工程地質勘察可視化關鍵技術在滇中引水等工程中的應用

(1.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，湖北 武漢 430074; 2.長江勘測規劃設計研究院有限責任公司, 湖北 武漢 430010)

1 技術背景

地質勘察是水利水電工程規劃、設計、施工的重要基礎性工作。我國水利水電工程越來越多地集中于西南高山峽谷地區。這一地區工程地質條件復雜，河床覆蓋層深厚、高陡邊坡和大型地下洞室是關系工程安危的三大關鍵技術難題。鉆孔彩電、衛片、航片、近距離三維激光掃描、無人機等可視化技術已廣泛應用于地質勘察。長江勘測規劃設計研究院有限責任公司圍繞水利水電工程地質勘察可視化關鍵技術進行了長達20 a的研究，發明了涵蓋工程地質勘察內、外業的新技術與新方法，形成了一套集數據采集、視頻交互與遠程專家診斷、三維地質建模與成果信息管理“三位一體”的工程地質勘察可視化工作系統。

2 地質勘察可視化關鍵技術

水利水電工程地質快速可視化勘察技術就是從地質原始信息的數據采集到成果管理，通過快速獲取地質對象的圖像或視頻，用視頻或帶有尺寸的圖像展示工程地質實際，表達工程地質條件，解決工程地質問題。圖像或視頻能多角度、多尺度、直觀展示客觀實際；融合圖像和坐標信息，能顯著提高成果精度和工作效率；借助無人機、鉆孔電視等技術獲取的地質圖像或視頻開辟了一種對難以近觀情況下的地質信息采集新途徑，如深厚松散層、陡壁、深溝、山頂、大型地下洞室等無法看到或無法到達的部位。

水利水電工程地質快速可視化勘察技術的研發，以工程地質、工程測量與攝影理論為基礎，綜合應用計算機信息處理、空間測量、攝影、鉆孔彩電、無人機、網絡視頻、GPS、GIS等新技術，研究工程地質勘察新技術、新方法，形成集可視化數據采集、視頻交互與遠程專家診斷、可視化三維地質建模與成果信息管理于一體的工程地質信息化工作系統，提高成果精度和工作效率。技術路線如圖1所示。

圖1 工程地質勘察可視化技術路線

2.1 可視化數據采集

實現水利水電工程地質勘察可視化，首要任務是將外業采集數據直接輸入電腦，以便專家隨時、快速獲得直觀、完整的原始地質信息，準確地進行工程地質分析、判斷。

2.1.1 工程地質測繪

發明了基于windows的便攜平板式工程地質測繪工作方法[1]，利用windows系統的便攜平板電腦與開發軟件，可自動加載地形圖、航片、衛片等背景圖或者無人機(UAV)拍攝的帶有坐標信息的高清照片，再結合GPS實測地質點坐標，現場勾繪CAD地質圖，直接記錄地質信息，高質量完成帶有清晰影像的CAD地質平面圖。該技術解決了地質測繪中GPS定位、航片、衛片與地形圖有機融合的技術難題，解決了人難接近、摸不著、看不到的邊坡高陡部位的地質測繪難題，實現了野外現場高效一次性完成帶有清晰影像的CAD地質平面圖，可真正大規模用于生產實踐。

圖2 可視化勘探流程及數字鉆孔示意

2.1.2 深厚覆蓋層可視化探測

發明了深厚松散層的可視化探測方法的專利技術[2]，打破了以往為護壁而護壁的思路。拓展護壁材料的功能，一方面將其作為鉆孔護壁器，有效解決了深厚松散層在鉆探過程中的塌孔問題；另外一方面又利用其透明性實施高清鉆孔電視，真實、直觀地了解松散層的物質組成和結構特性，從而實現深厚松散層工程地質勘察的可視化，解決了深厚松散層不能實施鉆孔電視的技術難題(如圖2所示)。

2.1.3 快速可視化地質編錄

發明了大型洞室儀測成像可視化地質編錄方法[3]和基于windows的平板式施工地質可視化快速編錄方法[4]。解決了地質編錄中現場大面積多張照片與開挖面坐標信息有機融合的技術難題，提高了自動化程度，實現了一次性快速生成CAD地質高清線劃影像圖。可全面再現大洞室、高邊坡開挖所揭露的地質現象，可真正大規模用于生產實踐中(如圖3所示)。

圖3 可視化地質編錄示意

2.2 三維地質建模與成果信息管理

引入GOCAD三維地質建模軟件并進行二次開發，開發了以三維地質模型為核心的數據轉換、數據管理及成果圖繪制等軟件，實現了基于GOCAD可視化工作系統的地質信息數據庫快速構建及工程地質剖面圖快速制圖，如圖4所示。

圖4 可視化三維地質建模流程示意

2.3 視頻交互遠程專家診斷

采用可視化快速勘察技術，實現了各勘察階段勘察過程和勘察資料的可視化。原始信息資料的可視化大大提高了遠程專家診斷的便捷性和可行性。采用可視化快速工程地質測繪、勘探、快速編錄、自動化監測等新技術獲得具有地質細部特征的現場地質細觀信息，通過Internet實時傳送到后方，進行統計、分析及三維地質建模等工作，可實時與專家交互，實現遠程專家分析判斷(如圖5所示)。

圖5 遠程專家診斷系統示意

3 工程應用

3.1 滇中引水工程

滇中引水工程是從金沙江上游石鼓河段取水，以解決滇中區水資源短缺問題的特大型跨流域引(調)水工程。工程多年平均引水量34.03億m3，渠首流量135 m3/s，末端流量20 m3/s。輸水總干渠全長超過660 km，受水區包括麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪、紅河6個州(市)的35個縣(市、區)。

滇中引水工程跨滇西北、滇中及滇東南地區，線路共跨越金沙江、瀾滄江、紅河及南盤江四大水系，穿越滇西北橫斷山系高、中山地貌區及滇中、滇東南盆地山原區，沿線總體呈現西北高、東南低的地勢特征，地形地質條件極為復雜。

3.1.1 石鼓水源區沖江河泵站深孔可視化探測

滇中引水工程由石鼓水源工程和輸水工程組成，水源工程采用提水泵站取金沙江水，輸水總干渠順地勢由高至低，全線具備自流輸水的條件。

石鼓水源區沖江河河床覆蓋層深厚，最大厚度為132.80 m，主要為沖洪積中細砂卵石、漂石堆積，結構松散，成分雜亂不均一，物質有多期沉積韻律，中部夾淤泥質軟土層。在地質勘察工作中，布置的深覆蓋層鉆孔地勘工作遇到了較大問題。由于深厚覆蓋層的固有特性，勘探中存在以下問題：①鉆孔內孔壁不穩、易坍塌、進尺緩慢、成孔難；②沉淀過多、掉塊垮孔嚴重；③巖芯易堵，取芯質量差。所以，這些覆蓋層深孔一直難以達到理想的鉆進效率和取芯質量。采用深厚覆蓋層可視化探測技術，順利完成砂卵石厚達130余米的深孔勘探，明顯提高了臺月效率，降低了生產成本，效果良好(見圖6)。

圖6 深厚覆蓋層鉆孔彩電

3.1.2 可視化工程地質測繪

采用基于windows的便攜平板式工程地質測繪工作方法，在滇中引水工程可研階段實施了地質測繪工作：大理I段長110 km，兩側各5 km，解決了傳統紙質填圖方法成圖精度較差、不具可視化和綜合利用效果較差等缺陷，及時為設計提供了翔實、準確的地質資料，提高了勘察工作效率(見圖7)。

圖7 滇中引水工程可視化工程地質測繪

3.1.3 石鼓水源區三維地質建模

滇中引水工程研究區內斷裂、褶皺十分發育，地質人員難以構想其空間形態，而借助于三維地質模型，可以直觀、準確地展示地質體的空間分布規律。另外，應用建立的三維地質模型制作剖面圖和平切圖，快速，準確。

結合GOACD及CATIA軟件，從項目建議書階段開始，建立地質信息數據庫。以勘探鉆孔、平洞以及平剖面圖等地質資料為依據，構建石鼓水源區準確的GOCAD三維地質模型，并及時轉為CATIA格式(見圖8)，供其他設計專業協同工作。

圖8 石鼓水源區三維地質建模

3.2 烏東德水電站

烏東德水電站位于金沙江下游河段，烏東德水電站壩址以上流域面積40.61萬km2，多年平均流量3 830 m3/s、徑流量1 207億m3；水庫正常蓄水位975 m，總庫容74.08億m3；死水位945 m，調節庫容30.20億m3；防洪限制水位952 m，防洪庫容24.40億m3。電站裝機容量10 200 MW(12×850 MW)，多年平均發電量389.1億kW·h，為Ⅰ等大(Ⅰ)型工程。烏東德水電站樞紐工程主要由大壩、泄洪洞、引水發電系統等建筑物組成。大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高270 m；泄洪消能建筑物由壩身5個表孔、6個中孔及壩后水墊塘和布置于左岸的3條泄洪洞及出口水墊塘組成；引水發電系統采用地下廠房，左右岸各布置6臺機組。施工期采用一次斷流、圍堰全年擋水、共布置5條導流隧洞(左岸2條、右岸3條)的方式進行前期導流，后期由陸續完成的泄洪建筑物泄水。

圖11 烏東德大壩建基面三維影像及地質編錄

3.2.1 壩址區深厚覆蓋層可視化探測

烏東德水電站壩址區河床覆蓋層深厚，一般厚達55～65 m。其物質組成有河流沖積形成的礫、砂、卵石與少量漂石，以及兩岸崩塌入江的塊碎石及金坪子滑坡堆積形成的碎塊石等，成份混雜，成因及工程特性復雜。在烏東德水電站地勘鉆探工作中，采用可視化探測技術，完成鉆孔高清錄像解譯總長6 761.81 m(63個孔)，取得河床覆蓋層清晰直觀的彩色圖像資料(見圖9)。鉆孔電視不僅清楚，還可通過高清圖片結合現場實際解譯出顆粒級配，實測密度，室內復原原始級配，模擬土體做各種力學試驗，作用重大。攻克了厚覆蓋層中鉆進、取芯、取原狀樣技術難題，為深基坑、高圍堰、深防滲墻設計、施工等提供了高質量的地質資料。

圖9 烏東德壩址區河床勘察成果示意

3.2.2 壩址區可視化工程地質測繪

應用基于windows的便攜平板式工程地質測繪工作方法，在壩址區進行工程地質外業測繪。現場一次性生成帶有清晰影像的CAD地質平面圖，在野外地質現場即可完成所有工作，提高了勘察工作效率。

3.2.3 壩址區三維地質建模

結合GOACD及CATIA軟件，從預可研階段開始，建立地質信息數據庫。以勘探鉆孔、平洞及平剖面圖等地質資料為依據，構建準確的壩址區GOCAD三維地質模型，并及時轉為CATIA格式(見圖10)，供其他設計專業協同工作。在GOCAD基礎上進行二次開發，快速剖切各種地質剖面圖，及時為設計提供準確可靠的地質資料依據，可大大提高工作效率。

圖10 烏東德壩址區三維地質建模

3.2.4 大壩建基面快速可視化地質編錄及視頻交互遠程專家診斷

應用基于windows的平板式施工地質可視化快速編錄方法，大壩建基面地質編錄超過1萬m2(1 ∶100)。大壩所在部位高邊坡開挖高程從1 160余米至718 m，歷時19個月，實施UAV近距離拍照289架次，獲取照片近17 000張，建立了完整的烏東德大壩建基面三維影像模型(見圖11)。不僅快速精確地完成了高邊坡和大型地下洞室編錄，取得了可靠、準確的地質外業數據，基巖面局部深槽實際揭露僅比可研時低0.8 m，還縮短了施工工期，節省了工程投資。

三維影像模型可進行反復、多角度、可追溯的觀察分析，彌補了傳統方式在大壩澆筑后無法再對建基面進行深入研究的缺陷。烏東德大壩建基面由1.7萬張高清圖片合成真實、完整、高清晰的三維影像，屬世界首例。

4 結 語

本文圍繞水利水電工程地質勘察可視化關鍵技術的研發，總結出一套集數據采集、視頻交互與遠程專家診斷、三維地質建模與成果信息管理“三位一體”的工程地質勘察可視化工作系統[5]，實現了地質勘察全過程可視化，具有操作簡單、速度更快、精度更高、表達更直觀且能實時互動等特點。不僅解決了工程地質勘察中的技術難題，提高了數據采集和成果出圖的效率，而且提高了勘察成果的質量。該技術已在滇中引水工程、烏東德水電站等水利水電工程中得到成功應用，具有廣闊的應用前景。