三維地質(zhì)模型的精準(zhǔn)度與水利工程適宜性研究

李錫均，張 鈞，李少飛

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021)

1 三維地質(zhì)模型

1.1 定義與概念

根據(jù)工程勘察設(shè)計(jì)要求，利用工程區(qū)一定范圍內(nèi)的地質(zhì)勘察資料，按工程對(duì)象類別建立的具有圖元屬性和工程地質(zhì)屬性的三維模型，是地形模型、基礎(chǔ)數(shù)模型、地質(zhì)幾何模型、地質(zhì)屬性模型的集合。

運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質(zhì)解譯、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)，用于處理地質(zhì)相關(guān)問(wèn)題，得出所需的三維地質(zhì)模型。

1.2 三維地質(zhì)模型的精準(zhǔn)度

三維地質(zhì)模型的精準(zhǔn)度也就是三維地質(zhì)模型地址對(duì)應(yīng)地質(zhì)體的吻合程度，不同的三維地質(zhì)建模軟件的研究方向和所面對(duì)行業(yè)不同，研究的側(cè)重點(diǎn)不同，要求體現(xiàn)的地質(zhì)體屬性也不同，針對(duì)水利工程而言，水利工程具有地質(zhì)信息的不可見(jiàn)性、不規(guī)則性和數(shù)據(jù)龐大占用儲(chǔ)存空間較大的特點(diǎn)，且勘察的各個(gè)階段從野外獲取的各種地質(zhì)信息，包括地表地形、地層分界、斷層和褶皺構(gòu)造、地下水位、風(fēng)化等地質(zhì)資料的分析和解譯均為二維和靜態(tài)的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)，隨著階段的深入精度也隨之提高，其描述空間地質(zhì)構(gòu)造的規(guī)律性及變化的直觀性差，不能直接、完整、準(zhǔn)確地反映地質(zhì)體的空間變化規(guī)律與實(shí)際情況，難以滿足水利工程的分析與計(jì)算要求，因此選擇一款合宜三維地質(zhì)建模軟件創(chuàng)建與水利工程地質(zhì)體吻合度較高的三維地質(zhì)模型尤其重要。

1.3 三維地質(zhì)建模軟件

國(guó)外三維地質(zhì)建模研究較早，20世紀(jì)70年代，許多科學(xué)家就提出了地質(zhì)相關(guān)的三維模型和表達(dá)方式，在1993年Simon.W.Houlding論著闡明了其研究成果，正式提出了三維地質(zhì)建模概念，在此基礎(chǔ)之上國(guó)外陸續(xù)研制發(fā)布了三維地質(zhì)建模軟件，如澳大利亞的MicroMine軟件，法國(guó)的Gerovia Surpav軟件。

國(guó)內(nèi)在三維地質(zhì)建模方面研究方面的研究起步較晚，但近年來(lái)已有不少的研究與探索，取得了一定的成果，相繼推出許多三維地質(zhì)建模軟件，如3D-Grid三維軟件、BM_GeoModeler、理正三維地質(zhì)建模軟件。隨著三維地質(zhì)建模技術(shù)的日益成熟，三維地質(zhì)建模應(yīng)用于水利工程也日益推廣，對(duì)于解決專項(xiàng)的地質(zhì)問(wèn)題具有一定實(shí)際和現(xiàn)實(shí)意義。

(1)BM_GeoModelerS三維地質(zhì)建模軟件

BM_GeoModeler是一款面向勘察、巖土專業(yè)的大型平臺(tái)型軟件，服務(wù)地質(zhì)三維建模、分析和巖土工程輔助設(shè)計(jì)。

(2)EVS三維地質(zhì)建模軟件

EVS(EarthVolumetricStudio)是一款適用于地球科學(xué)領(lǐng)域的可視化3D建模分析軟件，可實(shí)現(xiàn)真三維的地質(zhì)體數(shù)據(jù)建模、分析及可視化；可與ArcGIS、Revit、Civil3D等實(shí)現(xiàn)無(wú)縫數(shù)據(jù)交換；可實(shí)現(xiàn)真三維模型動(dòng)畫(huà)展示。EVS建立的模型真實(shí)反映地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造關(guān)系及地質(zhì)體內(nèi)部屬性變化規(guī)律；可對(duì)模型進(jìn)行任意形式的切割，以便多角度觀察；對(duì)于尖滅、透鏡體、斷層及溶洞有很好的處理能力。

(3)理正三維地質(zhì)建模軟件

理正勘察三維地質(zhì)軟件是結(jié)合三維地學(xué)研究理念和技術(shù)的最新進(jìn)展，集三維地質(zhì)模型創(chuàng)建、模型仿真展現(xiàn)、工程地質(zhì)問(wèn)題三維分析應(yīng)用為一體的軟件系統(tǒng)。根據(jù)鉆孔、地質(zhì)平面圖、縱斷面圖、剖面圖等多源數(shù)據(jù)創(chuàng)建生成包含多種地質(zhì)要素(如地表地形、斷層、褶皺巖層、溶洞等)的復(fù)雜三維工程地質(zhì)模型。并可實(shí)現(xiàn)任意剖切；基坑、基樁、隧道、路塹刷坡等工程活動(dòng)的模擬開(kāi)挖；土方量估算等工作?？膳c理正工程地質(zhì)勘測(cè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)互通。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概述

TY水庫(kù)總庫(kù)容為1.12億m3，為大(2)型工程。工程由樞紐工程、引水工程、輸水工程3部分組成，樞紐工程推薦為上壩址，大壩為粘土心墻壩，最大壩高68m，壩軸線長(zhǎng)262m；輸水工程HJC隧洞長(zhǎng)15.26km，為直徑3.8m無(wú)壓圓形斷面，設(shè)計(jì)輸水流量20m3/s；引水工程MLQ隧洞長(zhǎng)7.56km，為2.5m×3.0m無(wú)壓城門(mén)洞型斷面，設(shè)計(jì)引水流量4m3/s。

河流自NW流向NE，總體呈不規(guī)則舒緩狀“S”型展布，擬建壩河道及岸坡均較順直，為“U”型谷，兩岸山體基本對(duì)稱，屬構(gòu)造侵蝕剝蝕低中山河谷地貌。河床寬約35～75m，兩岸地形陡峻，左岸下游和右岸上游各發(fā)育一條沖溝。

第四系河床沖洪積層、崩坡積層厚約1～6m，基巖出露良好，巖性為下第三系寶相寺組中-厚狀長(zhǎng)石石英細(xì)砂巖、長(zhǎng)石砂巖、砂礫巖夾少量薄層狀泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，以及沿層面侵入的喜山期煌斑巖。

上壩址區(qū)位于龍?bào)?喬后斷裂構(gòu)造帶西部(下盤(pán))相對(duì)穩(wěn)定的地塊上，未見(jiàn)斷層和褶皺構(gòu)造發(fā)育，為單斜構(gòu)造，巖層傾向左岸偏上游，傾角8°～16°，層間擠壓破碎帶、層間泥化夾層及陡傾節(jié)理較發(fā)育，煌斑巖脈接觸帶的巖石蝕變明顯。

兩岸地下水補(bǔ)給河水，但臨河岸坡段的水力坡降均較平緩，桃源河為壩址區(qū)最低排泄基準(zhǔn)面。

2.2 工程三維地質(zhì)模型

利用上述三維地質(zhì)建模軟件和結(jié)合本工程的地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)創(chuàng)建的三維地質(zhì)模型，如圖1—6所示，所反映的地質(zhì)體的屬性側(cè)重點(diǎn)不同，采用的插值方法不同導(dǎo)致的各地質(zhì)體的精準(zhǔn)度也不盡相同，其可視化表示方向也各不相同。

圖1 BM_GeoModeler三維地質(zhì)模型

所創(chuàng)建的三維地質(zhì)模型，雖然采用的勘察地質(zhì)數(shù)據(jù)相同，但由于采用的插值方法等技術(shù)及行業(yè)側(cè)重點(diǎn)不同，在可視化表觀上較為相似，但地質(zhì)體的吻合度不盡相同，其賦值的地質(zhì)屬性也不盡相同，在剖面圖中更能反映其地質(zhì)屬性特點(diǎn)。能否適宜水利工程要進(jìn)一步探索與研究，對(duì)于專項(xiàng)地質(zhì)體(滑坡、巖溶)等EVS能較快地建模和賦值地質(zhì)屬性(具有真三維的屬性)。對(duì)于壩址區(qū)所要反映的地質(zhì)體較為復(fù)雜、要求地質(zhì)屬性較多的情況下，BM_GeoModeler較快地建立所需的三維地質(zhì)模型。對(duì)于洞室等要反映其圍巖類別的地質(zhì)體，理正三維地質(zhì)建模軟件能較快速建立三維地質(zhì)模型并賦值其地質(zhì)屬性。

圖2 BM_GeoModeler三維中的壩軸線剖面

圖3 EVS三維地質(zhì)模型

圖4 EVS三維中壩軸線剖面

圖5 理正三維地質(zhì)模型

圖6 理正三維地質(zhì)模型壩軸線剖面

3 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展及數(shù)字中國(guó)、智慧水利理念的提出，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)有力的計(jì)算功能和高效率的圖形處理能力，基于地質(zhì)體三維重構(gòu)與可視化技術(shù)的發(fā)展，三維地質(zhì)建模技術(shù)應(yīng)用于水利工程是一個(gè)必然的趨勢(shì)，但針對(duì)水利工程具有地質(zhì)信息的不可見(jiàn)性、不規(guī)則性和數(shù)據(jù)龐大占用儲(chǔ)存空間較大的特點(diǎn)，解決水利工程三維地質(zhì)建模所面臨如下困難：原始數(shù)據(jù)獲取的艱難性；建筑物區(qū)工程地質(zhì)屬性的未知性與難以確定性；地下地質(zhì)體的三維空間關(guān)系的復(fù)雜性；勘察工作量有限性決定其地質(zhì)分析計(jì)算的局限性。

對(duì)于水利工程而言，其三維地質(zhì)模型的精準(zhǔn)度可以直接影響水利工程的分析計(jì)算，是水工設(shè)計(jì)提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵。精準(zhǔn)和可靠的三維地質(zhì)模型可以為水工設(shè)計(jì)提供建筑物軸線選擇所需的三維空間、可視化的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)，建筑物軸線的比選更加直觀，為工程技術(shù)人員及專家論證提供可視化現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)，其親臨感更加突出。三維地質(zhì)模型的精準(zhǔn)度也會(huì)影響水利工程的造價(jià)與工程投資，也是水利工程成敗的關(guān)鍵。