巖土工程勘察設(shè)計(jì)數(shù)字化系統(tǒng)分析

萬天佐

摘要:巖土工程地質(zhì)勘察是工程設(shè)計(jì)的先決條件,但傳統(tǒng)的巖土工程地質(zhì)勘察資料不能充分揭示場地地質(zhì)空間變化的規(guī)律,也越來越不能滿足巖土工程的空間分析要求。如何突破傳統(tǒng)巖土工程勘察的技術(shù)缺陷,如何利用巖土工程勘察資料來推斷場地土的區(qū)域分布規(guī)律,如何利用巖土工程勘察資料來預(yù)測場地土的巖土工程性質(zhì),是巖土工程界一個(gè)古老而又有新意的問題。文章在分析、總結(jié)前人理論的基礎(chǔ)上,提出并建立了巖土工程地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)數(shù)字化方法。

關(guān)鍵詞:巖土工程;地質(zhì)勘察;工程設(shè)計(jì);數(shù)字化系統(tǒng)

中圖分類號:TU751文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-2374(2009)22-0020-02

理論、實(shí)驗(yàn)和學(xué)科計(jì)算機(jī)技術(shù)已成為今天學(xué)科發(fā)展的三大支柱。而學(xué)科計(jì)算機(jī)技術(shù)在學(xué)科中的應(yīng)用使學(xué)科孕育著一場新的革命。這場革命勢必波及到巖土工程勘察領(lǐng)域。

一、我國巖土工程勘察的現(xiàn)狀及存在的問題

解放以來,我國的巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作取得了長足的進(jìn)步,特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代科技技術(shù)的應(yīng)用,使巖土工程勘察、設(shè)計(jì)工作更是迅猛發(fā)展。因此我們需要發(fā)展和推廣巖土工程勘察數(shù)字化和數(shù)字化技術(shù)。我們需要克服存在的問題,使我國巖土工程勘察數(shù)字化取得長足進(jìn)展,存在的問題主要是:

1.勘察資料過于地質(zhì)化。由于部門長期的條塊分割,勘察、設(shè)計(jì)分散作業(yè),加之巖土工程規(guī)范制定和新技術(shù)、新方法應(yīng)用的滯后。以及專業(yè)設(shè)置過細(xì),巖土工程本身的特殊性等原因,設(shè)計(jì)與勘察之間脫鉤多,使得勘察提供的巖土工程信息通常以設(shè)計(jì)人員難以理解的形式出現(xiàn),而且勘察也較難參與設(shè)計(jì)的全過程。設(shè)計(jì)人員也因知識的局限,很難深層次理解巖土工程勘察信息。因而勘察成果在設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)化率較低,造成許多不應(yīng)有的浪費(fèi)和損失。

2.系統(tǒng)綜合能力差。巖土工程勘察設(shè)計(jì)所涉及的信息是多方位的,如地形、地質(zhì)、水文、氣象、村鎮(zhèn)分布、農(nóng)田、交通、水利設(shè)施、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會人文等,這些信息既有空間定位特征、又有屬性特征,既有定量指標(biāo)、又有定性指標(biāo),既有確定性因素、又有不確定性因素。現(xiàn)有的巖土工程勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)由于缺乏對各類信息全面采集、表達(dá)、識別、分析手段,造成設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和綜合決策缺乏全面的情報(bào)支持。

3.現(xiàn)有的巖土工程勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)基本不具有空間分析能力。使得勘察設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣取舍在很大程度上取決于設(shè)計(jì)人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平,缺乏科學(xué)的決策支持。

4.研究成果和軟件與實(shí)際使用脫節(jié)。許多軟件是在比較落后的軟硬件環(huán)境下,利用比較落后的軟件手段和工具開發(fā)的,加之這些軟件在解決具體問題本身上也很不完善,所以研究成果和軟件與實(shí)際使用還有一定距離。

二、數(shù)字化系統(tǒng)方案

1.巖土工程勘察數(shù)字化。按照Webster詞典的定義,數(shù)字化就是將一些分散而多種多樣的要素或單元合并組合成一個(gè)更加完整或協(xié)調(diào)的整體。由于數(shù)字化創(chuàng)造了一個(gè)更加完整或協(xié)調(diào)的整體,所以被認(rèn)為是一種產(chǎn)生極大價(jià)值的變化過程。在巖土工程勘察設(shè)計(jì)中,數(shù)字化通常被認(rèn)為是將不同的學(xué)科結(jié)合起來的一種方式,而這種方式有助于建立(或創(chuàng)造)一種全新的分析過程。

巖土工程勘察數(shù)字化系統(tǒng)是指應(yīng)用當(dāng)代測繪技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和CAD技術(shù),通過計(jì)算機(jī)及其軟件,把一個(gè)工程項(xiàng)目的所有信息(勘察、設(shè)計(jì)、進(jìn)度、計(jì)劃、變更等數(shù)據(jù))有機(jī)地集成起來,建立綜合的計(jì)算機(jī)輔助信息流程,使勘察設(shè)計(jì)的技術(shù)手段從手工方式向現(xiàn)代化CAD技術(shù)轉(zhuǎn)變,作到數(shù)據(jù)采集信息化、勘察資料處理數(shù)字化、硬件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、圖文處理自動化,逐步形成和建立適應(yīng)多專業(yè)、多工種生產(chǎn)的高效益、高柔性、智能化的工程勘察設(shè)計(jì)體系。巖土工程勘察數(shù)字化系統(tǒng)的概略工作流程見圖1。

2.巖土工程數(shù)字化系統(tǒng)的組成。巖土工程勘察數(shù)字化系統(tǒng)涉及的地理信息系統(tǒng)(GIS )、數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、地質(zhì)建模、AutoCAD和Word自動化等一系列技術(shù),他們以巖土工程勘察、設(shè)計(jì)規(guī)范作為相互聯(lián)系的基礎(chǔ)組成一個(gè)系統(tǒng)工程,如圖2所示:

這種數(shù)字化系統(tǒng)將以上諸多學(xué)科緊緊聯(lián)系起來,改變了以往各學(xué)科獨(dú)立工作,相互之間沒有什么交流的工作方式。它促使各學(xué)科之間相互交流、反饋。

綜合上面所述,要實(shí)現(xiàn)巖土工程勘察數(shù)字化,必須先實(shí)現(xiàn)巖土工程勘察數(shù)字化。巖土工程勘察數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的先決條件。

三、數(shù)字化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

巖土工程地質(zhì)勘察數(shù)字化主要要解決的是巖土工程勘察中場地方域的數(shù)字化、場地物性指標(biāo)的數(shù)字化、場地地層的數(shù)字化和巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。

將巖土工程地質(zhì)勘察與地理信息系統(tǒng)(GIS)結(jié)合起來,利用地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、管理能力和空間查詢、分析能力,解決了傳統(tǒng)巖土工程勘察由于勘察數(shù)據(jù)內(nèi)容上的復(fù)雜性和形式上的多樣性而在數(shù)據(jù)處理上無能為力的狀況,而且利用地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大的可視化操作能力為巖土工程勘察提供了一個(gè)可視化的操作平臺,即實(shí)現(xiàn)了巖土工程勘察數(shù)字化系統(tǒng)中場地方域的數(shù)字化。

利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)和相關(guān)距離的基本理論,并結(jié)合工程場地地質(zhì)勘察資料對杭州市典型地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、相關(guān)距離和工程場地剪切波速進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算,即實(shí)現(xiàn)了巖土工程勘察數(shù)字化系統(tǒng)中物性指標(biāo)的數(shù)字化。

對巖土工程地質(zhì)建模的方法進(jìn)行了研究,并詳細(xì)說明了巖土工程勘察參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及基于Delaunay三角剖分的虛擬鉆孔、虛擬巖土工程剖面、地質(zhì)相關(guān)屬性等計(jì)算的相關(guān)技術(shù),即實(shí)現(xiàn)了巖土工程勘察數(shù)字化系統(tǒng)中的場地地層的數(shù)字化。

針對巖土工程勘察的數(shù)據(jù)特點(diǎn),闡明了基于GIS的巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫建設(shè)的概念模型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對數(shù)據(jù)庫的功能作了總結(jié),即實(shí)現(xiàn)了巖土工程勘察數(shù)字化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。

四、結(jié)語

巖土工程勘察設(shè)計(jì)數(shù)字化系統(tǒng)是一個(gè)多專業(yè)多學(xué)科的系統(tǒng)工程,是學(xué)科計(jì)算機(jī)技術(shù)的集成。集成即是創(chuàng)新,因此巖土工程勘察設(shè)計(jì)數(shù)字化建設(shè)是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)。要解決目前存在的問題,一方面需要建立一個(gè)統(tǒng)一的框架結(jié)構(gòu)和協(xié)同工作環(huán)境,進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和制定切合實(shí)際的實(shí)施方案,另一方面要充分利用大量的已經(jīng)成熟的技術(shù)并尋求新的或有待于開發(fā)的先進(jìn)技術(shù)的支持,如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)技術(shù),等等,雖然這些技術(shù)的出現(xiàn)只不過是幾十年,甚至是十幾年、幾年的事情,但它們在巖土工程勘察的應(yīng)用中已取得了許多長足的進(jìn)展。

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