基于GEO5 的三維地質(zhì)模型建立和應(yīng)用研究

李 忠，張雪鋒

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市地下空間開(kāi)發(fā)利用成為當(dāng)前和今后很多城市發(fā)展的必然選擇。 地下空間的開(kāi)發(fā)利用與其所處的地質(zhì)環(huán)境條件，如地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)體等密切相關(guān)。 由于地質(zhì)環(huán)境條件往往具有較大的各向異性和復(fù)雜性， 在進(jìn)行地下空間開(kāi)發(fā)利用時(shí)，若缺乏對(duì)地質(zhì)環(huán)境條件的深刻把控，極易出現(xiàn)地下建筑物或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的現(xiàn)象。

目前， 勘察測(cè)繪技術(shù)的數(shù)據(jù)成果多以二維空間的形式來(lái)展示，二維空間的信息資料繁多，缺乏整體性和連續(xù)性， 不能直觀且科學(xué)地展示實(shí)際的地質(zhì)環(huán)境條件［1-2］。三維地質(zhì)建模技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)三維建模技術(shù)的不斷發(fā)展逐步產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的。 隨著中國(guó)城市建設(shè)中的三維立體地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目的啟動(dòng)，城市三維地質(zhì)模型的構(gòu)建得到了穩(wěn)步發(fā)展。

城市三維地質(zhì)建模（3D Geosciences Modeling）是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在三維環(huán)境下，將城市空間信息管理、地質(zhì)解釋、空間分析和預(yù)測(cè)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來(lái)， 并用于地質(zhì)分析的技術(shù)。它通過(guò)適當(dāng)?shù)目梢暬绞?，?gòu)建出能夠展現(xiàn)真實(shí)地質(zhì)環(huán)境的模型。更重要的是，基于模型的數(shù)值模擬和空間分析， 能夠輔助用戶進(jìn)行科學(xué)決策和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)［3-5］。本文以開(kāi)封萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)項(xiàng)目勘察數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 基于GEO5 三維地質(zhì)建模軟件， 采用“鉆孔+剖面”的混合方法，建立城市三維地質(zhì)模型，并將導(dǎo)出的剖面圖與原始勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比， 驗(yàn)證模型的可靠性， 以期為三維地質(zhì)模型的應(yīng)用提供參考。

1 三維地質(zhì)建模的思路

三維地質(zhì)建模技術(shù)可使地質(zhì)體呈現(xiàn)連續(xù)的、有規(guī)律的、可視化的三維模型，能夠全面、準(zhǔn)確地展現(xiàn)地質(zhì)體的空間特性，為研究地層的空間分布情況、地質(zhì)構(gòu)造分布規(guī)律等地質(zhì)條件提供直接、有效的方法。

1.1 建模方式

按照數(shù)據(jù)來(lái)源， 三維地質(zhì)建?？梢苑譃榛阢@孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)以及多源數(shù)據(jù)等的多種建模方式［6-9］。 鉆孔數(shù)據(jù)是地質(zhì)建模最直接、最可靠的數(shù)據(jù)， 但是地下情況的復(fù)雜性和鉆孔數(shù)據(jù)的有限性，使得建模精度受限。

1.2 建模步驟

本文以南京庫(kù)侖公司的GEO5 軟件為建模平臺(tái)，以鉆孔資料為主要數(shù)據(jù)源，以平面地質(zhì)圖和地形圖等其他地質(zhì)資料及地質(zhì)認(rèn)識(shí)為補(bǔ)充數(shù)據(jù)源， 建立空間數(shù)據(jù)鉆孔建模的數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建地質(zhì)剖面，生成三維地質(zhì)模型，具體建模流程如圖1 所示。

2 開(kāi)封萬(wàn)達(dá)大宏廣場(chǎng)三維地質(zhì)模型的建立

2.1 數(shù)據(jù)源

開(kāi)封萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)位于開(kāi)封市新區(qū)，屬于黃河沖積、泛濫平原。 項(xiàng)目區(qū)面積約58 500 m2，場(chǎng)地地表地形稍有起伏。 勘探點(diǎn)間距控制在30 m 以內(nèi)，按場(chǎng)地建筑物平面形狀均勻布置，重點(diǎn)控制建筑物周邊、角點(diǎn)及應(yīng)力集中部位。本場(chǎng)地共布置勘探點(diǎn)143 個(gè)，其中鉆探孔95 個(gè)、靜探孔48 個(gè)，鉆孔深度為30～80 m。

圖1 三維地質(zhì)模型建模流程Fig.1 Modeling process of 3D geological model

鉆探結(jié)果顯示，（1）～（7） 層為第四紀(jì)全新世Q4文化期以來(lái)中近期沉積的土， 為新近沉積土， 以粉沙、粉土、黏性土為主；（8）～（10）層為第四紀(jì)全新世Q4文化期以前沉積的土，為一般沉積土，以粉沙、粉質(zhì)黏土、細(xì)沙為主。 場(chǎng)地初見(jiàn)地下水位埋深為2.0 m左右，穩(wěn)定地下水位埋深為4.0～6.8 m，屬第四系松散巖類孔隙潛水。 地層簡(jiǎn)要描述如下：

（1）粉沙。該層厚2.0～4.7 m，呈黃褐色，松散-稍密，上部局部存在1.0～2.0 m 的雜填土。

（2）粉土。該層厚1.5～3.0 m，呈灰褐色，稍密，黏粒含量高， 局部見(jiàn)灰褐色軟塑狀粉質(zhì)黏土薄層或透鏡體。

（3）粉土。該層厚0.6～2.2 m，呈黃褐-灰褐色，稍密-中密，沙質(zhì)含量高，局部見(jiàn)灰褐色粉沙薄層。

（4）黏土。該層厚0.4～2.8 m，呈黃褐-灰褐色，軟塑狀，局部夾有灰褐色粉土、粉質(zhì)黏土薄層。

（5）粉土。該層厚1.6～5.5 m，呈灰褐-黃褐色，稍密-中密，局部夾有灰褐色軟塑狀粉質(zhì)黏土薄層，干強(qiáng)度低，韌性低，無(wú)光澤反應(yīng)，搖振反應(yīng)迅速。

（6）粉質(zhì)黏土。該層厚1.0～3.9 m，呈灰褐色，軟-可塑狀，局部夾有灰褐色粉土薄層。

（7）粉土。該層厚0.8～4.5 m，呈青灰色、黃褐色，稍密-中密。

（8）粉沙。 該層厚3.5～10.2 m，呈平黃褐-灰褐色，中密-密實(shí)。

（9）粉質(zhì)黏土。該層厚0.0～1.8 m，平均層厚1.00 m，呈黃褐色，可塑狀，局部孔缺失該層。

（10）細(xì)沙。該層平均層厚為13.00 m，呈黃褐-褐黃色，密實(shí)，飽和。

2.2 建立三維地質(zhì)模型的步驟

按圖1 所示流程，將整理好的地形、鉆孔數(shù)據(jù)錄入GEO5 地質(zhì)建模軟件中， 應(yīng)用混合建模法建立萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)的三維地質(zhì)模型。

2.2.1 地形建模

本文選取95 個(gè)地表坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建地形模型，場(chǎng)地地形點(diǎn)的分布如圖2 所示， 部分地形坐標(biāo)如表1所示。

2.2.2 鉆孔數(shù)據(jù)處理

以開(kāi)封萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)項(xiàng)目勘探鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取31 個(gè)鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)，其分布情況和地層巖性特征如圖3 所示。 在鉆孔數(shù)據(jù)中， 可能包含多種異常情況，因此，在建模前，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查與預(yù)處理。 鉆孔地層的缺失或錄入錯(cuò)誤等常見(jiàn)的異常情況會(huì)造成自動(dòng)構(gòu)模邏輯錯(cuò)誤而不兼容， 其處理措施是對(duì)照原始數(shù)據(jù)，修改鉆孔數(shù)據(jù)。

圖2 項(xiàng)目區(qū)地形點(diǎn)分布圖Fig.2 Topographical point distribution of project area

表1 項(xiàng)目區(qū)部分地形坐標(biāo)Tab.1 Topographical coordinates of project area

圖3 項(xiàng)目區(qū)鉆孔分布和地層巖性特征圖Fig.3 Drilling distribution and formation lithology of project area

2.2.3 二維剖面數(shù)據(jù)處理

以鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 構(gòu)建了6 條覆蓋整個(gè)廣場(chǎng)的剖面，如圖4 所示。剖面數(shù)據(jù)處理最常見(jiàn)的問(wèn)題為尖滅地層的處理。處理時(shí)，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇合適的尖滅位置，并手動(dòng)添加該層的地層線。

2.2.4 建立三維地質(zhì)模型

采用“鉆孔＋剖面”的混合建模方法，構(gòu)建本場(chǎng)地的三維地質(zhì)模型，如圖5 所示。 建模步驟為：先選擇構(gòu)建的6 條剖面參與建模，整體控制模型；然后，選擇控制鉆孔，激活參與建模的鉆孔數(shù)據(jù)，并補(bǔ)充細(xì)節(jié)。

與傳統(tǒng)的二維地質(zhì)剖面圖和斷面圖相比，三維地質(zhì)模型以三維圖象的形式展現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的真實(shí)形態(tài)、特征。 三維交互定位可用于模型的精確定位操作，可以用不同的顏色顯示各種地層，也可以從任意的角度來(lái)查看土質(zhì)、土層厚度和連續(xù)情況，支持對(duì)三維地質(zhì)模型的剖切，展示地下三維地質(zhì)模型及地層分布變化的可視化效果。 三維地質(zhì)模型的構(gòu)建，除了直觀地對(duì)地層進(jìn)行展示和分析外，還可以用于二維設(shè)計(jì)、三維有限元分析及地下空間開(kāi)發(fā)和地面建筑規(guī)劃。

2.3 模型驗(yàn)證

采用剖面比較法對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證。 剖面比較法是通過(guò)比較原始勘探剖面和所建三維模型生成剖面的一致性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 圖6 為項(xiàng)目場(chǎng)地一原始勘探剖面圖，圖7 為同一位置三維模型導(dǎo)出的剖面圖。由圖6 和圖7 可知，兩者在地層劃分、尖滅巖層、地下水位等處理上，結(jié)果一致，但也存在一些差異，如第9 層粉質(zhì)黏土厚度有變化。 變化原因可能是地質(zhì)工作者在進(jìn)行地質(zhì)剖面圖繪制時(shí)， 多采用兩點(diǎn)定一線的規(guī)則行事，而在建立模型時(shí)，全過(guò)程都是以離散光滑插值法為基礎(chǔ)的， 為了在遵循各點(diǎn)之間的變化規(guī)律前提下，讓整個(gè)模型趨于圓滑，所以模型顯示結(jié)果與實(shí)際勘察資料略有不同。

圖4 項(xiàng)目區(qū)二維地質(zhì)剖面圖Fig.4 2D geological profile of project area

圖5 項(xiàng)目區(qū)三維地質(zhì)模型Fig.5 3D geological model of project area

圖6 原始勘探剖面圖Fig.6 Original exploration profile

圖7 模型導(dǎo)出剖面圖Fig.7 Derived section of model

3 結(jié)語(yǔ)

在城市地質(zhì)勘查中，三維地質(zhì)建模技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。本文基于GEO5 三維地質(zhì)建模軟件，采用“鉆孔+剖面”的混合建模方法，創(chuàng)建了開(kāi)封萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)的三維地質(zhì)模型。 將原始勘探剖面圖與系統(tǒng)生成的剖面圖進(jìn)行比較， 發(fā)現(xiàn)所建立的三維地質(zhì)模型與原始數(shù)據(jù)有較高的吻合度，且能夠準(zhǔn)確、客觀地反映研究區(qū)域內(nèi)的地下地質(zhì)條件及其情況。同時(shí)，利用該三維地質(zhì)模型可以為后續(xù)分析工程地質(zhì)條件、建筑場(chǎng)地選址、基坑開(kāi)挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)、計(jì)算工作奠定基礎(chǔ)。