三維地質模型的精準度與水利工程適宜性研究

李錫均，張 鈞，李少飛

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

1 三維地質模型

1.1 定義與概念

根據工程勘察設計要求，利用工程區一定范圍內的地質勘察資料，按工程對象類別建立的具有圖元屬性和工程地質屬性的三維模型，是地形模型、基礎數模型、地質幾何模型、地質屬性模型的集合。

運用計算機技術，在三維環境下，將空間信息管理、地質解譯、空間分析和預測、地學統計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來，用于處理地質相關問題，得出所需的三維地質模型。

1.2 三維地質模型的精準度

三維地質模型的精準度也就是三維地質模型地址對應地質體的吻合程度，不同的三維地質建模軟件的研究方向和所面對行業不同，研究的側重點不同，要求體現的地質體屬性也不同，針對水利工程而言，水利工程具有地質信息的不可見性、不規則性和數據龐大占用儲存空間較大的特點，且勘察的各個階段從野外獲取的各種地質信息，包括地表地形、地層分界、斷層和褶皺構造、地下水位、風化等地質資料的分析和解譯均為二維和靜態的地質信息數據，隨著階段的深入精度也隨之提高，其描述空間地質構造的規律性及變化的直觀性差，不能直接、完整、準確地反映地質體的空間變化規律與實際情況，難以滿足水利工程的分析與計算要求，因此選擇一款合宜三維地質建模軟件創建與水利工程地質體吻合度較高的三維地質模型尤其重要。

1.3 三維地質建模軟件

國外三維地質建模研究較早，20世紀70年代，許多科學家就提出了地質相關的三維模型和表達方式，在1993年Simon.W.Houlding論著闡明了其研究成果，正式提出了三維地質建模概念，在此基礎之上國外陸續研制發布了三維地質建模軟件，如澳大利亞的MicroMine軟件，法國的Gerovia Surpav軟件。

國內在三維地質建模方面研究方面的研究起步較晚，但近年來已有不少的研究與探索，取得了一定的成果，相繼推出許多三維地質建模軟件，如3D-Grid三維軟件、BM_GeoModeler、理正三維地質建模軟件。隨著三維地質建模技術的日益成熟，三維地質建模應用于水利工程也日益推廣，對于解決專項的地質問題具有一定實際和現實意義。

(1)BM_GeoModelerS三維地質建模軟件

BM_GeoModeler是一款面向勘察、巖土專業的大型平臺型軟件，服務地質三維建模、分析和巖土工程輔助設計。

(2)EVS三維地質建模軟件

EVS(EarthVolumetricStudio)是一款適用于地球科學領域的可視化3D建模分析軟件，可實現真三維的地質體數據建模、分析及可視化；可與ArcGIS、Revit、Civil3D等實現無縫數據交換；可實現真三維模型動畫展示。EVS建立的模型真實反映地質構造形態、構造關系及地質體內部屬性變化規律；可對模型進行任意形式的切割，以便多角度觀察；對于尖滅、透鏡體、斷層及溶洞有很好的處理能力。

(3)理正三維地質建模軟件

理正勘察三維地質軟件是結合三維地學研究理念和技術的最新進展，集三維地質模型創建、模型仿真展現、工程地質問題三維分析應用為一體的軟件系統。根據鉆孔、地質平面圖、縱斷面圖、剖面圖等多源數據創建生成包含多種地質要素(如地表地形、斷層、褶皺巖層、溶洞等)的復雜三維工程地質模型。并可實現任意剖切；基坑、基樁、隧道、路塹刷坡等工程活動的模擬開挖；土方量估算等工作。可與理正工程地質勘測軟件進行數據互通。

2 工程應用

2.1 工程概述

TY水庫總庫容為1.12億m3，為大(2)型工程。工程由樞紐工程、引水工程、輸水工程3部分組成，樞紐工程推薦為上壩址，大壩為粘土心墻壩，最大壩高68m，壩軸線長262m；輸水工程HJC隧洞長15.26km，為直徑3.8m無壓圓形斷面，設計輸水流量20m3/s；引水工程MLQ隧洞長7.56km，為2.5m×3.0m無壓城門洞型斷面，設計引水流量4m3/s。

河流自NW流向NE，總體呈不規則舒緩狀“S”型展布，擬建壩河道及岸坡均較順直，為“U”型谷，兩岸山體基本對稱，屬構造侵蝕剝蝕低中山河谷地貌。河床寬約35～75m，兩岸地形陡峻，左岸下游和右岸上游各發育一條沖溝。

第四系河床沖洪積層、崩坡積層厚約1～6m，基巖出露良好，巖性為下第三系寶相寺組中-厚狀長石石英細砂巖、長石砂巖、砂礫巖夾少量薄層狀泥巖、泥質粉砂巖，以及沿層面侵入的喜山期煌斑巖。

上壩址區位于龍蟠-喬后斷裂構造帶西部(下盤)相對穩定的地塊上，未見斷層和褶皺構造發育，為單斜構造，巖層傾向左岸偏上游，傾角8°～16°，層間擠壓破碎帶、層間泥化夾層及陡傾節理較發育，煌斑巖脈接觸帶的巖石蝕變明顯。

兩岸地下水補給河水，但臨河岸坡段的水力坡降均較平緩，桃源河為壩址區最低排泄基準面。

2.2 工程三維地質模型

利用上述三維地質建模軟件和結合本工程的地質勘察數據創建的三維地質模型，如圖1—6所示，所反映的地質體的屬性側重點不同，采用的插值方法不同導致的各地質體的精準度也不盡相同，其可視化表示方向也各不相同。

圖1 BM_GeoModeler三維地質模型

所創建的三維地質模型，雖然采用的勘察地質數據相同，但由于采用的插值方法等技術及行業側重點不同，在可視化表觀上較為相似，但地質體的吻合度不盡相同，其賦值的地質屬性也不盡相同，在剖面圖中更能反映其地質屬性特點。能否適宜水利工程要進一步探索與研究，對于專項地質體(滑坡、巖溶)等EVS能較快地建模和賦值地質屬性(具有真三維的屬性)。對于壩址區所要反映的地質體較為復雜、要求地質屬性較多的情況下，BM_GeoModeler較快地建立所需的三維地質模型。對于洞室等要反映其圍巖類別的地質體，理正三維地質建模軟件能較快速建立三維地質模型并賦值其地質屬性。

圖2 BM_GeoModeler三維中的壩軸線剖面

圖3 EVS三維地質模型

圖4 EVS三維中壩軸線剖面

圖5 理正三維地質模型

圖6 理正三維地質模型壩軸線剖面

3 結語

隨著國民經濟的持續發展及數字中國、智慧水利理念的提出，利用計算機強有力的計算功能和高效率的圖形處理能力，基于地質體三維重構與可視化技術的發展，三維地質建模技術應用于水利工程是一個必然的趨勢，但針對水利工程具有地質信息的不可見性、不規則性和數據龐大占用儲存空間較大的特點，解決水利工程三維地質建模所面臨如下困難：原始數據獲取的艱難性；建筑物區工程地質屬性的未知性與難以確定性；地下地質體的三維空間關系的復雜性；勘察工作量有限性決定其地質分析計算的局限性。

對于水利工程而言，其三維地質模型的精準度可以直接影響水利工程的分析計算，是水工設計提高生產率的關鍵。精準和可靠的三維地質模型可以為水工設計提供建筑物軸線選擇所需的三維空間、可視化的地質信息數據，建筑物軸線的比選更加直觀，為工程技術人員及專家論證提供可視化現場體驗，其親臨感更加突出。三維地質模型的精準度也會影響水利工程的造價與工程投資，也是水利工程成敗的關鍵。