(jù)庫，所以建立的地質(zhì)定義模塊將勘察前期或過程中收集到的地質(zhì)資料匯總整合，形成一個數(shù)據(jù)目錄，既可以便利提取數(shù)據(jù)信息，也可以及時進行數(shù)據(jù)修正。

圖3 標準地層定義示意圖

1.1.2 勘探布置

勘探布置主要是對工程開展前工作量進行初步規(guī)劃，對地質(zhì)勘察工作過程中有一定指向性。像其中勘探線布置錄入各拐點對應的坐標信息，工程開展前規(guī)劃好勘察過程的進展方向，便于勘察過程中對野外作業(yè)范圍的圈定，建模完成后也與鉆孔的信息聯(lián)系便于勘探線出圖；另外鉆孔布置和坑探布置也是初步規(guī)劃外業(yè)前鉆孔、探坑的數(shù)量多少，最大程度合理計劃勘察工作的順序。

1.1.3 地質(zhì)勘探

地質(zhì)勘探是將鉆孔、平洞、探坑和探井等野外作業(yè)收集的數(shù)據(jù)整理錄入，是整個數(shù)據(jù)庫的主干，鉆孔界面如圖4所示，基本信息包括：鉆孔編號、鉆孔坐標、、鉆孔孔深等，此模塊主要實現(xiàn)鉆孔勘探過程中收集的野外地質(zhì)信息，所包含的內(nèi)容完整度高，很好體現(xiàn)鉆探野外作業(yè)的實際情況，這一模塊是地質(zhì)模型創(chuàng)建必須應用的一部分，是整個數(shù)據(jù)庫的重中之重。

圖4 鉆孔信息示意圖

1.1.4 其他功能模塊

數(shù)據(jù)庫還可以添加地質(zhì)測繪、實驗數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、觀測數(shù)據(jù)、查詢統(tǒng)計和資料登記等多方面數(shù)據(jù)的建立。

利用GeoDataManage數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，建立的地質(zhì)信息內(nèi)容完善、全面，管理地質(zhì)信息有效又便利，梳理統(tǒng)計已完成的地質(zhì)信息準確又合理，為建立三維地質(zhì)模型提供良好的數(shù)據(jù)支持。

1.2 三維建模

筆者利用Geostation for City構(gòu)建三維地質(zhì)模型，該軟件具有強大的地質(zhì)信息處理功能和建模功能，土層互層、地層分層較明顯，相對較簡單的地質(zhì)情況根據(jù)軟件計算方式，可以自動或半自動建模，比較快捷地利用數(shù)據(jù)庫中工程地質(zhì)信息創(chuàng)建三維地質(zhì)模型。

1.2.1 地表曲面模型建立

測量人員利用相關軟件將測量數(shù)據(jù)進行地形數(shù)據(jù)處理，建立地形mesh面，地質(zhì)人員將測量提供的地形mesh面進行曲面轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)建立地表曲面模型。如圖5所示。

圖5 地表曲面模型創(chuàng)建示意圖

1.2.2 地質(zhì)建模

根據(jù)軟件三維建模功能，使用地質(zhì)建模工具，導入鉆孔信息，檢查整個環(huán)境中鉆孔信息的完整準確性；再在地形mesh面建立實體成立模型。如圖6所示，結(jié)合鉆孔信息、剖面數(shù)據(jù)及其他各種地質(zhì)數(shù)據(jù)，在所生成的實體模型中，實現(xiàn)二維出圖展示等其他地質(zhì)信息展示，其中地層起伏變化為基坑設計和基坑開挖施工有一定指導作用。

圖6 地質(zhì)模型示例

綜上所述，通過數(shù)據(jù)庫建立的三維模型具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等特點，符合BIM的特點。

2 工程應用

筆者選擇黃水東調(diào)應急工程項目，結(jié)合項目的各種情況，應用Geostation for City完成其中長距離管線部分的地質(zhì)建模。

2.1 工程概況

黃水東調(diào)應急工程調(diào)出區(qū)為東營市，調(diào)入?yún)^(qū)為膠東地區(qū)濰坊市，受益區(qū)為青島、煙臺、威海三市，所調(diào)水量均為利用各市現(xiàn)有的引黃指標，不新增引黃指標水量。工程與引黃濟青工程共同承擔青煙濰威四市供水任務，統(tǒng)籌解決青煙威濰供水危機。調(diào)水線路涉及東營市墾利縣、東營區(qū)、廣饒縣、壽光市、濰坊濱海區(qū)共5個市（區(qū)、縣）。

工程自廣南水庫加壓泵站經(jīng)兩根2.4m管道輸水至濰北第二平原水庫，再經(jīng)濰北第二平原水庫加壓泵站經(jīng)管道兩根2.4m管道輸水至宋莊分水閘。黃水東調(diào)應急工程供水保證率95%，供水流量為15m3／s，年運行243天，年供水量3.15億m3，工程規(guī)模為大（1）型。是山東省重點工程，總投資71.99億。

該工程區(qū)位于山前傾斜平原與黃河三角洲平原之間近濱海地區(qū)，地貌屬微傾斜低平原區(qū)的沖積-海積平原亞區(qū)內(nèi)，工程區(qū)北鄰黃河三角洲海積-沖積平原亞區(qū)，西鄰黃河沖積平原亞區(qū)，南鄰沖積洪積平原亞區(qū)。工程區(qū)內(nèi)地勢低平，海拔一般在10m以下。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育第四系及第三系地層，第四系全新統(tǒng)按成因可分三層，中層為灰至灰黑色的海相沉積層，上下兩層為灰黃至黃褐色的河流相沉積層；上第三系包含明化鎮(zhèn)組的棕紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖與灰白色砂巖和館陶組的灰白色礫狀砂巖、細礫巖、灰綠色細砂巖和棕紅色泥巖，下第三系為灰色、雜色泥巖和砂巖交互層。

根據(jù)GB50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄L判定，輸水管道沿線地下水對混凝土具一般酸性弱～中等腐蝕性、鎂離子型中等～強腐蝕性、硫酸鹽型中等～強腐蝕性，對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具中等～強腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

根據(jù)GB18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，龍澤水庫以北（輸水管線勘探樁號53+300附近）工程區(qū)地震動峰值加速度為0.10g，相應地震基本烈度為Ⅶ度；龍澤水庫以東輸水管線場區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，相應的地震基本烈度為Ⅶ度。

本文選擇該工程第一段管線距離總長近65km，工程地處華北平原魯北濱海黃泛平原區(qū)，管線范圍內(nèi)地勢平坦，地貌類型為黃河三角洲沖積平原地貌；工程勘察區(qū)域整體地形寬度窄并且曲折變化，地表土層主要為第四系黃河沖積物，主要為粘性土和少粘性土，基巖埋藏較深。如圖7所示。

圖7 工程區(qū)域示意圖

2.2 建模難度

模型建立過程中，軟件整體一次性創(chuàng)建模型，出現(xiàn)所建地層不全、體積等屬性缺失等情況，導致建模失敗。從數(shù)據(jù)庫的信息梳理，到建模過程操作，對地形模型、鉆孔數(shù)據(jù)、鉆孔位置分布和深度等多方面因素考慮，筆者分析認為線狀地形的距離長度和建立線狀模型對軟件運算能力的要求，對整個模型的建立帶來難度。

2.2.1 地形距離長度的難度

總長近65km長距離輸水管線的地形寬度窄且彎曲多變，如圖8所示，建立長距離線狀模型對控制點的要求比單體點狀明顯要高，一次性建模無法很好實現(xiàn)。

圖8 局部管線地形m esh

2.2.2 模型運算數(shù)據(jù)量大

線狀長距離模型的鉆孔、地形節(jié)點等各種運算數(shù)據(jù)與單體點狀地質(zhì)模型比較相差也很大，建模運算的數(shù)據(jù)量可能會遠遠超過計算機計算分析能力，并可能在建模過程中與其他軟件產(chǎn)生沖突，導致建模失敗。

2.3 解決策略

筆者為解決數(shù)據(jù)輕量化、線狀長距離地形等進行了各種嘗試，進行了鉆孔、地形mesh方面的改進。如鉆孔深度的控制，數(shù)據(jù)庫中錄入鉆孔深度不統(tǒng)一，在保證勘察要求的前提下，盡可能保證建模鉆孔深度一致，并進行鉆孔數(shù)據(jù)調(diào)整，達到既保證數(shù)據(jù)準確性，又在建模數(shù)據(jù)處理過程中輕簡化的目的。又如分段建模，對線狀長距離地形的難點，筆者采取的方法就是將線狀化成點狀，化整為零，對地形Mesh分段取直，使線狀長距離地形成為短距離點狀地形，達到規(guī)整地形的目的，解決地形彎曲多變的影響因素，控制建模過程中節(jié)點，提高建模成功率。分段建模如圖9所示。形成的模型具有BIM所有的特點，基本滿足要求。應用此方式建立全部分段模型，實現(xiàn)該工程管線整體地質(zhì)模型的建立如圖10。

圖9 局部分段地質(zhì)模型

通過探討分析局部調(diào)整，進行鉆孔信息整理、模型分段構(gòu)建，建立的長距離管線地質(zhì)模型基本滿足下游專業(yè)的需求。

圖10 地質(zhì)模型

3 結(jié)語

Geostation for City以工程地質(zhì)數(shù)據(jù)資料為基礎，軟件建模功能為技術(shù)核心，通過強大的曲面構(gòu)建能力，建立地表地形和地層界面，實現(xiàn)三維地質(zhì)實體建模，突破二、三維互動修改，體現(xiàn)出BIM模型的可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性等特點。

本文通過探索線狀長距離建模機制，實現(xiàn)了三維地質(zhì)建模的動態(tài)模型建立，同時能夠提供圖形可視化，方量運算，剖面圖自動繪制等功能，為三維地質(zhì)建模提供了新的思路。通過Geostation for City建模軟件強大的交互能力，可把生成三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)導入Bentley系列其他軟件進行充分的利用，也可以導出部分數(shù)值進行深度計算和模擬工作。

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