基于ItasCAD三維模型在塊石料場(chǎng)儲(chǔ)量計(jì)算中的應(yīng)用

牛貝貝 姚振國(guó) 孫紅義 劉賀

隨著近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的飛速發(fā)展，地質(zhì)工程內(nèi)外業(yè)一體化和遠(yuǎn)程協(xié)同工作的方式越來(lái)越得到地質(zhì)工作者們的廣泛認(rèn)可，也為地質(zhì)工作者的工作提供了諸多便利。ItasCAD 軟件便是基于互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)，通過數(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)。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、巖土體專題問題的分析、巖土工程設(shè)計(jì)等應(yīng)用。而通過三維地質(zhì)建模來(lái)計(jì)算天然建筑材料的儲(chǔ)量在工程應(yīng)用中有著準(zhǔn)確、快捷、高效等優(yōu)勢(shì)。下面以某工程塊石料場(chǎng)為例，具體介紹基于ItasCAD 三維地質(zhì)建模在天然建筑材料儲(chǔ)量計(jì)算中的應(yīng)用及與傳統(tǒng)計(jì)算方法的比較。

1 塊石料場(chǎng)概況

某工程石料場(chǎng)位于庫(kù)區(qū)左岸山體，緊鄰公路，交通便利，距離壩址區(qū)直線距離約4 km。塊石料場(chǎng)山體雄厚，地勢(shì)沿山脊東南高西北低，山坡坡度一般為10°～30°。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，所選料場(chǎng)范圍東西長(zhǎng)約750 m，南北寬約500 m，面積約33萬(wàn)m2，地面高程240～420 m。

該塊石料場(chǎng)地表多為第四系殘坡積土層和碎石土覆蓋，厚度0.8～6.9 m 不等；部分山坡和坡頂基巖裸露，基巖巖性主要為中新世至上新世的火山角礫巖和玄武巖。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)成果分析，該塊石料場(chǎng)的火山角礫巖與玄武巖在質(zhì)量指標(biāo)上存在較大差異，在儲(chǔ)量計(jì)算過程中需對(duì)兩種不同巖性的塊石料分別進(jìn)行計(jì)算，以用于不同工程部位的填筑。同時(shí)，考慮到不同位置巖性的分布情況及料場(chǎng)開挖的經(jīng)濟(jì)合理性，在儲(chǔ)量計(jì)算過程中需明確開挖邊界，料場(chǎng)四周按一定坡比放坡開挖，料場(chǎng)底部采用階梯式開挖。

2 塊石料場(chǎng)三維地質(zhì)建模

2.1 地表面建模

地表面模型的建立基于地形線（等高線）。地表面模型的精度也取決于地形線（等高線）的測(cè)量精度。將所需格式的地形線（等高線）文件導(dǎo)入ItasCAD 軟件，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)。將在ItasCAD 軟件中新建的一個(gè)平面通過點(diǎn)集約束的方式約束至從地形線（等高線）中提取的等高點(diǎn)上，再通過若干次網(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。

2.2 剝離層底界面建模

剝離層底界面是在塊石料場(chǎng)儲(chǔ)量計(jì)算中分離剝離層和有用層的重要界面。與地表面模型的建立基于地形線（等高線）不同，剝離層底界面模型的建立需要基于塊石料場(chǎng)地質(zhì)剖面圖中的剝離層底界線，剝離層地界面模型的精度取決于剝離層底界線的數(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。在剝離層底界面建模之前，需先將料場(chǎng)地質(zhì)剖面導(dǎo)入ItasCAD 軟件中，然后將每個(gè)剖面所對(duì)應(yīng)的料場(chǎng)地質(zhì)剖面圖文件導(dǎo)入ItasCAD 軟件，通過選擇對(duì)應(yīng)的剖面線和輸入剖面圖起始點(diǎn)的坐標(biāo)與高程信息可確定剖面圖在三維地質(zhì)模型中的位置。在剖面圖導(dǎo)入ItasCAD 軟件的過程中，剝離層底界線被同步導(dǎo)入，從剝離層底界線中提取出剝離層底界點(diǎn)，將在ItasCAD 軟件中新建的一個(gè)平面通過點(diǎn)集約束的方式約束至從剝離層底界線中提取的點(diǎn)集上，再通過若干次網(wǎng)格加密和離散光滑插值的運(yùn)算便可完成剝離層底界面的建模。

2.3 巖層底界面建模

由于該塊石料場(chǎng)的火山角礫巖與玄武巖在質(zhì)量指標(biāo)上存在較大差異，故在料場(chǎng)儲(chǔ)量計(jì)算過程中需將勘探范圍內(nèi)火山角礫巖與玄武巖的各巖層底界面進(jìn)行建模。巖層底界面的建模與剝離層底界面的建模過程類似，即通過已導(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)巖層底界線中提取出巖層底界面點(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底界面的建模。建成后的巖層底界面的三維模型如圖1 所示。

圖1 某工程塊石料場(chǎng)巖層底界面三維地質(zhì)模型

2.4 四周開挖面建模

四周開挖面是在塊石料場(chǎng)儲(chǔ)量計(jì)算中確定料場(chǎng)開挖邊界的重要分界面，四周開挖面模型的建立基于塊石料場(chǎng)在地表的邊界范圍和四周開挖面的坡比。在四周開挖面建模之前，需先將包含料場(chǎng)邊界范圍的地質(zhì)平面圖導(dǎo)入ItasCAD 軟件，由于地質(zhì)平面圖中的料場(chǎng)邊界并不含有高程屬性，故需在ItasCAD 軟件中將料場(chǎng)邊界豎直投影至地表面，這樣就可得到塊石料場(chǎng)在地表的邊界范圍，此邊界范圍根據(jù)不同方位和不同開挖方向分成四部分，利用ItasCAD 軟件中的線和產(chǎn)狀命令即可創(chuàng)建四周開挖面的地質(zhì)模型。

2.5 開挖底界面建模

由于料場(chǎng)底部采用階梯式開挖，開挖底界面不是一個(gè)某一高程的水平面，而是由不同高程的水平面和階梯開挖坡面組成的階梯面，這就增加了三維地質(zhì)建模的難度，但是提高了塊石料場(chǎng)開挖和儲(chǔ)量計(jì)算的經(jīng)濟(jì)合理性。開挖底界面的建模也需基于之前導(dǎo)入ItasCAD 軟件中的地質(zhì)剖面圖，根據(jù)地質(zhì)剖面圖中的開挖底界線的高程位置創(chuàng)建各個(gè)不同高程的階梯水平面，根據(jù)地質(zhì)剖面圖中的階梯開挖坡面線和各階梯水平面之間的關(guān)系創(chuàng)建階梯開挖坡面，再用面與面的裁剪命令裁剪掉各面中多余的部分即可。建成后的四周開挖面和開挖底界面的三維模型如圖2 所示。

圖2 某工程塊石料場(chǎng)開挖面三維地質(zhì)模型

2.6 開挖體建模

在所有塊石料場(chǎng)開挖范圍內(nèi)的面全部建模完成后，可通過各面所包圍成的區(qū)域采用面分割的方式創(chuàng)建立方網(wǎng)。在本塊石料場(chǎng)中，立方網(wǎng)將被分割成剝離層區(qū)域、玄武巖有用層、火山角礫巖有用層等不同的區(qū)域。建成后的開挖體模型如圖3 所示。

圖3 某工程塊石料場(chǎng)開挖體三維地質(zhì)模型

3 三維地質(zhì)模型儲(chǔ)量計(jì)算

在已建成的塊石料場(chǎng)三維地質(zhì)模型中，通過查詢不同立方網(wǎng)區(qū)域的相關(guān)屬性即可得到剝離層和各有用層區(qū)域的體積，各區(qū)域的體積及相關(guān)數(shù)據(jù)可通過ItasCAD 軟件導(dǎo)出為電子表格，便于數(shù)據(jù)的分析與整理。同時(shí)，通過三維地質(zhì)模型的建立可更直觀地查看各區(qū)域在塊石料場(chǎng)范圍內(nèi)的分布情況，以便于結(jié)合塊石料的質(zhì)量指標(biāo)對(duì)塊石料場(chǎng)進(jìn)行合理分區(qū)，進(jìn)一步合理規(guī)劃優(yōu)先開采區(qū)域。另外，已建成的三維地質(zhì)模型還可直接生成塊石料場(chǎng)范圍內(nèi)任意剖面的剖面圖，便于地質(zhì)附圖的整理與地址成果的輸出。通過查詢，該塊石料場(chǎng)剝離層區(qū)域的體積約為90.03 萬(wàn)m3，料場(chǎng)有用層總儲(chǔ)量約為1 972.35 萬(wàn)m3，其中玄武巖的儲(chǔ)量約為978.67 萬(wàn)m3，火山角礫巖的儲(chǔ)量約為993.68 萬(wàn)m3。

4 平行斷面法儲(chǔ)量計(jì)算

根據(jù)平行斷面法計(jì)算該塊石料場(chǎng)的儲(chǔ)量，同樣采用階梯式開挖，與三維地質(zhì)模型的開挖范圍完全一致。與三維地質(zhì)模型計(jì)算塊石料場(chǎng)儲(chǔ)量不同的是，采用平行斷面法計(jì)算塊石料場(chǎng)儲(chǔ)量需在料場(chǎng)范圍內(nèi)平行的剖切若干剖面，對(duì)于剖面線上沒有勘探點(diǎn)的剖面需根據(jù)勘探點(diǎn)投影或合理的推測(cè)來(lái)確定相關(guān)的界線，而儲(chǔ)量計(jì)算的精度則取決于平行斷面的間距與相關(guān)界線的推測(cè)合理度。對(duì)于該塊石料場(chǎng)，采用50 m 的平行斷面間距，通過計(jì)算，該塊石料場(chǎng)剝離層區(qū)域的體積約為82.18 萬(wàn)m3，料場(chǎng)有用層總儲(chǔ)量約為1 947.79 萬(wàn)m3（見表1），其中玄武巖體積約為949.61 萬(wàn)m3，火山角礫巖體積約為998.18 萬(wàn)m3。

表1 塊石料場(chǎng)儲(chǔ)量計(jì)算表（采用平行斷面法）

5 結(jié) 語(yǔ)

通過分析三維地質(zhì)模型和傳統(tǒng)平行斷面法分別計(jì)算同一塊石料場(chǎng)儲(chǔ)量的計(jì)算過程，得出以下結(jié)論：

（1）兩種方法的計(jì)算原理基本相同，都以基本的勘探數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，平行斷面法是以若干平行斷面中的斷面面積平均后乘以斷面間距后求和得到體積，而三維地質(zhì)模型方法是以含有勘探點(diǎn)的剖面通過離散光滑插值運(yùn)算得到三維地質(zhì)模型后查詢得到體積。相比較而言，三維地質(zhì)模型的計(jì)算方式更為簡(jiǎn)便。

（2）兩種方法計(jì)算所得儲(chǔ)量相近，表明基于三維地質(zhì)模型計(jì)算天然建筑材料的儲(chǔ)量是可靠的和有效的，可用于對(duì)傳統(tǒng)儲(chǔ)量計(jì)算方法的輔助和校核。

（3）平行斷面法在儲(chǔ)量計(jì)算中有其局限性，每次所剖切的平行斷面僅適用于固定的料場(chǎng)區(qū)域，一旦料場(chǎng)區(qū)域發(fā)生變化，平行斷面需要重新進(jìn)行剖切。而三維地質(zhì)模型在區(qū)域改變時(shí)，僅需重新生成四周的開挖面即可，相比較而言，三維地質(zhì)模型在料場(chǎng)區(qū)域調(diào)整時(shí)的計(jì)算更為簡(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，使得未來(lái)的地質(zhì)工作更加高效、生動(dòng)與便捷。