基于ItasCAD閘泵站三維地質(zhì)建模方法研究

徐肖峰，曹正璇，黑 燦，于亞東

（浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

大型水利工程的設(shè)計和施工往往面臨復雜的地質(zhì)情況，傳統(tǒng)工程地質(zhì)資料的分析一般局限于二維和靜態(tài)的方式，不能良好地表達地質(zhì)體之間的相互關(guān)系，也不便于進行地質(zhì)力學分析[1]。且水利工程不同專業(yè)之間的工作方式是流水式的，即地質(zhì)勘測→地質(zhì)分析→水工設(shè)計→施工設(shè)計→施工管理，這種工作方式雖然使各專業(yè)部門的職能非常明確，但不利于專業(yè)之間的信息交叉和反饋，往往產(chǎn)生地質(zhì)與水工、施工相脫節(jié)的現(xiàn)象；同時，當有新的地質(zhì)資料加入或者設(shè)計方案發(fā)生變更時，各專業(yè)人員都需花費很多時間和精力返工，整個過程不僅存在大量的重復勞動，而且不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)難以有效協(xié)調(diào)，使工程設(shè)計的水平和效率降低，從而影響工程建設(shè)的順利進行[2]。發(fā)展三維地質(zhì)曲面建模技術(shù)被認為是提升巖土工程設(shè)計質(zhì)量的重要途徑，三維地質(zhì)曲面模型作為巖土工程建設(shè)信息的一個重要組成，不僅有利于觀察分析工程區(qū)的地質(zhì)狀態(tài)，還能輔助決策者進行方案的比選和優(yōu)化，實現(xiàn)設(shè)計精細化，提高設(shè)計水平[3-6]。

目前，國內(nèi)外學者在三維地質(zhì)建模方面做了很多研究工作，取得了很大的進展。國外已推出很多成熟的商業(yè)軟件，如GOCAD、CTECH、EARTHVISION和GEOFRANCE 3D等，這些軟件已被廣泛應(yīng)用于三維地質(zhì)建模與可視化研究、礦床模擬、生產(chǎn)管理等方面。國內(nèi)學者在三維地質(zhì)建模系統(tǒng)方面也做了大量工作，研發(fā)一些軟件，如成都理工大學柴賀軍和黃地龍開發(fā)的礦山采場巖土工程模型軟件系統(tǒng)、天津大學鐘登華院士等研發(fā)的基于NURBS算法的巖體結(jié)構(gòu)三維可視化軟件，中國地質(zhì)大學（武漢）國土資源信息系統(tǒng)研究所研究的GeoBIM等，但由于上述軟件是基于不同的界面平臺，且生成的三維地質(zhì)可視化模型缺乏與通用數(shù)值計算軟件的結(jié)合，大多數(shù)服務(wù)于一些特定領(lǐng)域，成熟通用的商業(yè)軟件并不多見，因而在眾多設(shè)計院中并未得到廣泛的推廣與應(yīng)用[1]。

近年來，地質(zhì)曲面插值擬合算法研究成為三維地質(zhì)建模研究的熱點，克里金插值方法、Lawson算法、三角剖分的優(yōu)化算法、廣義三棱柱構(gòu)模法、四面體模型、地理信息系統(tǒng)都不同程度地考慮了地質(zhì)體對象的特點，但都將地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)的離散性與地質(zhì)體對象的連續(xù)性分隔開來。離散光滑插值技術(shù)（DSI）構(gòu)建的地質(zhì)模型被認為是具有可靠性較好的一種結(jié)果[3]。以某閘泵站工程為例，基于ItasCAD平臺，引入鉆孔、靜力觸探等多種勘探數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)庫驅(qū)動與DSI插值技術(shù)構(gòu)造地層曲面的方法，建立樞紐區(qū)的三維地質(zhì)模型，較好地反應(yīng)了場區(qū)的地質(zhì)分層情況，同時，導出部分模型成果為勘察報告附件，為信息化設(shè)計提供了更豐富的地質(zhì)資料。

2 平臺介紹及工作流程

2.1 平臺介紹

ItasCAD平臺由基于C#和OpenGL的圖形系統(tǒng)不斷完善而成，定位于“建模為基礎(chǔ)、工程分析和輔助設(shè)計為目的”的綜合性平臺，包含數(shù)據(jù)庫、建模與數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用與成果輸出3大功能模塊。基礎(chǔ)資料錄入和儲存在基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)研發(fā)的工程地質(zhì)信息系統(tǒng)內(nèi)，通過必要的處理之后形成含屬性的三維地質(zhì)模型。平臺采用DSI（Discrete Smooth Interpolation）插值方法，該方法允許使用多種形式的約束條件以保證勘探點精度和實現(xiàn)勘探點以外的地質(zhì)推測。能同時滿足地質(zhì)體復雜形態(tài)、非連續(xù)性和不確定性等3方面的特點和要求。

2.2 工作流程

首先，對巖土層名稱、成因地質(zhì)年代等進行術(shù)語定義，并按照定義好的勘察成果進行入庫并對入庫數(shù)據(jù)進行檢查；然后，通過層面建模及透鏡體建模建立地層曲面，必要的時候建立封閉的mesh面；最后，將模型成果用于二維剖切出圖，或?qū)С鱿嚓P(guān)曲面，可進行場平設(shè)計和挖填方輔助設(shè)計，也可將模型導出至三維數(shù)值分析軟件進行數(shù)值模擬（見圖1）。

圖1 建模工作流程

3 地質(zhì)三維模型的構(gòu)建

3.1 工程及勘察概況

某閘泵站樞紐包括排水泵站、引水閘站、總干渠、總干閘及排引水河首部。排水泵站設(shè)計排水流量165 m3/s，引水閘站設(shè)計引水流量40 m3/s，閘凈寬20 m，總干閘凈寬14 m。樞紐區(qū)工程勘察采用鉆探取土、雙橋靜力觸探試驗、十字板剪切、標準貫入、重型圓錐動力觸探和室內(nèi)土工試驗等綜合勘察手段。建模場區(qū)范圍內(nèi)共完成鉆孔26只，靜力觸探孔2只，勘探剖面13條，建模范圍約0.19 km2，勘探孔平面布置示意圖及建模邊界見圖2。

3.2 場地地層分布

場地地處曹娥江邊，屬曹娥江沖海積平原亞區(qū)和低山丘陵區(qū)，由于沉積環(huán)境的不斷變遷，土層分布不均勻，在水平及垂直方向上都有相變現(xiàn)象，土層結(jié)構(gòu)較為復雜。按地層沉積時代、成因類型及物理力學性質(zhì)指標的差異，勘探孔深度范圍內(nèi)揭露地層自上而下主要層次見表1。其中，Ⅲ層各亞層軟土厚度較大，地基淺部無良好天然持力層，需進行地基處理。同時，場地靠近山麓，基底基巖由東南側(cè)向北西側(cè)傾伏，局部基巖面傾角較陡，對嵌巖樁樁長的選擇影響較大。

圖2 建模場址內(nèi)勘探孔示意圖

表1 勘探范圍內(nèi)主要土層表

3.3 數(shù)據(jù)整理與準備

樞紐區(qū)陸地地形采用無人機，水下地形采用測深儀，均進行密集的點云采集，其成果數(shù)據(jù)為坐標點，點云數(shù)據(jù)可導入ItasCAD成為點集對象。同時，將26個勘探孔的孔口坐標也導入到點集中，利用地形要素線控制突變邊界，生成地形曲面?；蛟贑ivil3D建立.dwg三維網(wǎng)格曲面，通過數(shù)據(jù)處理成.3ds文件后再導入到ItasCAD中。

根據(jù)場區(qū)工程地質(zhì)條件，進行數(shù)據(jù)庫內(nèi)術(shù)語定義。同時，結(jié)合巖層風化分帶、室內(nèi)土工試驗和靜力觸探試驗曲線，對每個勘探孔進行土層劃分，并逐一輸入鉆孔信息及相應(yīng)的分層數(shù)據(jù)，或通過預定義好的Excel表格將勘探孔信息及分層數(shù)據(jù)導入.db數(shù)據(jù)庫中。已有縱、橫剖面視實際情況確定是否需要納入建模源數(shù)據(jù)中。對入庫數(shù)據(jù)進行容錯檢查，完成上述步驟后地形曲面及勘探孔分層見圖3。

圖3 場區(qū)地形曲面及勘探孔位置圖

3.4 三維地層模型的構(gòu)建

地層曲面建模是三維地質(zhì)建模的核心部分，這些面存在于地質(zhì)體的內(nèi)部，無法直觀觀察到。在三維地質(zhì)建模中，將這些曲面重構(gòu)處理，包括其幾何形態(tài)和空間位置關(guān)系等。首先，將數(shù)據(jù)庫中的勘探數(shù)據(jù)導出至ItasCAD建模界面，保持建模源數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)性。根據(jù)已知資料條件和對象特征，有勘探資料的位置采用精確約束，無勘探資料的位置采用模糊約束，采用DSI技術(shù)進行地層曲面擬合，采用二維剖切人工干預并在過程中進行校審，最大程度地體現(xiàn)幾何曲面的地質(zhì)合理性。

利用覆蓋層建模、單一層面建模、透鏡體建模等流程，分層建立各大層和亞層的曲面，并最終完成勘探深度內(nèi)的地質(zhì)體。最終實體及曲面地質(zhì)模型分別見圖4 ～ 5。整個樞紐區(qū)的三維地質(zhì)模型可以通過旋轉(zhuǎn)、縮放、剖切等手段對地層進行全方位的了解，比常規(guī)二維剖面更為直觀，包括的信息量更大。如需了解地質(zhì)體內(nèi)部的地層情況，可以對地質(zhì)體進行剖切、斜切、橫切處理。通過剖切能比較清晰地分辨出各亞層所處深度及展布情況。特別是對于圖2中無勘探孔控制的縱、橫剖面的交點，其具有一致的通過性，無需每個剖面都人工校正，可以極大地縮短人工二維剖面作圖時間。

通過導出數(shù)據(jù)格式的處理，可在設(shè)計平臺中將上部水工結(jié)構(gòu)與地質(zhì)體的位置聯(lián)合展示，輔助基礎(chǔ)型式選型、評估工程修建對環(huán)境的影響，從而制定相應(yīng)的防治措施。

圖4 樞紐區(qū)三維地質(zhì)實體模型圖

圖5 樞紐區(qū)三維曲面模型圖

4 地質(zhì)三維模型的應(yīng)用

4.1 地質(zhì)二維出圖

剖面圖是工程地質(zhì)工作的主要成果之一，在創(chuàng)建三維地質(zhì)模型以后，ItasCAD提供了2種生成剖面圖的操作方式。一是點擊二維圖主菜單，在次級下拉菜單中選擇需要生成的二維圖類型；二是點擊二維圖工具條中的相關(guān)圖標，彈出相應(yīng)的界面，引導完成二維切圖過程。從三維地質(zhì)模型中生成的二維圖將通過列表的方式顯示在二維圖列表瀏覽器中，可根據(jù)工程需要導出.dxf格式的文件供報告和分析使用。圖6為剖切成圖與手繪二維圖的比較圖，根據(jù)勘探資料、地質(zhì)預判及制圖習慣綜合判斷，模型剖切的圖紙較繪制的剖面圖更為合理。

圖6 剖切、繪制剖面圖比較圖

4.2 主要巖土層界面等高線

根據(jù)室內(nèi)土工試驗成果，Ⅲ層各亞層土均為高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低剪切強度的軟土層，施工過程中易因擾動而引起基坑、河道開挖邊坡的失穩(wěn)。樞紐區(qū)基坑開挖過程中擬采用三軸攪拌樁+鋼板樁+鉆孔灌注樁等措施對基坑進行臨時支護。臨時支護措施大部需嵌入下部性質(zhì)較好土層一定的深度。從模型中可導出軟土底面，較為宏觀的展示不同區(qū)域軟土的埋深情況。圖7為Ⅲ層（含亞層）軟土層下限界面等深線圖，從圖7中可知軟土層底板由東南向西北側(cè)逐漸變深，即靠近曹娥江下游側(cè)埋深較大，其埋深可達-40.00 m左右。場地東南側(cè)靠近山麓，基覆界面等深線見圖8。圖8非常直觀地驗證了原勘察報告中“基底巖面由東南側(cè)向北西側(cè)傾伏，局部基巖面傾角較陡”的說法。據(jù)Civil3D坡度分析，大部區(qū)域坡度為0.18% ～ 28.46%，個別區(qū)域坡度超過30.00%，嵌巖樁在坡度較大區(qū)域施工時應(yīng)特別重視嵌巖深度。綜上，模型對基巖面的重構(gòu)有益于樁長的選擇。同時，可提供巖面傾斜度的定量描述，對施工起到了一定的指導作用。

圖7 Ⅲ層（軟土層）下限界面等深線圖

圖8 基覆界面等深線圖

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[7]的相關(guān)要求，嵌巖深度應(yīng)綜合荷載、上覆土層、基巖、樁徑、樁長諸多因素確定。設(shè)計一般以進入弱風化的長度作為嵌巖深度的計算長度，圖9給出了樞紐區(qū)強風化下限界面（即弱風化上限界面）的等深線。對于沒有常規(guī)二維剖面控制的區(qū)域，設(shè)計可根據(jù)等深線進行合理樁長的選擇。同時，等深線也為施工樁基驗收提供地質(zhì)參考。

圖9 強風化下限界面等深線圖

5 結(jié) 語

以某閘泵站樞紐為例，結(jié)合三維地質(zhì)可視化模型的理論、方法和樞紐區(qū)自身的地質(zhì)概況，基于ItasCAD建立樞紐區(qū)三維地質(zhì)可視化模型，把地層等信息通過三維可視化模型，具體形象地表現(xiàn)出來，進而把結(jié)果應(yīng)用到巖土工程設(shè)計中，從研究方法上改進了以往工程地質(zhì)評價以二維空間定性分析為主的研究方式。

理順樞紐區(qū)第四系主要地層及侏羅系熔結(jié)凝灰?guī)r風化分層的空間邏輯關(guān)系，借助軟件強大的真三維空間數(shù)據(jù)處理功能解決建模過程中地層的缺失、尖滅等問題，取得形象的、直觀的三維地質(zhì)模型，并輸出不同風化界面的二維等深線，為樁基的設(shè)計提供必要的數(shù)據(jù)資料。

通過將建模數(shù)據(jù)導出，可以實現(xiàn)與水工、施工等專業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計。理論上后續(xù)可以導入有限差分、有限元等數(shù)值模擬軟件中進行基坑開挖穩(wěn)定性分析，實現(xiàn)建模的真正價值。