城市三維地質(zhì)建模在砂土液化分析中的應(yīng)用：以通州為例

李　靜，趙　帥

(1．中國地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049；2.北京市地震局，北京 100080)

城市三維地質(zhì)建模在砂土液化分析中的應(yīng)用：以通州為例

李靜1，趙帥2

(1．中國地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049；2.北京市地震局，北京 100080)

摘要：以城市區(qū)域地質(zhì)、鉆孔、剖面等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合3D GIS 方法技術(shù)、3D可視化技術(shù)以及一系列有關(guān)城市地質(zhì)特征的描述、模型、分析評(píng)價(jià)的方法，利用三維建模理論構(gòu)建研究區(qū)3D地質(zhì)體模塊，并在3D可視化下綜合解析城市的砂土液化，將城市地質(zhì)工作和城市規(guī)劃結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)城市三維地質(zhì)信息系統(tǒng)，提高城市地質(zhì)工作的研究水平。以通州地區(qū)為例，結(jié)合砂土液化災(zāi)害理論知識(shí)從三維角度進(jìn)行地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，劃定通州區(qū)地下潛在砂土液化災(zāi)害區(qū)域，為后續(xù)災(zāi)害防治工作提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)體；砂土液化；建模；評(píng)價(jià)

三維地質(zhì)建模(3D Geoscience Modeling)，就是采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，將地理空間信息、地質(zhì)解譯、空間分析以及預(yù)測(cè)、地學(xué)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，塊體內(nèi)容分析結(jié)合圖形可視化等工具，在三維空間環(huán)境下,作用于地質(zhì)條件分析的一項(xiàng)綜合性技術(shù)。城市工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)估利用3D地質(zhì)-實(shí)體模型進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)是伴隨著計(jì)算機(jī)3D建模技術(shù)的不斷發(fā)展逐步實(shí)施的；隨著中國城市建設(shè)中的3D立體地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目的啟動(dòng)，城市3D空間地質(zhì)信息建設(shè)以及城市3D地質(zhì)模型的構(gòu)建也得到了穩(wěn)步的發(fā)展。

3D地質(zhì)體模型構(gòu)建與3D可視化早期是由加拿大科學(xué)家 Simon W.Houlding[1-2]于1993 年提出，如今這一技術(shù)已成為計(jì)算科學(xué)可視化、數(shù)學(xué)地質(zhì)、巖土工程、石油勘探與水電勘察等諸多領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向?？偟膩碚f，國內(nèi)外對(duì)3D地質(zhì)可視化方面的研究都比較多，集中的研究方向在3D可視化的快速處理、地質(zhì)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、3D實(shí)體拓?fù)涞鹊确矫?，其中地質(zhì)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的研究是地質(zhì)體空間信息3D可視化的基礎(chǔ)及核心。城市的地質(zhì)環(huán)境評(píng)估與3D地質(zhì)實(shí)體模塊構(gòu)建相結(jié)合分析城市地質(zhì)內(nèi)部關(guān)系方面的工作在最近幾年才開展；上世紀(jì)60年代我國的地質(zhì)環(huán)境評(píng)估工作就已開展，其主要服務(wù)的目標(biāo)是為預(yù)定的大型、超大型城市工程進(jìn)行區(qū)域上的環(huán)境工程地質(zhì)進(jìn)行調(diào)查、評(píng)價(jià)。[3-4]國外，在上世紀(jì)90年代初期英美國、荷蘭、加拿大、澳大利亞等國家就相繼開展了各自的城市3D地質(zhì)數(shù)學(xué)可視化構(gòu)建工程。進(jìn)行城市3D地質(zhì)建模、空間分析，及時(shí)的分析出相關(guān)地質(zhì)穩(wěn)定性特征；能夠快速、有效避免因工程建設(shè)而導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生；為城市規(guī)劃提出建設(shè)性的科學(xué)依據(jù)。

本次通州研究區(qū)位于北京市東南部，京杭大運(yùn)河北端；主要通過收集研究區(qū)以往地質(zhì)資料，厘定研究區(qū)地形、地貌、水文、巖土特性及構(gòu)造等等城市地質(zhì)環(huán)境影響因子，構(gòu)建研究區(qū)三維地質(zhì)模型進(jìn)行砂土液化分析，采用的軟件主要有達(dá)索旗下SURPAC VISION、ESRI旗下Arcgis、ENVI、VRP、3DMAX等。

1地質(zhì)背景

1.1區(qū)域構(gòu)造

通州研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造上位于陰山構(gòu)造帶的南緣，祁呂-賀蘭山“人”字型的東部構(gòu)造帶、新華夏系構(gòu)造帶、延昌弧型構(gòu)造東部南緣結(jié)合部位；處于華北板塊(Ⅰ)中部，冀遼斷陷盆地(Ⅱ3)北部，大興隆起(Ⅲ4)三級(jí)構(gòu)造單元平原區(qū)北東部(圖1)[5]。

圖1　通州研究區(qū)構(gòu)造劃分示意圖

南苑-通縣活動(dòng)斷裂(圖1)為通州研究區(qū)發(fā)育的主要控制性斷裂；總體上呈NE向展布；南起河北省涿縣塔上，往北，經(jīng)北京市房山區(qū)碼頭鎮(zhèn)、兩間房，橫穿北京市永定河向北東方向繼續(xù)延伸，沿南苑鎮(zhèn)、高碑店、雙埠頭至順義區(qū)北務(wù)展布，全長約為 110km。；劃分出了北京迭凹陷和大興迭隆起兩個(gè)構(gòu)造單元，控制了北京南部平原地區(qū)的斷裂分布[5]。

1.2水文地質(zhì)

地表以下30m深度的地下水，通州研究區(qū)范圍內(nèi)主要為潛水、承壓水，局部地區(qū)賦存有上層滯水。

潛水水位大于6m的地區(qū)主要分布在黑莊戶-梨園-宋莊-帶，其周邊水位埋深遞減，水位小于3m埋深位于樓梓莊、蒼頭地區(qū)。第四紀(jì)孔隙潛水水位標(biāo)高在12～24m±，水位埋深在 0.7～9m，粉細(xì)砂及粉土層為主要的含水層巖性。[5]該地區(qū)地表下一般14～20m即可見承壓水，水位標(biāo)高在0～8m±；粉細(xì)砂、中粗砂、礫-卵石及粉土層為該地區(qū)主要承壓水的含水層巖性。

2三維地質(zhì)模型構(gòu)建

以多年積累的二維地質(zhì)調(diào)查成果與經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地總結(jié)研究區(qū)的地質(zhì)背景以及水文地質(zhì)條件；根據(jù)收集的研究區(qū)的工程圖、中段平面圖、勘探線剖面以及各類比例尺地質(zhì)圖、剖面[7-8]，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，空間分析得到研究區(qū)各類地質(zhì)體的輪廓線，利用地質(zhì)三維建模技術(shù)構(gòu)建三維地層巖性實(shí)體模型，以遙感與高程數(shù)據(jù)建立地表地形模型，以采集的尺寸與紋理信息遙感影像建立地上景觀模型，以工程尺寸與工程布置數(shù)據(jù)建立工程模型[10]；通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分解與多源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)地上地下的貫通以及二維三維等多源數(shù)據(jù)的集成，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)功能開發(fā)，實(shí)現(xiàn)三維可視化綜合分析，并建立空間數(shù)據(jù)庫，有機(jī)的融合研究區(qū)各種數(shù)據(jù)資料[12-13]。目的就是把那些空間上不連續(xù)、分布散亂的地質(zhì)現(xiàn)象，采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)3D建模技術(shù)與數(shù)學(xué)擬合、圖形構(gòu)建等技術(shù)想結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)地質(zhì)現(xiàn)象的虛擬3D現(xiàn)實(shí)化[14]；處理各個(gè)地質(zhì)體間真實(shí)反映，完成地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)全面反映[15-16]。

本文研究的內(nèi)容是通過3D地質(zhì)建模進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作，主要的建模工作流程如下所示。

1)資料搜集、整理與篩選：整理研究區(qū)217個(gè)鉆孔資料，33條實(shí)際剖面，同時(shí)獲取研究區(qū)157.85km2高分辨率遙感影像圖以及1∶1000地面高程數(shù)據(jù)。

2)勘探剖面圖布設(shè)：首先按照深孔分布，以及地質(zhì)背景，沿北東方向布設(shè)深孔勘探線，考慮與已知5條勘探剖面相交的情況，在與已知剖面交叉重合部位，設(shè)定虛擬鉆孔；其次按照實(shí)測(cè)第四紀(jì)淺鉆孔分布情況，布設(shè)淺孔勘探線，同時(shí)，參考已知剖面以及周邊深鉆孔情況；在研究區(qū)外圍沒有鉆孔控制的區(qū)域，設(shè)立虛擬勘探線，將周邊的鉆孔按照趨勢(shì)分布在該勘探線上(圖2)。

3)繪制勘探剖面圖并立剖面：結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)繪制鉆空柱狀圖并進(jìn)一步沿勘探線形成剖面圖，按照實(shí)際鉆孔位置及勘探線空間分布將二維剖面數(shù)據(jù)展布到三維空間當(dāng)中，形成研究區(qū)空間立體剖面圖。

4)構(gòu)建三維地質(zhì)體：將研究區(qū)的所有剖面裝置到3D空間，按照地質(zhì)體的形態(tài)，采用輪廓線重構(gòu)面(wireframe modeling)[7,9,10,11]技術(shù)在相鄰勘探線之間用三角網(wǎng)連接三維地質(zhì)體表面，最終形成地質(zhì)體實(shí)體。

本次工作主要分層建立研究區(qū)的粉砂、細(xì)砂、中砂模型以及粉土、粉質(zhì)黏土、黏土和粘質(zhì)粉土模型(圖3、圖4)，最后將多個(gè)地質(zhì)體進(jìn)行空間疊加，形成研究區(qū)的實(shí)際地質(zhì)體模型。

圖2　研究區(qū)勘探線布設(shè)(上)及三維布設(shè)(下)圖

圖3　研究區(qū)粉砂(a)、細(xì)砂(b)、中砂(c)

從圖3及圖4上的3D空間實(shí)體模型可以準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)粘性土與砂土互層。從構(gòu)建的3D模型中發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地表以下30m的空間內(nèi)，分布細(xì)砂、粉質(zhì)粘土層兩層較厚的地層，同時(shí)可發(fā)現(xiàn)砂土從西到東逐漸變厚，埋深逐漸變淺；厚度為0.9～20.0m；整個(gè)研究區(qū)以細(xì)砂及粉質(zhì)粘土為主，中砂、粘土及粘質(zhì)粉土次之，粉砂、粉土零星分布主要呈水平方向展布(表1)。目前地下水位埋深較淺，歷史最高水位接近地表。

3砂土液化三維評(píng)價(jià)方法

砂土液化是指砂土液態(tài)化的表現(xiàn)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，在地震力的往復(fù)作用下，超靜孔隙水壓力承擔(dān)全部上覆土重時(shí)，砂土層內(nèi)最上部的砂就會(huì)處于懸浮狀態(tài)(液化狀態(tài))。超靜孔壓在上覆土層薄弱處，懸浮狀態(tài)的砂土隨水噴出地表，就會(huì)形成砂土液化致災(zāi)。

3.1評(píng)價(jià)因子

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國地質(zhì)年代為晚更新世或以前的飽和土層未發(fā)生液化現(xiàn)象；同時(shí)，當(dāng)?shù)叵滤恍∮诮缦拗禃r(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)砂土液化現(xiàn)象；砂土或粉土上覆蓋的非液化土層厚度越過臨界值時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)砂土液化現(xiàn)象。當(dāng)粉土或砂土的粘粒含量超過某一界限值時(shí)，不會(huì)發(fā)生液化，這是由于土的黏聚力增大了，抗液化能力加強(qiáng)了。砂土或粉土的相對(duì)密度<50%的砂土液化現(xiàn)象普遍，沒有發(fā)生液化其相對(duì)密度均>70%。土的側(cè)壓力越大；地震烈度越高，持續(xù)的時(shí)間越長，砂土發(fā)生液化的可能性就越大；[5]一般地震烈度在6度以下，很少見到砂土液化，然而當(dāng)烈度大于7度，砂土液化現(xiàn)象則較為普遍。砂土層內(nèi)部孔隙水連通，處于飽和或近于飽和狀態(tài)，發(fā)生砂土液化的可能性就越高。

圖4　研究區(qū)粉土(a)、粉質(zhì)黏土(b)、黏土(c)、粘質(zhì)粉土(d)

土質(zhì)類型上覆地層下伏地層最厚最薄平均粉砂粉質(zhì)黏土中砂9.82.44.2細(xì)砂粉質(zhì)黏土、黏土黏質(zhì)粉土、細(xì)砂20.00.915.3中砂細(xì)砂、黏土—6.40.22.7粉土粉質(zhì)黏土細(xì)砂、粉砂2.31.01.8粉質(zhì)黏土細(xì)砂、黏質(zhì)粉土細(xì)砂、粉土、粉砂、黏土20.00.814.8黏土粉質(zhì)黏土中砂、細(xì)砂3.80.52.5黏質(zhì)粉土細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、中砂中砂、粉質(zhì)黏土13.40.87.6

因此存在砂土液化的可能必須具備以下幾個(gè)基本要素：①晚于晚更新世的砂土層；②黏粒(粒徑≤0.005mm的土顆粒)含量在一定范圍；③上覆蓋非液化層厚度能抑制可液化層噴水、冒砂；④砂土層位于地下水位以下，地下水位埋藏淺及徑流條件滯緩地帶；⑤砂層密實(shí)度差、結(jié)構(gòu)松散；⑥土層埋深小于20m；⑦地震烈度和震級(jí)。

是否會(huì)發(fā)生液化現(xiàn)象，還有其他因素，包括埋深、地震條件、可液化層與非可液化層間的關(guān)系等。通州研究區(qū)地表以下 20m 深度范圍內(nèi)分布粉土、砂土，歷史最高水位接近地表，地下水位埋深較淺，具備了產(chǎn)生砂土液化災(zāi)害的基本條件。

3.2評(píng)價(jià)方法

為了對(duì)研究區(qū)內(nèi)砂土層進(jìn)行空間三維定位，采用地質(zhì)體立方體法進(jìn)行，將研究區(qū)內(nèi)土層立體格網(wǎng)化，對(duì)每一個(gè)立方體進(jìn)行液化可能性賦值，以準(zhǔn)確的定位空間位置上，哪一個(gè)區(qū)域存在砂土液化的可能。

1)首先計(jì)算研究區(qū)內(nèi)已知鉆孔的砂土液化指數(shù)[5]。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)技術(shù)規(guī)范，對(duì)位于地下水位以下呈飽和狀態(tài)的砂土，結(jié)合基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)判別該層是否發(fā)生液化，對(duì)于可液化砂土層，計(jì)算其液化指數(shù)，劃分砂土液化地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性級(jí)別。

砂土是否能產(chǎn)生液化的判別公式見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

(適用于地面以下15m以內(nèi))

式中：ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m)；dw為地下水位深度(m)；ρ0為黏粒含量百分?jǐn)?shù)，小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，取3；N0為飽和土液化判別的基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)；Ncr為飽和土液化臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)。

對(duì)于可液化層，可按式(3)計(jì)算的液化指數(shù)(Iie)來確定液化等級(jí)。

(3)

式中：Ni為i點(diǎn)飽和土層實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)；Ncri為臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)(相應(yīng)于Ni深度處)；N為15m深度內(nèi)鉆孔飽和土層標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)總數(shù)；di為i處土層厚度(m)；Wi為i點(diǎn)單位土層厚度的影響函數(shù)值(單位m-1)。

最終獲得研究區(qū)194個(gè)鉆孔的液化指數(shù)數(shù)據(jù)。

圖5三維空間上分布的液化指數(shù)(截取研究區(qū)部分)

2)以三維地質(zhì)砂土層為對(duì)象，結(jié)合地質(zhì)立方體，采用距離冪次反比法計(jì)算研究區(qū)內(nèi)砂土層三維空間上的砂土液化分布情況。進(jìn)而對(duì)全區(qū)內(nèi)的砂土層液化災(zāi)害進(jìn)行評(píng)價(jià)。首先對(duì)鉆孔內(nèi)計(jì)算獲得的液化指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其結(jié)果符合對(duì)數(shù)正太分布，結(jié)合空間變異結(jié)構(gòu)分析，[13-16]最終采用SURPAC中的塊體模型，運(yùn)用距離冪次反比法[15-16]對(duì)三維空間內(nèi)的塊體進(jìn)行液化指數(shù)賦值。

通過分析得知研究區(qū)80%左右的地區(qū)存在不同程度的可液化土層，平面面積約為137.63km2，按照液化指數(shù)0～5為輕度，5～15為中度，大于15為重度將研究區(qū)劃分為四個(gè)層次的液化區(qū)域，從輕微～嚴(yán)重比例分布見表2。其中面積約為 25.39km2，分布于樓梓莊、師姑屯—供給店北一帶為液化嚴(yán)重地區(qū)，可能的液化深度為 8～20m，平均深度約13.7m，體積約0.43km3；面積約為 40.08km2，主要分布于東石村-蒼頭、高安屯-北寺莊、梨園-小圣廟、垡頭一帶為中等程度液化地區(qū)，可能的液化深度為 6～16m，平均深度約12.6m，體積約0.67km3；輕微程度液化地區(qū)主要分布于研究區(qū)中部，面積約為 72.16km2，可能的液化深度為 2～9m，平均深度約7.7m 左右，體積約1.16km3；其空間分布情況見圖6。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)砂土層主要分布于研究區(qū)細(xì)砂及粉質(zhì)黏土層中。利用上述砂土液化判別標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合研究區(qū)數(shù)據(jù)分析可知：可能液化的區(qū)域應(yīng)該在距地表20m以下范圍內(nèi)均存在砂土液化的可能。

表2　研究區(qū)砂土液化分區(qū)評(píng)價(jià)分析表

圖6研究區(qū)可能液化空間分布圖

4結(jié)論

1)本文利用三維地質(zhì)建模技術(shù)結(jié)合地質(zhì)砂土液化指數(shù)評(píng)價(jià)相關(guān)的理論對(duì)通州區(qū)潛在砂土液化區(qū)域進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，具體形象的展示了通州區(qū)地下土質(zhì)的空間三維形態(tài)分布，便于客觀清楚的了解研究區(qū)地下土質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合砂土液化判別理論，確定整個(gè)研究區(qū)易于發(fā)生砂土液化災(zāi)害的地下范圍，為砂土液化災(zāi)害的防治工作提供決策依據(jù)。

2)通過與北京通州地區(qū)其它地質(zhì)資料對(duì)比，本次工作的成果符合地質(zhì)現(xiàn)狀，本次工作結(jié)合三維地質(zhì)體模型，拓展了傳統(tǒng)液化指數(shù)方法，將其從二維平面發(fā)展到三維空間，并且對(duì)于砂土危害程度一并進(jìn)行了評(píng)估，將砂土液化工作從半定量分析發(fā)展到定量定位分析，為準(zhǔn)確定位砂土液化位置，提供了一條準(zhǔn)確科學(xué)的方法。

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Application of 3D geological modeling in the analysis of sandy soil liquefaction:a case study of Tongzhou

LI Jing1，ZHAO Shuai2

(1.National Earthquake Response Support Services，Beijing 100049，China；2.Earthquake Administration of BEIJING Municipality，Beijing 100080，China)

Abstract:Based on the data of regional geology，drilling and profile，combined with 3D GIS technology，3D visualization technology and a series of description，model and analysis evaluation method of urban geological characteristics，the 3D geological model was established by 3D modeling theory，and in the 3D visualization of the comprehensive analysis of the city of sand liquefaction，the combination of urban geological work and urban planning，to create an urban 3D geological information system，improve the level of urban geological work.Taking Tongzhou area as an example，combined with the theory of sandy soil liquefaction disaster，the geological stability evaluation is carried out from three aspects，and the potential sand liquefaction disaster area in Tongzhou District area is delineated，which provides a decision-making basis for the prevention and control of disaster.

Key words：3D geological body; sand liquefaction; modeling; evaluation

收稿日期：2015-10-17

作者簡(jiǎn)介：李靜(1976-)，女，漢族，河南信陽人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程，E-mail：zz_lijing@126.com

中圖分類號(hào)：P642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)05-0164-05