三維地質(zhì)建模技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

方正

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計研究院，江西 南昌 330029）

水利水電工程經(jīng)常面臨復(fù)雜的地層及構(gòu)造，涉及到的地質(zhì)信息日趨增多且更加復(fù)雜化、多元化，二維靜態(tài)表達方式對地質(zhì)資料分析缺乏直觀性，難以真實反映出地質(zhì)情況。由此，采用三維地質(zhì)建模，借助信息化技術(shù)及數(shù)字化技術(shù)，大大提高了數(shù)據(jù)收集、處理效果，實現(xiàn)地層界面、斷層等的可視化分析，下面將詳細(xì)介紹具體應(yīng)用流程及方法。

1 三維地質(zhì)建?；玖鞒?/h2>

1.1 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

對原始數(shù)據(jù)進行篩選，并對篩選出的數(shù)據(jù)建模。用于建模的數(shù)據(jù)除了地形數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、勘探數(shù)據(jù)以外，還包括試驗數(shù)據(jù)。分別對這些數(shù)據(jù)整理歸納，錄入到數(shù)據(jù)庫中，將不同地質(zhì)點的數(shù)據(jù)，最后導(dǎo)入軟件中作為原始數(shù)據(jù)，全面檢查及復(fù)核，保證數(shù)據(jù)真實、完整。

1.2 建模流程

首先，將整理好的各類基礎(chǔ)地質(zhì)資料錄入到地質(zhì)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，然后再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入地形面，這樣一來，可以將地質(zhì)資料轉(zhuǎn)換為空間點及線數(shù)據(jù)。繪制特征，依據(jù)不同地質(zhì)對象特點，在這之前要先繪制控制剖面，加密建模數(shù)據(jù)，將得到各類地質(zhì)對象的控制線模型，隨后就可以初步將大面模型擬合出來。然后形成三維地質(zhì)模型，通過合并、剪切等基礎(chǔ)操作，實體與面的分割操作后，將得到最終的三維地質(zhì)體模型。

地質(zhì)平面圖是一個二維坐標(biāo)，有X、Y、Z三個值，這三個值均是通過地形DEM內(nèi)插方式得到，然后將二維坐標(biāo)再轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)，即得到（X，Y，Z），得到以下公式：

公式中，剖面的起點地理坐標(biāo)為（xo,yo,zo）；剖面地層X，Y坐標(biāo)為（X，Y）；其中，α為剖面的方位角，xs與ys表示為剖面圖水平及垂直狀態(tài)下的比例。使用TIN模型構(gòu)筑數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，這里主要指鉆探數(shù)據(jù)，這是形成三維模擬基本形態(tài)的重要步驟。由鉆孔數(shù)據(jù)、探槽數(shù)據(jù)共同組成了地下三維地質(zhì)體構(gòu)網(wǎng)，必須先進行鉆孔數(shù)據(jù)分層處理，主要得到含礦層、覆蓋層等地質(zhì)信息，然后才能進行三維地質(zhì)體構(gòu)網(wǎng)，完成這項工作以后，才能進行TIN構(gòu)網(wǎng)，得到各深度DEM數(shù)據(jù)。

2 對工程對象建模流程

2.1 河流水面及地表面模型

三維設(shè)計工作基礎(chǔ)是地表面，同時也是地質(zhì)建模的基礎(chǔ)表面，保證使用數(shù)據(jù)的統(tǒng)一與規(guī)范的前提是使用合理的地形面。地形面模型的構(gòu)建必須滿足設(shè)計專業(yè)軟件的需求。

地表面模型。需要充分收集水上及水下地形數(shù)據(jù)，將統(tǒng)一的整體模型構(gòu)建出來，建模應(yīng)用到河流兩側(cè)與中間測繪點云數(shù)據(jù)，然后通過對地表面模型剪切操作，最終得到河流水面模型；對于地形面模型，依據(jù)地質(zhì)勘探點與物探測量點校核及更新地形面，這是保證地形面精準(zhǔn)的關(guān)鍵。

2.2 覆蓋層建模

建模方法的選擇。對于覆蓋層建模來說，必須對覆蓋層堆積成因充分分析，依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)選擇出最適宜的建模方法。比如，滑坡體建模，就要先對滑坡中部、滑動面堆積厚度變化仔細(xì)考察分析，而沖積層建模則要充分把握河流特點，建模采用分層控制法。

2.3 地層與構(gòu)造建模

為保證面模型通過現(xiàn)有分界點將地層及構(gòu)造整體變化特點反應(yīng)出來，就要綜合不同分界點特征線或者特征面擬合建模。分界點上可以將該處對象變化反映出來，比如，傾向線或者小范圍面等。

2.4 剖面線建模

因為缺少產(chǎn)狀信息，并且存在不規(guī)則的形態(tài)特征，需要更多的數(shù)據(jù)控制形態(tài)變化，這是透水率界限面、水位面建模的特點。通過剖面可以將各類現(xiàn)有離散點連接起來，這樣不僅可以增加數(shù)據(jù)量，還能給定擬合方向，將擬合成目標(biāo)面的速度加快。

2.5 模型的可視化分析

通過一系列流程最終建成三維地質(zhì)模型后，最終可以得到地上地質(zhì)體的三維地質(zhì)模型。通過該模型可以了解到不同地質(zhì)單元空間分布形態(tài)、特點、不同空間相互關(guān)系等，可以對前期的勘察結(jié)果進行驗證，同時通過分析模型，為后續(xù)的勘察及設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。可視化分析具體方法為：①將地質(zhì)體的輪廓詳細(xì)、生動地描繪出來，通過建模處理三維地質(zhì)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)該模型組成要素，即山體、進口邊坡等。②將地質(zhì)體所在區(qū)域的巖石特性、地層特點揭示出來，為施工開挖選址提供科學(xué)依據(jù)等。同時，在施工前，對地質(zhì)模型先進行模擬鉆孔，然后對挖洞模擬分析，減少失誤操作帶來的損失。③對任意地質(zhì)剖面切割，在已經(jīng)建成的模型上，從而獲取更加全面的地質(zhì)信息，高海拔地區(qū)也可以對地質(zhì)體截取，進行剖平面面積計算、土方計算等，進一步將地質(zhì)探測的精度提高，并且可視化分析模型更為直觀、方便。

3 建模成果

3.1 基礎(chǔ)圖件及數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計

為了得到不同種類的基礎(chǔ)圖件，可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，常見的基礎(chǔ)圖件有鉆孔柱狀圖、節(jié)理玫瑰圖等。然后進行數(shù)據(jù)的查詢及統(tǒng)計，在數(shù)據(jù)調(diào)用過程中，對于想要查看的數(shù)據(jù)可以直接搜索出來并查看，并且能夠基于數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計功能，依據(jù)不同設(shè)置條件，統(tǒng)計各類數(shù)據(jù)。

3.2 模型分析

在模型已經(jīng)建成以后，最重要的工作就是對模型分析，為圖件編制及協(xié)同設(shè)計創(chuàng)造條件。主要進行多截面分析、剖面分析，并能進行模擬平洞及虛擬鉆孔等專業(yè)化操作，這樣一來，地質(zhì)對象變化情況可以多空間、多角度地反映出來。

3.3 圖件繪制及協(xié)同設(shè)計

直接從三維模型中抽取二維圖件，因為現(xiàn)階段圖件編繪三維及二維圖件是共同存在的；三維圖件不僅能全面展示地質(zhì)信息，還能達到美觀效果。面模型帶有相關(guān)屬性，包括風(fēng)化程度、水位面信息等，導(dǎo)入到的軟件為Civil3D。

4 工程實力探究

4.1 工程概況

某水電站位于高山峽谷區(qū)域，地勢陡峭。壩址區(qū)域內(nèi)主要分布了花崗巖、變質(zhì)粉砂巖、板巖夾砂巖等。壩區(qū)內(nèi)單斜地層分布變質(zhì)巖，有著發(fā)育良好的斷層。

4.2 三維地質(zhì)建模

此次工程進行三維地質(zhì)建模，使用到的三維地質(zhì)系統(tǒng)軟件是GeoBIM，控制性剖面繪制了40條。得到全部剖面空間線條，因為增加了輔助剖面，曲面擬合對同一屬性的空間線條，才剪切得到多種地質(zhì)對象的面模型，剪切時按照各曲面間相互關(guān)系進行。此次建模完成的面模型包括斷面層60個、地下水面、弱風(fēng)化上帶分界面、微風(fēng)化面等。然后圍合建模范圍的側(cè)面及地面，可以最終得到工程樞紐區(qū)三維地質(zhì)模型。

4.3 三維地質(zhì)建模成果應(yīng)用

可以得到三維地質(zhì)剖面模型，其中各種建筑軸線剖面模型占一定比重，將這些三維模型全部導(dǎo)入到設(shè)計軟件中，即Inventor，對地質(zhì)模型開挖設(shè)計，最終得到設(shè)計模型圖。詳見圖1。

剪切三維地質(zhì)模型，得到開挖面的三維地質(zhì)模型，結(jié)合地質(zhì)模型及廠房、大壩等模型，通過剖切，最終可以得到建筑物所處的地質(zhì)條件。詳見圖2。

圖1 開挖邊坡設(shè)計模型

圖2 三維地質(zhì)平切模型

5 結(jié)束語

本文主要對三維地質(zhì)建?；玖鞒獭⒐こ虒ο蠼Ａ鞒踢M行了詳細(xì)介紹，并分析了建模成果，表現(xiàn)了三維地質(zhì)建模可以在充分收集各項地質(zhì)數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)處理后，完成批量剖面及平切圖的切制，同時還能進行剖面的校核，從而與原始地質(zhì)勘察資料進行比對，及時發(fā)現(xiàn)不足或者錯誤并改正，將地質(zhì)勘探失誤率大大降低，同時減輕了工作人員工作量。最后，本文對三維地質(zhì)建模技術(shù)在實際水電工程中的應(yīng)用進行了介紹，表現(xiàn)了依靠三維建模技術(shù)，可以幫助快速、高效建立起工程區(qū)域地形剖面，得到三維地質(zhì)剖面模型，并使用專業(yè)軟件處理，最終得到設(shè)計模型圖，更為快速、準(zhǔn)確地獲取到更為直觀的工程區(qū)域建筑、地質(zhì)條件等，為工程施工提供全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。