ItasCAD三維地質(zhì)模型在黃土塌岸預(yù)測中的應(yīng)用

牛貝貝 戴 雪

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

近年來BIM越來越高頻地出現(xiàn)在建筑工程行業(yè)與水利工程行業(yè)工作人員的視野，其為工程技術(shù)領(lǐng)域所提供的可視化、模擬性、可出圖性等改變可以說是對工程技術(shù)行業(yè)的一次技術(shù)革新，隨著BIM技術(shù)在建筑、水利工程行業(yè)的快速推廣應(yīng)用，BIM技術(shù)越來越得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可，尤其是在水利工程勘察設(shè)計領(lǐng)域，該技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于勘察設(shè)計的全階段中，力求為業(yè)主的高效決策和工程的合理優(yōu)化提供基礎(chǔ)依據(jù)。ItasCAD軟件便是基于互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)，通過數(shù)據(jù)庫、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巖土地質(zhì)體的專業(yè)性BIM平臺[1-2]。ItasCAD軟件可以外業(yè)地質(zhì)工作中采集到的各類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立起既包含地質(zhì)體空間幾何形態(tài)特征，又包含巖土工程分析和設(shè)計所需信息屬性的三維地質(zhì)模型，可在平臺中實現(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)計等應(yīng)用[3]。而通過三維地質(zhì)建模對黃土塌岸這一水利工程中常遇到的專業(yè)問題進(jìn)行分析預(yù)測，在實際應(yīng)用中有著準(zhǔn)確、快捷、高效等優(yōu)勢[4]。本文以甘肅省劉李河水庫近壩庫岸段右岸為例，具體介紹基于ItasCAD三維地質(zhì)建模在庫區(qū)黃土塌岸預(yù)測中的應(yīng)用，以及與傳統(tǒng)計算方法的比較。

1 工程概況

劉李河水庫位于甘肅省涇川縣境內(nèi)的劉李河上(洪河一級支流，涇河二級支流)，壩址距離涇川縣城約30km，位于涇川縣與鎮(zhèn)原縣交界處。劉李河水庫的開發(fā)任務(wù)為農(nóng)村生活供水和灌溉。水庫規(guī)劃正常蓄水位1116.00m，規(guī)劃總庫容為329.8萬m3，水庫為Ⅳ等小(1)型工程。由于水庫位于典型黃土高原溝壑區(qū)，水庫蓄水后黃土岸坡將可能面臨大量的黃土塌岸問題。

2 水庫區(qū)基本地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

劉李河水庫位于涇川縣境內(nèi)劉李河干流上，為典型黃土高原溝壑區(qū)，區(qū)內(nèi)地形起伏，溝谷密布，岸坡傾斜近陡立。黃土塬、梁、峁等黃土地貌發(fā)育。劉李河河床寬20～50m，水面較窄，一般為1～5m不等，局部較寬。河谷由下部河槽、中部階地和上部兩側(cè)谷坡組成，河道平均比降18‰，河谷切深達(dá)130多m。水庫近壩庫岸段回水位約為1117m，回水總長度約3.7km。河流總體流向由西向東，在慶陽市境內(nèi)流入洪河。從地貌形態(tài)看，庫區(qū)河谷主要呈不對稱的“U”形，河床兩側(cè)不對稱發(fā)育，有漫灘和Ⅰ、Ⅱ級階地，見圖1。

圖1 劉李河水庫庫區(qū)地形地貌

河谷凸岸多發(fā)育河漫灘及階地，地形平緩，谷坡坡度一般小于20°；河谷凹岸岸坡較陡，谷坡坡度一般大于30°。河谷兩岸多為黃土覆蓋，基巖多在河槽及溝谷深切地段出露，黃土岸坡高陡，地形起伏較大，岸坡受雨水沖刷侵蝕切割較強(qiáng)烈，完整性差，沖溝發(fā)育，高陡岸坡伴有基巖崩塌和黃土崩塌現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 地層巖性

庫區(qū)出露地層較簡單，主要有白堊系泥巖、砂巖和第四系堆積層，現(xiàn)分述如下。

2.2.1 白堊系(K)

下白堊統(tǒng)志丹群涇川組(K1j)：該層為第四系地層的基底，巖性主要為紫紅色、青灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖與灰黃色、橘紅色、青灰色砂巖不等厚互層，近水平狀產(chǎn)出，傾向差異較大，傾角一般為3°～15°。出露在河流中下游河槽及溝谷下部。

2.2.2 第四系(Q)

第四系地層在庫區(qū)廣泛分布，主要發(fā)育黃土，其次為河流沖積層，按其時代與成因?qū)χ饕貙臃质鋈缦拢?/p>

中更新統(tǒng)離石黃土(Q2l)：一般伏于Q3m馬蘭黃土層之下，淺黃、淺棕黃色，無層理，具柱狀節(jié)理，稍有大孔，堅硬密實，含鈣質(zhì)結(jié)核，夾粗顆粒物質(zhì)及巖石碎屑。該層底部發(fā)育一層砂礫石或砂層，在庫區(qū)中下游階地上部廣泛出露。

上更新統(tǒng)馬蘭黃土(Q3m)：灰黃色、淺黃色為主。土質(zhì)均勻，具大孔，垂直節(jié)理發(fā)育，具點狀鈣質(zhì)結(jié)核，伴有植物根系、蟲孔及鹽斑。廣泛覆蓋于黃土塬梁峁及階地頂部。

2.3 近壩庫岸段岸坡類型

近壩庫岸段為黃土—基巖庫岸，即為黃土和基巖的雙層結(jié)構(gòu)，下部為基巖，多分布于河槽與深切溝谷的下部，上部為黃土，多分布于河槽頂部與河谷中上部。近壩庫岸段岸坡基本呈陡立狀，天然狀態(tài)下岸坡穩(wěn)定。水庫蓄水后，近壩庫岸段正常蓄水位高于基巖面，岸坡上部的黃土受庫水位影響存在塌岸問題。

3 傳統(tǒng)方法預(yù)測黃土塌岸

近壩庫岸段右岸的正常蓄水位高于基巖面，岸坡均存在黃土塌岸問題，采用兩段圖解法(計算示意圖見圖2)對近壩庫岸段右岸250m范圍內(nèi)的塌岸寬度和塌岸量進(jìn)行計算和分析預(yù)測。

圖2 劉李河水庫兩段法塌岸計算示意

水下淺灘坡角(α)的大小不僅與巖性有關(guān)，還與浪高有關(guān)。三門峽水庫黏性土層水下淺灘坡角(α)實測值為4.5°～7.5°。劉李河庫區(qū)近壩庫岸段塌岸現(xiàn)象主要發(fā)生在少量Q2l離石黃土和大量Q3m馬蘭黃土庫岸段，其土層較致密，質(zhì)地較堅硬。本次塌岸預(yù)測參考三門峽水庫取值，水下淺灘坡角α取7°，水上穩(wěn)定坡角β取65°，以此確定塌岸寬度、塌岸范圍及塌岸量。

采用平行斷面法(斷面間距為25m)對劉李河水庫近壩庫岸段右岸250m范圍內(nèi)的塌岸進(jìn)行分析預(yù)測，結(jié)果顯示該段塌岸寬度為64.12～141.95m，塌岸量約為13.54萬m3。

4 三維地質(zhì)建模預(yù)測黃土塌岸

4.1 三維地質(zhì)建模

塌岸三維地質(zhì)模型的建立主要基于地表面、回水面、水下淺灘坡面和水上穩(wěn)定坡面。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。將在ItasCAD軟件中新建的一個平面通過點集約束的方式約束至從地形線(等高線)中提取的等高點上，再通過若干次網(wǎng)格加密和離散光滑插值的運算，便可完成地表面的建模。

回水面、水下淺灘坡面和水上穩(wěn)定坡面的建立均采用線與產(chǎn)狀的方式，例如：回水面須將回水線導(dǎo)入ItasCAD軟件，再結(jié)合產(chǎn)狀(傾向和傾角)便可生成回水面,回水面僅作為三維模型建立的輔助面；水下淺灘坡面則是依靠導(dǎo)入ItasCAD軟件中的基巖覆蓋層分界線結(jié)合產(chǎn)狀生成；建立水上穩(wěn)定坡面前，須先由回水面和水下淺灘坡面生成兩個面的交線，水上穩(wěn)定坡面就是依靠此交線結(jié)合產(chǎn)狀生成。建成后的塌岸三維地質(zhì)模型各主要面如圖3所示。

圖3 建成后的塌岸三維地質(zhì)模型各主要面

在塌岸三維地質(zhì)模型各主要面全部建模完成后，可通過對地表面、水下淺灘坡面和水上穩(wěn)定坡面等3個主要面采用面分割的方式創(chuàng)建立方網(wǎng)，該立方網(wǎng)中地表面、水下淺灘坡面和水上穩(wěn)定坡面等3個主要面所包圍的區(qū)域即為黃土塌岸區(qū)域。建成后的三維塌岸模型如圖4所示。

圖4 建成后的塌岸三維地質(zhì)模型

4.2 黃土塌岸預(yù)測

在已建成的塌岸三維地質(zhì)模型中，可直接在三維地質(zhì)模型上量測該段任意位置的塌岸寬度，較為直觀地查看塌岸范圍、塌岸區(qū)域等，通過查詢立方網(wǎng)區(qū)域的相關(guān)屬性可得到黃土塌岸區(qū)域的體積，區(qū)域的體積及相關(guān)數(shù)據(jù)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。查詢結(jié)果顯示該段塌岸寬度為60.36～149.53m，塌岸量約為13.27萬m3。結(jié)果與采用傳統(tǒng)方法預(yù)測的塌岸寬度和塌岸量較為接近。另外，已建成的塌岸三維地質(zhì)模型還可直接生成范圍內(nèi)任意剖面的剖面圖，便于地質(zhì)附圖的整理與地質(zhì)成果的輸出。

5 結(jié) 語

通過采用三維地質(zhì)模型和傳統(tǒng)方法分別對同一庫岸段黃土塌岸進(jìn)行預(yù)測，可對比得出以下結(jié)論：

a.兩種方法的計算原理基本相同，都以基本的地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，傳統(tǒng)平行斷面法以部分平行斷面來預(yù)測塌岸范圍具有一定的局限性，而三維地質(zhì)模型方法相當(dāng)于建立了連續(xù)的全部平行斷面，通過對三維地質(zhì)模型進(jìn)行屬性查詢便可得到塌岸寬度、塌岸量，同時可直觀查看塌岸區(qū)域。相比較而言，三維地質(zhì)模型的預(yù)測方式更為簡便、全面且高效。

b.兩種方法對塌岸預(yù)測結(jié)果相近，表明基于三維地質(zhì)模型對黃土塌岸的預(yù)測是可靠和有效的，可用于對傳統(tǒng)方法預(yù)測的輔助和校核。

c.目前國內(nèi)還沒有利用ItasCAD軟件進(jìn)行三維地質(zhì)建模來預(yù)測黃土塌岸的先例，該方法在黃土塌岸預(yù)測中的應(yīng)用還需不斷探索。

d.三維地質(zhì)建模是未來地質(zhì)工作發(fā)展的趨勢與方向，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，使得未來的地質(zhì)工作更加高效、生動與便捷。

e.本文采用三維地質(zhì)建模的方法僅對近壩庫岸段的黃土塌岸進(jìn)行了分析預(yù)測，對于庫區(qū)以至流域內(nèi)的黃土塌岸預(yù)測還需進(jìn)一步采用更加全面且系統(tǒng)的方法進(jìn)行深入研究。