三維數(shù)字洞庫系統(tǒng)在地下水封洞庫建設(shè)中的應(yīng)用

姚鵬君，曹宏濤，史少維

(北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)

1 引言

地下水封洞庫一般是在穩(wěn)定的地下水位線以下一定的深度，通過人工在地下巖石中開挖出一定容積的洞室，利用穩(wěn)定的地下水的水封作用存儲洞室內(nèi)的原油或液化天然氣［1］。地下水封洞庫因其安全性能高、環(huán)保、投資小、占地少、運(yùn)營管理費(fèi)用低等優(yōu)勢，已成為近年來大規(guī)模存儲原油和液化天然氣的發(fā)展方向。

在地下水封洞庫的建設(shè)中對工程地質(zhì)條件和水文條件的監(jiān)測與控制顯得尤為重要［2］。三維數(shù)字洞庫系統(tǒng)利用GIS技術(shù)與實際的洞庫建設(shè)相結(jié)合，按照一定的程序和準(zhǔn)則對地質(zhì)信息、水文信息、支護(hù)信息和監(jiān)測信息進(jìn)行全過程的管理與監(jiān)控。作為一種空間的數(shù)據(jù)處理、存儲、分析的技術(shù)，本系統(tǒng)可以提升地下水封洞庫的可視化表達(dá)能力和綜合信息分析能力。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用 B/S 架構(gòu)，基于．NET Framework［3］框架;運(yùn)用Visual Studio 2010為開發(fā)工具，C#、JavaScript為主要開發(fā)語言。系統(tǒng)以skyline三維平臺為基礎(chǔ)，前端技術(shù)采用Ext．NET組件庫。系統(tǒng)后臺 SqlSever 2008數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用面向．NET環(huán)境的對象/關(guān)系數(shù)據(jù)庫映射工具(NHibernate［4］)，將對象映射基于 SQL 的關(guān)系模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。后臺采用三層架構(gòu)將整個業(yè)務(wù)應(yīng)用分為表現(xiàn)層(UI)、業(yè)務(wù)邏輯層(BLL)、數(shù)據(jù)訪問層(DAL)，三層架構(gòu)分工更明確，有利于后期的系統(tǒng)維護(hù)和升級。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

(1)洞庫地質(zhì)信息模塊

洞庫建設(shè)需工程地質(zhì)條件好，巖石整體性好，裂隙少，并具有弱透水性［5］。依據(jù)洞庫開挖獲得的勘察資料，深入全面認(rèn)識和掌握工程地質(zhì)信息，并將地質(zhì)信息實現(xiàn)入庫管理。對開挖后的圍巖進(jìn)行地質(zhì)素描工作的地質(zhì)信息成果內(nèi)容包括:

①按圍巖地質(zhì)素描結(jié)果編制巷道、豎井、洞庫的地質(zhì)展示圖和洞庫頂基巖地質(zhì)圖及洞庫圍巖富水程度圖等。洞室不同部位或洞段的巖性變化及其巖體間的接觸關(guān)系，重點是巖脈的分布。巖石全、強(qiáng)、中、微、未風(fēng)化劃分，如表1所示;②地質(zhì)構(gòu)造:斷層的性質(zhì)、產(chǎn)狀、破碎帶寬度、特征;③標(biāo)出掉塊、塌方等發(fā)生處結(jié)構(gòu)面組合性狀與規(guī)模，并說明發(fā)生原因，必要時附素描圖和照片;④利用Q系統(tǒng)法進(jìn)行圍巖分區(qū)定級，Q系統(tǒng)法是應(yīng)用巖石參數(shù)的一個系統(tǒng)來評價巖體質(zhì)量和洞庫開挖的巖體條件，并對洞室采取合理巖石支護(hù)的一種方法。它主要考慮了巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD、節(jié)理組數(shù)Jn、節(jié)理面粗糙度Jr、節(jié)理蝕變程度Ja、裂隙水影響因素Jw以及地應(yīng)力影響因素SRF等6項指標(biāo)。其計算公式為系統(tǒng)圍巖質(zhì)量評估表，如表2所示。

巖石風(fēng)化程度的劃分［7］ 表1

Q圍巖質(zhì)量評估 表2

(2)水文信息模塊

在地下洞庫的建設(shè)中，由于采用了水封原理，水文地質(zhì)條件及其變化的監(jiān)測與控制就為其建設(shè)的重要因素。地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)應(yīng)在初勘階段建立，以水文觀測井為主，并在施工期進(jìn)行水位監(jiān)測。洞庫施工中地下水出露主要分為:濕潤、滲水、滴水、流水4種。對水文信息的監(jiān)測內(nèi)容包括:

①水文觀測井的編號、位置、監(jiān)測日期、天氣、水位;②洞庫圍巖富水程度，標(biāo)出含水裂隙帶分布與寬度;③洞庫中出水點的位置及出流狀態(tài);④存儲各出水點的水量與封堵情況;

(3)支護(hù)信息模塊

洞室圍巖一般地段采用砂漿錨桿和噴射混凝土方式進(jìn)行支護(hù);破碎帶區(qū)域采用砂漿錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土支護(hù)。支護(hù)信息包括:

①支護(hù)的位置與類型;②支護(hù)部位的巖石描述;③支護(hù)具體設(shè)計，包括系統(tǒng)錨桿的長度與數(shù)量，噴混凝土掛網(wǎng)的類型和厚度［8］。

(4)監(jiān)測信息模塊

洞庫施工過程中，在洞庫圍巖部署圍巖收斂(反光片)、接觸應(yīng)力、錨桿應(yīng)力、裂縫開合度、多點位移觀測、鋼筋應(yīng)力、水位變化等監(jiān)測項目，如表3所示。通過這些監(jiān)測設(shè)備對施工期間洞庫的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)狀況進(jìn)行監(jiān)測，為動態(tài)施工設(shè)計和質(zhì)量管理提供依據(jù)。監(jiān)測和掌握洞室圍巖的變形趨勢，建立洞室失穩(wěn)預(yù)警機(jī)制，及時對其穩(wěn)定性和安全做出評估和預(yù)警，同時掌握地下水變化情況，使其處于安全可控狀態(tài)。

①按上述監(jiān)控量測項目可以實現(xiàn)對安裝信息，量測數(shù)據(jù)及斷面信息的存儲;②方便地實現(xiàn)從量測值到應(yīng)力值、位移值的轉(zhuǎn)換;③能夠?qū)ΡO(jiān)控量測數(shù)據(jù)實現(xiàn)編輯、修改、添加新的量測項目及數(shù)據(jù)等操作，對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)可實現(xiàn)導(dǎo)出Excel報表。④自動生成監(jiān)控量測對象的時態(tài)曲線，并設(shè)有預(yù)警閥值，監(jiān)控圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，反饋到施工和設(shè)計中。

監(jiān)控量測內(nèi)容與目的 表3

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 洞庫三維地質(zhì)建模建立

為滿足三維建模與分析要求需要對洞庫地質(zhì)素描圖進(jìn)行處理。結(jié)合實際洞庫開挖的地質(zhì)情況，對鉆孔和洞庫地質(zhì)編錄所分析的地質(zhì)情況進(jìn)一步解譯，獲得更符合實際的地質(zhì)解釋。洞庫初步數(shù)字模型是在洞庫設(shè)計圖紙基礎(chǔ)上，利用3ds Max軟件進(jìn)行數(shù)字建模［9］。在整個建模過程中嚴(yán)格按照設(shè)計圖及設(shè)計變更文件進(jìn)行 1∶1建模。根據(jù)地質(zhì)素描展開圖與編錄劃分不同巖性區(qū)域，在區(qū)域中貼上相應(yīng)地質(zhì)紋理。以掌子面為基礎(chǔ)將洞庫分為左壁、左拱頂、拱頂、右拱頂、右壁5部分，如圖2所示。沿洞室走向?qū)⒌刭|(zhì)紋理也分為相應(yīng)5部分，如圖3所示，并貼于數(shù)字洞庫相應(yīng)位置上，再現(xiàn)整個洞庫的地質(zhì)情況。

地質(zhì)信息以 GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的 Polygon(多重面)［10］存儲。按照既定的劃分原則提取區(qū)域邊界并根據(jù)實際坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為三維空間圖形，數(shù)據(jù)源采用Shape格式。洞庫的地質(zhì)建模流程如圖4所示。

圖2 洞室掌子面分區(qū)

圖3 沿洞室走向紋理分區(qū)

圖4 洞庫地質(zhì)建模流程圖

洞庫地質(zhì)信息查詢步驟:①獲取目標(biāo)點，判斷是否點選中表示巖石的曲面;②若選中則獲取目標(biāo)點處的曲面信息;③若未選中則在目標(biāo)點處生成一個立體圖形;④用立體圖形與曲面相交得出目標(biāo)點處的曲面;⑤顯示曲面的巖石屬性;洞庫支護(hù)信息采用的方法類似。

3.2 監(jiān)測信息

監(jiān)控量測信息以開源工具NHibernate實現(xiàn)了業(yè)務(wù)類與數(shù)據(jù)庫之間的持久層，通過實體映射與關(guān)系映射，使對數(shù)據(jù)庫的操作就直接轉(zhuǎn)換為對這些實體的操作［11］。以裂縫開合度監(jiān)測項目為例來說明。數(shù)據(jù)源中既有監(jiān)測設(shè)備(測縫計)的安裝信息，也有測縫計的常規(guī)監(jiān)測信息，而測縫計的安裝位置是以洞庫里程來說明的，如交通巷道 1 010 m里程處，同一里程處可能安裝多個設(shè)備。因此在數(shù)據(jù)庫中建立3個表，DCFJ_Section代表里程距離和該里程的掌子面的相關(guān)信息，DCFJ_Device代表設(shè)備的具體安裝信息和初始數(shù)據(jù)信息，以SectionId作為外鍵與里程面表關(guān)聯(lián)。DCFJ_Record記錄設(shè)備監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息，以DeviceId作為外鍵與測縫計表關(guān)聯(lián)。3個表之間建立關(guān)聯(lián)(如圖5所示)。其他的監(jiān)控量測項目如圍巖收斂、接觸應(yīng)力等均可以類似形式設(shè)計。

系統(tǒng)使用Nhibernate后，由于對數(shù)據(jù)的操作都是通過實體對象來進(jìn)行，因此采用泛型技術(shù)，使用一個數(shù)據(jù)訪問類來處理實體類的數(shù)據(jù)操作。監(jiān)測數(shù)據(jù)以查詢模型點的方式實現(xiàn)。監(jiān)控量測項目查詢數(shù)據(jù)與形成統(tǒng)計圖，如圖6、圖7所示。

圖5 裂縫開合度監(jiān)測表關(guān)聯(lián)

圖6 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)查詢

圖7 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

4 結(jié)語

將傳統(tǒng)的二維GIS的研究成果拓展到三維空間，并結(jié)合Internet使用戶真正突破空間的限制，共享和分析地球空間的各種信息，已經(jīng)成為GIS工作人員亟待解決的問題［12］。三維數(shù)字洞庫系統(tǒng)貫穿于地下水封洞庫建設(shè)的全過程，從地質(zhì)勘察到施工期的洞庫監(jiān)測甚至可以拓展到生產(chǎn)運(yùn)營的監(jiān)控方面。當(dāng)?shù)叵露磶旆舛峦度胧褂煤?，系統(tǒng)可以真實再現(xiàn)整個洞庫的信息，以達(dá)到信息完全共享和動態(tài)聯(lián)動，為地下洞庫建設(shè)提供新的技術(shù)平臺。

［1］王夢恕，楊會軍．地下水封巖洞油庫設(shè)計、施工的基本原則［J］．中國工程科學(xué)，2008，10(4):11～16．

［2］胡德新，程鳳君．水封洞庫中的地下水的監(jiān)測與控制［J］．勘察科學(xué)技術(shù)，2009(6):43～45．

［3］Jeffrey Richter．Microsoft．NET框架程序設(shè)計(修訂版)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2003．

［4］趙廣利．基于 NHibernate的數(shù)據(jù)持久化方案［J］．計算機(jī)工程，2009，35(20):53 ～55．

［5］何國富．湛江某地下水封洞庫涌水量估算與分析［J］．西部探礦工程，2011(11):19～24．

［6］ 蔡斌．《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》與Q分類法、RMR分類法的關(guān)系及變形參數(shù)估算［J］．巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20(S):1677～1679．

［7］SY/T 0610－2008．地下水封洞庫巖土工程勘察規(guī)范［S］．

［8］劉保國，徐干成．大跨度高邊墻地下洞室分層間隔施工方法［J］．巖土力學(xué)，2011，32(9):2759～2764．

［9］ 唐中實．地理信息系統(tǒng):研究與實踐［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2011．

［10］RaviKothuri．Oracle Spatial空間信息管理:Oracle Database 11g［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2009．

［11］李紹文，董輝琴．NHibernate在．NET開發(fā)中的應(yīng)用［J］．福建電腦，2006(6):1～2．

［12］高小偉，王萍，王春泉．網(wǎng)絡(luò)三維GIS的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．遙感信息，2006(3):77～80．