工程地質(zhì)勘察可視化關(guān)鍵技術(shù)在滇中引水等工程中的應用

(1.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，湖北 武漢 430074; 2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限責任公司, 湖北 武漢 430010)

1 技術(shù)背景

地質(zhì)勘察是水利水電工程規(guī)劃、設(shè)計、施工的重要基礎(chǔ)性工作。我國水利水電工程越來越多地集中于西南高山峽谷地區(qū)。這一地區(qū)工程地質(zhì)條件復雜，河床覆蓋層深厚、高陡邊坡和大型地下洞室是關(guān)系工程安危的三大關(guān)鍵技術(shù)難題。鉆孔彩電、衛(wèi)片、航片、近距離三維激光掃描、無人機等可視化技術(shù)已廣泛應用于地質(zhì)勘察。長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限責任公司圍繞水利水電工程地質(zhì)勘察可視化關(guān)鍵技術(shù)進行了長達20 a的研究，發(fā)明了涵蓋工程地質(zhì)勘察內(nèi)、外業(yè)的新技術(shù)與新方法，形成了一套集數(shù)據(jù)采集、視頻交互與遠程專家診斷、三維地質(zhì)建模與成果信息管理“三位一體”的工程地質(zhì)勘察可視化工作系統(tǒng)。

2 地質(zhì)勘察可視化關(guān)鍵技術(shù)

水利水電工程地質(zhì)快速可視化勘察技術(shù)就是從地質(zhì)原始信息的數(shù)據(jù)采集到成果管理，通過快速獲取地質(zhì)對象的圖像或視頻，用視頻或帶有尺寸的圖像展示工程地質(zhì)實際，表達工程地質(zhì)條件，解決工程地質(zhì)問題。圖像或視頻能多角度、多尺度、直觀展示客觀實際；融合圖像和坐標信息，能顯著提高成果精度和工作效率；借助無人機、鉆孔電視等技術(shù)獲取的地質(zhì)圖像或視頻開辟了一種對難以近觀情況下的地質(zhì)信息采集新途徑，如深厚松散層、陡壁、深溝、山頂、大型地下洞室等無法看到或無法到達的部位。

水利水電工程地質(zhì)快速可視化勘察技術(shù)的研發(fā)，以工程地質(zhì)、工程測量與攝影理論為基礎(chǔ)，綜合應用計算機信息處理、空間測量、攝影、鉆孔彩電、無人機、網(wǎng)絡視頻、GPS、GIS等新技術(shù)，研究工程地質(zhì)勘察新技術(shù)、新方法，形成集可視化數(shù)據(jù)采集、視頻交互與遠程專家診斷、可視化三維地質(zhì)建模與成果信息管理于一體的工程地質(zhì)信息化工作系統(tǒng)，提高成果精度和工作效率。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 工程地質(zhì)勘察可視化技術(shù)路線

2.1 可視化數(shù)據(jù)采集

實現(xiàn)水利水電工程地質(zhì)勘察可視化，首要任務是將外業(yè)采集數(shù)據(jù)直接輸入電腦，以便專家隨時、快速獲得直觀、完整的原始地質(zhì)信息，準確地進行工程地質(zhì)分析、判斷。

2.1.1 工程地質(zhì)測繪

發(fā)明了基于windows的便攜平板式工程地質(zhì)測繪工作方法[1]，利用windows系統(tǒng)的便攜平板電腦與開發(fā)軟件，可自動加載地形圖、航片、衛(wèi)片等背景圖或者無人機(UAV)拍攝的帶有坐標信息的高清照片，再結(jié)合GPS實測地質(zhì)點坐標，現(xiàn)場勾繪CAD地質(zhì)圖，直接記錄地質(zhì)信息，高質(zhì)量完成帶有清晰影像的CAD地質(zhì)平面圖。該技術(shù)解決了地質(zhì)測繪中GPS定位、航片、衛(wèi)片與地形圖有機融合的技術(shù)難題，解決了人難接近、摸不著、看不到的邊坡高陡部位的地質(zhì)測繪難題，實現(xiàn)了野外現(xiàn)場高效一次性完成帶有清晰影像的CAD地質(zhì)平面圖，可真正大規(guī)模用于生產(chǎn)實踐。

圖2 可視化勘探流程及數(shù)字鉆孔示意

2.1.2 深厚覆蓋層可視化探測

發(fā)明了深厚松散層的可視化探測方法的專利技術(shù)[2]，打破了以往為護壁而護壁的思路。拓展護壁材料的功能，一方面將其作為鉆孔護壁器，有效解決了深厚松散層在鉆探過程中的塌孔問題；另外一方面又利用其透明性實施高清鉆孔電視，真實、直觀地了解松散層的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特性，從而實現(xiàn)深厚松散層工程地質(zhì)勘察的可視化，解決了深厚松散層不能實施鉆孔電視的技術(shù)難題(如圖2所示)。

2.1.3 快速可視化地質(zhì)編錄

發(fā)明了大型洞室儀測成像可視化地質(zhì)編錄方法[3]和基于windows的平板式施工地質(zhì)可視化快速編錄方法[4]。解決了地質(zhì)編錄中現(xiàn)場大面積多張照片與開挖面坐標信息有機融合的技術(shù)難題，提高了自動化程度，實現(xiàn)了一次性快速生成CAD地質(zhì)高清線劃影像圖。可全面再現(xiàn)大洞室、高邊坡開挖所揭露的地質(zhì)現(xiàn)象，可真正大規(guī)模用于生產(chǎn)實踐中(如圖3所示)。

圖3 可視化地質(zhì)編錄示意

2.2 三維地質(zhì)建模與成果信息管理

引入GOCAD三維地質(zhì)建模軟件并進行二次開發(fā)，開發(fā)了以三維地質(zhì)模型為核心的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)管理及成果圖繪制等軟件，實現(xiàn)了基于GOCAD可視化工作系統(tǒng)的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫快速構(gòu)建及工程地質(zhì)剖面圖快速制圖，如圖4所示。

圖4 可視化三維地質(zhì)建模流程示意

2.3 視頻交互遠程專家診斷

采用可視化快速勘察技術(shù)，實現(xiàn)了各勘察階段勘察過程和勘察資料的可視化。原始信息資料的可視化大大提高了遠程專家診斷的便捷性和可行性。采用可視化快速工程地質(zhì)測繪、勘探、快速編錄、自動化監(jiān)測等新技術(shù)獲得具有地質(zhì)細部特征的現(xiàn)場地質(zhì)細觀信息，通過Internet實時傳送到后方，進行統(tǒng)計、分析及三維地質(zhì)建模等工作，可實時與專家交互，實現(xiàn)遠程專家分析判斷(如圖5所示)。

圖5 遠程專家診斷系統(tǒng)示意

3 工程應用

3.1 滇中引水工程

滇中引水工程是從金沙江上游石鼓河段取水，以解決滇中區(qū)水資源短缺問題的特大型跨流域引(調(diào))水工程。工程多年平均引水量34.03億m3，渠首流量135 m3/s，末端流量20 m3/s。輸水總干渠全長超過660 km，受水區(qū)包括麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪、紅河6個州(市)的35個縣(市、區(qū))。

滇中引水工程跨滇西北、滇中及滇東南地區(qū)，線路共跨越金沙江、瀾滄江、紅河及南盤江四大水系，穿越滇西北橫斷山系高、中山地貌區(qū)及滇中、滇東南盆地山原區(qū)，沿線總體呈現(xiàn)西北高、東南低的地勢特征，地形地質(zhì)條件極為復雜。

3.1.1 石鼓水源區(qū)沖江河泵站深孔可視化探測

滇中引水工程由石鼓水源工程和輸水工程組成，水源工程采用提水泵站取金沙江水，輸水總干渠順地勢由高至低，全線具備自流輸水的條件。

石鼓水源區(qū)沖江河河床覆蓋層深厚，最大厚度為132.80 m，主要為沖洪積中細砂卵石、漂石堆積，結(jié)構(gòu)松散，成分雜亂不均一，物質(zhì)有多期沉積韻律，中部夾淤泥質(zhì)軟土層。在地質(zhì)勘察工作中，布置的深覆蓋層鉆孔地勘工作遇到了較大問題。由于深厚覆蓋層的固有特性，勘探中存在以下問題：①鉆孔內(nèi)孔壁不穩(wěn)、易坍塌、進尺緩慢、成孔難；②沉淀過多、掉塊垮孔嚴重；③巖芯易堵，取芯質(zhì)量差。所以，這些覆蓋層深孔一直難以達到理想的鉆進效率和取芯質(zhì)量。采用深厚覆蓋層可視化探測技術(shù)，順利完成砂卵石厚達130余米的深孔勘探，明顯提高了臺月效率，降低了生產(chǎn)成本，效果良好(見圖6)。

圖6 深厚覆蓋層鉆孔彩電

3.1.2 可視化工程地質(zhì)測繪

采用基于windows的便攜平板式工程地質(zhì)測繪工作方法，在滇中引水工程可研階段實施了地質(zhì)測繪工作：大理I段長110 km，兩側(cè)各5 km，解決了傳統(tǒng)紙質(zhì)填圖方法成圖精度較差、不具可視化和綜合利用效果較差等缺陷，及時為設(shè)計提供了翔實、準確的地質(zhì)資料，提高了勘察工作效率(見圖7)。

圖7 滇中引水工程可視化工程地質(zhì)測繪

3.1.3 石鼓水源區(qū)三維地質(zhì)建模

滇中引水工程研究區(qū)內(nèi)斷裂、褶皺十分發(fā)育，地質(zhì)人員難以構(gòu)想其空間形態(tài)，而借助于三維地質(zhì)模型，可以直觀、準確地展示地質(zhì)體的空間分布規(guī)律。另外，應用建立的三維地質(zhì)模型制作剖面圖和平切圖，快速，準確。

結(jié)合GOACD及CATIA軟件，從項目建議書階段開始，建立地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫。以勘探鉆孔、平洞以及平剖面圖等地質(zhì)資料為依據(jù)，構(gòu)建石鼓水源區(qū)準確的GOCAD三維地質(zhì)模型，并及時轉(zhuǎn)為CATIA格式(見圖8)，供其他設(shè)計專業(yè)協(xié)同工作。

圖8 石鼓水源區(qū)三維地質(zhì)建模

3.2 烏東德水電站

烏東德水電站位于金沙江下游河段，烏東德水電站壩址以上流域面積40.61萬km2，多年平均流量3 830 m3/s、徑流量1 207億m3；水庫正常蓄水位975 m，總庫容74.08億m3；死水位945 m，調(diào)節(jié)庫容30.20億m3；防洪限制水位952 m，防洪庫容24.40億m3。電站裝機容量10 200 MW(12×850 MW)，多年平均發(fā)電量389.1億kW·h，為Ⅰ等大(Ⅰ)型工程。烏東德水電站樞紐工程主要由大壩、泄洪洞、引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成。大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高270 m；泄洪消能建筑物由壩身5個表孔、6個中孔及壩后水墊塘和布置于左岸的3條泄洪洞及出口水墊塘組成；引水發(fā)電系統(tǒng)采用地下廠房，左右岸各布置6臺機組。施工期采用一次斷流、圍堰全年擋水、共布置5條導流隧洞(左岸2條、右岸3條)的方式進行前期導流，后期由陸續(xù)完成的泄洪建筑物泄水。

圖11 烏東德大壩建基面三維影像及地質(zhì)編錄

3.2.1 壩址區(qū)深厚覆蓋層可視化探測

烏東德水電站壩址區(qū)河床覆蓋層深厚，一般厚達55～65 m。其物質(zhì)組成有河流沖積形成的礫、砂、卵石與少量漂石，以及兩岸崩塌入江的塊碎石及金坪子滑坡堆積形成的碎塊石等，成份混雜，成因及工程特性復雜。在烏東德水電站地勘鉆探工作中，采用可視化探測技術(shù)，完成鉆孔高清錄像解譯總長6 761.81 m(63個孔)，取得河床覆蓋層清晰直觀的彩色圖像資料(見圖9)。鉆孔電視不僅清楚，還可通過高清圖片結(jié)合現(xiàn)場實際解譯出顆粒級配，實測密度，室內(nèi)復原原始級配，模擬土體做各種力學試驗，作用重大。攻克了厚覆蓋層中鉆進、取芯、取原狀樣技術(shù)難題，為深基坑、高圍堰、深防滲墻設(shè)計、施工等提供了高質(zhì)量的地質(zhì)資料。

圖9 烏東德壩址區(qū)河床勘察成果示意

3.2.2 壩址區(qū)可視化工程地質(zhì)測繪

應用基于windows的便攜平板式工程地質(zhì)測繪工作方法，在壩址區(qū)進行工程地質(zhì)外業(yè)測繪?，F(xiàn)場一次性生成帶有清晰影像的CAD地質(zhì)平面圖，在野外地質(zhì)現(xiàn)場即可完成所有工作，提高了勘察工作效率。

3.2.3 壩址區(qū)三維地質(zhì)建模

結(jié)合GOACD及CATIA軟件，從預可研階段開始，建立地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫。以勘探鉆孔、平洞及平剖面圖等地質(zhì)資料為依據(jù)，構(gòu)建準確的壩址區(qū)GOCAD三維地質(zhì)模型，并及時轉(zhuǎn)為CATIA格式(見圖10)，供其他設(shè)計專業(yè)協(xié)同工作。在GOCAD基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，快速剖切各種地質(zhì)剖面圖，及時為設(shè)計提供準確可靠的地質(zhì)資料依據(jù)，可大大提高工作效率。

圖10 烏東德壩址區(qū)三維地質(zhì)建模

3.2.4 大壩建基面快速可視化地質(zhì)編錄及視頻交互遠程專家診斷

應用基于windows的平板式施工地質(zhì)可視化快速編錄方法，大壩建基面地質(zhì)編錄超過1萬m2(1 ∶100)。大壩所在部位高邊坡開挖高程從1 160余米至718 m，歷時19個月，實施UAV近距離拍照289架次，獲取照片近17 000張，建立了完整的烏東德大壩建基面三維影像模型(見圖11)。不僅快速精確地完成了高邊坡和大型地下洞室編錄，取得了可靠、準確的地質(zhì)外業(yè)數(shù)據(jù)，基巖面局部深槽實際揭露僅比可研時低0.8 m，還縮短了施工工期，節(jié)省了工程投資。

三維影像模型可進行反復、多角度、可追溯的觀察分析，彌補了傳統(tǒng)方式在大壩澆筑后無法再對建基面進行深入研究的缺陷。烏東德大壩建基面由1.7萬張高清圖片合成真實、完整、高清晰的三維影像，屬世界首例。

4 結(jié) 語

本文圍繞水利水電工程地質(zhì)勘察可視化關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，總結(jié)出一套集數(shù)據(jù)采集、視頻交互與遠程專家診斷、三維地質(zhì)建模與成果信息管理“三位一體”的工程地質(zhì)勘察可視化工作系統(tǒng)[5]，實現(xiàn)了地質(zhì)勘察全過程可視化，具有操作簡單、速度更快、精度更高、表達更直觀且能實時互動等特點。不僅解決了工程地質(zhì)勘察中的技術(shù)難題，提高了數(shù)據(jù)采集和成果出圖的效率，而且提高了勘察成果的質(zhì)量。該技術(shù)已在滇中引水工程、烏東德水電站等水利水電工程中得到成功應用，具有廣闊的應用前景。