三維地質建模技術在地下廠房中的應用

趙文超 王國崗 陳建輝 王春曉

三維地質模型作為地質信息三維可視化的重要載體，為三維協(xié)同設計起到了地質空間決策的支撐性作用。利用三維地質模型可將地質體的空間分布及對工程的影響清楚地表達出來，為地質、水工等專業(yè)快速解讀地質條件提供極大便利，提高了工程設計的質量與進度。

某水電站由攔河壩、溢洪道、進水口、引水隧洞、調壓井、壓力管道、地下廠房及尾水隧洞等主要建筑物組成。地下廠房系統(tǒng)包括調壓井、壓力鋼管、地下廠房、尾水洞、交通洞、GIL出線洞和地面開關站等。其中，地下廠房埋深約430 m，底部高程約1 306 m，廠房軸向為近SN向，巖性以Panjal組的變質含礫巖屑石英砂巖（MPLQS）和變質砂質礫巖（MSB）、變質玄武巖（MB）為主，局部含炭質片巖（C.Sch）夾層。廠址區(qū)區(qū)域性斷裂帶，Ⅱ級、Ⅲ級斷層和小背斜均有發(fā)育，對地下廠房的圍巖巖體變形、穩(wěn)定影響較大。

為全面分析地下廠房所處地質條件的空間展布情況，利用中電集團華東院研發(fā)的GeoStation軟件建立了地下廠房區(qū)的三維地質模型。工作內容包括工程地質數(shù)據(jù)庫的完善、地質界面及地質異形體的建立，為地下廠房的設計提供了形象直觀的地質依據(jù)。

1 關鍵技術說明

三維地質建模的概念最早由Houlding在1994年提出，并在此后的幾十年不斷完善發(fā)展，形成了較為完整的三維地質建模體系。三維地質建模方法的選擇、地質界面的快速模擬是三維地質建模過程中重要的環(huán)節(jié)，關系到建模工作進展的順利程度。

1.1 建模方法

常見的三維地質建模方法有基于層面數(shù)據(jù)三維地質建模法、基于剖面數(shù)據(jù)三維地質建模法、基于鉆孔數(shù)據(jù)三維地質建模法及基于多源數(shù)據(jù)三維地質建模法等。前3種建模方法主要基于單一數(shù)據(jù)來源進行三維地質建模工作，對利用多種勘察手段獲取的地質資料的利用率較低。多源數(shù)據(jù)三維地質建模方法可耦合地質測繪及地質勘探的多種異構地質數(shù)據(jù)，提高建模精度。

多源異構數(shù)據(jù)標準信息化是多源數(shù)據(jù)三維地質建模方法的重要組成部分，是進行地質信息三維可視化的工作基礎。多途徑獲取的地質數(shù)據(jù)導致了地質成果出現(xiàn)多種地質數(shù)據(jù)格式及不同地質數(shù)據(jù)結構，通過地質數(shù)據(jù)分類分析、建立數(shù)據(jù)統(tǒng)一標準、數(shù)據(jù)拓撲一致性檢查、數(shù)據(jù)坐標轉化、地質要素數(shù)據(jù)提取、地質屬性添加等過程實現(xiàn)地質成果的標準信息化，以此解決建模過程中涉及的多源數(shù)據(jù)整理、轉換、集成等問題。在地下廠房工作區(qū)三維地質建模中，采取了此三維地質建模方法。

1.2 地質界面的模擬

在三維地質建模過程中，將地層分界面、巖體質量分界面、風化面、卸荷面、斷層面等地質界面進行三維空間形態(tài)模擬是一項核心工作。常見的地質界面模擬方法有多項式曲面、樣條曲面、散亂數(shù)據(jù)插值曲面模擬等。其中，散亂數(shù)據(jù)插值曲面模擬對地質界面曲面復雜性模擬效果較好，推廣應用領域較多。

散亂數(shù)據(jù)插值曲面模擬通過插值運算來實現(xiàn)，其過程主要是：先在參考平面上剖分投影的地質界面，成三角形或四邊形網(wǎng)格；再利用原始采樣點數(shù)據(jù)進行插值運算，計算出網(wǎng)格結點的三維坐標，從而形成空間地質界面。常用的插值算法有克里金法（Kriging）方法、離散光滑插值（DSI）方法、反距離權方法（IDW）等。Kriging插值方法建立在變差函數(shù)或協(xié)方差函數(shù)空間分析基礎上對區(qū)域變形進行無偏最優(yōu)估計，能夠最大程度地保證地質界面精度；DSI方法是一種基于拓撲網(wǎng)格的插值方法，對多值地質界面的模擬效果良好。對MPLQS+MSB的模擬是運用DSI方法，快速生成了形態(tài)合理的地質異形體，其他巖性和地質界面的插值模擬主要用Kriging方法。

1.3 建模軟件

GeoStation是中建集團華東院依托美國Bentley公司的MicroStation平臺研制開發(fā)的工程地質（巖土）三維勘察設計系統(tǒng)，融合了多種三維地質建模方法和地質界面模擬算法，能夠很好地滿足工程三維地質建模、三維分析、二維出圖、項目數(shù)據(jù)管理、勘察信息化、標準化、程序化的需求。軟件按功能模塊主要分為6部分：數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、三維建模與分析子系統(tǒng)、輔助繪圖子系統(tǒng)、查詢統(tǒng)計子系統(tǒng)、計算分析子系統(tǒng)和外業(yè)系統(tǒng)。本項目在此軟件平臺上開展工作。

2 三維地質建模過程

2.1 完善工程地質數(shù)據(jù)庫

針對某一工程的地勘資料建立完善的工程地質數(shù)據(jù)庫，是實現(xiàn)三維地質建模后續(xù)相關工作的前提，也是對地質外業(yè)工作數(shù)字化集中存儲與管理的重要基礎工作，主要包括以下4部分內容：（1）在數(shù)據(jù)庫端進行項目管理，包括新建項目、定義項目屬性、新建工程區(qū)、定義工程區(qū)屬性、指定項目成員并分配不同工作權限；（2）進行本工程的基本地質定義，包括地層、巖性、地產(chǎn)界面、地質構造等；（3）進行勘探布置，包括勘探線布置、鉆孔布置、平洞布置、坑槽布置等；（4）導入地質測繪數(shù)據(jù)、勘探數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)，其中地質測繪數(shù)據(jù)包括測繪點、實測剖面等；勘探數(shù)據(jù)包括鉆孔、平洞、探坑、探槽等；試驗數(shù)據(jù)包括土工試驗、物探試驗等。

工程地質數(shù)據(jù)庫中，在“巖性層”完成了變質含礫巖屑石英砂巖（MPLQS）、變質砂質礫巖（MSB）、大理巖（Mbl）、變質玄武巖（MB）、炭質片巖（C.Sch）5種巖性定義，在“地質構造”完善了F25-1斷層及f20斷層的信息，在“鉆孔”共計完成4個鉆孔數(shù)據(jù)信息的錄入。

2.2 建立三維地質模型

三維地質建模一般情況下主要包括地形面、勘探線及地質剖面導入、基覆界面、風化卸荷面、結構面（斷層、裂隙等）、地層巖性界面、地質異形體（如透鏡體）等內容的建模工作。以下重點介紹地質剖面的導入與斷層建模。

2.2.1 地質剖面的導入

用勘探剖面圖結合鉆孔與其他資料進行地質模型三維重建是三維地質建模的重要方法。其中勘探剖面圖從二維坐標系向三維坐標系的轉換是三維建模的一個重要環(huán)節(jié)。

勘探剖面導入工具將二維地質剖面成果導入到三維空間中，使其按照勘探線的延伸方向延伸，并以二維圖中的y值作為高程。導入的剖面線將保留原始數(shù)據(jù)的線型、顏色等信息。這樣就由原始二維地質剖面成果形成了三維剖面線，為下一步的三維建模提供了基礎。

2.2.2 斷層建模

本項目主要建立F25-1斷層及f20斷層。其中，斷層F25-1，位于地下廠房北側貫穿廠址區(qū)，寬120～260 m，延伸長度大于2 km，斷層產(chǎn)狀為NE80o/NW∠30o～70o，斷層以陡傾角為主，地表出露寬度40～120 m；斷層f20延伸長度大于2 km，為逆斷層，斷層整體走向為NE向，與斷層F25-1相交，產(chǎn)狀NE30o～60o/NW∠55o，斷層帶及影響帶寬度20～30 m。

斷層建模的思路為：斷層線框架―斷層面模型―斷層體模型。斷層的線框架中的線條主要來源為斷層地表初露跡線、地質剖面中的斷層線、輔助剖面中的斷層線等。利用斷層線框架及GeoStation的網(wǎng)格建模工具可生成斷層面模型，利用斷層面型對地質體做布爾運算得到斷層體模型，如圖1所示。

圖1 斷層線框-面-體模型

3 模型分析

3.1 地下廠房地質環(huán)境分析

最終建立的三維地質模型包括：覆蓋層、風化分層、斷層、地層巖性分層等。將地下廠房建筑物BIM模型疊加至三維地質模型中，可清晰地看出地下廠房所處的地質條件，即地下廠房主要位于微風化層，巖性主要以變質含礫巖屑石英砂巖（MPLQS）和變質砂質礫巖（MSB）為主，如圖2所示。

圖2 地下廠房所處地質條件展示

3.2 地層巖性分析

地下廠房位于微風化層中，根據(jù)工程地質關注的問題將微風化層進行了巖性分層，各巖性地質塊體的形態(tài)如圖3所示。從圖中可看出地質體的空間分布形態(tài)、空間相對位置關系及塊體體積大小等，形象直觀地再現(xiàn)了地下廠房所處部位的地質環(huán)境，有利于各專業(yè)對地質資料的快速理解。

圖3 不同巖性地質塊體

3.3 二維圖紙的快速抽取

在地下廠房三維地質模型建立完成后，可快速生成二維地質剖面圖，極大地提高地質出圖效率。所出地質剖面圖圖幅圖框、標題、圖例及說明、圖簽和圖面信息完整，地質線條樣式及屬性信息明確，很好地滿足了設計生產(chǎn)需求。

3.4 地下廠房穩(wěn)定性分析

CAD/CAE一體化是三維地質模型重要的應用方向之一。對已建三維地質模型進行網(wǎng)格面及空間拓撲關系的優(yōu)化后，生成三維地質數(shù)值仿真計算模型，導入MIDAS、ANSYS、FLAC3D等數(shù)值分析軟件中進行數(shù)值計算，為工程設計提供輔助支撐。在本項目中，為滿足施工圖階段設計要求，對地下廠房各工況下地下廠房結構進行整體有限元計算分析，如圖4所示。在地下廠房數(shù)值仿真中，充分考慮了地質環(huán)境對地下廠房應力應變及穩(wěn)定性的影響，建立了地質-地下廠房計算模型，確保了計算結果的合理性。

圖4 基于三維地質模型的數(shù)值仿真分析

4 結語

將三維地質建模技術運用于地下廠房區(qū)的地質三維可視化工作，一方面解決了二維圖紙對地質條件表達有局限，另一方面三維地質模型輔助了地質及水工等其他專業(yè)的地質空間解讀。另外，基于三維地質模型進行了二維地質圖紙快速抽取及CAD/CAE一體化分析，取得了較好的成果。

三維地質建模技術融合了地質專業(yè)知識、三維地質建模理論、數(shù)學、計算機語言等多學科的知識點。在本文中僅僅分析了三維地質建模方法、地質界面模擬插值算法，除此之外的地質數(shù)據(jù)庫的建立、快速建模技術的總結等內容需進一步研究，以拓寬三維建模技術在工程上的應用深度和廣度。