基于GOCAD的壩址區(qū)三維地質(zhì)建模及成果應(yīng)用

魏愷泓, 崔中濤, 李進(jìn)元, 李青春, 王 剛

(1.中國電建集團(tuán) 成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610072; 2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)

基于GOCAD的壩址區(qū)三維地質(zhì)建模及成果應(yīng)用

魏愷泓1,2, 崔中濤1, 李進(jìn)元1, 李青春1, 王 剛1

(1.中國電建集團(tuán) 成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610072; 2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)

在傳統(tǒng)的水電勘測設(shè)計過程中,地質(zhì)模型常用傳統(tǒng)的二維剖面形式展現(xiàn),無法構(gòu)建地質(zhì)體的空間幾何形態(tài)及分布。利用GOCAD系統(tǒng)強(qiáng)大的三維建模功能建立某水庫電站壩址區(qū)工程地質(zhì)模型,模型直觀顯示了河床基覆界面、砂層透鏡體、覆蓋層內(nèi)部界面、風(fēng)化卸荷面等地質(zhì)對象的空間屬性,并借助地質(zhì)解譯、空間分析功能進(jìn)行超深厚覆蓋層條件下河谷形態(tài)研判及天然防滲鋪蓋層可靠性分析。其意義在于加強(qiáng)壩址區(qū)超深厚覆蓋層成因以及河谷演化地質(zhì)宏觀認(rèn)識,指導(dǎo)后續(xù)勘探布置,實(shí)現(xiàn)水電工程協(xié)同設(shè)計。

GOCAD;地質(zhì)模型;超深厚覆蓋層;河谷形態(tài);鋪蓋層

圖1 壩址區(qū)覆蓋層層次結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The sketch map of hierarchy structure of dam covering layer1.風(fēng)積堆積;2.崩坡積堆積;3.沖風(fēng)積堆積;4.坡洪積堆積;5.洪積堆積;6.泥石流堆積;7.沖洪積堆積;8.現(xiàn)代河流沖積堆積;9.河流階地沖積堆積;10.冰川冰水堆積;11.河湖相堆積;12.湖相堆積;13.泥石流堆積;14.超基性巖體;15.念唐古拉山巖群a巖組;16.覆蓋層分層編號。

目前,隨著信息技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用于三維地質(zhì)建模的軟件程序也越來越多,由于各軟件應(yīng)用重點(diǎn)不同,其建模難易程度、模型精度及模型應(yīng)用等有較大差別。國際上廣泛應(yīng)用的GOCAD大型三維建模軟件在地質(zhì)建模方面有著獨(dú)到之處,它不但具有核心的地質(zhì)建模功能,可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)特征與地質(zhì)屬性統(tǒng)一表示,還具備強(qiáng)大的可視化功能和地質(zhì)解釋功能[1];依托其離散平滑插值技術(shù),能夠利用地表及地層界面信息數(shù)據(jù)(等高線地形圖、鉆孔數(shù)據(jù)等)建立地表面和地層分界面(對象)[2]。此外,可通過二次開發(fā)編寫接口程序,將GOCAD中對象輸入到有限元分析軟件中,實(shí)現(xiàn)數(shù)值模型的建立和模型的數(shù)值分析[3]。該系統(tǒng)不僅滿足建立幾何模型和三維展示的需要,更重要的是需要幫助進(jìn)行工程分析和決策,實(shí)現(xiàn)輔助設(shè)計的目的[4-5]。

本文以某水庫電站工程為例,由于壩址區(qū)河床覆蓋層超深厚且層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在建立地質(zhì)對象時需要綜合考慮對象邊界條件、疊覆關(guān)系、空間展布等因素,因此在有限勘探信息的條件下,利用系統(tǒng)離散平滑內(nèi)插方法(簡稱DSI)建立壩址區(qū)基覆界面、透鏡體、風(fēng)化卸荷界面等地質(zhì)對象,并檢驗(yàn)、修正基覆界面,使河谷形態(tài)及空間展布更精確,在此基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)解析功能,對具有相對隔水特性,能作為鋪蓋的層進(jìn)行可靠性分析,最終達(dá)到協(xié)同設(shè)計效果。

1 基本地質(zhì)條件

某水庫電站壩址區(qū)河谷開闊,寬近2 km,呈較順直寬緩“U”型谷,兩岸山體雄厚,岸坡地形較陡?？碧浇沂靖采w層最大厚度為567 m,基巖為片麻巖(Pt2-3Nqa)、超基性巖(∑),覆蓋層按成因類型主要有沖洪積、堰塞湖相沉積、冰積與冰水堆積,以及坡洪積、泥石流堆積、風(fēng)積等。

河床覆蓋層從下至上可分為四個大層,九個亞層(見圖1),其中具有重大工程意義的第③層為堰塞湖相沉積,以細(xì)顆粒土為主,累計厚度達(dá)200～250 m,按物質(zhì)組成又分為三個亞層(見表1)。

表1 第③層物理特性統(tǒng)計表Table 1 Physical properties of the third layer

2 三維地質(zhì)建模思路及意義

壩址區(qū)地質(zhì)模型的構(gòu)建采用成都院地質(zhì)處自主研發(fā)的GeoSmart平臺,該平臺形成集數(shù)據(jù)管理—模型構(gòu)建—模型應(yīng)用于—體的數(shù)字化體系[6]。

建模過程中首先需要通過GeoIM工程地質(zhì)信息管理系統(tǒng)對原始勘探數(shù)據(jù)(鉆孔、平硐、地質(zhì)點(diǎn)、試驗(yàn)等)進(jìn)行錄入,并進(jìn)行成果單因素解析[7]。在GOCAD系統(tǒng)中,按照“提取數(shù)據(jù)”—“提取坐標(biāo)點(diǎn)”—“創(chuàng)建/定義地質(zhì)界面”—“數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)”的步驟(見圖2),建立相應(yīng)的地質(zhì)界面,設(shè)計人員可將界面的三維形態(tài)與工程地質(zhì)定性分析相結(jié)合,利用三維模型與二維剖面“互?！狈椒▽δＰ瓦M(jìn)行檢驗(yàn)、補(bǔ)充、修改,如地質(zhì)曲面的邊界控制、切割和平順處理,地質(zhì)體的體積、空間形態(tài)展布控制等,最終形成具有參數(shù)屬性的地質(zhì)對象。

圖2 建模步驟Fig.2 Modeling step

壩址區(qū)GOCAD三維地質(zhì)模型(見圖3)直觀顯示基覆界面、砂層透鏡體、覆蓋層內(nèi)部界面、風(fēng)化卸荷面等對象的空間屬性,而其中核心部件基覆界面的形態(tài)精確度不僅關(guān)系到河谷演化,也對地下廠房、引水線路、溢洪道、壩基處理、壩肩開挖錨固等工程設(shè)計亦有重要指導(dǎo)意義。但在覆蓋層厚度超500 m且成因類型極其復(fù)雜的條件下,若要做到通過剖切面準(zhǔn)確判斷河谷形態(tài),需要大量的勘探工作,消耗大量的時間和經(jīng)費(fèi),且現(xiàn)場實(shí)施難度極大。同時,③-2層作為相對隔水層,若能作為水平鋪蓋防滲層,可以節(jié)約投資成本。因此,通過鉆孔、地表測繪點(diǎn)控制約束建立壩址區(qū)表面和實(shí)體模型,并運(yùn)用可視化操作,使不同方位、不同水平的地質(zhì)信息迅速方便而又直觀地顯示出來,可解決勘測數(shù)據(jù)較少的情況下河谷形態(tài)研判及鋪蓋層可靠性分析。

圖3 壩址區(qū)GOCAD地質(zhì)模型Fig.3 GOCAD geological model of the dam area

3 GOCAD模型應(yīng)用實(shí)例

3.1 河谷形態(tài)研判

DSI方法是運(yùn)用一系列具有物體幾何和物理特性的相互連結(jié)的節(jié)點(diǎn)來模擬地質(zhì)體。本文實(shí)例中,“U”型河谷“深槽”曲面內(nèi)插數(shù)據(jù)僅通過4個鉆孔(表2)獲取,數(shù)據(jù)缺乏且離散,此外數(shù)據(jù)顯示下游基巖高于上游基巖。因此在將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)曲面時,系統(tǒng)運(yùn)算擬合出不合常規(guī)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)[8],表現(xiàn)為原始模型中的“基巖反翹”現(xiàn)象,不符合地下水滲流規(guī)律。

表2 河谷“深槽”曲面插值數(shù)據(jù)Table 2 Interpolation data of valley deep groove

對原始模型“病灶”分析可以看出,河床中軸線(Y軸方向)長度為5.45 km,“深槽”上游起點(diǎn)至下游3.6 km段形態(tài)平順合理,解析出模型的平均縱坡降比為0.01。結(jié)合地質(zhì)宏觀認(rèn)識研究判斷,zkm01與zkm02中點(diǎn)M(節(jié)點(diǎn)M位于河床中軸線上)高程異常偏高是導(dǎo)致“基巖反翹”原因。因此,以縱坡降比0.01為參考值,通過計算公式(1)得出節(jié)點(diǎn)M的合理高程(即Z軸坐標(biāo))應(yīng)為2 332 m。

HM=Hzkm304-Lzkm304-M×i

(1)

式中:HM為節(jié)點(diǎn)M合理高程,m;Hzkm304為鉆孔zkm304高程,m;Lzkm304-M為鉆孔zkm304至節(jié)點(diǎn)M水平距離,m;i為河谷縱坡降比。

為了修正原始模型,采用添加虛擬鉆孔的方法,以節(jié)點(diǎn)M的XY坐標(biāo)為鉆孔坐標(biāo),在地質(zhì)分層數(shù)據(jù)信息中增加基覆界線點(diǎn),高程錄入為2 332 m,以該點(diǎn)為新的約束點(diǎn),進(jìn)行局部的“撕分”、“迭代”處理,最終形成縱坡降比為0.01的“U”型河谷“深槽”空間形態(tài)(圖4)。

圖4 河谷最終形態(tài)Fig.4 The final form of valley

3.2 ③-2層可靠性分析

(1) 按照GOCAD建模的基本方法,首先建立防滲鋪蓋層的上下頂?shù)酌?

(2) 通過厚度約束并計算誤差,將誤差云圖(厚度等值線)投影到頂面或底面上;

(3) 在被投影的面屬性欄中,查找到“厚度值”,應(yīng)用腳本將“厚度值”與“Z”屬性替換;

(4) 通過線子集將厚度等值線創(chuàng)建為新的線對象;

(5) 將對象輸出,形成DXF、DWG格式文件。

圖5 ③-2層厚度等值線圖(圓點(diǎn)表示鉆孔,數(shù)字表示厚度)Fig.5 The map of thickness contour of ③-2 layer (dots indicate drilling,digital indicate thickness)

由圖5可得出:該層厚度為6～26 m,總體呈“中間薄,兩岸厚”的趨勢,最厚與最薄處都位于同一勘探線上,間距較小,且靠近左岸,說明該處層厚起伏較大。為了確保厚度分布的準(zhǔn)確性,下一階段需進(jìn)行有針對性的驗(yàn)證性勘探,在缺乏鉆孔控制的部位進(jìn)行補(bǔ)充性勘探。

該層無“天窗”發(fā)育,分布連續(xù)的現(xiàn)象與勘查結(jié)果一致。試驗(yàn)成果顯示其抗剪強(qiáng)度平均值分別為c=14.5 kPa,φ=23.1°,若作為堆石壩鋪蓋層,總體能起到一定抗滑移作用。此外,GOCAD將工程地質(zhì)信息系統(tǒng)解析的其余試驗(yàn)成果(如顆分、滲透性、密度、含水率、比重、壓縮系數(shù)等)與對象的屬性關(guān)聯(lián),水工專業(yè)可運(yùn)用現(xiàn)有成果,確定鋪蓋范圍、厚度,計算鋪蓋作用下的水力梯度,對比不同防滲體作用下的防滲效果。

在河谷演化過程中,該層沉積同時伴有古河流沖刷,厚度較薄的部位則河流沖刷效應(yīng)顯著。沿河床中心線該層厚度變化較大、坡降不連續(xù),推斷古河流流向并非沿河床中部自上游到下游,與現(xiàn)代河流流向不同,出現(xiàn)改道現(xiàn)象,如圖5中箭頭所示。

4 結(jié)論

三維地質(zhì)建模是地質(zhì)學(xué)研究的基礎(chǔ),也是水電工程設(shè)計的基礎(chǔ),基于GOCAD系統(tǒng)可進(jìn)行地質(zhì)信息以及后續(xù)施工信息動態(tài)化管理。結(jié)合系統(tǒng)平滑插值方法(DSI方法)的可視化操作,直觀地顯示了三維模型,節(jié)約了大量勘探工作量,但由于插值數(shù)據(jù)有限,對重點(diǎn)區(qū)域的研究采用添加虛擬鉆孔的方法進(jìn)行原始模型的檢驗(yàn)、修正,使地質(zhì)對象空間展布合理,符合地質(zhì)宏觀認(rèn)識。此外,系統(tǒng)的解譯功能將地質(zhì)定量與定性分析相結(jié)合,有助于工程地質(zhì)評價,并對下階段勘查起到一定的指導(dǎo)作用;同時,該系統(tǒng)也可同其他軟件對接,模型轉(zhuǎn)換后可進(jìn)行巖土體應(yīng)力應(yīng)變、穩(wěn)定性,地下水滲流等數(shù)值分析。

[1] 魏群,黨麗娟,張俊紅,等.GOCAD在巖體三維可視化模擬中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探,2008,36(5):15-19.

[2] 劉毅,程建軍,馬恩帥,等.邊坡地質(zhì)體三維模型及數(shù)值模型構(gòu)建方法研究[J].公路,2015(4):63-66.

[3] 許國,王長海.萬家口水電站復(fù)雜地質(zhì)體三維模型及其數(shù)值模型構(gòu)建[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2013,46(4):469-474.

[4] 段建肖,廖立兵,肖鵬,等.GOCAD三維地質(zhì)建模成果的二次開發(fā)及應(yīng)用研究[J].人民長江,2015,46(14):51-54.

[5] 張先偉,王常明,張國柱,等.三維邊坡地質(zhì)體建模方法及工程應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報,2011,7(2):329-334.

[6] 李明超,鐘登華,王忠耀,等.水利水電工程地質(zhì)—水工三維協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)研究[J].中國工程科學(xué),2010,12(1):43-47.

[7] 李明超,閆福根,韓彥青.一種用于水利水電工程的三維設(shè)計協(xié)同作業(yè)方法:201210392963.1[P].2013-04-17.

[8] 陳昌彥,張菊明,杜勇廉,等.邊坡工程地質(zhì)信息的三維可視化及其在三峽船閘邊坡工程中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報,1998,20(4):1-6.

(責(zé)任編輯：費(fèi)雯麗)

3D Geological Modeling and Application of Dam Site Area Based on GOCAD

WEI Kaihong1,2, CUI Zhongtao1, LI Jinyuan1, LI Qingchun1, WANG Gang1

(1.PowerChinaChengduEngineeringCo.,Ltd,Chengdu,Sichuan610072; 2.StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059)

Geological models are often shown in traditional two-dimensional profiles in traditional design methods of hydropower survey,therefore,the spatial geometry shape and distribution of geological bodies cannot be constructed. In this paper,the engineering geological model of dam site of reservoir power station is established by 3D modeling function in GOCAD system. The model shows the spatial attributes of geological objects such as riverbed base cover interface,sand lens,covering internal interface,weathering and unloading surface. At the same time,the river valley shape analysis and reliability analysis of natural impervious blanket can be carried out under ultra-deep overburden through geological interpretation and spatial analysis function. It is significantly to enhance geology awareness of formation of ultra-deep overburden and valley evolutionin dam site area,guide the layout of exploration subsequently and realize the collaborative design of hydropower projects.

GOCAD; geologic model; ultra-deep overburden; valley morphology; bedding layer

2017-06-20;改回日期:2017-07-11

魏愷泓(1989-),男,工程師,博士,地質(zhì)工程專業(yè),從事水電工程和巖土工程勘察設(shè)計工作。E-mail:kaihongwei0908@126.com

TV222.2

A

1671-1211(2017)04-0510-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.034

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170622.1655.010.html 數(shù)字出版日期:2017-06-22 16:55