巖土工程勘察數字化技術與實現

武宜

（湖北省核工業地質局，湖北 孝感 432000）

1 引言

地形地貌、地層界面、地下水位、巖土體參數等巖土勘察數據是工程設計和施工的基礎數據。如果巖土勘察數據錯誤或不合理，可能導致工程建設方案錯誤，給工程的建設和運營帶來巨大的安全隱患，甚至引發嚴重安全事故，導致巨大的人員傷亡和經濟損失。傳統的巖土工程資料分析是基于二維平面圖紙，直觀性較差，難以有效解釋巖土體的空間分布規律。鑒于此，越來越多的巖土工程勘察項目開始使用可視化好、穩定性好、精度高、易于集成的數字技術。但是，數字技術起步較晚，相關理論不完善，未形成統一理論來指導巖土工程勘察[1]。因此，進一步研究數字技術在巖土工程勘察中的應用具有重要的工程價值。

2 場地模型數字化——三維地質模型建立

隨著計算機技術的發展，越來越多的巖土工程勘察項目開始利用三維建模技術將巖土工程場地進行數字化處理，主要包括數據處理、地形建模、地層建模、構筑物建模等內容[2]。

2.1 三維地質建模前期處理

2.1.1 數據處理

用于巖土工程場地建模的數據大多源于鉆探數據、地形圖、剖面圖、勘察報告等勘察成果，數據量繁雜，且大部分數據是存貯在AutoCAD 圖紙中的。然而，巖土工程勘察成果所涉及的專業人員眾多，不同人員的繪圖標準不統一。在建立三維模型前，需對圖件進行預處理，處理內容如下：（1）圖層管理。對CAD 圖紙中的全部線條按圖層分類存儲，將等高線全部放置于同一個圖層上，以免建模時相互干擾。（2）等高線處理。工程地質標準雖然對等高線線型進行了規定，但勘察單位卻不嚴格遵循。在數據處理期間，需要將等高線統一轉換為多段線，并賦予其高程屬性。（3）坐標轉換。在地質勘察成果中，鉆孔坐標與等高線一般不再同一圖紙上，可能使用相對坐標或絕對坐標，此時，應將等高線整體平移，使等高線和鉆孔坐標處在同一平面內。（4）補充數據。在實際勘察工程中，采集的地質數據可能有缺失，如等高線缺失，鉆孔數據缺失等，可通過增加虛擬鉆孔等手段增加建模數據量。

2.1.2 勘察數據網格化

網格化是三維地質建模的基礎，主要是因為：巖土工程地質勘察數據一般是以點或線的形式存在，不符合地質三維建模要求，故應當對其進行網格化，形成曲面模型。

勘察數據網格化的形式有規則格網和不規則三角網。其中規則格網是把地質空間劃分成規則的矩形或方形網格來模擬地面實體，以高斯直角坐標系作為投影平臺，任意一點坐標可根據存儲在DE 模型中的數據插值計算。規則格網便于計算機的識別、讀取、計算，但是對地形地貌的擬合效果差，易產生不連續，主要適用于平坦地形中；不規則三角網是把地質數據點連成三角網格，能較好地適應復雜地形和不規則地物，既能用于地形起伏大的山地丘陵區，也能用于地勢平坦的平原區。三角網構建的最經典算法是Delaunay 三角剖分法，具體步驟為：在地質數據中選取任一點作為起始點→根據“距離最短”原則另外選擇兩個點構建三角網→以第三點作為起始點，重復上述步驟→地質模型三角網構建完成，如圖1 所示。

圖1 不規則三角網模型構建

2.2 三維地質建模重點問題分析

2.2.1 虛擬鉆孔

鉆孔是巖土工程三維地質建模中的關鍵數據，但考慮到鉆探成本、難易程度等，并不是所有地層位置都布置有鉆孔。僅依靠有限的鉆孔資料，技術人員難以想象出地質體內部的空間特征。為了實現建模的精準性，需根據地質剖面圖、勘察報告等成果推斷鉆孔數據，補充虛擬鉆孔，以提高建模精確度，縮短地層面擬合計算時間。在建模期間，虛擬鉆孔和實際鉆孔的本質上無區別，但虛擬鉆孔能夠設置在地表任意平面位置，從而更準確地擬合地形地貌[3]。

2.2.2 地層尖滅和透鏡體

對于不連續巖層，在建模時需考慮地層尖滅。該方法能夠充分考慮地層產狀信息與地質剖面數據，確保尖滅形態的準確。此外，復雜地質條件下的土層可能含透鏡體。透鏡體建模要應確定模型范圍和區域邊界，然后以鉆孔上、下地層界面作為約束，生成透鏡體三角網模型。

2.2.3 空間插值擬合

空間插值技術是三維地質建模的關鍵，可將點數據轉化為面數據。巖土工程地質建模常用的空間插值方法包括薄板樣條插值、克里金插值、離散光插值法（DSI）等。

薄板樣條插值法是利用總曲率最小的數學表達式來估計未知點的數據，并形成穿過已知點的光滑曲面，計算工作量大，不適用于數據量龐大的巖土工程項目；克里金插值法是對有限區域內的空間數據進行加權平均，得到任意點的數據。該方法計算速度慢，適用于變量存在相關性的地質建模；離散光插值法是基于離散原理來模擬巖土體的幾何、物理特性，計算速度快，且可以對不連續曲面進行插值。

3 基于數字化技術的巖土工程數據庫搭建

傳統的巖土工程勘察，一般是以二維CAD 平面圖來展示勘察成果，直觀性較差，不利于信息存儲和各專業之間的溝通。基于數字化技術，可以高效整合巖土工程勘察項目中的各項零散數據，大幅提升數據共享效率，為巖土工程設計提供依據[4]。本文依托地理信息系統（Geographical Information System，GIS）建立巖土工程勘察數據庫。

3.1 巖土工程勘察數據庫組成

基于GIS 的巖土工程勘察數據庫體系由數據獲取層、數據存儲層、數據訪問層組成，在計算機系統內對應的數據類型分別為用戶輸入原始數據、系統生產的中間數據、最終輸出數據。

3.1.1 原始數據

原始數據包括測點數據和基礎地理數據兩部分組成，其中測點數據又包括測點幾何屬性數據（測點編號、X 坐標、Y坐標、測點高程等）和測點信息屬性數據（飽和度、孔隙比、密度、壓縮模量、黏聚力、內摩擦角、端阻力、側阻力、地基承載力等）；基礎地理數據包括各類GIS 圖層和屬性表，具體內容如表1 所示。

表1 巖土工程勘察中的基礎地理數據

3.1.2 中間數據

巖土工程勘察數據庫的中間數據是根據原始數據所自動生成的地層層面等值線模型、三維表面模型、剖面模型等。地層層面等值線模型的屬性包括ID（等值線編號）、Name（等值線名稱）、Value（等值線數量），對應的數據類型分別為整形、字符串型、單精度型[5]。

3.1.3 最終輸出數據

巖土工程勘察數據庫的最終數據是根據中間數據輸出的。用戶可根據需求不同，有選擇性地輸出柱狀圖、剖面圖等、地質勘察報告等。

4 巖土工程勘察數據庫的具體應用

4.1 工程概況

本文以某山區公路滑坡治理工程為研究對象，探討數字化技術的應用。該邊坡為路塹高邊坡，最大高度32.6 m，邊坡共4 級，其中一級、二級邊坡坡高10 m，坡率1∶0.75；三級邊坡坡高10 m，坡率1∶1.0；四級邊坡坡高2.6 m，坡率1∶1.25。同時，相鄰兩級邊坡之間設置2 m 寬的平臺。由于邊坡所處區域為亞熱帶季風氣候區，夏季高溫多雨。邊坡修建完成后，由于連續降雨，邊坡表面局部出現滑塌。為了避免滑坡體進一步擴展，對項目進行現場勘察，獲取了其地層從自上而下分別為粉質黏土、全風化砂巖、強風化砂巖和中風化花崗巖。

4.2 三維模型建立

利用航空攝影測量技術對地面連續攝取像片，采集地形數據，繪制邊坡所處區域的地形圖，利用ITASCAD 軟件建立了三維地質模型。

地表建模：將航空攝影測量技術所獲取的地形數據導入ITASCAD 軟件中創建等高線，并利用軟件直接提取所有鉆孔的孔口高程點，作為平面控制點，同時，邊坡坡面較陡，坡面沒有設置鉆孔，建模時根據坡頂線、坡腳線及巖層產狀對坡面進行插值擬合。

地層建模：根據勘探資料，依次建立地層。以第1 層粉質黏土為例，建模時只勾選其上包含的鉆孔，利用反復加密網格（不規則三角網）和離散光插值法，創建出地層界面。需注意，三角網尺寸不宜過于稀疏或過于密集。網格過于稀疏，則尺寸太大，模型擬合精度差。反之，網格尺寸過小，會大幅降低計算效率[6]。粉質黏土層擬合結束后，對合理區域進行修正調整，成果如圖2 所示。

圖2 滑坡粉質黏土層建模

地質體建模：參考粉質黏土層的建模方法，依次建立全風化砂巖、強風化砂巖、中風化花崗巖的模型。同時，為了增加模型立體感，坡面和地層用不同顏色進行渲染。

4.3 勘察數據庫工程

滑坡三維地質模型和勘察數據庫建立之后，可導出任意斷面的地質柱狀圖、剖面圖，并根據插值法計算出土層任意一個物理力學性能指標的等值線圖和等值面圖，為滑坡穩定性分析和加固設計提供參數依據。

5 結語

在巖土工程勘察數字化的背景下，本文分析了巖土工程三維地質建模方法，并基于GIS 系統建立了勘察數據庫，主要得到以下幾個結論：（1）在建立三維地質模型前，從圖層管理、等高線處理、坐標轉換等方面對勘察基礎資料進行處理；（2）巖土工程地質三維建模重點要解決虛擬鉆孔、地層尖滅和透鏡體、空間插值擬合等問題；（3）基于GIS 系統所建立的巖土工程勘察數據庫包含原始數據、中間數據、輸出數據等內容，建庫完成后可根據需求導出各種勘察成果文件。