黃登水電站壩基開挖面三維地質(zhì)展示的創(chuàng)新應(yīng)用

張萬奎，徐典政

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

黃登水電站壩址區(qū)河谷狹窄，呈“V”字形，兩岸岸坡地形不完整，沖溝發(fā)育，山坡陡峻。大壩左、右岸壩基開挖邊坡(含纜機邊坡)高度均超過400 m，壩基及邊坡范圍大，開挖體形復(fù)雜?，F(xiàn)場施工地質(zhì)工作中，要求對工程邊坡及大壩壩基開挖面隨開挖進行施工地質(zhì)編錄，詳細記錄揭示的地質(zhì)信息，繪制開挖面地質(zhì)展示圖及平面圖，檢驗、修正前期工程地質(zhì)勘察結(jié)論，為邊坡及壩基工程地質(zhì)條件評價提供第一手資料，并為壩基開挖優(yōu)化及建基面驗收提供依據(jù)。

1 傳統(tǒng)地質(zhì)展示存在的問題

黃登水電站大壩壩基開挖邊坡坡度較陡，局部直立，壩基及壩肩邊坡開挖面體形復(fù)雜，轉(zhuǎn)折、弧形斜邊坡較多。按照DL/T 5109—1999《水電水利工程施工地質(zhì)規(guī)程》要求，地質(zhì)編錄實施過程中，存在以下幾方面缺點：

(1)現(xiàn)場地質(zhì)編錄前，需要在室內(nèi)按照開挖邊坡體形用米格紙繪制各段邊坡展示圖，轉(zhuǎn)折、弧形部位以彎道展開原理進行繪制。由于黃登水電站壩基及壩肩邊坡開挖面體形復(fù)雜，需要進行大量的換算繪制工作，準(zhǔn)備工作量大，工作效率低。

(2)受開挖面轉(zhuǎn)折及弧形轉(zhuǎn)彎影響，室內(nèi)展示圖準(zhǔn)備時，在米格紙上樁號標(biāo)示均為異形；現(xiàn)場收資時，在展示圖上亦不便準(zhǔn)確定位，樁號及位置均可能存在一定的誤差。

(3)現(xiàn)場編錄過程中，各變化部位坡面展開后編錄圖相對獨立，不同坡面地質(zhì)信息編錄存在誤差，成圖后不連續(xù)，多數(shù)不能拼接成為整體，直觀性差，不利于地質(zhì)信息的分析判斷和預(yù)測預(yù)報。

(4)開挖面地質(zhì)展示圖繪制后，不能直接投影為工程地質(zhì)平面圖，需要從頭單獨繪制，工作量大，且手工投影后存在誤差。

2 開挖面三維地質(zhì)展示的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用思路

人類社會的發(fā)展已經(jīng)進入了信息化的時代，為更好地利用資源，對人類所處的環(huán)境進行真三維的計算機模擬是人類渴望達到的目標(biāo)。對于地質(zhì)三維模型的應(yīng)用，國內(nèi)外最早在地礦、石油分析領(lǐng)域發(fā)展較好。近年來，水利水電行業(yè)地質(zhì)三維模型的快速發(fā)展也有目共睹，已基本實現(xiàn)了地質(zhì)信息模擬和自動切剖面功能，并在尋求與設(shè)計專業(yè)的無縫融合。由此，壩基及邊坡開挖面作為地質(zhì)專業(yè)與設(shè)計專業(yè)的一個界面，應(yīng)該在三維地質(zhì)模型中有所體現(xiàn)，并同等發(fā)展。

經(jīng)過嘗試，應(yīng)用AutodeskCivil 3D軟件的曲面功能及其對象能夠多角度顯示并動態(tài)關(guān)聯(lián)的特性，可以實現(xiàn)對開挖面三維地質(zhì)展示及原始地形模擬的目的，通過與三維地質(zhì)專業(yè)軟件的轉(zhuǎn)換，也可為后期的三維地質(zhì)實體模型的建立提供基礎(chǔ)。

2.2 三維地質(zhì)展示圖繪制

(1)開挖面的三維面生成。依據(jù)開挖平面布置圖，采用AutodeskCivil 3D軟件建立三維坐標(biāo)系，使用3Dface命令對開挖面的輪廓線賦值，建立三維面[1]，對三維面賦予不同的材質(zhì)，用于后期顏色填充，可滿足不同的三維顯示效果。此時，使用“受約束的動態(tài)觀察”模式動態(tài)觀察模型，便能夠在圖形中以不同的角度和方向查看和驗證開挖面的三維效果。

(2)樁號、樁號線及馬道高程的標(biāo)示。在WCS的平面視圖里，依據(jù)壩軸線0+0.00樁號線，用3Dpoly繪制其他樁號線。繪制時，樁號線需要與開挖線都有交點，以便節(jié)點位置能自動捕捉坐標(biāo)及高程值。繪制后，開挖面與樁號線能實現(xiàn)動態(tài)關(guān)聯(lián)性，在三維視圖下，可從不同的視角真實反映樁號線的走向，能靈活適應(yīng)現(xiàn)場施工地質(zhì)的編錄要求。樁號線繪制完成后，可根據(jù)需要，建立局部坐標(biāo)系標(biāo)注樁號。同樣的方法，在每一級需要標(biāo)注高程的馬道平面內(nèi)建立局部坐標(biāo)系，即可在該坐標(biāo)系約束的平面內(nèi)進行高程標(biāo)注。

(3)現(xiàn)場地質(zhì)編錄。開挖面及樁號三維模擬完成后，所繪制的圖件已基本可作為施工地質(zhì)的編錄底圖。根據(jù)施工現(xiàn)場的開挖情況，打開已繪制好的圖，調(diào)整視圖模式為繞模型，進行受約束的動態(tài)觀察，把視角移至需編錄的某一級邊坡的法線方向，按一定的打印比例尺，采用A3紙出圖。如果附近開挖面已完成地質(zhì)編錄，此時還可打印一份擴大范圍的圖紙，以便于能夠從整體以及局部對整個開挖面地質(zhì)結(jié)構(gòu)的點、線、面等要素出露位置進行定位。對于弧形斜邊坡、樁號線走向與邊坡平行的部位，可在三維地質(zhì)展示圖上相應(yīng)部位按照實際邊坡長度進行局部樁號劃定，現(xiàn)場使用皮尺丈量，結(jié)合大壩樁號線，能很好地對地質(zhì)結(jié)構(gòu)的點、線、面等要素出露位置進行定位。

(4)收資圖件清繪。依據(jù)現(xiàn)場的收資圖件，對現(xiàn)場的編錄資料進行電子化。在需要繪制的開挖面建立局部坐標(biāo)系，局部扭面可分割成2個共邊三角形后建立局部坐標(biāo)系。地質(zhì)結(jié)構(gòu)的點、線、面等要素的編輯時，一般采用局部坐標(biāo)系約束下的二維多段線編輯，不需要地質(zhì)線形顯示的線條，可用三維多段線編輯。與二維多段線相比較，三維多段線命令沒有弧線及寬度的選項，即不能繪制弧線及設(shè)置寬度，除了顏色可選之外，線形也只能使用連續(xù)線形，故各地質(zhì)要素只能用二維多段線來繪制，繪制完成后，再賦予特定的地質(zhì)線形。

(5)顏色填充。開挖面的三維地質(zhì)展示圖基本繪制完成后，可根據(jù)不同的需要建立不同的顏色填充圖層。通過建立合理的圖層管理，能夠根據(jù)不同需要，對三維地質(zhì)展示圖進行選擇性顯示。壩基巖體類別可作為評價巖體質(zhì)量的一個依據(jù)，依據(jù)現(xiàn)場的巖體類別分區(qū)，可用不同顏色的三維面材質(zhì)表示巖體類別范圍，在三維模式下，可以形象直觀地了解開挖面的各類巖體的分布范圍。顏色填充之前，需對充填范圍進行編輯，不需要建立局部坐標(biāo)系，可直接用封閉的三維多段線生成三角網(wǎng)曲面，再對三角網(wǎng)曲面指定相應(yīng)的材質(zhì)，也可對曲面進行貼圖，充填后可以獲得較好的三維效果。

2.3 三維地形的建模

使用AutodeskCivil 3D軟件的曲面功能，能較為精確地模擬真實的地形，配合開挖面的三維顯示，能得到較為逼真的開挖效果圖。曲面的生成支持各種數(shù)據(jù)源，包括原始測量數(shù)據(jù)、地形特征線、等高線等，還可直接使用帶有高程CAD點、線、塊、文字等對象。生成的曲面在平面視圖和三維視圖可分別按不同的顯示形式顯示，如平面視圖顯示為等高線圖，三維視圖顯示為帶顏色的曲面。

黃登水電站實踐應(yīng)用中，采用地形等高線生成三角網(wǎng)地形曲面，完成后更改曲面樣式，按需要等高距間隔生成曲面等高線，并添加計曲線標(biāo)簽。地形曲面生成后，需要把壩基、壩肩開挖面準(zhǔn)確放置到相應(yīng)的地形曲面位置上，此時需在平面視圖顯示模式下編輯，可采用平面視圖下的修剪命令或用AutodeskCivil 3D的放坡功能完成[2]，如采用平面視圖下的修剪命令進行開挖面與地形面的交會，重點是需要對開挖布置圖上的標(biāo)示坐標(biāo)進行位置配準(zhǔn)。地形曲面與開挖面的交會完成后，再通過對地形曲面的貼圖以及對開挖面三維面指定編輯好的材質(zhì)，就能完成一幅實用且美觀的三維地質(zhì)展示圖。貼圖可選用google衛(wèi)星影像圖、開挖面基巖以及現(xiàn)場工區(qū)原始地貌照片，更能增強貼圖區(qū)域的真實性。

三維地形模型建立完成后，即可在三維模式下對壩基(邊坡)地質(zhì)編錄成果以及開挖效果圖等進行直觀、全面地展示。黃登水電站壩基開挖面三維地質(zhì)展示效果見圖1。在二維線框視覺樣式的俯視視圖模式下，將地形曲面在平面上按照等高線形式顯示，就能把三維地質(zhì)展示圖轉(zhuǎn)換為二維平面地質(zhì)圖，見圖2。

圖1 壩基開挖面三維地質(zhì)展示

圖2 壩基開挖面二維地質(zhì)展示

3 開挖面三維地質(zhì)展示的優(yōu)勢及展望

3.1 優(yōu)勢

開挖面三維地質(zhì)展示圖具有全面、直觀、整體性強等特征，與通常使用的二維地質(zhì)展示圖比較，具有以下優(yōu)勢：

(1)使用預(yù)先準(zhǔn)備的開挖面三維圖，可以緊密結(jié)合實際開挖情況，快捷地準(zhǔn)備施工地質(zhì)編錄底圖，且精度、靈活性皆較高?，F(xiàn)場施工地質(zhì)編錄過程中，可以更全面、連續(xù)、準(zhǔn)確地編錄地質(zhì)界線。

(2)開挖面局部與整體編錄底圖的配合使用，能夠滿足編錄的詳細性要求，同時可從整體上把握各個范圍較大、延伸較遠的地質(zhì)要素的出露位置；對體形復(fù)雜的開挖面，也能輕松消除接圖誤差。不僅可以方便指導(dǎo)現(xiàn)場施工地質(zhì)編錄，還可以通過現(xiàn)場開挖揭露情況檢驗前期勘察成果，并有利于開展未開挖部位的地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報工作。

(3)基于AutodeskCivil 3D軟件繪制開挖面三維地質(zhì)展示圖，可以同時獲得開挖面三維地質(zhì)展示圖、開挖面工程地質(zhì)圖、三維開挖效果圖及壩基(邊坡)巖體質(zhì)量分區(qū)圖等，且各圖紙之間動態(tài)關(guān)聯(lián)，修改方便，提高了工作效率。

(4)使用三維瀏覽器，可以根據(jù)需要從不同角度真實、全面地查看每個部位的地質(zhì)內(nèi)容，具有很強的實用性。

(5)基于AutodeskCivil 3D軟件繪制開挖面三維地質(zhì)展示圖，建模較快，熟悉AutoCAD使用的人能很快上手，推廣容易。

3.2 展望

應(yīng)用AutodeskCivil 3D軟件繪制黃登水電站壩基開挖面三維地質(zhì)展示圖取得了很好的效果，但同時也可以看到，本文所涉及的內(nèi)容僅僅是對開挖面地質(zhì)內(nèi)容的展示。基于目前的認(rèn)識，筆者認(rèn)為，可從以下2個方面對三維地質(zhì)展示的應(yīng)用進行深化研究：

(1)基于AutodeskCivil 3D軟件繪制三維地質(zhì)展示圖可直接利用原有CAD對象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)兼容性較好，可方便地結(jié)合其他相關(guān)區(qū)域前期二維平面地質(zhì)圖使用。因此，水電工程樞紐區(qū)工程地質(zhì)圖可直接在三維地形模型上繪制三維地質(zhì)界線，形成三維工程地質(zhì)圖。

(2)考慮到AutodeskCivil 3D軟件可以與目前主流的三維地質(zhì)建模軟件兼容，而三維工程地質(zhì)圖僅是地表地質(zhì)信息的展示，因此，基于地表工程地質(zhì)圖及勘探資料進行三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建，可以獲得水電工程詳細、全面的三維工程地質(zhì)圖。

4 結(jié) 語

黃登水電站壩址區(qū)河谷狹窄，山坡陡峻，大壩壩基及其邊坡開挖高度大，體形復(fù)雜，應(yīng)用傳統(tǒng)的開挖面地質(zhì)展示繪圖方法，工作量大，工作效率低，準(zhǔn)確性差?；贏utodeskCivil 3D軟件繪制本工程壩基開挖面三維地質(zhì)展示圖，全面、直觀地展示了大壩壩基開挖面的地質(zhì)內(nèi)容，提高了工作效率，達到了理想的效果。水電工程樞紐區(qū)工程地質(zhì)圖可以直接在三維地形模型上繪制三維地質(zhì)界線，進而進行三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建，可以獲得水電工程詳細、全面的三維工程地質(zhì)圖。