三維地質(zhì)建模技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

（中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明650051）

三維地質(zhì)建模，就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(yù)測(cè)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析及圖形可視化等工具結(jié)合起來，用于地質(zhì)研究的技術(shù)［1］。三維地質(zhì)建模最初主要是為了解決礦業(yè)工程、油藏工程等地質(zhì)模擬和輔助工程設(shè)計(jì)而提出的，隨著相關(guān)理論基礎(chǔ)的研究和深入，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)外在相關(guān)領(lǐng)域出現(xiàn)了一些地質(zhì)建?？梢暬浖鏓arthVision，GOCAD，3DGMS等。近年來，國(guó)內(nèi)三維地質(zhì)建模軟件系統(tǒng)的開發(fā)逐漸成為關(guān)注的熱點(diǎn)，一些單位及高校研究開發(fā)出了滿足不同要求的三維地質(zhì)建模系統(tǒng)［2-5］。

土木工程三維地質(zhì)系統(tǒng)（GeoBIM）是由中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）聯(lián)合開發(fā)的三維地質(zhì)建模軟件，軟件功能涉及權(quán)限管理、數(shù)據(jù)維護(hù)、三維建模、數(shù)據(jù)分析、圖件編繪、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)查詢等，軟件已在數(shù)十個(gè)水利水電工程中得到應(yīng)用，取得了大量的應(yīng)用成果。

1 三維地質(zhì)建模的基本流程

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

三維地質(zhì)建模以各種原始資料為基礎(chǔ)，用于建模的數(shù)據(jù)包括以下幾類。

（1）地形數(shù)據(jù)。包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)、地形等高線、地形面等。

（2）物探數(shù)據(jù)。包括物探剖面成果、物理屬性界面等。

（3）勘探數(shù)據(jù)。包括鉆孔、平洞、探坑、探井、探槽等勘探成果資料。

（4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)。包括各種室內(nèi)試驗(yàn)及原位測(cè)試的成果資料。

（5）地質(zhì)數(shù)據(jù)。包括遙感解譯成果、工程地質(zhì)測(cè)繪資料。

根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型，分別進(jìn)行整理和歸納。將各類地質(zhì)點(diǎn)數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，將各類特征線和面直接導(dǎo)入軟件中作為原始數(shù)據(jù)，并從完整性、合規(guī)性、合理性等方面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的檢查和復(fù)核。

1.2 建?；玖鞒?/h3>

（1）將各類基礎(chǔ)地質(zhì)資料錄入到地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中。

（2）直接導(dǎo)入測(cè)繪專業(yè)提供的地形面，將基礎(chǔ)地質(zhì)資料轉(zhuǎn)換為空間點(diǎn)、線數(shù)據(jù)。

（3）以各類勘探點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)繪制控制剖面，根據(jù)各類地質(zhì)對(duì)象的特點(diǎn)繪制特征，輔助剖面對(duì)建模數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，得到各類地質(zhì)對(duì)象的控制線模型，對(duì)同一屬性線條擬合得到相應(yīng)地質(zhì)對(duì)象的初步大面模型。

（4）通過剪切、合并等操作形成三維地質(zhì)面模型。

（5）通過圍合操作得到三維地質(zhì)圍合面模型，通過面與實(shí)體的分割操作得到三維地質(zhì)體模型。

三維地質(zhì)建模流程如圖1。

圖1 三維地質(zhì)建模流程

2 工程地質(zhì)對(duì)象建模

2.1 地表面模型及河流水面模型

地表面是地質(zhì)建模的基礎(chǔ)表面，同時(shí)也是三維設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)，在實(shí)際工作中，應(yīng)有唯一的地形面才能保證使用數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。為保證地形面的精度，地形面的提供者應(yīng)為測(cè)繪專業(yè)，且地形面模型應(yīng)同時(shí)滿足地質(zhì)建模軟件和設(shè)計(jì)專業(yè)軟件的需求。

2.1.1 地表面模型

模型的建立同時(shí)考慮水上地形數(shù)據(jù)和水下地形數(shù)據(jù)，一次性整體建模。河流水面模型應(yīng)使用河流兩側(cè)及河流中的測(cè)繪點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，并通過與地表面模型的剪切操作得到河流水面模型。

2.1.2 地形面

需根據(jù)地質(zhì)勘探點(diǎn)及物探測(cè)量點(diǎn)高程對(duì)地形面進(jìn)行校核及更新，以保證地形面的精度。

2.2 覆蓋層建模

在建模過程中，應(yīng)考慮覆蓋層堆積成因，根據(jù)底界面形態(tài)和已有數(shù)據(jù)選擇合適的建模方法?；麦w的建模應(yīng)關(guān)注滑坡的滑動(dòng)面和滑坡中部堆積體厚度的變化情況；沖積層的建模可以考慮河流的特點(diǎn)，采用橫截面剖面分段控制建模的方法來進(jìn)行建模，如圖2。

圖2 工程區(qū)覆蓋層地質(zhì)模型

2.3 地層及構(gòu)造建模

地層及構(gòu)造建模主要考慮產(chǎn)狀來建模，在分界點(diǎn)上給出反映該處對(duì)象變化情況的傾向線或小范圍面，綜合各個(gè)分界點(diǎn)的特征線或特征面擬合建模，既可保證面模型通過現(xiàn)有分界點(diǎn)，又可反映地層和構(gòu)造的整體變化特點(diǎn)，如圖3。

圖3 地層界面、構(gòu)造面模型

2.4 剖面線建模

風(fēng)化面、卸荷面、水位面、透水率界限面等地質(zhì)對(duì)象的建模相較于地層及構(gòu)造的建模，缺少了產(chǎn)狀信息，且形態(tài)特征更加不規(guī)則，需要更多的數(shù)據(jù)來控制形態(tài)的變化。將現(xiàn)有的各類離散點(diǎn)，通過剖面的方式來連接各類散點(diǎn)，一方面可以增加數(shù)據(jù)量，另一方面可以給定擬合的方向，提高擬合成目標(biāo)面的效率。

剖面線建模以現(xiàn)有的勘探點(diǎn)位為控制節(jié)點(diǎn)，形成三角化的剖面線網(wǎng)格控制研究區(qū)的建模，而對(duì)于缺少數(shù)據(jù)的部位可增加適量的輔助剖面來進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。

2.5 特殊對(duì)象建模

特殊對(duì)象考慮透鏡體及溶洞，這類對(duì)象的建模方式不同于其他地質(zhì)對(duì)象。在建模過程中，重點(diǎn)構(gòu)建地質(zhì)對(duì)象的軸線和特征截面線，通過放樣的方式來建模。

3 建模成果

3.1 基礎(chǔ)圖件

通過對(duì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)直接調(diào)用，可得到各類基礎(chǔ)圖件，如鉆孔柱狀圖、赤平投影圖、節(jié)理玫瑰圖等。

3.2 數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計(jì)

在建模的過程中直接從數(shù)據(jù)庫調(diào)用數(shù)據(jù)，在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢時(shí)，可搜索各類相關(guān)信息并直接查看。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫提供了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的功能，可以根據(jù)不同的設(shè)置條件來統(tǒng)計(jì)各類數(shù)據(jù)。

3.3 模型分析

主要針對(duì)已建的三維地質(zhì)模型進(jìn)行分析，模型分析可以進(jìn)行單截面分析、多截面分析、剖面分析、虛擬鉆孔、虛擬平洞等操作。在空間上、多角度反映地質(zhì)對(duì)象的變化情況，為地質(zhì)對(duì)象的空間分析提供了基礎(chǔ)，如圖4～圖5。

圖4 單截面分析

圖5 多截面分析

3.4 成果圖件編繪

三維地質(zhì)圖在表達(dá)上更加形象，更具立體感，但是由于缺少三維地質(zhì)圖的相關(guān)出圖標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)階段的圖件編繪以二維圖件和三維圖件共存，可以直接從三維模型中抽取得到二維圖件；三維圖件在強(qiáng)調(diào)展示效果的同時(shí)注重信息的展示，既可達(dá)到美觀的效果，又可表達(dá)信息，為三維圖件的標(biāo)準(zhǔn)化提供了參考，如圖6～圖7。

圖6 二維剖面地質(zhì)圖

圖7 三維地質(zhì)剖面圖

3.5 CAE分析

隨著各種數(shù)值計(jì)算分析軟件的不斷發(fā)展，三維數(shù)值模擬分析在工程中得到了大量的應(yīng)用，二維設(shè)計(jì)成果需要通過成果轉(zhuǎn)換得到三維模型。三維設(shè)計(jì)可以直接提供三維地質(zhì)模型，經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化就可以應(yīng)用于數(shù)值模擬計(jì)算，如圖8和圖9。

圖8 模型剖分結(jié)果

圖9 模型分析結(jié)果

3.6 協(xié)同設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)專業(yè)使用的軟件與地質(zhì)三維建模軟件不同，通過對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換可得到直接導(dǎo)入設(shè)計(jì)軟件的地質(zhì)模型，包括Inventor軟件和Civil 3D軟件。導(dǎo)入Inventor軟件的地質(zhì)模型為實(shí)體模型，帶有地質(zhì)相關(guān)信息，包括地質(zhì)對(duì)象的巖性、風(fēng)化、建議開挖坡比及相關(guān)的巖土力學(xué)參數(shù)。導(dǎo)入Civil 3D軟件的地質(zhì)模型為面模型，帶有面的相關(guān)屬性，如地層分界面、風(fēng)化程度、水位面等信息，如圖10和圖11。

圖10 導(dǎo)入Inventor地質(zhì)模型

圖11 導(dǎo)入Civil 3D地質(zhì)模型

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

某水電站位于雅礱江中游河段上，電站總裝機(jī)容量1500MW。樞紐由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。該電站位于高山峽谷區(qū)，兩岸地形陡峭，呈基本對(duì)稱的“V”型。壩址區(qū)基巖主要為花崗閃長(zhǎng)巖、板巖夾砂巖、變質(zhì)粉砂巖等。壩址區(qū)變質(zhì)巖為單斜地層，斷層較發(fā)育，共發(fā)育3條Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面，59條Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面。

4.2 工程三維地質(zhì)建模

本工程應(yīng)用土木工程三維地質(zhì)系統(tǒng)軟件（GeoBIM）進(jìn)行三維地質(zhì)建模，主要利用勘探所得的54個(gè)鉆孔成果，以鉆孔為節(jié)點(diǎn)繪制了控制性剖面共41條，結(jié)合初步曲面擬合成果有針對(duì)性地增加了輔助剖面，得到的全部剖面的空間線條如圖12。將具有同一屬性的空間線條進(jìn)行曲面擬合，按照各曲面之間相互關(guān)系進(jìn)行剪切后得到各種地質(zhì)對(duì)象的面模型。本次建模完成了4個(gè)地層界面、62個(gè)斷層面、地下水面、強(qiáng)卸荷面、弱卸荷面、透水率1Lu面、弱風(fēng)化上帶分界面、弱風(fēng)化下帶分界面、微風(fēng)化面等面模型。通過對(duì)建模范圍的側(cè)面及底面進(jìn)行圍合，得到工程樞紐區(qū)三維地質(zhì)模型，如圖13。

圖12 繪制剖面后得到的空間線條

圖13 樞紐區(qū)三維地質(zhì)模型立視圖

4.3 三維地質(zhì)建模成果應(yīng)用

通過對(duì)三維地質(zhì)模型進(jìn)行剖切直接得到各種建筑物軸線的三維地質(zhì)剖面模型，如圖14；將三維地質(zhì)模型轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入Inventor軟件，基于三維地質(zhì)模型進(jìn)行開挖面設(shè)計(jì)，得到壩基與水墊塘開挖邊坡設(shè)計(jì)模型，如圖15；使用開挖面對(duì)三維地質(zhì)模型進(jìn)行剪切得到開挖面三維地質(zhì)模型，如圖16；將大壩及地下廠房等模型與地質(zhì)模型結(jié)合后，直接進(jìn)行剖切后可以了解建筑物所處的地質(zhì)條件，圖17為某高程三維地質(zhì)平切模型。

圖14 大壩壩軸線三維地質(zhì)模型

圖15 壩基與水墊塘開挖邊坡設(shè)計(jì)模型

圖16 開挖面三維地質(zhì)模型

圖17 三維地質(zhì)平切模型

5 結(jié)語

三維地質(zhì)建模技術(shù)依托三維地質(zhì)建模軟件在水利水電工程中取得了較好的應(yīng)用效果，解決了各類原始資料的整理和歸納，各種資料的快速查詢和統(tǒng)計(jì)，各類地質(zhì)對(duì)象的快速建模，三維地質(zhì)模型的快速分析，二維圖件批量出圖，三維圖件編繪，地質(zhì)模型與建筑物模型結(jié)合CAE分析，地質(zhì)專業(yè)與設(shè)計(jì)專業(yè)協(xié)同等問題，大大減少了二維設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，提高了工作效率，為整個(gè)工程的三維設(shè)計(jì)工作打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

［1］Houlding S W.3D geo science modeling：computer techniques forgeologicalcharacterization［M］.Berlin：Springer-Verlag，1994.

［2］鐘登華，李明超，劉杰.水利水電工程地質(zhì)三維統(tǒng)一建模方法研究［J］.中國(guó)科學(xué)，2007，38（3）：455-466.

［3］劉振平.工程地質(zhì)三維建模與計(jì)算的可視化方法研究［D］.武漢：中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2010.

［4］梁昌玉.水電工程地質(zhì)體三維建模及可視化研究［D］.蘭州：蘭州大學(xué)，2010.

［5］王正.水利水電工程三維地質(zhì)建模可視化技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2013.