探討水利水電工程地質(zhì)中基覆界面的建模技巧

摘" 要：為解決三維地質(zhì)建模中岸坡覆蓋層邊界線附近生成的基覆界面網(wǎng)格易超出地面或與地形模型產(chǎn)生重疊的問題，該文通過闡述在岸坡覆蓋層邊界線附近分別復(fù)制岸坡覆蓋層邊界線向覆蓋層深部按不同方式放線作為構(gòu)造內(nèi)壓線；然后，再以覆蓋層邊界線、構(gòu)造內(nèi)壓線、覆蓋層深度元素綜合構(gòu)建基覆界面，以改善覆蓋層邊界線附近基覆界面建模難度，并提高基覆界面剪切、分離實(shí)體的成功率。

關(guān)鍵詞：覆蓋層邊界線；構(gòu)造內(nèi)壓線；放線長(zhǎng)度；構(gòu)造角度；構(gòu)造方向；地形坡度；基覆界面

中圖分類號(hào)：TV222.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2023）16-0170-04

Abstract： In order to solve the problem that the foundation overburden interface grid generated near the boundary line of the bank slope overburden in 3D geological modeling is easy to exceed the ground or overlap with the terrain model， this paper expounds that the foundation overburden interface is constructed by copying the boundary line of the bank slope overburden layer near the boundary line of the bank slope overburden layer and setting out in different ways to the depth of the overburden layer as the structural internal pressure line， then， the cover interface is constructed by the comprehensive construction of cover boundary line， structural inner pressure line and cover depth elements， in order to improve the modeling difficulty of the foundation overburden interface near the boundary line of the overburden layer， and improve the success rate of the foundation overburden interface shearing and separating entities.

Keywords： boundary line of overburden layer; tectonic internal pressure line; setting out length; tectonic angle; tectonic direction; terrain slope; substrate interface

地質(zhì)基覆界面是天然降雨的滲透截面，其受覆蓋層形成條件及外界因素的影響通常具有復(fù)雜的起伏狀態(tài)，因此，準(zhǔn)確的地質(zhì)測(cè)繪工程區(qū)地形地貌是工程地質(zhì)勘察研究的重要內(nèi)容。建筑信息模型BIM作為水利工程中推廣應(yīng)用的信息化協(xié)同式設(shè)計(jì)模式，其可以利用軟件自動(dòng)生成與工程實(shí)際相匹配的地質(zhì)三維實(shí)體模型，能精確模擬地質(zhì)基覆層中各關(guān)聯(lián)要素間的耦合關(guān)系，同時(shí)可以準(zhǔn)確計(jì)算各層間的體積方量。本文探討運(yùn)用華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院數(shù)字工程中心研發(fā)的GeoStation地質(zhì)三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)，構(gòu)建水利水電工程中樞紐工程區(qū)基覆界面建模及數(shù)值模擬分析，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)體系協(xié)同設(shè)計(jì)，為后期開展工程地質(zhì)分段及評(píng)價(jià)的建立提供詳實(shí)信息模型基礎(chǔ)。

1" 研究環(huán)境

1.1" 建模軟件簡(jiǎn)介

GeoStation是華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院數(shù)字工程中心依托美國Bentley軟件平臺(tái)獨(dú)立研制開發(fā)的地質(zhì)三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其主要目的是利用軟件建立地質(zhì)三維實(shí)體模型，立體展示工程地質(zhì)條件，并可在三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種三維分析計(jì)算。主要內(nèi)容包括文件管理、流程管理、數(shù)據(jù)采集、標(biāo)準(zhǔn)制圖、三維編輯、模型創(chuàng)建、模型分析、文字和符號(hào)標(biāo)注、工程計(jì)算、工程查詢和部分二維圖的生成等。

1.2" 建模范圍概述

本文重點(diǎn)探討水利水電工程中樞紐工程區(qū)基覆界面的建模，其他工程區(qū)可引以為參考。在水利水電工程中，樞紐工程區(qū)多位于河谷、溝谷深切地段，兩岸多山高坡陡，地形地貌復(fù)雜，覆蓋層分布也比較復(fù)雜，一般覆蓋層除在河床、溝谷、低洼地帶集中分布外，其余在岸坡局部也常有較厚覆蓋層分布，其特點(diǎn)多是不均勻分布。根據(jù)工程區(qū)地質(zhì)條件、實(shí)際地質(zhì)分布情況，結(jié)合樞紐工程區(qū)設(shè)計(jì)涉及的建模平面坐標(biāo)、高程深度范圍需要，首先應(yīng)確定工程區(qū)的建模范圍，其中建模范圍不僅包括平面坐標(biāo)范圍，還包括高程上、下限范圍。為了便于樞紐工程區(qū)基覆界面建模，可把覆蓋層區(qū)建模簡(jiǎn)單分為河床區(qū)、岸坡區(qū)進(jìn)行分區(qū)塊獨(dú)立建模，但這里的所謂分區(qū)范圍僅是平面坐標(biāo)上的，高程范圍與前述確定的工程區(qū)建模范圍保持一致。其中河床覆蓋層區(qū)建模范圍是指兩岸基巖與覆蓋層分界線與建模上、下游邊界上交集的閉合曲線組成，岸坡覆蓋層區(qū)是除河床覆蓋層區(qū)以外的覆蓋層范圍，并且根據(jù)覆蓋層出露情況，可能有多個(gè)岸坡覆蓋層區(qū)。岸坡覆蓋層邊界封閉，且全在確定的建模范圍內(nèi)，則岸坡的這一個(gè)覆蓋層范圍則是獨(dú)立的，若在建模范圍邊界上有深厚覆蓋層分布時(shí)，則岸坡的這一個(gè)覆蓋層范圍則是岸坡基巖與覆蓋層分界線和建模范圍邊界上交集的閉合曲線組成。

2" 探討基覆界面建模技巧

2.1" 名詞空間定義

為了便于后續(xù)基覆界面建模中所用到的一些空間幾何關(guān)系的描述和定位，先引進(jìn)構(gòu)造內(nèi)壓線、放線長(zhǎng)度、構(gòu)造角度和構(gòu)造方向等名詞的定義（圖1）。

構(gòu)造內(nèi)壓線：復(fù)制岸坡覆蓋層邊界線向覆蓋層深部按不同方式放的線作為構(gòu)造內(nèi)壓線。

放線長(zhǎng)度：空間中采用極坐標(biāo)向鎖定的方向放線的距離。

構(gòu)造角度：在空間幾何中，垂直于覆蓋層邊界線方向的放線長(zhǎng)度與其在水平面上投影的夾角。

構(gòu)造方向：垂直于覆蓋層邊界向覆蓋層深部前進(jìn)的方向。

2.2" 河床區(qū)基覆界面建模

河床區(qū)基覆界面建模若想趨于理想，得到一個(gè)較為光滑的曲面，應(yīng)根據(jù)覆蓋層深度勘探情況，合理布置勘探線和輔助勘探剖面，處理好每一個(gè)細(xì)節(jié)至關(guān)重要，具體按照下列步驟完成河床區(qū)覆蓋層邊界線、覆蓋層深度元素（線或點(diǎn)）建模[1-2]。第一步，將覆蓋層揭露的地質(zhì)測(cè)繪點(diǎn)、鉆孔揭露位置展點(diǎn)在三維模型中；第二步，整理兩岸工程地質(zhì)測(cè)繪的二維覆蓋層邊界線，并將其鉛直投影在地形面上；第三步，通過勘探線或經(jīng)過工程地質(zhì)測(cè)繪點(diǎn)、鉆孔互連作垂直勘探剖面、垂直輔助剖面剖切，將推測(cè)、校準(zhǔn)的覆蓋層深度線性二維元素返回在三維模型中；第四步，在垂直于河流方向上的上下游建模范圍邊界部位分布作垂直輔助剖面剖切，根據(jù)前述返回在三維模型中的覆蓋層深度元素，將推測(cè)出剖面中的覆蓋層邊界深度二維元素返回在三維模型中；第五步，在三維模型中，剪切掉建模范圍外的線框模型，用工具檢查岸坡覆蓋層邊界線和與河流方向上垂直的上下游建模范圍邊界上的覆蓋層邊界深度線性元素是否閉合，閉合則是成功的覆蓋層邊界線，否則，應(yīng)進(jìn)行檢查，直到合格為止。

結(jié)合前述名詞空間幾個(gè)定義，分別復(fù)制2覆蓋層邊界線，采用精確繪圖向覆蓋層深部按構(gòu)造角大于該岸坡最大地形坡度放線作構(gòu)造內(nèi)壓線。根據(jù)測(cè)量學(xué)和人體本身眼體結(jié)構(gòu)決定了人能肉眼分辨出的最小距離為0.1 mm[3]，因此作構(gòu)造內(nèi)壓線就有一定的要求了。三維地質(zhì)模型單位一般為m，垂直勘探剖面、垂直輔助剖面選擇的比例尺一般大于等于1∶2 000，剖面中0.1 mm長(zhǎng)度返回在三維模型中所代表的實(shí)際距離小于等于0.2 m。構(gòu)造內(nèi)壓線只作為一種輔助線，忽略其對(duì)覆蓋層深度元素的影響，建議放線長(zhǎng)度應(yīng)控制在0～0.2 m以內(nèi)。

采用基覆界面建模工具線選擇已合格閉合的覆蓋層邊界線，再選擇內(nèi)部構(gòu)造內(nèi)壓線、覆蓋層深度元素綜合自動(dòng)構(gòu)建生成基覆界面，即mesh面[4-5]。在基覆界面生成后，還要對(duì)其進(jìn)行檢查、凸點(diǎn)刪除、光滑處理，然后才能得到理想的曲面（圖2）。

按上述方法構(gòu)建的基覆界面與地形模型在覆蓋層邊界線上保證了應(yīng)有的網(wǎng)格相交關(guān)系，網(wǎng)格頂點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，且基覆界面上其余各點(diǎn)高程均保持在地形模型之下，達(dá)到了理想建模狀態(tài)，解決了岸坡覆蓋層邊界線附近生成的基覆界面網(wǎng)格易超出地面或與地形模型產(chǎn)生重疊的問題，間接提高了基覆界面剪切、分離實(shí)體的成功率。為了檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，可以對(duì)已生成的三維模型進(jìn)行隨意圖切，剖面中的覆蓋層分界線還是非常理想的，如圖3所示。

2.3" 岸坡區(qū)基覆界面建模

岸坡區(qū)與河床區(qū)基覆界面建模步驟大致相同，但也有一些細(xì)節(jié)處理不同的地方，具體按照下列步驟完成岸坡區(qū)覆蓋層邊界線、覆蓋層深度元素（線或點(diǎn)）建模[2-3]。第一步，將覆蓋層揭露的地質(zhì)測(cè)繪點(diǎn)、鉆孔揭露位置展點(diǎn)在三維模型中；第二步，整理工程地質(zhì)測(cè)繪的二維覆蓋的層邊界線，并將其鉛直投影在地形面上；第三步，通過勘探線或經(jīng)過工程地質(zhì)測(cè)繪點(diǎn)、鉆孔互連作垂直勘探剖面、垂直輔助剖面剖切，將推測(cè)、校準(zhǔn)的覆蓋層深度線性二維元素返回在三維模型中；第四步，若在建模范圍邊界上有深厚覆蓋層分布時(shí)，在建模范圍邊界部位分布作垂直輔助剖面剖切，根據(jù)前述返回在三維模型中的覆蓋層深度元素，將推測(cè)出剖面中的覆蓋層邊界深度二維元素返回在三維模型中；第五步，在三維模型中，若二維覆蓋層邊界線是閉合的，則不用檢查鉛直投影在地形面上有的覆蓋層邊界線閉合性；若在建模范圍邊界上有深厚覆蓋層分布時(shí)，則剪切掉建模范圍外的線框模型，用工具檢查岸坡覆蓋層邊界線與建模邊界范圍邊界上的覆蓋層邊界深度線性元素是否閉合，閉合則是成功的覆蓋層邊界線，否則，應(yīng)進(jìn)行檢查，直到合格為止。

通過實(shí)踐總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在岸坡區(qū)有些方向區(qū)域基覆界面不易和地面產(chǎn)生重疊或出現(xiàn)超出地面的現(xiàn)象，不需要作構(gòu)造內(nèi)壓線，為了其建模描述的準(zhǔn)確性，去掉不需要作輔助的構(gòu)造內(nèi)壓線的方向區(qū)域，可把覆蓋層邊界分為3段，即上坡段、順坡段、下坡段（圖4）。

基覆界面是以覆蓋層邊界線、構(gòu)造內(nèi)壓線、覆蓋層深度元素為基礎(chǔ)，參考地形模型趨勢(shì)創(chuàng)建的一個(gè)曲面[6-13]。通過工作實(shí)踐總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在覆蓋層邊界附近，構(gòu)造方向與地面下坡坡向相同（或相反）部位構(gòu)建的基覆界面網(wǎng)格易超出地面或與地形模型產(chǎn)生重疊問題；構(gòu)造方向與地面下坡坡向垂直部位構(gòu)建的基覆界面網(wǎng)格不易超出地面或不與地形模型產(chǎn)生重疊問題。因此，僅對(duì)上坡段、下坡段作構(gòu)造內(nèi)壓線即可。

結(jié)合前述名詞空間幾個(gè)定義，復(fù)制上坡段覆蓋層邊界線，采用精確繪圖向覆蓋層深部按構(gòu)造角大于該岸坡最大地形坡度放線作構(gòu)造內(nèi)壓線（圖5）。復(fù)制下坡段覆蓋層邊界線，采用精確繪圖向覆蓋層深部按構(gòu)造角小于該岸坡最小地形坡度放線作構(gòu)造內(nèi)壓線（圖5）。建議放線長(zhǎng)度應(yīng)控制在0～0.2 m以內(nèi)，原因如前，此處不再贅述。

采用基覆界面建模工具線選擇已合格閉合的覆蓋層邊界線，再選擇內(nèi)部構(gòu)造內(nèi)壓線、覆蓋層深度元素綜合自動(dòng)構(gòu)建生成基覆界面，即mesh面[4-5]。在基覆界面生成后，還要對(duì)其進(jìn)行檢查、凸點(diǎn)刪除、光滑處理，然后得到理想的曲面。

按上述方法構(gòu)建的基覆界面與地形模型，在岸坡覆蓋層邊界線上使得應(yīng)有的網(wǎng)格相交關(guān)系得到了保證，網(wǎng)格頂點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了一一對(duì)應(yīng)，且基覆界面上其余各點(diǎn)高程均維持在地形模型之下，達(dá)到了理想建模狀態(tài)，解決了岸坡覆蓋層邊界線附近生成的基覆界面網(wǎng)格易超出地面或與地形模型產(chǎn)生重疊的問題，間接提高了基覆界面剪切、分離實(shí)體的成功率。

3" 結(jié)束語

基覆界面是以覆蓋層邊界線、構(gòu)造內(nèi)壓線、覆蓋層深度元素為基礎(chǔ)，參考地形模型趨勢(shì)創(chuàng)建的一個(gè)曲面。通過建模實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在覆蓋層邊界附近，構(gòu)造方向與地面下坡坡向相同（或相反）部位構(gòu)建的基覆界面網(wǎng)格易超出地面或與地形模型產(chǎn)生重疊現(xiàn)象；構(gòu)造方向與地面下坡坡向垂直部位構(gòu)建的基覆界面網(wǎng)格不易超出地面或不與地形模型易產(chǎn)生重疊現(xiàn)象。因此，需要作構(gòu)造內(nèi)壓線的工作主要集中在構(gòu)造方向與地面下坡坡向相同（或相反）部位。

在基覆界面建模過程中，可結(jié)合名詞空間幾個(gè)定義，在覆蓋層邊界附近，構(gòu)造方向與地面下坡坡向相同部位，復(fù)制覆蓋層邊界線，采用精確繪圖向覆蓋層深部按構(gòu)造角大于該岸坡最大地形坡度放線作構(gòu)造內(nèi)壓線；構(gòu)造方向與地面下坡坡向相反部位，復(fù)制覆蓋層邊界線，采用精確繪圖向覆蓋層深部按構(gòu)造角小于該岸坡最小地形坡度放線作構(gòu)造內(nèi)壓線；構(gòu)造內(nèi)壓線放線長(zhǎng)度應(yīng)控制在0～0.2 m以內(nèi)。

作輔助構(gòu)造內(nèi)壓線，構(gòu)建的基覆界面與地形模型在岸坡區(qū)覆蓋層邊界線上保證了應(yīng)有的網(wǎng)格相交關(guān)系，網(wǎng)格頂點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，且基覆界面上其余各點(diǎn)高程均保持在地形模型之下，達(dá)到了理想建模狀態(tài)，解決了岸坡覆蓋層邊界線附近生成的基覆界面網(wǎng)格易超出地面或與地形模型產(chǎn)生重疊的問題，間接提高了基覆界面剪切、分離實(shí)體的成功率。

綜上所述，在上述界面建模技術(shù)的探討中，不難發(fā)現(xiàn)，只要有一個(gè)理想校正工具，即可解決所有難題。所謂理想工具的功能是能保證基覆界面在邊界上的網(wǎng)格頂點(diǎn)位置不變，其余面上的點(diǎn)在參考地形模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適當(dāng)網(wǎng)格加密正交校正，使得基覆面邊界以外的點(diǎn)均在地形模型高程之下。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙文超，張賀飛，袁彥超，等.水利水電工程三維地質(zhì)建模流程及應(yīng)用體會(huì)[J].資源環(huán)境與工程，2015，29（5）：718-721，742.

[2] 彭土標(biāo).水利發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國水利水電出版社，2011：138-142.

[3] 程新文，陳性義.測(cè)量學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，2008：102-103.

[4] 鐘登華，李明朝.水利水電工程地質(zhì)三維地質(zhì)建模與分析理論及實(shí)踐[M].北京：水利水電出版社，2006：11-14.

[5] 王長(zhǎng)海，黃維強(qiáng)，李輝，等.巖灘水電站三維地質(zhì)建模技術(shù)研究[J].水力發(fā)電，2010，36（12）：11-14.

[6] 王長(zhǎng)海，周曉琴，許國，等.基于離散光滑理論的高精度三維模型構(gòu)建方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2014，47（5）：604-609.

[7] 王長(zhǎng)海，陳碧宇.基于離散光滑插值的三維地質(zhì)體構(gòu)造網(wǎng)格模型[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2014，31（6）：600-607.

[8] 許國，王長(zhǎng)海.萬家口水電站復(fù)雜地質(zhì)體三維模型及其數(shù)值模型構(gòu)建[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2013，46（4）：469-474.

[9] 周曉琴，王長(zhǎng)海，陳碧宇.基于DSI技術(shù)的高精度三維地質(zhì)曲面構(gòu)建方法[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2014，31（4）：395-401.

[10] 李健，劉培榮，梁傳信.多源數(shù)據(jù)融合的規(guī)則體元分裂三維地質(zhì)建模方法[J].巖土力學(xué)，2021，42（4）：1170-1177.

[11] 曾鵬，秦?fù)P，陳洪，等.基于Kriging插值算法的地質(zhì)體BIM建模技術(shù)[J].人民長(zhǎng)江，2021，52（S2）：99-104.

[12] 王金鑫，秦子龍，曹澤寧，等.基于八叉樹的修正克里金空間插值算法[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2021，42（6）：21-27.

[13] 吳志春，郭福生，林子瑜，等.三維地質(zhì)建模中的多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)與方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2016，46（6）：1895-1913.