基于ItasCAD三維地質(zhì)模型的工程地質(zhì)條件分析

牛貝貝，姚振國(guó)，王宏飛，吳向濤，孫紅義

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450003）

近年來(lái)隨著互聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，工程勘察的信息化和數(shù)字化也得到了快速發(fā)展，尤其是內(nèi)外業(yè)一體化和遠(yuǎn)程協(xié)同工作在地質(zhì)工作者中越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用，為地質(zhì)工作者的工作提供了諸多便利。

ItasCAD軟件是一款基于互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)、三維地質(zhì)建模與數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用與成果輸出三大模塊建立的針對(duì)巖土地質(zhì)體的專業(yè)性BIM平臺(tái)［1-2］。它可將外業(yè)工作中采集到的各類地質(zhì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)建立起不僅包含地質(zhì)體空間幾何形態(tài)特征，還包含巖土工程分析和設(shè)計(jì)所需信息的三維地質(zhì)模型。通過(guò)三維地質(zhì)模型的建立可在平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)二維地質(zhì)圖件的生成、巖土體等專題分析，通過(guò)三維地質(zhì)建模分析大壩工程地質(zhì)條件在實(shí)際應(yīng)用中有著直觀、快捷、高效等優(yōu)勢(shì)［3-7］。本文以某工程為例，介紹基于ItasCAD三維地質(zhì)建模在大壩工程地質(zhì)條件分析中的應(yīng)用。

1 工程概況

某工程大壩位于N省，工程任務(wù)為供水、灌溉、防洪、旅游等，庫(kù)容2億m3。大壩壩型采用混凝土面板堆石壩混合壩。大壩自左岸向右岸依次由左岸混凝土面板堆石壩、中部重力壩（包括：引水發(fā)電（灌溉、供水）壩段、底孔壩段、溢流壩段及連接壩段）、右岸混凝土面板堆石壩組成?；炷撩姘宥咽瘔危ɑ旌蠅畏桨福┛傞L(zhǎng)1500m，最大壩高60m。

2 大壩工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

2.2 地層巖性

壩址區(qū)揭露的地層主要有新近系（N）沉凝灰?guī)r、火山礫凝灰?guī)r、凝灰?guī)r、洪積角礫巖及火成巖侵入體和第四系松散堆積物（Q4）。

2.2.1 新近系（N）沉凝灰?guī)r

灰色，棕紅色，壓結(jié)和水化學(xué)膠結(jié)，水平互層或薄層結(jié)構(gòu)。該層分布于河流兩岸階地上部，厚度一般為4～9m，因埋深淺而風(fēng)化嚴(yán)重。

2.2.2 新近系（N）火山礫凝灰?guī)r

灰色，火山角礫具有一定外形，粒徑2mm以上角礫占50%以上。巖體以壓緊膠結(jié)為主，層狀構(gòu)造不明顯，巖體呈整體狀或巨厚層狀結(jié)構(gòu)。該層巖體在壩址區(qū)河流左、右岸山坡均見(jiàn)有呈整體狀裸露，厚度達(dá)數(shù)十米，河床部位鉆孔揭露有多層分布，下伏于沉凝灰?guī)r有一層分布，一般厚度為3～5m，為壩基主要巖體之一。

2.2.3 新近系（N）洪積角礫巖

灰白色、深灰色洪積成因角礫巖，整體狀結(jié)構(gòu)或巨厚層狀，角礫粒徑相差較大，分選性差，磨圓度低，角礫成分復(fù)雜。該層在現(xiàn)代河床部位大片裸露，整體狀結(jié)構(gòu)。壩址區(qū)鉆孔揭露該層分布穩(wěn)定，層厚一般為15～20m，為壩基主要巖體之一。

2.2.4 火成巖侵入體

工作時(shí)，地輪通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)栽植輪轉(zhuǎn)動(dòng)，懸杯始終與地面保持垂直，并隨栽植輪轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)懸杯轉(zhuǎn)到上面時(shí)，由人工將缽苗投入懸杯中，當(dāng)栽植輪轉(zhuǎn)到預(yù)定位置時(shí)，凸輪也隨之轉(zhuǎn)到回程位置，連桿受到彈簧的拉力向后推動(dòng)懸杯，懸杯水平打開(kāi)，向后推動(dòng)缽苗至開(kāi)溝器開(kāi)出的溝內(nèi)；然后覆土、鎮(zhèn)壓，完成栽植過(guò)程。懸杯離開(kāi)缽苗后，在凸輪的作用下慢慢閉合，等待下一次喂苗。

壩址區(qū)多處發(fā)現(xiàn)或鉆孔揭露侵入巖體，侵入體以巖株或巖墻的形式切穿新近系（N）地層。在地下深部巖性為輝長(zhǎng)巖，接近地表巖性逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樾鋷r噴出。在右壩肩、河床及左岸階地等部位均見(jiàn)有火成巖侵入體，切穿新近系（N）地層在地表出露。右壩肩侵入體呈巖墻形式，巖性為輝長(zhǎng)巖；現(xiàn)代河床見(jiàn)有兩條巖脈，橫跨河床兩岸，如圖1。

圖1 現(xiàn)代河床出露的兩條巖脈

2.2.5 第四系松散堆積物

壩址區(qū)第四系松散堆積物主要為河流沖洪積物和左右壩肩坡體堆積的崩坡積物。河流兩岸侵蝕階地頂部分布沖洪積土層，厚度一般小于1m。左壩肩山坡坡面主要為坡積碎石土，厚度一般小于3m，局部見(jiàn)有崩積塊石和塌滑堆積體； 右壩肩緩坡地帶覆蓋層較厚，一般為10～15m，大多為黏性土，高程120m以上為火成巖侵入體形成巖墻地形，局部呈陡壁狀，陡壁下面坡面上大量堆積大塊狀崩塌巖體。

3 三維地質(zhì)建模

3.1 地表面建模

地表面模型的建立基于地形線（等高線），地表面的建模范圍可與地形圖的范圍一致，其三維地質(zhì)模型的精度取決于地形線（等高線）的測(cè)量精度。將地形線（等高線）文件導(dǎo)入ItasCAD軟件中，ItasCAD軟件可識(shí)別所有地形線（等高線）的坐標(biāo)屬性和高程屬性，并可從地形線（等高線）中提取出若干等高點(diǎn)。在ItasCAD軟件中新建一個(gè)平面，將該平面通過(guò)點(diǎn)集約束方式約束至從地形線 （等高線） 提取的等高點(diǎn)上，再通過(guò)若干次網(wǎng)格加密和離散光滑插值的運(yùn)算，便可完成地表面的建模。建成后的地表面三維模型如圖2。從三維地表面模型中可較為直觀地看出大壩各部位所處的位置，通過(guò)ItasCAD軟件中的查詢命令，可查詢地表面上任一點(diǎn)的坐標(biāo)與高程信息。

圖2 壩址區(qū)地表面三維地質(zhì)模型

3.2 基巖覆蓋層界面建模

由于覆蓋層與下伏基巖的物理力學(xué)性質(zhì)存在很大差異，因此基巖覆蓋層界面是在大壩工程地質(zhì)條件分析中十分重要的界面?；鶐r覆蓋層界面模型的建立需要基于地質(zhì)剖面圖中的基巖覆蓋層界線，其精度取決于覆蓋層底界線的數(shù)量，數(shù)量越多，相對(duì)精度越高，數(shù)量越少，相對(duì)精度越低。在基巖覆蓋層界面建模之前，需先將地表基巖出露的范圍導(dǎo)入ItasCAD軟件中，基巖出露的范圍內(nèi)不存在基巖覆蓋層界面。壩址區(qū)地質(zhì)剖面圖導(dǎo)入ItasCAD軟件也是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在地質(zhì)剖面圖導(dǎo)入ItasCAD軟件的過(guò)程中，基巖覆蓋層界線被同步導(dǎo)入，從基巖覆蓋層界線中提取界線點(diǎn)集，在ItasCAD軟件中新建一個(gè)平面，通過(guò)點(diǎn)集約束的方式將新建平面約束至從基巖覆蓋層界線中提取的點(diǎn)集上，再通過(guò)若干次網(wǎng)格加密和離散光滑插值的運(yùn)算便可完成基巖覆蓋層界面的建模。建成后的基巖覆蓋層界面三維模型如圖3。通過(guò)ItasCAD軟件中的查詢命令，可查詢基巖覆蓋層界面上邊界位置的坐標(biāo)與高程信息。

圖3 壩址區(qū)基巖覆蓋層界面三維地質(zhì)模型

3.3 巖層界面建模

由于壩址區(qū)地層巖性分布較為復(fù)雜，各不同巖性地層的物理力學(xué)性質(zhì)存在差異，同時(shí)壩址區(qū)還存在有侵入巖和噴出巖，因此，巖層界面的建模同樣非常重要。巖層界面的建模與基巖覆蓋層界面的建模過(guò)程類似，即通過(guò)已導(dǎo)入ItasCAD軟件中的地質(zhì)剖面圖，從地質(zhì)剖面圖中的地質(zhì)巖層界線中提取出巖層界線點(diǎn)，然后即可創(chuàng)建平面并采用點(diǎn)集約束的方式完成各巖層界面的建模。建成后的巖層界面的三維地質(zhì)模型如圖4。通過(guò)巖層界面的三維模型可直觀的查看各巖層不同位置的厚度分布情況及壩基坐落的巖層位置。

圖4 塊石料場(chǎng)巖層底界面三維地質(zhì)模型

3.4 壩址區(qū)地質(zhì)體建模

在各地質(zhì)層面全部建模完成后，可通過(guò)各面所包圍成的區(qū)域采用面分割的方式創(chuàng)建立方網(wǎng)。在本壩址區(qū)域范圍中，立方網(wǎng)主要被分割成覆蓋層區(qū)域和基巖區(qū)域。

通過(guò)ItasCAD軟件中的數(shù)據(jù)庫(kù)可將勘察基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維地質(zhì)模型中并賦值于壩址區(qū)地質(zhì)體立方網(wǎng)上，如巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值和透水率Lu值等，建成并進(jìn)行透水率賦值后的壩址區(qū)地質(zhì)體三維地質(zhì)模型如圖5。

圖5 壩址區(qū)地質(zhì)體三維地質(zhì)模型

4 傳統(tǒng)二維工程地質(zhì)條件分析

傳統(tǒng)的工程地質(zhì)條件分析一般基于基礎(chǔ)地質(zhì)資料和地質(zhì)平面圖、地質(zhì)剖面圖等二維地質(zhì)圖件，以壩基巖體工程地質(zhì)分類為例，需要依據(jù)勘探點(diǎn)中實(shí)際統(tǒng)計(jì)的巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值、通過(guò)試驗(yàn)得到的巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度值及通過(guò)物探得到聲波縱波波速值等，而這些數(shù)值有兩大特點(diǎn)，一是數(shù)值僅存在于勘探點(diǎn)中，周邊區(qū)域的相關(guān)參數(shù)值需通過(guò)地質(zhì)圖推測(cè)得到；二是數(shù)值是散亂的，需通過(guò)統(tǒng)計(jì)、整理后才可用于進(jìn)一步的地質(zhì)條件分析。在壩基巖體的滲透性分析上也存在同樣特點(diǎn)，只能通過(guò)二維地質(zhì)剖面圖分析某一剖面上的巖體滲透性。

5 基于三維地質(zhì)模型的工程地質(zhì)條件分析

與傳統(tǒng)二維工程地質(zhì)條件分析不同的是，基于三維地質(zhì)模型，可將所有勘探點(diǎn)上的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值通過(guò)ItasCAD軟件中的數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入并賦值于壩址區(qū)三維地質(zhì)模型中，勘探點(diǎn)周邊巖體的地質(zhì)參數(shù)可通過(guò)插值運(yùn)算自動(dòng)獲得，通過(guò)三維地質(zhì)模型可直觀的查看任一點(diǎn)的巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值、飽和單軸抗壓強(qiáng)度值、透水率Lu值等地址參數(shù)，還可通過(guò)ItasCAD軟件自動(dòng)生成某一指標(biāo)的等值面，例如巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD=80%的等值面，通過(guò)等值面判斷巖層中巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD＞80%的區(qū)域，這對(duì)于壩基巖體工程地質(zhì)分類和判斷壩基所處位置的巖石質(zhì)量都有十分重要的意義。

對(duì)于壩體帷幕灌漿的范圍一般應(yīng)深入到弱透水層中（10Lu線或5Lu線以下），同樣可通過(guò)ItasCAD軟件自動(dòng)生成10Lu或5Lu的等值面，這對(duì)于確定帷幕灌漿的范圍也具有十分重要的意義。另外，基于三維地質(zhì)模型可到處任意位置的圖片，同時(shí)可生成任意位置的二維剖面圖，這對(duì)于地質(zhì)成果的輸出帶來(lái)更多便利。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)比較傳統(tǒng)二維方法與三維地質(zhì)模型方法對(duì)工程地質(zhì)條件的分析，可得出以下結(jié)論：

（1）兩種方法的分析原理基本相同，都以基本的地質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，但傳統(tǒng)二維方法的地質(zhì)參數(shù)僅存在于勘探點(diǎn)中，周邊區(qū)域的地質(zhì)參數(shù)需通過(guò)地質(zhì)圖推測(cè)得到，而三維地質(zhì)模型中地質(zhì)參數(shù)可通過(guò)插值運(yùn)算自動(dòng)賦值于地質(zhì)體的每一點(diǎn)上，更為直觀。

（2）兩種方法所依據(jù)的地質(zhì)數(shù)據(jù)相同，但整理統(tǒng)計(jì)過(guò)程不同，傳統(tǒng)二維方法需人工對(duì)所有散亂的地質(zhì)數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)后再進(jìn)行分析，而三維地質(zhì)模型所有的地質(zhì)數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，可通過(guò)插值運(yùn)算、生成等值面等方法進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，以輔助于工程地質(zhì)條件分析，因此，對(duì)于地質(zhì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、整理和統(tǒng)計(jì)，基于三維地質(zhì)模型更為簡(jiǎn)便和高效。

（3）對(duì)于地質(zhì)數(shù)據(jù)的變化，傳統(tǒng)方法需按部就班地重新進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)和分析，而基于三維地質(zhì)模型，只需將變化后的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行修改，在三維地質(zhì)模型中可得到同步的更新即可。三維地質(zhì)模型在數(shù)據(jù)變化的處理上更為簡(jiǎn)便。

（4）三維地質(zhì)建模是未來(lái)地質(zhì)工作發(fā)展的趨勢(shì)與方向，借助于三維地質(zhì)模型可大大促進(jìn)地質(zhì)工作的信息化、數(shù)字化和可視化，使地質(zhì)工作成果更加生動(dòng)、形象和易于理解。