基于ItasCAD三維地質模型的工程地質條件分析

牛貝貝，姚振國，王宏飛，吳向濤，孫紅義

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，鄭州 450003）

近年來隨著互聯網、云技術、大數據的飛速發展，工程勘察的信息化和數字化也得到了快速發展，尤其是內外業一體化和遠程協同工作在地質工作者中越來越得到廣泛的應用，為地質工作者的工作提供了諸多便利。

ItasCAD軟件是一款基于互聯網和云技術，通過數據庫、三維地質建模與數據處理、應用與成果輸出三大模塊建立的針對巖土地質體的專業性BIM平臺［1-2］。它可將外業工作中采集到的各類地質數據存儲于平臺的數據庫中，以數據庫為基礎建立起不僅包含地質體空間幾何形態特征，還包含巖土工程分析和設計所需信息的三維地質模型。通過三維地質模型的建立可在平臺中實現二維地質圖件的生成、巖土體等專題分析，通過三維地質建模分析大壩工程地質條件在實際應用中有著直觀、快捷、高效等優勢［3-7］。本文以某工程為例，介紹基于ItasCAD三維地質建模在大壩工程地質條件分析中的應用。

1 工程概況

某工程大壩位于N省，工程任務為供水、灌溉、防洪、旅游等，庫容2億m3。大壩壩型采用混凝土面板堆石壩混合壩。大壩自左岸向右岸依次由左岸混凝土面板堆石壩、中部重力壩（包括：引水發電（灌溉、供水）壩段、底孔壩段、溢流壩段及連接壩段）、右岸混凝土面板堆石壩組成。混凝土面板堆石壩（混合壩方案）總長1500m，最大壩高60m。

2 大壩工程地質條件

2.1 地形地貌

2.2 地層巖性

壩址區揭露的地層主要有新近系（N）沉凝灰巖、火山礫凝灰巖、凝灰巖、洪積角礫巖及火成巖侵入體和第四系松散堆積物（Q4）。

2.2.1 新近系（N）沉凝灰巖

灰色，棕紅色，壓結和水化學膠結，水平互層或薄層結構。該層分布于河流兩岸階地上部，厚度一般為4～9m，因埋深淺而風化嚴重。

2.2.2 新近系（N）火山礫凝灰巖

灰色，火山角礫具有一定外形，粒徑2mm以上角礫占50%以上。巖體以壓緊膠結為主，層狀構造不明顯，巖體呈整體狀或巨厚層狀結構。該層巖體在壩址區河流左、右岸山坡均見有呈整體狀裸露，厚度達數十米，河床部位鉆孔揭露有多層分布，下伏于沉凝灰巖有一層分布，一般厚度為3～5m，為壩基主要巖體之一。

2.2.3 新近系（N）洪積角礫巖

灰白色、深灰色洪積成因角礫巖，整體狀結構或巨厚層狀，角礫粒徑相差較大，分選性差，磨圓度低，角礫成分復雜。該層在現代河床部位大片裸露，整體狀結構。壩址區鉆孔揭露該層分布穩定，層厚一般為15～20m，為壩基主要巖體之一。

2.2.4 火成巖侵入體

工作時，地輪通過傳動系統驅動栽植輪轉動，懸杯始終與地面保持垂直，并隨栽植輪轉動；當懸杯轉到上面時，由人工將缽苗投入懸杯中，當栽植輪轉到預定位置時，凸輪也隨之轉到回程位置，連桿受到彈簧的拉力向后推動懸杯，懸杯水平打開，向后推動缽苗至開溝器開出的溝內；然后覆土、鎮壓，完成栽植過程。懸杯離開缽苗后，在凸輪的作用下慢慢閉合，等待下一次喂苗。

壩址區多處發現或鉆孔揭露侵入巖體，侵入體以巖株或巖墻的形式切穿新近系（N）地層。在地下深部巖性為輝長巖，接近地表巖性逐步轉變為玄武巖噴出。在右壩肩、河床及左岸階地等部位均見有火成巖侵入體，切穿新近系（N）地層在地表出露。右壩肩侵入體呈巖墻形式，巖性為輝長巖；現代河床見有兩條巖脈，橫跨河床兩岸，如圖1。

圖1 現代河床出露的兩條巖脈

2.2.5 第四系松散堆積物

壩址區第四系松散堆積物主要為河流沖洪積物和左右壩肩坡體堆積的崩坡積物。河流兩岸侵蝕階地頂部分布沖洪積土層，厚度一般小于1m。左壩肩山坡坡面主要為坡積碎石土，厚度一般小于3m，局部見有崩積塊石和塌滑堆積體； 右壩肩緩坡地帶覆蓋層較厚，一般為10～15m，大多為黏性土，高程120m以上為火成巖侵入體形成巖墻地形，局部呈陡壁狀，陡壁下面坡面上大量堆積大塊狀崩塌巖體。

3 三維地質建模

3.1 地表面建模

地表面模型的建立基于地形線（等高線），地表面的建模范圍可與地形圖的范圍一致，其三維地質模型的精度取決于地形線（等高線）的測量精度。將地形線（等高線）文件導入ItasCAD軟件中，ItasCAD軟件可識別所有地形線（等高線）的坐標屬性和高程屬性，并可從地形線（等高線）中提取出若干等高點。在ItasCAD軟件中新建一個平面，將該平面通過點集約束方式約束至從地形線 （等高線） 提取的等高點上，再通過若干次網格加密和離散光滑插值的運算，便可完成地表面的建模。建成后的地表面三維模型如圖2。從三維地表面模型中可較為直觀地看出大壩各部位所處的位置，通過ItasCAD軟件中的查詢命令，可查詢地表面上任一點的坐標與高程信息。

圖2 壩址區地表面三維地質模型

3.2 基巖覆蓋層界面建模

由于覆蓋層與下伏基巖的物理力學性質存在很大差異，因此基巖覆蓋層界面是在大壩工程地質條件分析中十分重要的界面。基巖覆蓋層界面模型的建立需要基于地質剖面圖中的基巖覆蓋層界線，其精度取決于覆蓋層底界線的數量，數量越多，相對精度越高，數量越少，相對精度越低。在基巖覆蓋層界面建模之前，需先將地表基巖出露的范圍導入ItasCAD軟件中，基巖出露的范圍內不存在基巖覆蓋層界面。壩址區地質剖面圖導入ItasCAD軟件也是非常重要的一個環節。在地質剖面圖導入ItasCAD軟件的過程中，基巖覆蓋層界線被同步導入，從基巖覆蓋層界線中提取界線點集，在ItasCAD軟件中新建一個平面，通過點集約束的方式將新建平面約束至從基巖覆蓋層界線中提取的點集上，再通過若干次網格加密和離散光滑插值的運算便可完成基巖覆蓋層界面的建模。建成后的基巖覆蓋層界面三維模型如圖3。通過ItasCAD軟件中的查詢命令，可查詢基巖覆蓋層界面上邊界位置的坐標與高程信息。

圖3 壩址區基巖覆蓋層界面三維地質模型

3.3 巖層界面建模

由于壩址區地層巖性分布較為復雜，各不同巖性地層的物理力學性質存在差異，同時壩址區還存在有侵入巖和噴出巖，因此，巖層界面的建模同樣非常重要。巖層界面的建模與基巖覆蓋層界面的建模過程類似，即通過已導入ItasCAD軟件中的地質剖面圖，從地質剖面圖中的地質巖層界線中提取出巖層界線點，然后即可創建平面并采用點集約束的方式完成各巖層界面的建模。建成后的巖層界面的三維地質模型如圖4。通過巖層界面的三維模型可直觀的查看各巖層不同位置的厚度分布情況及壩基坐落的巖層位置。

圖4 塊石料場巖層底界面三維地質模型

3.4 壩址區地質體建模

在各地質層面全部建模完成后，可通過各面所包圍成的區域采用面分割的方式創建立方網。在本壩址區域范圍中，立方網主要被分割成覆蓋層區域和基巖區域。

通過ItasCAD軟件中的數據庫可將勘察基礎數據導入三維地質模型中并賦值于壩址區地質體立方網上，如巖石質量指標RQD值和透水率Lu值等，建成并進行透水率賦值后的壩址區地質體三維地質模型如圖5。

圖5 壩址區地質體三維地質模型

4 傳統二維工程地質條件分析

傳統的工程地質條件分析一般基于基礎地質資料和地質平面圖、地質剖面圖等二維地質圖件，以壩基巖體工程地質分類為例，需要依據勘探點中實際統計的巖石質量指標RQD值、通過試驗得到的巖石的飽和單軸抗壓強度值及通過物探得到聲波縱波波速值等，而這些數值有兩大特點，一是數值僅存在于勘探點中，周邊區域的相關參數值需通過地質圖推測得到；二是數值是散亂的，需通過統計、整理后才可用于進一步的地質條件分析。在壩基巖體的滲透性分析上也存在同樣特點，只能通過二維地質剖面圖分析某一剖面上的巖體滲透性。

5 基于三維地質模型的工程地質條件分析

與傳統二維工程地質條件分析不同的是，基于三維地質模型，可將所有勘探點上的相關參數的數值通過ItasCAD軟件中的數據庫導入并賦值于壩址區三維地質模型中，勘探點周邊巖體的地質參數可通過插值運算自動獲得，通過三維地質模型可直觀的查看任一點的巖石質量指標RQD值、飽和單軸抗壓強度值、透水率Lu值等地址參數，還可通過ItasCAD軟件自動生成某一指標的等值面，例如巖石質量指標RQD=80%的等值面，通過等值面判斷巖層中巖石質量指標RQD＞80%的區域，這對于壩基巖體工程地質分類和判斷壩基所處位置的巖石質量都有十分重要的意義。

對于壩體帷幕灌漿的范圍一般應深入到弱透水層中（10Lu線或5Lu線以下），同樣可通過ItasCAD軟件自動生成10Lu或5Lu的等值面，這對于確定帷幕灌漿的范圍也具有十分重要的意義。另外，基于三維地質模型可到處任意位置的圖片，同時可生成任意位置的二維剖面圖，這對于地質成果的輸出帶來更多便利。

6 結語

通過比較傳統二維方法與三維地質模型方法對工程地質條件的分析，可得出以下結論：

（1）兩種方法的分析原理基本相同，都以基本的地質數據為基礎，但傳統二維方法的地質參數僅存在于勘探點中，周邊區域的地質參數需通過地質圖推測得到，而三維地質模型中地質參數可通過插值運算自動賦值于地質體的每一點上，更為直觀。

（2）兩種方法所依據的地質數據相同，但整理統計過程不同，傳統二維方法需人工對所有散亂的地質數據整理統計后再進行分析，而三維地質模型所有的地質數據可儲存于數據庫中，可通過插值運算、生成等值面等方法進行整理統計，以輔助于工程地質條件分析，因此，對于地質數據的儲存、整理和統計，基于三維地質模型更為簡便和高效。

（3）對于地質數據的變化，傳統方法需按部就班地重新進行整理統計和分析，而基于三維地質模型，只需將變化后的數據在數據庫中進行修改，在三維地質模型中可得到同步的更新即可。三維地質模型在數據變化的處理上更為簡便。

（4）三維地質建模是未來地質工作發展的趨勢與方向，借助于三維地質模型可大大促進地質工作的信息化、數字化和可視化，使地質工作成果更加生動、形象和易于理解。