黃登水電站壩基開挖面三維地質展示的創新應用

張萬奎，徐典政

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

黃登水電站壩址區河谷狹窄，呈“V”字形，兩岸岸坡地形不完整，沖溝發育，山坡陡峻。大壩左、右岸壩基開挖邊坡(含纜機邊坡)高度均超過400 m，壩基及邊坡范圍大，開挖體形復雜。現場施工地質工作中，要求對工程邊坡及大壩壩基開挖面隨開挖進行施工地質編錄，詳細記錄揭示的地質信息，繪制開挖面地質展示圖及平面圖，檢驗、修正前期工程地質勘察結論，為邊坡及壩基工程地質條件評價提供第一手資料，并為壩基開挖優化及建基面驗收提供依據。

1 傳統地質展示存在的問題

黃登水電站大壩壩基開挖邊坡坡度較陡，局部直立，壩基及壩肩邊坡開挖面體形復雜，轉折、弧形斜邊坡較多。按照DL/T 5109—1999《水電水利工程施工地質規程》要求，地質編錄實施過程中，存在以下幾方面缺點：

(1)現場地質編錄前，需要在室內按照開挖邊坡體形用米格紙繪制各段邊坡展示圖，轉折、弧形部位以彎道展開原理進行繪制。由于黃登水電站壩基及壩肩邊坡開挖面體形復雜，需要進行大量的換算繪制工作，準備工作量大，工作效率低。

(2)受開挖面轉折及弧形轉彎影響，室內展示圖準備時，在米格紙上樁號標示均為異形；現場收資時，在展示圖上亦不便準確定位，樁號及位置均可能存在一定的誤差。

(3)現場編錄過程中，各變化部位坡面展開后編錄圖相對獨立，不同坡面地質信息編錄存在誤差，成圖后不連續，多數不能拼接成為整體，直觀性差，不利于地質信息的分析判斷和預測預報。

(4)開挖面地質展示圖繪制后，不能直接投影為工程地質平面圖，需要從頭單獨繪制，工作量大，且手工投影后存在誤差。

2 開挖面三維地質展示的應用

2.1 應用思路

人類社會的發展已經進入了信息化的時代，為更好地利用資源，對人類所處的環境進行真三維的計算機模擬是人類渴望達到的目標。對于地質三維模型的應用，國內外最早在地礦、石油分析領域發展較好。近年來，水利水電行業地質三維模型的快速發展也有目共睹，已基本實現了地質信息模擬和自動切剖面功能，并在尋求與設計專業的無縫融合。由此，壩基及邊坡開挖面作為地質專業與設計專業的一個界面，應該在三維地質模型中有所體現，并同等發展。

經過嘗試，應用AutodeskCivil 3D軟件的曲面功能及其對象能夠多角度顯示并動態關聯的特性，可以實現對開挖面三維地質展示及原始地形模擬的目的，通過與三維地質專業軟件的轉換，也可為后期的三維地質實體模型的建立提供基礎。

2.2 三維地質展示圖繪制

(1)開挖面的三維面生成。依據開挖平面布置圖，采用AutodeskCivil 3D軟件建立三維坐標系，使用3Dface命令對開挖面的輪廓線賦值，建立三維面[1]，對三維面賦予不同的材質，用于后期顏色填充，可滿足不同的三維顯示效果。此時，使用“受約束的動態觀察”模式動態觀察模型，便能夠在圖形中以不同的角度和方向查看和驗證開挖面的三維效果。

(2)樁號、樁號線及馬道高程的標示。在WCS的平面視圖里，依據壩軸線0+0.00樁號線，用3Dpoly繪制其他樁號線。繪制時，樁號線需要與開挖線都有交點，以便節點位置能自動捕捉坐標及高程值。繪制后，開挖面與樁號線能實現動態關聯性，在三維視圖下，可從不同的視角真實反映樁號線的走向，能靈活適應現場施工地質的編錄要求。樁號線繪制完成后，可根據需要，建立局部坐標系標注樁號。同樣的方法，在每一級需要標注高程的馬道平面內建立局部坐標系，即可在該坐標系約束的平面內進行高程標注。

(3)現場地質編錄。開挖面及樁號三維模擬完成后，所繪制的圖件已基本可作為施工地質的編錄底圖。根據施工現場的開挖情況，打開已繪制好的圖，調整視圖模式為繞模型，進行受約束的動態觀察，把視角移至需編錄的某一級邊坡的法線方向，按一定的打印比例尺，采用A3紙出圖。如果附近開挖面已完成地質編錄，此時還可打印一份擴大范圍的圖紙，以便于能夠從整體以及局部對整個開挖面地質結構的點、線、面等要素出露位置進行定位。對于弧形斜邊坡、樁號線走向與邊坡平行的部位，可在三維地質展示圖上相應部位按照實際邊坡長度進行局部樁號劃定，現場使用皮尺丈量，結合大壩樁號線，能很好地對地質結構的點、線、面等要素出露位置進行定位。

(4)收資圖件清繪。依據現場的收資圖件，對現場的編錄資料進行電子化。在需要繪制的開挖面建立局部坐標系，局部扭面可分割成2個共邊三角形后建立局部坐標系。地質結構的點、線、面等要素的編輯時，一般采用局部坐標系約束下的二維多段線編輯，不需要地質線形顯示的線條，可用三維多段線編輯。與二維多段線相比較，三維多段線命令沒有弧線及寬度的選項，即不能繪制弧線及設置寬度，除了顏色可選之外，線形也只能使用連續線形，故各地質要素只能用二維多段線來繪制，繪制完成后，再賦予特定的地質線形。

(5)顏色填充。開挖面的三維地質展示圖基本繪制完成后，可根據不同的需要建立不同的顏色填充圖層。通過建立合理的圖層管理，能夠根據不同需要，對三維地質展示圖進行選擇性顯示。壩基巖體類別可作為評價巖體質量的一個依據，依據現場的巖體類別分區，可用不同顏色的三維面材質表示巖體類別范圍，在三維模式下，可以形象直觀地了解開挖面的各類巖體的分布范圍。顏色填充之前，需對充填范圍進行編輯，不需要建立局部坐標系，可直接用封閉的三維多段線生成三角網曲面，再對三角網曲面指定相應的材質，也可對曲面進行貼圖，充填后可以獲得較好的三維效果。

2.3 三維地形的建模

使用AutodeskCivil 3D軟件的曲面功能，能較為精確地模擬真實的地形，配合開挖面的三維顯示，能得到較為逼真的開挖效果圖。曲面的生成支持各種數據源，包括原始測量數據、地形特征線、等高線等，還可直接使用帶有高程CAD點、線、塊、文字等對象。生成的曲面在平面視圖和三維視圖可分別按不同的顯示形式顯示，如平面視圖顯示為等高線圖，三維視圖顯示為帶顏色的曲面。

黃登水電站實踐應用中，采用地形等高線生成三角網地形曲面，完成后更改曲面樣式，按需要等高距間隔生成曲面等高線，并添加計曲線標簽。地形曲面生成后，需要把壩基、壩肩開挖面準確放置到相應的地形曲面位置上，此時需在平面視圖顯示模式下編輯，可采用平面視圖下的修剪命令或用AutodeskCivil 3D的放坡功能完成[2]，如采用平面視圖下的修剪命令進行開挖面與地形面的交會，重點是需要對開挖布置圖上的標示坐標進行位置配準。地形曲面與開挖面的交會完成后，再通過對地形曲面的貼圖以及對開挖面三維面指定編輯好的材質，就能完成一幅實用且美觀的三維地質展示圖。貼圖可選用google衛星影像圖、開挖面基巖以及現場工區原始地貌照片，更能增強貼圖區域的真實性。

三維地形模型建立完成后，即可在三維模式下對壩基(邊坡)地質編錄成果以及開挖效果圖等進行直觀、全面地展示。黃登水電站壩基開挖面三維地質展示效果見圖1。在二維線框視覺樣式的俯視視圖模式下，將地形曲面在平面上按照等高線形式顯示，就能把三維地質展示圖轉換為二維平面地質圖，見圖2。

圖1 壩基開挖面三維地質展示

圖2 壩基開挖面二維地質展示

3 開挖面三維地質展示的優勢及展望

3.1 優勢

開挖面三維地質展示圖具有全面、直觀、整體性強等特征，與通常使用的二維地質展示圖比較，具有以下優勢：

(1)使用預先準備的開挖面三維圖，可以緊密結合實際開挖情況，快捷地準備施工地質編錄底圖，且精度、靈活性皆較高。現場施工地質編錄過程中，可以更全面、連續、準確地編錄地質界線。

(2)開挖面局部與整體編錄底圖的配合使用，能夠滿足編錄的詳細性要求，同時可從整體上把握各個范圍較大、延伸較遠的地質要素的出露位置；對體形復雜的開挖面，也能輕松消除接圖誤差。不僅可以方便指導現場施工地質編錄，還可以通過現場開挖揭露情況檢驗前期勘察成果，并有利于開展未開挖部位的地質預測、預報工作。

(3)基于AutodeskCivil 3D軟件繪制開挖面三維地質展示圖，可以同時獲得開挖面三維地質展示圖、開挖面工程地質圖、三維開挖效果圖及壩基(邊坡)巖體質量分區圖等，且各圖紙之間動態關聯，修改方便，提高了工作效率。

(4)使用三維瀏覽器，可以根據需要從不同角度真實、全面地查看每個部位的地質內容，具有很強的實用性。

(5)基于AutodeskCivil 3D軟件繪制開挖面三維地質展示圖，建模較快，熟悉AutoCAD使用的人能很快上手，推廣容易。

3.2 展望

應用AutodeskCivil 3D軟件繪制黃登水電站壩基開挖面三維地質展示圖取得了很好的效果，但同時也可以看到，本文所涉及的內容僅僅是對開挖面地質內容的展示。基于目前的認識，筆者認為，可從以下2個方面對三維地質展示的應用進行深化研究：

(1)基于AutodeskCivil 3D軟件繪制三維地質展示圖可直接利用原有CAD對象數據，數據兼容性較好，可方便地結合其他相關區域前期二維平面地質圖使用。因此，水電工程樞紐區工程地質圖可直接在三維地形模型上繪制三維地質界線，形成三維工程地質圖。

(2)考慮到AutodeskCivil 3D軟件可以與目前主流的三維地質建模軟件兼容，而三維工程地質圖僅是地表地質信息的展示，因此，基于地表工程地質圖及勘探資料進行三維地質模型的創建，可以獲得水電工程詳細、全面的三維工程地質圖。

4 結 語

黃登水電站壩址區河谷狹窄，山坡陡峻，大壩壩基及其邊坡開挖高度大，體形復雜，應用傳統的開挖面地質展示繪圖方法，工作量大，工作效率低，準確性差。基于AutodeskCivil 3D軟件繪制本工程壩基開挖面三維地質展示圖，全面、直觀地展示了大壩壩基開挖面的地質內容，提高了工作效率，達到了理想的效果。水電工程樞紐區工程地質圖可以直接在三維地形模型上繪制三維地質界線，進而進行三維地質模型的創建，可以獲得水電工程詳細、全面的三維工程地質圖。