高陡地形料場儲量計算方法探討

馮秋豐，范文東，劉杰，高靜，常文娟

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

傳統的天然建筑材料儲量計算是根據地形地質條件、勘察級別、勘探點布置情況主要選用平均厚度法、三角形法以及平行斷面法等幾種進行[1]。平均厚度法一般只適用厚度穩定的礦床儲量計算，對于傾斜平緩的礦體以及近直立的礦體則不適用；三角形法的精度則同料場的勘探點多少和組成三角形的勘探點連線有關，當勘探點少以及組成三角形的勘探點連線不同時，儲量計算結果就會有較大出入。相對于平行斷面法和三角形法，平行斷面法的優點在于斷面保持了礦體斷面的真實形狀，可直觀反映地質構造特征。儲量計算時，在滿足勘察精度要求的條件下可任意劃分塊段，具有靈活性，且任意形狀的礦體都可用斷面法。

隨著計算機技術的發展，在新修訂的NB/T 10235-2019《水電工程天然建筑材料勘察規程》中，天然建筑材料儲量計算方法明確增加了三維模型計算法[1]。相對于傳統計算方法，三維模型計算法不受地形起伏、有用層厚度不均、勘探點布置不規則等影響，且具有操作便捷、顯著提高地質工程三維建模與分析設計質量和效率等優勢[2]，被工程人員廣泛使用。

本文選用目前工程上常用的平行斷面法，利用幾種不同斷面間距料場儲量計算結果同三維模型計算法料場儲量計算結果比較，驗證三維模型計算法計算料場儲量的可行性和準確性。

1 工程概況

某人工骨料場位于扎雅溝口河流右岸，有鄉村道路通過，為一大型水電工程的主料場，人工骨料場地貌見圖1。料場山體雄厚，岸坡地形較陡，上游側呈近直立的絕壁，地層巖性為白堊系黑云母二長花崗巖(K1ηγα)，呈灰白色、灰色，局部受熱液蝕變呈紅褐色，中粗粒結構，根據平洞揭露，強風化水平深度3 m左右，弱風化水平深度22～30 m。下游側岸坡相對較緩，自然坡度45°～60°，根據鉆孔揭露，臨近下游開挖邊界覆蓋28～40 m的崩坡積塊碎石土。根據設計要求，工程需要人工骨料約700萬m3，設計開挖高程3 110.00～3 500.00 m，料場按1∶0.3坡比放坡，每20 m設一級馬道，料場底部按3 110.00 m高程水平開挖。

圖1 人工骨料場地貌圖

根據現場地質測繪，近場區域高程3 095.00～3 550.00 m范圍內褶皺不發育，地質構造以小斷層和裂隙為主，總體上料場地形完整，溝谷不發育，巖性單一，巖相穩定，覆蓋層厚度變化較大，剝離層較厚，屬Ⅱ類人工骨料料場。

2 平行斷面法儲量計算

2.1 平行斷面法公式選用

前人用平行斷面法計算料場儲量體積時，一般根據相鄰兩斷面的幾何形態和相對面積比，選擇合理的計算公式[1,4-6]，本文根據現場地質測繪，結合勘探資料選用以下2種：

(1) 當相鄰兩斷面的形狀相似，且二者面積相對差小于40%時，使用梯形體積公式：

(1)

(2) 當只有一個斷面控制或另一斷面的面積為零時，則根據斷面尖滅的情況，其采用楔形公式來計算塊體體積：

(2)

式中：V為儲量體積，m3；l為兩斷面之間的距離,m；S1、S2分別為相鄰兩斷面的面積， m2。

2.2 平行斷面法不同斷面儲量計算

本料場類型為Ⅱ類，根據《水電工程天然建筑材料勘察規程》規定，人工骨料料場勘探間距不大于200 m。為了能更清楚的展示由于斷面布設的間距不同，造成儲量計算的精度差別，本次剖面布設以能把料場等分為原則，分別按178、152、126 m 3條斷面間距均等分料場進行儲量計算比較。人工骨料場工程地質情況見圖2。

圖2 某人工骨料場工程地質平面圖

根據地質測繪，將表部第四系崩坡積塊碎石土層視為無用層；結合平洞和鉆孔基巖揭露情況，強風化層厚度為3 m，將表層以下3 m厚度基巖視為剝離層；3 m以下基巖到3 110.00 m設計開挖起始高程為料場有用層。斷面間距按178、152、126 m布設，料場無用層、剝離層及有用層計算結果分別為見表1～3。

表1 斷面間距178 m條件下儲量計算結果表

從以上表格計算結果類比，斷面間距178、152、126 m使用平行斷面法計算得到無用層、剝離層以及有用層某人工骨料場儲量計算結果見表4。

表2 斷面間距152 m條件下儲量計算結果表

表3 斷面間距126 m條件下儲量計算結果表

表4 3種斷面間距布設下某人工骨料場儲量計算結果表

從表4計算結果看，增加斷面間距，得到的無用層、剝離層以及有用層儲量方量有變小趨勢，平行斷面法計算得出料場儲量比實際料場儲量要大[4,7]。平行斷面法要想提高計算精度，應增加計算斷面。

3 三維模型計算法儲量計算

3.1 三維地質建模

地形面是基于測量提供的地形信息建立的。現實中的地形多多少少存在“負地形”，根據測量規范要求，在生成等高線時，會將這些“負地形”信息剔除，所以測量提供的地形信息如果同時有高精度點云數據和等高線時，優先使用點云數據，這樣可以獲得更接近實際地形的地面模型。將地形信息導入到NWH-GeoBIM建模軟件，以比實際料場范圍線略大30%～50%設定建模范圍，通過點集約束、網格加密和DSI離散光滑插值運算生成地形面，完成地形面建模。同理，根據鉆孔資料，按照“先上后下，從今到古”的先后順序完成覆蓋層底面、強風化面、弱風化面等各地層建模，閉合各地層面，生成精度較高的三維地質模型，具體見圖3。

圖3 某人工骨料場地質模型圖

3.2 三維模型計算法儲量計算

根據料場實際開挖范圍線和3 110.00 m開挖起始高程面以及1∶0.3坡比放坡面，使用“面封閉”功能得到與實際地層情況較相符的無用層包絡體、3 m強風化基巖剝離層包絡體以及料場有用層包絡體模型，具體見圖4。相應體積可直接在NWH-GeoBIM建模軟件上使用查詢功能直接獲取。

圖4某人工骨料場無用層、剝離層、有用層包絡體模型圖

通過三維軟件的體積查詢功能，可以快速、便捷得到該人工骨料場無用層體積為201.6萬m3，剝離層體積為97.4萬m3，有用層體積為2 861.9萬m3。

4 2種儲量計算方法對比分析

整理平行斷面法和三維模型計算法儲量計算結果，具體見表5。

表5 2種儲量計算結果表

根據表5結果看，隨著計算斷面的加密，平行斷面法儲量計算結果有向三維地質建模法計算結果收斂的趨勢，說明增加計算斷面，能得出更加接近實際儲量的結果，但增加了工作量，消耗了更多的時間和精力。一般情況下，人們在滿足《水電工程天然建筑材料勘察規程》規定的情況下，在不同勘察階段，往往會按不大于規定上限的間距來布設斷面，計算得到的料場無用層、剝離層以及有用層儲量要比實際的料場儲量要大，會高估料場無用層、剝離層以及有用層的儲量，從經濟等多方面給工程帶來不利影響。

三維模型計算法相對于平行斷面法，最大優點在于準確、快捷和高效，且不受地形起伏、有用層厚度不均、勘探點布置不規則等條件限制，只要勘探精度滿足《水電工程天然建筑材料勘察規程》規定，獲得的體積就比采用平行斷面法計算得出的體積更接近實際。且后期勘探數據有任何更新，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更新，即可相應提高三維地質模型的精度，對工程的不利方面相對可控。

5 結 語

三維地質建模是未來地質工作發展的趨勢和方向，三維模型計算法為料場儲量計算提供了一個全新的方法，其最大優點在于準確、快捷、高效且不受地形起伏、有用層厚度不均、勘探點布置不規則等條件限制，尤其在高陡地形環境中，在勘探精度滿足《水電工程天然建筑材料勘察規程》的條件下，對儲量計算的精度明顯優于平行斷面法計算的精度，得出的料場儲量結果比采用平行斷面法計算方法得出的結果更加趨近實際，節省了人力，提高了工作效率，且后期勘探數據有任何更新，只需更新數據庫，即可相應提高三維地質模型的精度，對工程的不利影響相對可控。