三維地質(zhì)建模在水利工程勘察中的應(yīng)用

趙 意， 吳坤占， 甘 龍， 葉 欣

(1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014； 2.長(zhǎng)沙市工務(wù)局，湖南 長(zhǎng)沙 410013； 3.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410076)

1 引言

三維地質(zhì)建模的概念最早是由加拿大Simon W Houlding于1993年提出的。三維地質(zhì)建模是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測(cè)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來用于地質(zhì)研究的技術(shù)。在水利工程勘測(cè)中，三維地質(zhì)建?？梢灾庇^地將各類地質(zhì)信息以立體的方式進(jìn)行展現(xiàn)，有利于設(shè)計(jì)人員更好地分析存在的地質(zhì)問題，也方便各專業(yè)之間的技術(shù)交流。本項(xiàng)目主要利用中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院基于Bentley公司Microstation平臺(tái)研發(fā)的工程地質(zhì)三維設(shè)計(jì)軟件(PowerGeo)，以湘江東岸防洪堤改造工程中的五一路管涵為例，依據(jù)實(shí)測(cè)的地形數(shù)據(jù)和地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)模型，并對(duì)模型的后期初步應(yīng)用進(jìn)行探索。

2 項(xiàng)目概況

湘江東岸防洪堤改造工程位于長(zhǎng)沙市湘江東岸(右岸)的杜甫江閣—銀盆嶺大橋段，全長(zhǎng)約5.1 km，主要對(duì)已有堤防進(jìn)行改造，并改擴(kuò)建穿堤管涵。工程建設(shè)區(qū)發(fā)育的地層主要有：第四系人工填土、第四系沖積堆積物(以粉質(zhì)黏土、黏性土、含淤泥質(zhì)黏性土、砂礫層為主)、

始新統(tǒng)—漸新統(tǒng)霞流市組(E2-3x)(泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和礫巖)、元古界冷家溪群(Ptln)(絹云母板巖、千枚狀板巖)。

3 構(gòu)建三維地質(zhì)模型

3.1 建模思路

PowerGeo軟件分為數(shù)據(jù)端和圖形端兩部分，數(shù)據(jù)端作為一個(gè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，主要用于存儲(chǔ)原始的勘察資料，包括工程區(qū)內(nèi)地層巖性、構(gòu)造風(fēng)化、鉆探試驗(yàn)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，為建模提供數(shù)據(jù)支撐。圖形端通過調(diào)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立各種地質(zhì)界面，并最終生成三維地質(zhì)模型。建模過程為：建立三維地形面→創(chuàng)建鉆孔、地質(zhì)剖面模型→建立各種地質(zhì)界面→根據(jù)地質(zhì)界面分別生成相應(yīng)的地質(zhì)體→三維地質(zhì)模型的后期應(yīng)用(如虛擬開挖、快速出圖、協(xié)同設(shè)計(jì)、施工動(dòng)態(tài)模擬等)。

3.2 建立地質(zhì)模型

3.2.1 創(chuàng)建三維地形面

工程區(qū)已有比例尺1∶1000的地形圖，通過對(duì)地形圖進(jìn)行整理，利用Bentley公司的GEOPAK Site軟件提取地形圖中的等高線和高程數(shù)據(jù)，制作TIN文件，并生成地形三角網(wǎng)格面(圖1)。

圖1 地形圖生成地形三角網(wǎng)格面

3.2.2 創(chuàng)建鉆孔勘探線模型

利用PowerGeo軟件圖形端，直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的勘探數(shù)據(jù)，生成鉆孔模型和勘探線模型(圖2)，其中鉆孔模型可按地層、巖性、風(fēng)化等不同類別進(jìn)行分段顯示。

圖2 鉆孔模型和勘探線模型

3.2.3 建立地質(zhì)界面

在鉆孔模型和勘探線模型的基礎(chǔ)上，利用剖面分析工具，對(duì)勘探剖面進(jìn)行編輯，確定各類地質(zhì)界線，形成地質(zhì)線框模型(圖3)。根據(jù)不同地質(zhì)屬性的界線及數(shù)據(jù)，分別生成相應(yīng)的地質(zhì)界面，如人工填土底面、粉質(zhì)黏土底面、砂礫石層底面、全風(fēng)化板巖底面和強(qiáng)風(fēng)化底面等(圖4)。

3.2.4 生成三維地質(zhì)模型

利用PowerGeo軟件圖形端的工具，在各地層界面之間生成網(wǎng)格體，并賦與相應(yīng)的地質(zhì)屬性(圖5)。為了使三維地質(zhì)模型更加直觀，還可以將各個(gè)地質(zhì)網(wǎng)格體貼上相應(yīng)的材質(zhì)。

圖3 地質(zhì)線框模型

圖4 地質(zhì)界面模型

圖5 三維地質(zhì)模型

4 三維地質(zhì)模型初步應(yīng)用

4.1 地形開挖

利用Bentley公司的GEOPAK Site軟件在三維地質(zhì)模型上進(jìn)行虛擬開挖設(shè)計(jì)時(shí)，可以清晰地展示基坑開挖到設(shè)計(jì)高程時(shí)各個(gè)地層的情況(圖6)，并根據(jù)不同的地層巖性來分別計(jì)算開挖量和回填量，使得土石方工程的造價(jià)預(yù)算更為精確。

同時(shí)，三維地質(zhì)模型也可以幫助我們檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。按照基坑設(shè)計(jì)方案建立樁基礎(chǔ)模型，并與地質(zhì)模型進(jìn)行組裝(圖7)，可以直觀展示樁端是否達(dá)到持力層，并可計(jì)算出樁端進(jìn)入持力層的深度。在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理優(yōu)化。

4.2 快速出圖

和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，當(dāng)設(shè)計(jì)方案發(fā)生變更時(shí)，剖面的位置也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，這就需要地質(zhì)專業(yè)人員花費(fèi)大量的時(shí)間來重新對(duì)剖面進(jìn)行填圖。而三維地質(zhì)模型完成后，可以對(duì)模型進(jìn)行任意剖切，快速得到二維剖面圖，以此來滿足設(shè)計(jì)人員的需求。

圖6 三維地質(zhì)模型及地層拆分

圖7 樁基礎(chǔ)與地質(zhì)模型

4.3 協(xié)同設(shè)計(jì)

通過協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員將地質(zhì)模型與設(shè)計(jì)模型組裝在一起(圖8)，可以直接從地質(zhì)模型中得到有用的地質(zhì)信息，如巖性、風(fēng)化、地下水等，有利于方案設(shè)計(jì)。而且當(dāng)方案發(fā)生變更時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)地質(zhì)模型及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

圖8 多專業(yè)模型組裝

4.4 施工動(dòng)態(tài)模擬

通過將各專業(yè)完成的模型按照施工步驟進(jìn)行拆分重組，利用BIM技術(shù)對(duì)施工步驟進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，可以直觀、精確地反映出整個(gè)施工過程，確保施工方案的合理性，促進(jìn)施工方案的進(jìn)一步優(yōu)化，也有助于施工方更加高效地對(duì)整個(gè)工程的施工進(jìn)度、資源調(diào)配等進(jìn)行管理。

5 結(jié)語

本文以PowerGeo軟件創(chuàng)建穿堤管涵三維地質(zhì)模型為例，介紹了建模的基本流程，并對(duì)模型成果進(jìn)行了初步應(yīng)用，取得了較好的效果。三維地質(zhì)建模有助于勘察資料的管理，而模型任意位置剖面的快速出圖大大減少了地質(zhì)生產(chǎn)人員的工作量。同時(shí)地質(zhì)模型為設(shè)計(jì)人員提供了更為直觀的地質(zhì)信息，提高了設(shè)計(jì)工作效率，而利用模型進(jìn)行施工動(dòng)態(tài)模擬對(duì)實(shí)際施工具有很好的指導(dǎo)作用。