三維地質模型在水運工程中的應用

李家華，陳良志，楊彪，唐正浩

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

三維地質建模（3D Geo-science Modeling）技術是在虛擬三維環境下，利用空間信息管理、地質解譯、空間分析與預測、地學統計、實體內容分析以及圖形可視化等工具用于地質分析的技術[1]。三維地質模型在實際工程的運用中具有十分重要的意義[2]，得益于BIM技術的快速發展，包含地勘數據的三維地質模型開始受到越來越多的重視和研究。目前主流的三維地質建模軟件多是在理論上具備一定的建模能力，但在實際項目應用中仍存在諸多問題，如建模軟件缺乏針對性、BIM技術與三維地質的結合、地質夾層建模理論等[3]，制約著三維地質技術真正的普及和推廣。

在水運工程行業，三維地質模型研究起步較晚，發展相對滯后，而傳統的地質勘察成果通常采用二維方式來表示，如平面圖、剖面圖、鉆孔柱狀圖等，其可視化和聯動性較差。當地質結構層級復雜、軟弱土層區域分布差異大、各鉆孔間連續性難以判斷時，會給設計和施工帶來很多不可預測性，在工程中留下安全隱患。三維地質建模技術的出現能有效改變這一現狀，通過對地質勘察數據進行整合，建立三維的地質模型，利用可視化技術便可在計算機上實現對勘察場地地質情況的模擬，從而做出真實生動的三維效果圖。并且在三維地質模型的基礎上，設計人員可以進行場地開挖、結構比選等工作，為工程的設計和施工提供參考。本文結合某海堤工程案例，對大場地下的三維地質模型建模要點及關鍵技術進行了研究和總結。

1 三維地質模型的創建

AutoCAD Civil 3D是土木工程中最重要的BIM軟件之一，尤其是其擴展應用地質巖土模塊Geotechnical Module，能夠快速準確地進行三維地質模型的創建。如圖1所示，地質巖土模塊可分為地質數據管理、三維地質模型樣式管理、剖面出圖管理等，具有操作簡單、數據動態關聯、出圖方便等特點。Civil 3D的曲面類型分為三角網曲面，柵格曲面和體量曲面，其中三角網曲面可以較精確地模擬真實的地形和地層面。利用鉆孔數據直接建立三維地質模型一直是國內外研究的基本方向，鉆孔資料對建立三維地質至關重要[4-6]。Civil 3D建立地質模型主要是通過地質巖土模塊導入鉆孔數據來生成三維地層曲面，再通過地層曲面模型提取三維實體模型。

圖1 AutoCAD Civil 3D地質巖土模塊Fig.1 Geotechnical module of AutoCAD Civil 3D software

1.1 數據的導入及處理

導入的地勘數據文件支持AGS和CSV格式。通過地質勘察軟件gINT導出鉆孔位置信息和鉆孔地層信息，制作成2個CSV格式文件（Location Details.csv和 Field Geological Descriptions.csv），并將其導入到Civil 3D地質巖土模塊的數據庫中，便可自動生成帶有地理位置信息和地層信息的三維鉆孔柱狀圖用于創建地質模型。同時，地質模型可以根據數據庫的更新而更新。

當地質模型存在夾層時，需對導入的鉆孔數據進行處理。如當某個鉆孔存在地層X，而其周圍鉆孔都不存在X時，地層X就相當于一個透鏡體，Civil 3D的地質巖土模塊自動建模無法識別透鏡體，需要對地層數據進行批量處理，這也是制約三維地質快速建模的關鍵因素之一。具體解決方法可通過在原始地層的CSV數據上添加0厚度的虛擬地層，使透鏡體或夾層尖滅在臨近鉆孔。再如當同種地層在1個鉆孔中出現多次時，需根據標高位置，將該地層分為X-1，X-2，X-3等不同的亞層來處理，不同亞層可生成不同的曲面和實體，并將不同亞層的實體模型賦予相同的屬性信息。該思路適用于夾層較多的地質模型，且可實現快速批量處理，需要根據三維地層的實際分布情況批量刪除不合理的連接，實現勘察數據與三維地質模型的無縫對接轉換。

通過對原始地勘數據的經驗性處理，可有效提高地質模型的創建速度和精度。但當地層分布較復雜時，地質模型的創建具有一定的主觀性，不同建模人員創建的模型可能存在差別，這時需要具有豐富地質工程經驗的人員加以判斷，以求創建出最合理最接近實際情況的地質模型。

1.2 創建管理曲面及實體模型

三維地質模型包含三維曲面模型和三維實體模型，在項目設計中具有重要的應用價值。通過剖切三維地質曲面即可得到地質剖面圖，且包含地層名稱、標高、鉆孔等相關信息，滿足設計需要，提高生產效率。同時，三維地質實體模型可以起到精確算量的作用，特別是按土質分類開挖，通過將開挖實體模型與三維地質實體模型進行布爾運算，直接得到不同土質的三維模型并獲取體積數據，減少算量誤差，帶來直接經濟效益。

將處理后的鉆孔數據導入到數據庫后，地質巖土模塊支持一鍵生成三維曲面模型，并可根據需要選擇顯示或隱藏曲面對象，如圖2所示?？紤]濱海沉積地層平緩分布的基本規律，自動分層算法按層號構建三維地質模型，將不同鉆孔的同一地層連接在一起，構成相同地質的曲面模型。Civil 3D軟件支持從兩個曲面提取實體，將同一地層的上層曲面與下層表面耦合，即可得到三維實體，模型的屬性信息需根據實際情況進行補充和修改。生成的實體模型建議根據土體信息分別放在不同的圖層中，方便管理和查看。

圖2 創建地層曲面模型Fig.2 Create stratigraphic surface models

1.3 三維地質模型出圖

在生成三維地質曲面模型后，地質巖土模塊可以快速創建地質剖面圖，并可實現模型的任意剖切。先選擇剖切路線，再根據命令提示選中曲面和鉆孔后，即可調用地質信息數據庫里的相關信息，根據出圖需要創建與地質模型動態關聯的地層剖面，土層編號及標高信息自動標注，地層信息與地質剖面圖一一對應。剖面圖出圖樣式可以提前設定，通過調整全局比例，保證字體樣式的統一性。另外，在地質巖土模塊的剖面出圖樣式管理選項中，可以定制地層的填充樣式，使地質模型在柱狀圖和剖面圖中的顯示樣式符合相關規范要求。通過地質剖面圖，可清晰地反映各鉆孔之間的連接規律及夾層情況，為后續的斷面設計和地基處理提供更加準確的地質資料，提高工程設計的安全性和可靠性。此外，當道路模型和地質模型同步出圖時，可以采用Civil 3D軟件的創建橫斷面圖功能來實現。

2 某海堤工程應用實例

該工程案例為大型填海工程，勘察成果包含600多個鉆孔，工程區域范圍較大，地質情況較復雜，南北土層淤泥分布差異較大。由于工程主體結構建模范圍超出鉆孔覆蓋范圍，而軟件本身不具備將地質模型自動向外擴展延伸的功能，考慮到濱海沉積地層具有良好的連續性，本次建模采用復制臨近鉆孔資料的方法來實現對地質模型區域的擴展，最終數據庫鉆孔個數達到800多個，如圖3所示。

圖3 三維鉆孔布置圖Fig.3 3D drilling layout

軟弱夾層的處理通常是海堤設計中需要重點考慮的問題，傳統的二維勘察結果對地質情況的表達存在諸多不便，無法考慮地質在三維空間中的擴展延伸情況，三維地質模型的應用可以增強可視化效果，有效改善設計和施工中在地質三維空間內的盲區。由于本項目地質夾層較多，數據導入前需按照本文描述方法分析鉆孔數據，對透鏡體進行批量處理，形成合理的地層連接順序。然后通過Civil 3D地質巖土模塊導入數據，快速生成地層曲面，檢查各曲面準確性，確認無誤后提取相應土層的三維地質實體模型，三維地質實體模型剖面如圖4所示。

圖4 三維地質實體模型剖面細節展示Fig.4 Detailed profile of 3D geological solid model

本項目位于沿海灘涂地帶，表面具有較厚的淤泥層，根據海堤結構的穩定性計算，部分區域需要進行基槽開挖換填處理。由于二維設計的局限性，在傳統的基槽開挖設計中通常對真實地質情況進行簡化處理，采用標高進行土質控制，這樣更加方便出圖和統計工程量。但對于實際項目來說是不利的，存在一定的安全隱患，同時無法精確統計不同土質的開挖量。通過建立三維地質模型，基槽開挖設計實現了從傳統的標高控制到土質控制的轉變，該過程不僅提高了設計精度，同時可以實現自動出圖，減少工作量。另外，通過將基槽開挖實體模型與三維地質實體模型進行布爾運算，可以獲得不同土層的開挖模型，進而精確統計各土層的開挖量。

在本項目的施工圖設計過程中，設計團隊應用了三維地質建模技術，發現了較多二維初步設計成果的不合理性，并不斷進行海堤結構方案優化，最終形成了滿足設計要求的最優方案。特別是在地層差異較大區域，傳統二維設計不易獲悉地質在三維空間的變化規律，進而使得海堤結構設計時考慮不夠周全，而三維地質模型在空間上具有較強的可視性，能有效提高設計的合理性和準確性。繪制傳統二維斷面圖時，經常需要將處理好的鉆孔柱狀圖及地層信息拷貝到斷面圖的相應位置，工作較為繁瑣，而Civil 3D軟件可以實現海堤斷面和地質剖面的同步、快速、批量出圖，且可以在任意里程位置進行剖切。三維海堤模型可以采用軟件的道路功能創建，而橫斷面圖的樣式及標注信息等，可以預先在Civil 3D模板文件中設置好，以保證后期一鍵出圖的規范性，如圖5所示。

圖5 剖切模型生成橫斷面圖Fig.5 Create cross-section drawing by model cutting

3 探討

三維地質模型的應用將是水運行業BIM發展的必然趨勢，通過Civil 3D軟件的地質巖土模塊可以初步實現滿足行業要求的三維地質建模，但在實際應用過程中仍然存在幾點問題：

1）三維地質透鏡體的處理缺乏客觀性，實際地層情況難以把握，通過夾層尖滅到相鄰鉆孔進行近似模擬，只能在一定程度上反映夾層的三維空間特性，并非完全準確，真實情況只能通過補充鉆孔來完善；

2）三維地質建模工作量繁重，當鉆孔數量較多時，對計算機硬件及建模人員都是不小的考驗，若地層曲面的連接存在錯誤，則較難發現，往往需要在出圖過程中再進行調整，而模型的更新響應速度較慢。

3）傳統的出圖模式仍然是大家容易接受的方式，采用三維地質模型進行出圖時，在出圖樣式和習慣上與傳統模式存在較多不同，或許隨著BIM技術的發展，出圖要求和觀念應該與時俱進。

4 結語

在水運工程BIM設計中，三維地質建模技術是不可缺少的關鍵技術之一，特別是在地質條件復雜的項目中具有更加重要的應用意義。通過Civil 3D軟件及其地質巖土模塊，可以實現三維地質的建模，并應用于設計過程的方案優化和必選，有效避免了二維設計中容易發生的錯誤。通過對三維地質模型的剖切可以實現快速出圖，并使模型和圖紙具有動態關聯的特性，同時可以實現自動標注，包括填充樣式、土層和標高信息等。此外，三維地質模型在分土層統計開挖量方面具有明顯優勢，通過三維實體模型的布爾運算功能，快速實現開挖土體的分類統計，提高了工作效率和工程量的準確性。實踐證明，利用Civil 3D軟件創建三維地質模型，可以滿足水運工程BIM應用的需求，其獨特的建模理念和技術優勢可以有效促進三維地質建模技術在水運行業的普及和推廣。