三維地質(zhì)設(shè)計在孟底溝工程中的應(yīng)用

王 剛，田華兵,劉仕勇,梅稚平

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

三維地質(zhì)設(shè)計在孟底溝工程中的應(yīng)用

王 剛，田華兵,劉仕勇,梅稚平

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

復(fù)雜的地質(zhì)條件給水電工程地質(zhì)分析帶來了極大的困難，為了解決孟底溝水電站地質(zhì)分析難題，采用GeoSmart系統(tǒng)作為分析工具，基于其工程地質(zhì)信息管理、工程地質(zhì)三維解析和工程地質(zhì)綜合應(yīng)用功能展開分析，結(jié)果表明，相關(guān)地質(zhì)分析難題得到了較好的解決。該系統(tǒng)在實際水電站的地勘全程數(shù)字化三維設(shè)計工作中的應(yīng)用，不僅高效地解決了各類復(fù)雜地質(zhì)問題，而且有效提升了工程地質(zhì)的分析方法和手段，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

水電工程；工程地質(zhì)；三維設(shè)計；GeoSmart

0 前 言

孟底溝水電站為大(1)型水電水利工程，位于西南高山峽谷區(qū)，地形地貌復(fù)雜。山高谷深，沖溝發(fā)育，交通極為不便，高山陡坡，地形及地質(zhì)測繪難度很大。工程區(qū)地層為燕山期早期侵入的不規(guī)則空巖體，為中?；◢忛W長巖、少量黑云母花崗巖，后期蝕變強烈，主要為花崗巖化和粘土化蝕變帶，發(fā)育的蝕變帶和蝕變集中帶規(guī)模大小、分布形態(tài)較復(fù)雜。同時，壩區(qū)斷層發(fā)育，導(dǎo)致斷層、蝕變帶、巖脈等空間交切關(guān)系極為復(fù)雜。如何準確分析反映復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間展布形態(tài)和交切關(guān)系，是影響工程地質(zhì)條件的關(guān)鍵因素之一。

要準確分析復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間展布形態(tài)和交切關(guān)系，必須首先獲得各項地質(zhì)資料。由于水電工程特有的復(fù)雜地形地質(zhì)條件，原始地質(zhì)資料眾多，資料的完整保存和調(diào)用將直接影響地質(zhì)分析的精度；同時，由于地質(zhì)體千變?nèi)f化，傳統(tǒng)的二維分析手段已難以滿足工程設(shè)計的實際需求，利用計算機技術(shù)進行三維可視化分析以及三維表達已是地質(zhì)專業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]，目前已有不少這方面的研究成果[2-5]。

要解決上述問題，最好的方法是找到一種既可以完整保存、隨時調(diào)取地質(zhì)資料，同時又可以開展三維可視化分析的工具。經(jīng)深入對比分析，本文選取GeoSmart系統(tǒng)作為工具，運用其強大的信息管理、三維解析及信息綜合應(yīng)用功能對孟底溝水電站的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行三維地質(zhì)分析。

1 GeoSmart系統(tǒng)簡介

GeoSmart系統(tǒng)主要包含工程地質(zhì)信息管理、工程地質(zhì)三維解析、工程地質(zhì)綜合應(yīng)用三個方面的功能，主界面如圖1所示。

圖1 三維地質(zhì)設(shè)計數(shù)字化系統(tǒng)界面

1.1 工程地質(zhì)信息管理

工程地質(zhì)信息管理子系統(tǒng)作為三維地質(zhì)建模、地質(zhì)分析評價、成果輸出以及其他應(yīng)用的唯一數(shù)據(jù)源，可以完整、規(guī)范地存儲全部的基礎(chǔ)資料、不同階段的解析成果及校審記錄等。該數(shù)據(jù)庫可以進行空間坐標的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換和定位，勘探、施工編錄、試驗成果等全部信息均按照地質(zhì)屬性、工程屬性進行分類。數(shù)據(jù)采集方式融合了相關(guān)規(guī)程規(guī)范的規(guī)定，將各種信息以地質(zhì)類別為綱目進行統(tǒng)一儲存管理。該系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)輸入、輸出、審核認證與交互管理，如圖2所示。

1.2 工程地質(zhì)三維解析

工程地質(zhì)三維解析子系統(tǒng)以GOCAD[6](Geological Object Computer Aided Design)為基礎(chǔ)研發(fā)，如圖3所示。GOCAD主要應(yīng)用于地質(zhì)領(lǐng)域的三維可視化建模，具有強大的三維建模、可視化、地質(zhì)解譯和分析的功能。在GeoSmart系統(tǒng)中，三維解析遵從數(shù)據(jù)中心提取→分類空間表達→展布形態(tài)擬合→屬性總結(jié)→返回數(shù)據(jù)中心這樣一個循環(huán)交互過程，從而將原始資料、分析過程、合理性判斷至形成解析結(jié)果的過程關(guān)聯(lián)起來，這些關(guān)聯(lián)關(guān)系以及解析得到的成果，作為一個認識固化后形成一個階段性成果。

圖2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的工程地質(zhì)信息管理系統(tǒng)

圖3 基于GOCAD的三維地質(zhì)空間解析系統(tǒng)

1.3 工程地質(zhì)綜合應(yīng)用

工程地質(zhì)綜合應(yīng)用子系統(tǒng)的主要功能是基于三維模型和地質(zhì)屬性信息的綜合應(yīng)用，提供多種功能：報表輸出可根據(jù)用戶需求，輸出勘探任務(wù)書、工作量統(tǒng)計表、地層統(tǒng)計表、小斷層統(tǒng)計表、風化卸荷統(tǒng)計表、試驗成果匯總分析表等多種實用表格；原始資料可以輸出勘探布置圖、實際材料圖、鉆孔柱狀圖、平硐展示圖等各種圖件；依據(jù)模型和數(shù)據(jù)可以輸出各種平剖切圖、等值線圖等；并為常用計算軟件提供數(shù)據(jù)前處理、數(shù)據(jù)交換接口，并將計算結(jié)果可視化展示；利用數(shù)據(jù)中心集中存儲的多工程數(shù)據(jù)進行工程類比輔助分析；可在線查詢相關(guān)標準、規(guī)范及質(zhì)量管理體系文件。

2 孟底溝水電站三維地質(zhì)數(shù)字化設(shè)計

該工程自預(yù)可研工作始即全程采用數(shù)字化三維設(shè)計，通過建立中心數(shù)據(jù)庫，進行三維解析與建模，并依據(jù)數(shù)據(jù)、模型展開專題地質(zhì)分析，具體過程如下。

2.1 數(shù)據(jù)采集與中心數(shù)據(jù)庫的建立

對于地形資料，由機載激光雷達獲取地形高精度點云(DEM)生產(chǎn)高精度地形面，與正射影像(DOM)疊加形成三維虛擬場景，生成的地形面和影像導(dǎo)入到數(shù)據(jù)中心。

對于地表地質(zhì)測繪資料，采用先進的3S地表地質(zhì)測繪技術(shù)現(xiàn)場在三維平臺中定位地質(zhì)點，根據(jù)實測地質(zhì)點勾勒地表地質(zhì)界線，如圖4所示，并錄入或?qū)氲綌?shù)據(jù)中心。

對于地質(zhì)勘探和相應(yīng)的試驗資料，物探、鉆探、硐探、坑井等原始資料，以及與勘探相關(guān)的，如：抽壓水試驗、動力觸探、巖土體物理力學(xué)試驗等直接錄入到數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)一管理，如圖5所示，供其他系統(tǒng)建模分析時調(diào)用。

圖4 壩區(qū)三維虛擬場景

圖5 地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)

2.2 三維解析與建模

三維地質(zhì)解析是一個交互的過程，系統(tǒng)通過服務(wù)與數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)交換，按不同地質(zhì)屬性分別擬合出不同的地質(zhì)界面，結(jié)合三維場景對整個范圍內(nèi)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造(斷層、擠壓帶等)、風化卸荷、地下水等因素分析及歸類，形成不同的地質(zhì)屬性綜合描述和相應(yīng)的參數(shù)，并賦予三維地質(zhì)體，形成包含地質(zhì)屬性的三維模型(基礎(chǔ)地質(zhì)模型或工程巖土體分層分類模型)，并隨生產(chǎn)過程漸進明細?；谥行臄?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)建立的孟底溝三維地質(zhì)模型(見圖6)，圖7展示了地質(zhì)體間的空間展布形態(tài)和交切關(guān)系。

2.3 數(shù)據(jù)、模型的應(yīng)用分析

數(shù)據(jù)、模型的應(yīng)用分析依托工程地質(zhì)綜合應(yīng)用子系統(tǒng)進行，在所建立的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，開展了一系列地質(zhì)設(shè)計分析工作。

(1)地質(zhì)體間空間交切關(guān)系分析。前期勘探階段對于地質(zhì)條件的認識，最重要的是認識各種地質(zhì)邊界的空間展布，這在二維分析時代是比較困難的，主要通過二維剖切面來輔助地質(zhì)人員分析，存在的主要問題是難以同時協(xié)調(diào)空間的多個已知條件，而在三維空間內(nèi)來解析則能較好地處理這個問題。如：f4斷層作為壩區(qū)規(guī)模最大的斷層，對壩區(qū)構(gòu)造格局有較大的影響，有多條斷層受其限制，巖脈的分布規(guī)律與其關(guān)系極大，在孟底溝三維數(shù)字化設(shè)計過程中，它為其他斷層、巖脈的分布交切提供了重要的參考作用。針對f4的勘探，先通過三維模型分析其空間展布，再開展有目的的調(diào)查及勘探，節(jié)省了工作量，縮短了工作周期。

圖6 最終完成的孟底溝模型

圖7 地質(zhì)體空間關(guān)系分析

(2)等值線分析。在大壩設(shè)計過程中，建基面的確定是一個復(fù)雜的過程，其中基巖頂板及微新巖體的查明是一個基本要求，孟底溝河床完成鉆孔11個，查明了河床覆蓋層及微新巖體空間形態(tài)，并生成等值線供下游專業(yè)使用。

(3)體積計算。在料場工作中，一個重要的要求就是查明料場儲量，傳統(tǒng)的平行斷面法、平均厚度法，都是一種近似計算方法。在高山峽谷區(qū)，微地形變化較大，傳統(tǒng)的方法誤差較大，且效率低下，三維模型完成后，料場儲量計算及其簡單。

(4)二維出圖。孟底溝項目啟動以來近5年的時間內(nèi)，通過互提資料單提供二維圖件772張，100%由三維模型剖切。孟底溝項目自2009年啟動以來，地質(zhì)專業(yè)便啟動了全過程數(shù)字化設(shè)計，完成了孟底溝工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、孟底溝三維地質(zhì)模型，并在此基礎(chǔ)上向下游專業(yè)提供了大量二維圖件。

孟底溝水電站地勘全程數(shù)字化三維設(shè)計工作的成功應(yīng)用表明，該系統(tǒng)以生產(chǎn)建模過程為主線，以地質(zhì)特性為綱目，建立的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)合理，工程屬性數(shù)據(jù)完整；由此進行的數(shù)字化設(shè)計與生產(chǎn)過程深度融合，操作簡便，已將設(shè)計標準、管理流程規(guī)定、校審體系以及質(zhì)量控制體系固化到系統(tǒng)中；設(shè)計成果模型準確，精度、粒度、可靠性高，屬性信息完整，此外還包含了與其關(guān)聯(lián)的過程信息，并能追本溯源；系統(tǒng)采用一鍵式出圖，二維出圖自動化程度高，精度滿足設(shè)計要求，與傳統(tǒng)方式相比，三維設(shè)計的成果更合理，出圖效率高。

3 結(jié) 語

(1)GeoSmart系統(tǒng)有效地解決了孟底溝水電站海量地質(zhì)資料的存儲和三維地質(zhì)分析難題，基于其三維可視化和三維表達功能，地質(zhì)人員對地質(zhì)體的空間展布形態(tài)和交切關(guān)系有了清晰的認識，同時，其地質(zhì)信息綜合應(yīng)用子系統(tǒng)為上下游專業(yè)之間的銜接提供了便利條件。

(2)GeoSmart系統(tǒng)強大的分析統(tǒng)計功能能夠輔助地質(zhì)人員依據(jù)地質(zhì)勘察資料分析地質(zhì)對象，通過控制三維面的變形體現(xiàn)地質(zhì)工程師的認識，三維模型不再是地質(zhì)工程師的額外負擔，而是其認識分析過程自然的產(chǎn)物。水電工程三維地質(zhì)設(shè)計不僅能夠高效地解決工程中各類復(fù)雜地質(zhì)問題，還使工程地質(zhì)的方法和手段產(chǎn)生了飛躍，對降低成本、縮短工期有著顯著效果，在水電工程地質(zhì)專業(yè)有良好的應(yīng)用空間與發(fā)展前景。

[1] 張咸恭, 王思敬, 張倬元. 中國工程地質(zhì)學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2000.

[2] 鐘登華, 李明超. 水利水電工程地質(zhì)三維建模與分析理論及實踐[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2006.

[3] Houlding S.W. 3D Geoscience Modeling: Computer Techniques for Geological Characterization[M]. Berlin: Springer-Verlag, 1994.

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[5] Zhang Liqiang, Tan Yumin, Kang Zhizhong, Rui Xiaoping, Zhao Yuanyuan, Liu Liu. A methodology for 3D modeling and visualization of geological objects[J]. Sci. China Ser. D-Earth Sci., 2009, 52(7): 1022-1029.

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2017-01-16

王剛(1973-)，男，四川成都人，碩士，教授級高級工程師，從事水利水電工程地質(zhì)勘探設(shè)計與分析工作。

TP391;TV221.2

B

1003-9805(2017)02-0036-05