BIM三維建模技術(shù)在德隆水庫地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

摘" 要：水利水電工程壩址區(qū)多位于河谷深切地形地段，兩岸多山高坡陡，地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜。隨著科技的進(jìn)步以及工程的需要，三維協(xié)同設(shè)計及工程三維建模的相關(guān)技術(shù)軟件帶來的便利逐日突顯，不僅體現(xiàn)內(nèi)容豐富、質(zhì)量好、效率高，更能從三維設(shè)計的角度反應(yīng)現(xiàn)場的真實(shí)性，從而進(jìn)行科學(xué)化工程設(shè)計。該文探討在德隆水庫工程壩址區(qū)地形、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜的情況下，對三維地質(zhì)建模中的各種模型、地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元建模順序作合理的分析思考后，可提高建模精度和工作效率。

關(guān)鍵詞：斷層破碎帶；地層界面；地下（表）水位面；巖體透水率界面；地質(zhì)勘察

中圖分類號：TV221.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0193-04

Abstract： The dam site of water conservancy and hydropower projects is mostly located in the deep topography of the river valley， with high mountains and steep slopes on both sides， and the topography， stratum lithology and geological structure are more complex. With the progress of science and technology and the needs of engineering， the convenience brought by the related technical software of 3D collaborative design and engineering 3D modeling is highlighted day by day， which not only reflects the rich content， good quality and high efficiency， but also reflects the authenticity of the site from the perspective of 3D design， so as to carry out scientific engineering design. This paper discusses the reasonable analysis and consideration of various models and the modeling sequence of geological structure units in three-dimensional geological modeling under the condition of complex topography， stratum lithology and geological structure in the dam site of Delong reservoir project， thereby can improve the modeling accuracy and work efficiency.

Keywords： fault fracture zone; stratigraphic interface; underground （surface） water level surface; rock mass permeability interface; geological exploration

BIM技術(shù)具有三維可視化、多專業(yè)協(xié)同性和模擬仿真等優(yōu)點(diǎn)，能夠通過建模構(gòu)造與工程實(shí)際相匹配的地層結(jié)構(gòu)模型，直觀展示地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)屬性以及水利行業(yè)關(guān)心的分段地質(zhì)與評價等特定數(shù)據(jù)信息，以降低常規(guī)地質(zhì)勘察可能存在的地質(zhì)信息不確定性并提高巖土體方量計算的準(zhǔn)確性。GeoStation是華東勘測設(shè)計研究院數(shù)字工程中心依托美國Bentley軟件平臺獨(dú)立研制開發(fā)的地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(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)行各種三維分析計算。本文以德隆水庫為例，基于GeoStation軟件構(gòu)建三維地質(zhì)模型，以便實(shí)現(xiàn)斷層及斷層破碎帶、地層界面及地層單元等內(nèi)容的可視數(shù)字化處理及數(shù)值模擬等應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)計、校審和共享的協(xié)同交流，并為特定地質(zhì)問題開展詳細(xì)的數(shù)值模擬分析和評價，為德隆水庫工程的建設(shè)規(guī)模、大壩壩址壩型選擇及樞紐布置設(shè)計等提供可靠的地質(zhì)基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)依據(jù)。

1" 工程地形地貌

德隆水庫位于鳳岡縣土溪鎮(zhèn)魚泉村境內(nèi)，水庫大壩最大壩高53.0 m，壩型為重力壩，正常蓄水位868.0 m，總庫容1 490萬m³，為中型水庫工程，工程的主要任務(wù)是供水和灌溉。壩址區(qū)坐落于干溝河趙家營以下長約1.2 km的河灣地帶上，上游側(cè)河流流向總體為南偏西9°，下游側(cè)河流流向南偏東70°，中間段河流小幅度彎曲延伸。建壩河段枯期河水面寬一般5～20 m，河水深一般0.2～2 m，河床高程一般818.00～828.00 m。壩址區(qū)兩岸坡地形從上游至下游逐漸變陡，其中左岸坡受斷層F₅切割影響，地形起伏較大，斜坡、陡坡均有分布，且在下游河流轉(zhuǎn)彎處形成三面陡峻山脊，在∈₁j上游側(cè)分布區(qū)多為陡坡地形，在下游側(cè)則形成峻坡至懸坡地形，而在∈₁q分布區(qū)則形成帶狀發(fā)育的陡巖，陡巖以上地形平緩，山頂高程為954.00 m，與河床相對高差約為130 m，左岸發(fā)育為一低矮埡口，埡口鞍部高程為872.00～877.00 m，埡口處有鄉(xiāng)村公路通過；右岸除發(fā)育有一條較大的沖溝以外，總體地形較平順，地形坡角一般為30～50°，該沖溝呈S67～81°E發(fā)育，溝口寬約15 m，切割深10～20 m，區(qū)內(nèi)延伸長約200 m，右岸靠近河床一帶地形平緩，多為成階梯狀分布的耕地，上游側(cè)有呈帶狀分布不連續(xù)的階地，階地高出河床1～2 m，右岸山頂高程在970 m高程以上，與河床相對高差在150 m以上。壩址區(qū)受左岸受F5斷層切割影響，兩岸巖層產(chǎn)狀變化較大，在左岸為N35～40°E/SE∠5～8°，右岸為N37～42°E/SE∠13～14°，受河流轉(zhuǎn)彎影響，河谷多為基本對稱的“V”型走向、斜向河谷結(jié)構(gòu)。

2" 工程地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

2.1" 地層巖性

壩址區(qū)出露地層為寒武系下統(tǒng)清虛洞組（∈₁q）、金頂山組（∈₁j）及第四系（Q），地層由新到老分述如下。①第四系（Q）：河床內(nèi)為沖洪積（Q^apl）砂卵礫石，一般厚0.5～10 m；兩岸坡均分布?xì)埰路e（Q^edl）粘土、砂質(zhì)粘土夾塊、碎石等，一般厚2～10 m，局部厚達(dá)10 m以上；塌堆積（Q^col）主要分布于左岸坡，主要為巨塊石、碎石等，粒徑一般0.5～2.5 m，為∈₁q地層崩塌堆積體，一般厚2～10 m。②清虛洞組（∈₁q）：淺灰至深灰色中至厚層灰?guī)r夾豹皮狀白云質(zhì)灰?guī)r，厚165～232 m，主要分布于左岸865.00 m高程以上岸坡。③金頂山組（∈₁j）根據(jù)巖性不同在本區(qū)可分為3層。④金頂山組第一層（∈₁j¹）：灰色、灰綠色薄層、極薄層為主夾中厚層粉砂巖及少量灰?guī)r，厚度大于60 m，主要分布ZK₂鉆孔處河床49.5 m以下。⑤金頂山組第二層（∈₁j²）：淺灰色至深灰色中厚層灰?guī)r夾砂質(zhì)灰?guī)r，厚度36～38 m，主要分布于勘探線河床一帶以及ZK₂處河床12.4 m以下。⑥金頂山組第二層（∈₁j³）：薄層、極薄層為主夾中厚層粉砂巖及少量灰?guī)r、泥巖，厚度110～120 m，主要分布于兩岸坡及下游河床。

2.2" 地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)位于黃銀洞背斜南東冀，左岸發(fā)育有仁老山斷層（F₅），受斷層影響，斷層帶巖體比較破碎。區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育，主要發(fā)育有4組裂隙，受區(qū)域構(gòu)造影響，壩址區(qū)巖層產(chǎn)狀變化大。

2.2.1" 斷層

壩址區(qū)主要發(fā)育仁老山斷層（F₅），F(xiàn)₅從左岸坡通過并向下游延伸斜切河床，為張扭性斷層，斷層傾左岸，斷層面產(chǎn)狀為N15～40°E/SE∠60°，上盤為∈₁q地層，下盤為∈₁j地層，壩址處斷距約60 m，根據(jù)左岸鉆孔ZK₁揭露破碎帶寬約2 m，斷層帶附近巖體破碎，多為小塊石、碎石，少量斷層角礫充填。

2.2.2" 裂隙

受區(qū)域構(gòu)造影響，壩址區(qū)裂隙較發(fā)育。根據(jù)野外地表實(shí)測分類統(tǒng)計，主要共發(fā)育4組裂隙：Ⅰ組產(chǎn)狀為N5～20°E/NW∠70～80°；Ⅱ組產(chǎn)狀為N60～80°E/NW∠60～85°；Ⅲ組產(chǎn)狀為N40～50°E/SE∠67～85°；Ⅳ組產(chǎn)狀為N45°W/NE∠70～80°。裂隙特征見表1。

3" BIM三維地質(zhì)建模應(yīng)用

德隆水庫壩址區(qū)左岸發(fā)育一區(qū)域性斷層構(gòu)造，規(guī)模較大。受斷層構(gòu)造影響，在斷層構(gòu)造附近的巖層產(chǎn)狀比較凌亂，必須做出合理的地層結(jié)構(gòu)建模順序，才能采用GeoStation軟件構(gòu)建好于工程匹配的BIM三維地質(zhì)模型。其中，建模難點(diǎn)主要是斷層面及向下逐步尖滅的斷層破碎帶。因此，應(yīng)根據(jù)工程壩址區(qū)設(shè)計需要，先確定壩址區(qū)建模范圍，并對各地質(zhì)單元的建模順序進(jìn)行一定的分析與思考：第一步先完成斷層及斷層破碎帶建模；第二步完成地層、水文、風(fēng)化、裂隙和透水帶劃分等界面建模；第三步根據(jù)完成地層、構(gòu)造單元建模。

3.1" 斷層及斷層破碎帶建模

首先根據(jù)鉆孔、地表工程地質(zhì)測繪點(diǎn)及建筑物軸線，做出合理勘探線布置。通過揭露斷層破碎帶的鉆孔地層揭露位置、地表地質(zhì)測繪點(diǎn)的多個勘探線進(jìn)行剖切成二維剖面，以實(shí)測、推測斷層線和斷層破碎帶邊界線返回在三維模型中，然后由地表斷層地質(zhì)測繪斷層線投影在地形模型上的投影線及剖面斷層線線框模型綜合生成斷層面，斷層破碎帶邊界線線框模型生成斷層破碎帶邊界面[1-3]。在斷層面與破碎帶邊界生成以后，應(yīng)根據(jù)地面模型、建模范圍與其關(guān)系進(jìn)行面面剪切，對生成的mesh面超出地形面、建模范圍的進(jìn)行修剪及突點(diǎn)修改光滑處理[4-6]。

3.2" 界面建模

界面模型主要包括地層界面、地下（表）水位面、風(fēng)化帶、裂隙結(jié)構(gòu)面及巖體透水率界面。

由于區(qū)內(nèi)處于斷層構(gòu)造附近，巖層產(chǎn)狀凌亂，在地層界面的推測中，通過勘探剖面和輔助勘探剖面剖切，采用互相連接揭露地層層位的鉆孔和地表工程地質(zhì)測繪點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)地層界線推測、校核搭建地層界線線框模型返回在三維模型中，然后由線框模型生成地層界面，并對生成的mesh面超出地形面、建模范圍的進(jìn)行修剪及突點(diǎn)修改光滑處理[7-8]。

地下（表）水位面、風(fēng)化帶、裂隙結(jié)構(gòu)面及巖體透水率界面與地層界面建模類似，只要根據(jù)鉆孔和地表工程地質(zhì)測繪揭露情況，按勘探線和輔助勘探剖面切剖面搭建線框模型返回在三維模型中，最后以線框模型要素生成相應(yīng)的地質(zhì)面模型即可，方法同類似地層界面建模。

3.3" 地層單元建模

首先根據(jù)建模范圍建立實(shí)體模型。為提高建模效率，對地質(zhì)實(shí)體剪切分割順序作思考分析如下：第一步用地形面剪切實(shí)體模型，剪切分割去掉地面以上的實(shí)體，留下建模范圍內(nèi)地形面以下的實(shí)體，來作為地質(zhì)體逐步分割地層單元；第二步是用斷層破碎帶邊界面剪切分割出斷層破碎帶實(shí)體；第三步用基覆界面將剩下的地質(zhì)體剪切分割出覆蓋層實(shí)體，考慮斷層斷距較大，兩側(cè)地層巖性相差很大，為了不影響剪切，先用斷層面剪切剩下的實(shí)體，分成兩半，再用地層界面逐個去分剪切割斷層面兩側(cè)剩下的實(shí)體得到每一個地層單元[2]。把上述剪切分割出來后的實(shí)體附相應(yīng)的地質(zhì)屬性即得到每個帶屬性的地層單元（圖1—6）。復(fù)雜的三維地質(zhì)模型不僅可指導(dǎo)開挖設(shè)計（如在斷層破碎帶的壩肩壩基部位可以適當(dāng)刻槽開挖后，進(jìn)行基礎(chǔ)處理，克服二維設(shè)計僅能反應(yīng)所切出圖斷面的局限性），更能直觀反映現(xiàn)場三維地質(zhì)實(shí)際情況。

4" 結(jié)束語

水利水電工程項(xiàng)目中，一般壩址區(qū)多位于河谷深切地形地段，兩岸多山高坡陡，地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等多比較復(fù)雜。經(jīng)過本工程壩址區(qū)地質(zhì)BIM建模工程實(shí)踐總結(jié)，針對在復(fù)雜地質(zhì)BIM建模過程中，通過對三維地質(zhì)建模中的各種模型、地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的建模順序作合理的分析思考，可提高地質(zhì)三維建模精度和工作效率。

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