GMS在巖土工程勘察中三維地層建模與可視化應用

朱和保

（安徽工程勘察院，安徽 合肥 230011）

GMS（groundwater modeling system）是 由 美 國Brigham Young University環境模型研究實驗室和美國軍隊排水工程試 驗 工 作 站 在 綜 合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有地下水模擬軟件的基礎上開發的用于地下水模擬的綜合性圖形界面軟件。其圖形界面由下拉菜單、編輯條、常用模塊、工具欄、快捷鍵和幫助條6個部分組成，使用便捷。由于GMS軟件具有良好的使用界面，強大的前處理、后處理功能及優良的三維可視效果，目前已成為國際上最受歡迎的地下水模擬軟件[1]。

1 GMS軟件的選擇

GMS軟件功能模塊非常多,涵括了地下水流、溶質運移擬、反應運移多種模擬組件，同時在鉆孔數據管理、空間地質數據統計等方面也具有很好操作性、便攜性。采用GMS軟件建立模型的方法一般有網格法、solids法及概念模型法。概念模型法除常用方式之外，根據需要，還能夠先采用特征體（包括點、曲線和多邊形）來表示模型的邊界或不同的參數區域生成網格，再通過模型轉換將特征體上的所有數據一次性轉換到網格相應的單元和結點上。相對于要求對每個單元進行編輯網格化方式，概念化方式可以對實體直接編輯，并且以文件形式來輸入、處理大部分數據更加方便迅速[2]。和概念模型法、網格法相比較，solids建模方法具有的優勢在于描述地層宏觀上相對復雜的地層結構時，具有更好的準確性。

2 三維工程地質地層可視化模型建立

2.1 項目區地質概況

項目區地處沿江丘陵平原，區域地勢起伏較大，高程變化36.54～48.83之間。微地貌類型主要為河漫灘和崗坡地。項目區處于揚子準地臺下揚子臺坳沿江拱斷褶帶之安慶凹斷褶帶內，三疊紀末的印支運動導致蓋層全面褶皺，并有燕山期新生北東向和南北向斷裂。根據勘察資料，項目區分布的地層主要有填土、粉質黏土、粉質粘土夾砂礫等，巖石巖性主要為紫紅、棕紅色厚層砂巖、粗粒砂巖、細粒砂巖互層，夾灰白色薄層長石砂巖等。

2.2 資料收集

本次工作收集的材料包括項目區內鉆孔柱狀圖、各類地質報告及地質圖、剖面圖等資料，為建立模型提供基礎資料。

首先，按照GMS軟件可識別的數據格式，將整理好的鉆孔資料匯總處理。首先根據地層特征，對照鉆孔野外記錄表，準確地將各個地層劃分出來，統計出每一個鉆孔分層標高值，然后對相應地層按序編號。每個鉆孔需要統計的地層信息包括：鉆孔孔號、巖性編號和層序編號、X坐標、Y坐標、高程Z值。

2.3 模型建立

把項目區AutoCAD格式的地質底圖導入到GMS中，進行相應處理，形成邊界，然后把前面處理優化后的地層格式數據，按相應步驟導入到GMS軟件模塊中，GMS軟件根據導入的數據生成Borehole Data模塊，同時相應坐標系會根據邊界條件建立起來（圖1）。

圖1 鉆孔平面位置圖

在軟件中菜單欄中選擇Edit→Materials，根據實際地層層數，建立4個Material層，每個Material層與實際地層每一層的巖性相對應，每一種顏色代表一種巖性，a紅代表雜填土，b藍代表淤泥質粉質粘土，c黃代表粉質粘土，d綠代表粉質黏土夾卵礫石（圖2）。

在導入底圖后MAP模塊中確定項目區邊界，再通過這些這些定位邊界，生成TINs，然后在菜單欄Borehole模塊中選擇Horizons->Solid命令，利用鉆孔數據，軟件會采用相應方法進行插值，生成相應的地質實體，此時三維地質結構模型會逐步被建立起來（見圖3）。與此同時，我們還可以根據需要，利用Solid模塊來分離和組合不同的地質層，還能通過旋轉、建立剖面線，查看各剖面上地層的分布情況，從不同角度、不同部位查看地層分布情況（見圖4）。

建立好項目區的地質三維可視化模型后，為了提高模型的準確度，我們需要進一步對模型進行驗證，使得模型與實際地層更加的相符一致，讓其在實際勘察項目中起到更好的指導作用。鉆孔DK10未作為基礎數據參與模型建立，此次便利用DK10孔實際鉆探數據，同鉆孔相同位置的模擬數據進行比較，加以驗證。首先點擊菜單欄Plan View按鈕，該視圖下在模型中使用工具欄按鈕Create Borehole，根據鉆孔坐標確定DK10孔在模型中的位置。在Solid狀態下，模型將自動生成鉆孔，同時還會賦予鉆孔相應巖性，進行分層。利用菜單欄SelectBorehole，找到DK10鉆孔所處位置，查看模型中DK10鉆孔的分層屬性，并和鉆孔實際的鉆探分層結果相比較，對比結果見表1，由此可以看出實際鉆孔鉆探分層結果與預測模型鉆孔分層結果相符度。

由表1可以看出實際鉆孔鉆探分層結果與預測模型鉆孔分層結果相符度較高，在實際工作中能起到很好參照和預測作用。

圖2 鉆孔柱狀顯示圖

圖3 鉆孔柱狀顯示圖

圖4 三維地層模型縱剖面圖

表1 實際鉆孔分層與預測模型鉆孔分層對比表

2.4 三維地層可視化模型預測結果分析

從上至下，項目區的地層主要分布有較厚松散-稍密雜填土、軟塑或流塑狀態的淤泥質粉質黏土、硬塑狀態的黏土及粉質黏土夾礫石。從圖3、圖4中可以看出，整個場地地形呈現西部高、東部偏低走勢，各土層分布較為均勻，主要是中壓縮性、高壓縮性土。

其中雜填土、淤泥質粉質黏土工程性質較差，不宜作為地基持力層，粉質黏土、粉質黏土夾礫石層呈現工程性質良好，可作為地基持力層，適宜進行工程建設。

由于本項目存在地下污水處理設施，考慮到對地下水環境的影響，所以對于污水處理設施選址尤為關鍵。項目區主要賦存2層地下水，即填土與淤泥質粉質黏土中潛水含水層與粉質黏土夾礫石層中的弱承壓水含水層。結合圖3、圖可見，粉質黏土層為潛水含水與弱承壓水含水層之間良好相對隔水層，分布較為連續，但呈現東厚西薄趨勢。正常情況下潛水含水層與下層承壓水含水層無水力聯系。但是項目區西部粉質黏土相對較薄，存在兩層地下水相互產生水力聯系的風險，因此地下水污水處理設施宜選址于項目區東部。

3 結語

（1）地質三維可視化建模技術在工程地質勘察中的有效應用，以鉆孔數據為基礎可以構建出三維地質模型，使得項目區的地層分布更為直觀和形象，不僅可以滿足項目工程設計、施工和管理的需要，還可以根據項目需要以任何角度查看地層延展、發育情況，還能對任何地方進行切割，形成剖面，查看該處剖面地層分布情況。因此構建三維地質模型，對地層構成、發育會有更清晰的認識和判斷，為后面的工程設計施工具有積極參考意義。

（2）從建立的三維地層可視化模型中可以看出，實際鉆孔鉆探分層結果與預測模型鉆孔分層結果相符度較高，粉質黏土層為潛水含水與弱承壓水含水層之間良好相對隔水層，呈現東厚西薄趨勢，分布較為連續，由于項目區西部粉質黏土相對較薄，存在兩層地下水相互產生水力聯系的風險，因此地下水污水處理設施宜選址于項目區東部。

（3）模型的準確度和所使用的鉆孔數據多少、分布情況有很大關聯，如果利用較多且分布較為均勻的鉆孔數據，將會使建立的三維可視化模型更加符合實際地層，相反使用鉆孔數據過少，且分布不均勻，那么模型自動插值計算的精準度會大大降低，造成模型與實際地層存在較大誤差。