趙文超 王國崗 陳建輝 王春曉

三維地質(zhì)模型作為地質(zhì)信息三維可視化的重要載體，為三維協(xié)同設(shè)計(jì)起到了地質(zhì)空間決策的支撐性作用。利用三維地質(zhì)模型可將地質(zhì)體的空間分布及對工程的影響清楚地表達(dá)出來，為地質(zhì)、水工等專業(yè)快速解讀地質(zhì)條件提供極大便利，提高了工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量與進(jìn)度。

某水電站由攔河壩、溢洪道、進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、地下廠房及尾水隧洞等主要建筑物組成。地下廠房系統(tǒng)包括調(diào)壓井、壓力鋼管、地下廠房、尾水洞、交通洞、GIL出線洞和地面開關(guān)站等。其中，地下廠房埋深約430 m，底部高程約1 306 m，廠房軸向?yàn)榻黃N向，巖性以Panjal組的變質(zhì)含礫巖屑石英砂巖（MPLQS）和變質(zhì)砂質(zhì)礫巖（MSB）、變質(zhì)玄武巖（MB）為主，局部含炭質(zhì)片巖（C.Sch）夾層。廠址區(qū)區(qū)域性斷裂帶，Ⅱ級、Ⅲ級斷層和小背斜均有發(fā)育，對地下廠房的圍巖巖體變形、穩(wěn)定影響較大。

為全面分析地下廠房所處地質(zhì)條件的空間展布情況，利用中電集團(tuán)華東院研發(fā)的GeoStation軟件建立了地下廠房區(qū)的三維地質(zhì)模型。工作內(nèi)容包括工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的完善、地質(zhì)界面及地質(zhì)異形體的建立，為地下廠房的設(shè)計(jì)提供了形象直觀的地質(zhì)依據(jù)。

1 關(guān)鍵技術(shù)說明

三維地質(zhì)建模的概念最早由Houlding在1994年提出，并在此后的幾十年不斷完善發(fā)展，形成了較為完整的三維地質(zhì)建模體系。三維地質(zhì)建模方法的選擇、地質(zhì)界面的快速模擬是三維地質(zhì)建模過程中重要的環(huán)節(jié)，關(guān)系到建模工作進(jìn)展的順利程度。

1.1 建模方法

常見的三維地質(zhì)建模方法有基于層面數(shù)據(jù)三維地質(zhì)建模法、基于剖面數(shù)據(jù)三維地質(zhì)建模法、基于鉆孔數(shù)據(jù)三維地質(zhì)建模法及基于多源數(shù)據(jù)三維地質(zhì)建模法等。前3種建模方法主要基于單一數(shù)據(jù)來源進(jìn)行三維地質(zhì)建模工作，對利用多種勘察手段獲取的地質(zhì)資料的利用率較低。多源數(shù)據(jù)三維地質(zhì)建模方法可耦合地質(zhì)測繪及地質(zhì)勘探的多種異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)，提高建模精度。

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)信息化是多源數(shù)據(jù)三維地質(zhì)建模方法的重要組成部分，是進(jìn)行地質(zhì)信息三維可視化的工作基礎(chǔ)。多途徑獲取的地質(zhì)數(shù)據(jù)導(dǎo)致了地質(zhì)成果出現(xiàn)多種地質(zhì)數(shù)據(jù)格式及不同地質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過地質(zhì)數(shù)據(jù)分類分析、建立數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)拓?fù)湟恢滦詸z查、數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化、地質(zhì)要素?cái)?shù)據(jù)提取、地質(zhì)屬性添加等過程實(shí)現(xiàn)地質(zhì)成果的標(biāo)準(zhǔn)信息化，以此解決建模過程中涉及的多源數(shù)據(jù)整理、轉(zhuǎn)換、集成等問題。在地下廠房工作區(qū)三維地質(zhì)建模中，采取了此三維地質(zhì)建模方法。

1.2 地質(zhì)界面的模擬

在三維地質(zhì)建模過程中，將地層分界面、巖體質(zhì)量分界面、風(fēng)化面、卸荷面、斷層面等地質(zhì)界面進(jìn)行三維空間形態(tài)模擬是一項(xiàng)核心工作。常見的地質(zhì)界面模擬方法有多項(xiàng)式曲面、樣條曲面、散亂數(shù)據(jù)插值曲面模擬等。其中，散亂數(shù)據(jù)插值曲面模擬對地質(zhì)界面曲面復(fù)雜性模擬效果較好，推廣應(yīng)用領(lǐng)域較多。

散亂數(shù)據(jù)插值曲面模擬通過插值運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，其過程主要是：先在參考平面上剖分投影的地質(zhì)界面，成三角形或四邊形網(wǎng)格；再利用原始采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算，計(jì)算出網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而形成空間地質(zhì)界面。常用的插值算法有克里金法（Kriging）方法、離散光滑插值（DSI）方法、反距離權(quán)方法（IDW）等。Kriging插值方法建立在變差函數(shù)或協(xié)方差函數(shù)空間分析基礎(chǔ)上對區(qū)域變形進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)，能夠最大程度地保證地質(zhì)界面精度；DSI方法是一種基于拓?fù)渚W(wǎng)格的插值方法，對多值地質(zhì)界面的模擬效果良好。對MPLQS+MSB的模擬是運(yùn)用DSI方法，快速生成了形態(tài)合理的地質(zhì)異形體，其他巖性和地質(zhì)界面的插值模擬主要用Kriging方法。

1.3 建模軟件

GeoStation是中建集團(tuán)華東院依托美國Bentley公司的MicroStation平臺研制開發(fā)的工程地質(zhì)（巖土）三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)，融合了多種三維地質(zhì)建模方法和地質(zhì)界面模擬算法，能夠很好地滿足工程三維地質(zhì)建模、三維分析、二維出圖、項(xiàng)目數(shù)據(jù)管理、勘察信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、程序化的需求。軟件按功能模塊主要分為6部分：數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、三維建模與分析子系統(tǒng)、輔助繪圖子系統(tǒng)、查詢統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)、計(jì)算分析子系統(tǒng)和外業(yè)系統(tǒng)。本項(xiàng)目在此軟件平臺上開展工作。

2 三維地質(zhì)建模過程

2.1 完善工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫

針對某一工程的地勘資料建立完善的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，是實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)建模后續(xù)相關(guān)工作的前提，也是對地質(zhì)外業(yè)工作數(shù)字化集中存儲與管理的重要基礎(chǔ)工作，主要包括以下4部分內(nèi)容：（1）在數(shù)據(jù)庫端進(jìn)行項(xiàng)目管理，包括新建項(xiàng)目、定義項(xiàng)目屬性、新建工程區(qū)、定義工程區(qū)屬性、指定項(xiàng)目成員并分配不同工作權(quán)限；（2）進(jìn)行本工程的基本地質(zhì)定義，包括地層、巖性、地產(chǎn)界面、地質(zhì)構(gòu)造等；（3）進(jìn)行勘探布置，包括勘探線布置、鉆孔布置、平洞布置、坑槽布置等；（4）導(dǎo)入地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)、勘探數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)包括測繪點(diǎn)、實(shí)測剖面等；勘探數(shù)據(jù)包括鉆孔、平洞、探坑、探槽等；試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括土工試驗(yàn)、物探試驗(yàn)等。

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中，在“巖性層”完成了變質(zhì)含礫巖屑石英砂巖（MPLQS）、變質(zhì)砂質(zhì)礫巖（MSB）、大理巖（Mbl）、變質(zhì)玄武巖（MB）、炭質(zhì)片巖（C.Sch）5種巖性定義，在“地質(zhì)構(gòu)造”完善了F25-1斷層及f20斷層的信息，在“鉆孔”共計(jì)完成4個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)信息的錄入。

2.2 建立三維地質(zhì)模型

三維地質(zhì)建模一般情況下主要包括地形面、勘探線及地質(zhì)剖面導(dǎo)入、基覆界面、風(fēng)化卸荷面、結(jié)構(gòu)面（斷層、裂隙等）、地層巖性界面、地質(zhì)異形體（如透鏡體）等內(nèi)容的建模工作。以下重點(diǎn)介紹地質(zhì)剖面的導(dǎo)入與斷層建模。

2.2.1 地質(zhì)剖面的導(dǎo)入

用勘探剖面圖結(jié)合鉆孔與其他資料進(jìn)行地質(zhì)模型三維重建是三維地質(zhì)建模的重要方法。其中勘探剖面圖從二維坐標(biāo)系向三維坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換是三維建模的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

勘探剖面導(dǎo)入工具將二維地質(zhì)剖面成果導(dǎo)入到三維空間中，使其按照勘探線的延伸方向延伸，并以二維圖中的y值作為高程。導(dǎo)入的剖面線將保留原始數(shù)據(jù)的線型、顏色等信息。這樣就由原始二維地質(zhì)剖面成果形成了三維剖面線，為下一步的三維建模提供了基礎(chǔ)。

2.2.2 斷層建模

本項(xiàng)目主要建立F25-1斷層及f20斷層。其中，斷層F25-1，位于地下廠房北側(cè)貫穿廠址區(qū)，寬120～260 m，延伸長度大于2 km，斷層產(chǎn)狀為NE80o/NW∠30o～70o，斷層以陡傾角為主，地表出露寬度40～120 m；斷層f20延伸長度大于2 km，為逆斷層，斷層整體走向?yàn)镹E向，與斷層F25-1相交，產(chǎn)狀NE30o～60o/NW∠55o，斷層帶及影響帶寬度20～30 m。

斷層建模的思路為：斷層線框架―斷層面模型―斷層體模型。斷層的線框架中的線條主要來源為斷層地表初露跡線、地質(zhì)剖面中的斷層線、輔助剖面中的斷層線等。利用斷層線框架及GeoStation的網(wǎng)格建模工具可生成斷層面模型，利用斷層面型對地質(zhì)體做布爾運(yùn)算得到斷層體模型，如圖1所示。

圖1 斷層線框-面-體模型

3 模型分析

3.1 地下廠房地質(zhì)環(huán)境分析

最終建立的三維地質(zhì)模型包括：覆蓋層、風(fēng)化分層、斷層、地層巖性分層等。將地下廠房建筑物BIM模型疊加至三維地質(zhì)模型中，可清晰地看出地下廠房所處的地質(zhì)條件，即地下廠房主要位于微風(fēng)化層，巖性主要以變質(zhì)含礫巖屑石英砂巖（MPLQS）和變質(zhì)砂質(zhì)礫巖（MSB）為主，如圖2所示。

圖2 地下廠房所處地質(zhì)條件展示

3.2 地層巖性分析

地下廠房位于微風(fēng)化層中，根據(jù)工程地質(zhì)關(guān)注的問題將微風(fēng)化層進(jìn)行了巖性分層，各巖性地質(zhì)塊體的形態(tài)如圖3所示。從圖中可看出地質(zhì)體的空間分布形態(tài)、空間相對位置關(guān)系及塊體體積大小等，形象直觀地再現(xiàn)了地下廠房所處部位的地質(zhì)環(huán)境，有利于各專業(yè)對地質(zhì)資料的快速理解。

圖3 不同巖性地質(zhì)塊體

3.3 二維圖紙的快速抽取

在地下廠房三維地質(zhì)模型建立完成后，可快速生成二維地質(zhì)剖面圖，極大地提高地質(zhì)出圖效率。所出地質(zhì)剖面圖圖幅圖框、標(biāo)題、圖例及說明、圖簽和圖面信息完整，地質(zhì)線條樣式及屬性信息明確，很好地滿足了設(shè)計(jì)生產(chǎn)需求。

3.4 地下廠房穩(wěn)定性分析

CAD/CAE一體化是三維地質(zhì)模型重要的應(yīng)用方向之一。對已建三維地質(zhì)模型進(jìn)行網(wǎng)格面及空間拓?fù)潢P(guān)系的優(yōu)化后，生成三維地質(zhì)數(shù)值仿真計(jì)算模型，導(dǎo)入MIDAS、ANSYS、FLAC3D等數(shù)值分析軟件中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，為工程設(shè)計(jì)提供輔助支撐。在本項(xiàng)目中，為滿足施工圖階段設(shè)計(jì)要求，對地下廠房各工況下地下廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體有限元計(jì)算分析，如圖4所示。在地下廠房數(shù)值仿真中，充分考慮了地質(zhì)環(huán)境對地下廠房應(yīng)力應(yīng)變及穩(wěn)定性的影響，建立了地質(zhì)-地下廠房計(jì)算模型，確保了計(jì)算結(jié)果的合理性。

圖4 基于三維地質(zhì)模型的數(shù)值仿真分析

4 結(jié)語

將三維地質(zhì)建模技術(shù)運(yùn)用于地下廠房區(qū)的地質(zhì)三維可視化工作，一方面解決了二維圖紙對地質(zhì)條件表達(dá)有局限，另一方面三維地質(zhì)模型輔助了地質(zhì)及水工等其他專業(yè)的地質(zhì)空間解讀。另外，基于三維地質(zhì)模型進(jìn)行了二維地質(zhì)圖紙快速抽取及CAD/CAE一體化分析，取得了較好的成果。

三維地質(zhì)建模技術(shù)融合了地質(zhì)專業(yè)知識、三維地質(zhì)建模理論、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)語言等多學(xué)科的知識點(diǎn)。在本文中僅僅分析了三維地質(zhì)建模方法、地質(zhì)界面模擬插值算法，除此之外的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建立、快速建模技術(shù)的總結(jié)等內(nèi)容需進(jìn)一步研究，以拓寬三維建模技術(shù)在工程上的應(yīng)用深度和廣度。