巖土工程勘察數(shù)字化技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

武宜

（湖北省核工業(yè)地質(zhì)局，湖北 孝感 432000）

1 引言

地形地貌、地層界面、地下水位、巖土體參數(shù)等巖土勘察數(shù)據(jù)是工程設(shè)計(jì)和施工的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如果巖土勘察數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或不合理，可能導(dǎo)致工程建設(shè)方案錯(cuò)誤，給工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)帶來(lái)巨大的安全隱患，甚至引發(fā)嚴(yán)重安全事故，導(dǎo)致巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的巖土工程資料分析是基于二維平面圖紙，直觀性較差，難以有效解釋巖土體的空間分布規(guī)律。鑒于此，越來(lái)越多的巖土工程勘察項(xiàng)目開(kāi)始使用可視化好、穩(wěn)定性好、精度高、易于集成的數(shù)字技術(shù)。但是，數(shù)字技術(shù)起步較晚，相關(guān)理論不完善，未形成統(tǒng)一理論來(lái)指導(dǎo)巖土工程勘察[1]。因此，進(jìn)一步研究數(shù)字技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用具有重要的工程價(jià)值。

2 場(chǎng)地模型數(shù)字化——三維地質(zhì)模型建立

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的巖土工程勘察項(xiàng)目開(kāi)始利用三維建模技術(shù)將巖土工程場(chǎng)地進(jìn)行數(shù)字化處理，主要包括數(shù)據(jù)處理、地形建模、地層建模、構(gòu)筑物建模等內(nèi)容[2]。

2.1 三維地質(zhì)建模前期處理

2.1.1 數(shù)據(jù)處理

用于巖土工程場(chǎng)地建模的數(shù)據(jù)大多源于鉆探數(shù)據(jù)、地形圖、剖面圖、勘察報(bào)告等勘察成果，數(shù)據(jù)量繁雜，且大部分?jǐn)?shù)據(jù)是存貯在AutoCAD 圖紙中的。然而，巖土工程勘察成果所涉及的專業(yè)人員眾多，不同人員的繪圖標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。在建立三維模型前，需對(duì)圖件進(jìn)行預(yù)處理，處理內(nèi)容如下：（1）圖層管理。對(duì)CAD 圖紙中的全部線條按圖層分類(lèi)存儲(chǔ)，將等高線全部放置于同一個(gè)圖層上，以免建模時(shí)相互干擾。（2）等高線處理。工程地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)雖然對(duì)等高線線型進(jìn)行了規(guī)定，但勘察單位卻不嚴(yán)格遵循。在數(shù)據(jù)處理期間，需要將等高線統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為多段線，并賦予其高程屬性。（3）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在地質(zhì)勘察成果中，鉆孔坐標(biāo)與等高線一般不再同一圖紙上，可能使用相對(duì)坐標(biāo)或絕對(duì)坐標(biāo)，此時(shí)，應(yīng)將等高線整體平移，使等高線和鉆孔坐標(biāo)處在同一平面內(nèi)。（4）補(bǔ)充數(shù)據(jù)。在實(shí)際勘察工程中，采集的地質(zhì)數(shù)據(jù)可能有缺失，如等高線缺失，鉆孔數(shù)據(jù)缺失等，可通過(guò)增加虛擬鉆孔等手段增加建模數(shù)據(jù)量。

2.1.2 勘察數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

網(wǎng)格化是三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)，主要是因?yàn)椋簬r土工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)一般是以點(diǎn)或線的形式存在，不符合地質(zhì)三維建模要求，故應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化，形成曲面模型。

勘察數(shù)據(jù)網(wǎng)格化的形式有規(guī)則格網(wǎng)和不規(guī)則三角網(wǎng)。其中規(guī)則格網(wǎng)是把地質(zhì)空間劃分成規(guī)則的矩形或方形網(wǎng)格來(lái)模擬地面實(shí)體，以高斯直角坐標(biāo)系作為投影平臺(tái)，任意一點(diǎn)坐標(biāo)可根據(jù)存儲(chǔ)在DE 模型中的數(shù)據(jù)插值計(jì)算。規(guī)則格網(wǎng)便于計(jì)算機(jī)的識(shí)別、讀取、計(jì)算，但是對(duì)地形地貌的擬合效果差，易產(chǎn)生不連續(xù)，主要適用于平坦地形中；不規(guī)則三角網(wǎng)是把地質(zhì)數(shù)據(jù)點(diǎn)連成三角網(wǎng)格，能較好地適應(yīng)復(fù)雜地形和不規(guī)則地物，既能用于地形起伏大的山地丘陵區(qū)，也能用于地勢(shì)平坦的平原區(qū)。三角網(wǎng)構(gòu)建的最經(jīng)典算法是Delaunay 三角剖分法，具體步驟為：在地質(zhì)數(shù)據(jù)中選取任一點(diǎn)作為起始點(diǎn)→根據(jù)“距離最短”原則另外選擇兩個(gè)點(diǎn)構(gòu)建三角網(wǎng)→以第三點(diǎn)作為起始點(diǎn)，重復(fù)上述步驟→地質(zhì)模型三角網(wǎng)構(gòu)建完成，如圖1 所示。

圖1 不規(guī)則三角網(wǎng)模型構(gòu)建

2.2 三維地質(zhì)建模重點(diǎn)問(wèn)題分析

2.2.1 虛擬鉆孔

鉆孔是巖土工程三維地質(zhì)建模中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，但考慮到鉆探成本、難易程度等，并不是所有地層位置都布置有鉆孔。僅依靠有限的鉆孔資料，技術(shù)人員難以想象出地質(zhì)體內(nèi)部的空間特征。為了實(shí)現(xiàn)建模的精準(zhǔn)性，需根據(jù)地質(zhì)剖面圖、勘察報(bào)告等成果推斷鉆孔數(shù)據(jù)，補(bǔ)充虛擬鉆孔，以提高建模精確度，縮短地層面擬合計(jì)算時(shí)間。在建模期間，虛擬鉆孔和實(shí)際鉆孔的本質(zhì)上無(wú)區(qū)別，但虛擬鉆孔能夠設(shè)置在地表任意平面位置，從而更準(zhǔn)確地?cái)M合地形地貌[3]。

2.2.2 地層尖滅和透鏡體

對(duì)于不連續(xù)巖層，在建模時(shí)需考慮地層尖滅。該方法能夠充分考慮地層產(chǎn)狀信息與地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)，確保尖滅形態(tài)的準(zhǔn)確。此外，復(fù)雜地質(zhì)條件下的土層可能含透鏡體。透鏡體建模要應(yīng)確定模型范圍和區(qū)域邊界，然后以鉆孔上、下地層界面作為約束，生成透鏡體三角網(wǎng)模型。

2.2.3 空間插值擬合

空間插值技術(shù)是三維地質(zhì)建模的關(guān)鍵，可將點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為面數(shù)據(jù)。巖土工程地質(zhì)建模常用的空間插值方法包括薄板樣條插值、克里金插值、離散光插值法（DSI）等。

薄板樣條插值法是利用總曲率最小的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)估計(jì)未知點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并形成穿過(guò)已知點(diǎn)的光滑曲面，計(jì)算工作量大，不適用于數(shù)據(jù)量龐大的巖土工程項(xiàng)目；克里金插值法是對(duì)有限區(qū)域內(nèi)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，得到任意點(diǎn)的數(shù)據(jù)。該方法計(jì)算速度慢，適用于變量存在相關(guān)性的地質(zhì)建模；離散光插值法是基于離散原理來(lái)模擬巖土體的幾何、物理特性，計(jì)算速度快，且可以對(duì)不連續(xù)曲面進(jìn)行插值。

3 基于數(shù)字化技術(shù)的巖土工程數(shù)據(jù)庫(kù)搭建

傳統(tǒng)的巖土工程勘察，一般是以二維CAD 平面圖來(lái)展示勘察成果，直觀性較差，不利于信息存儲(chǔ)和各專業(yè)之間的溝通。基于數(shù)字化技術(shù)，可以高效整合巖土工程勘察項(xiàng)目中的各項(xiàng)零散數(shù)據(jù)，大幅提升數(shù)據(jù)共享效率，為巖土工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)[4]。本文依托地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）建立巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.1 巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)組成

基于GIS 的巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)體系由數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層組成，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型分別為用戶輸入原始數(shù)據(jù)、系統(tǒng)生產(chǎn)的中間數(shù)據(jù)、最終輸出數(shù)據(jù)。

3.1.1 原始數(shù)據(jù)

原始數(shù)據(jù)包括測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)兩部分組成，其中測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)又包括測(cè)點(diǎn)幾何屬性數(shù)據(jù)（測(cè)點(diǎn)編號(hào)、X 坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、測(cè)點(diǎn)高程等）和測(cè)點(diǎn)信息屬性數(shù)據(jù)（飽和度、孔隙比、密度、壓縮模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、端阻力、側(cè)阻力、地基承載力等）；基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括各類(lèi)GIS 圖層和屬性表，具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 巖土工程勘察中的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)

3.1.2 中間數(shù)據(jù)

巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)的中間數(shù)據(jù)是根據(jù)原始數(shù)據(jù)所自動(dòng)生成的地層層面等值線模型、三維表面模型、剖面模型等。地層層面等值線模型的屬性包括ID（等值線編號(hào)）、Name（等值線名稱）、Value（等值線數(shù)量），對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型分別為整形、字符串型、單精度型[5]。

3.1.3 最終輸出數(shù)據(jù)

巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)的最終數(shù)據(jù)是根據(jù)中間數(shù)據(jù)輸出的。用戶可根據(jù)需求不同，有選擇性地輸出柱狀圖、剖面圖等、地質(zhì)勘察報(bào)告等。

4 巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)的具體應(yīng)用

4.1 工程概況

本文以某山區(qū)公路滑坡治理工程為研究對(duì)象，探討數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用。該邊坡為路塹高邊坡，最大高度32.6 m，邊坡共4 級(jí)，其中一級(jí)、二級(jí)邊坡坡高10 m，坡率1∶0.75；三級(jí)邊坡坡高10 m，坡率1∶1.0；四級(jí)邊坡坡高2.6 m，坡率1∶1.25。同時(shí)，相鄰兩級(jí)邊坡之間設(shè)置2 m 寬的平臺(tái)。由于邊坡所處區(qū)域?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨。邊坡修建完成后，由于連續(xù)降雨，邊坡表面局部出現(xiàn)滑塌。為了避免滑坡體進(jìn)一步擴(kuò)展，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，獲取了其地層從自上而下分別為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化花崗巖。

4.2 三維模型建立

利用航空攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)地面連續(xù)攝取像片，采集地形數(shù)據(jù)，繪制邊坡所處區(qū)域的地形圖，利用ITASCAD 軟件建立了三維地質(zhì)模型。

地表建模：將航空攝影測(cè)量技術(shù)所獲取的地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入ITASCAD 軟件中創(chuàng)建等高線，并利用軟件直接提取所有鉆孔的孔口高程點(diǎn)，作為平面控制點(diǎn)，同時(shí)，邊坡坡面較陡，坡面沒(méi)有設(shè)置鉆孔，建模時(shí)根據(jù)坡頂線、坡腳線及巖層產(chǎn)狀對(duì)坡面進(jìn)行插值擬合。

地層建模：根據(jù)勘探資料，依次建立地層。以第1 層粉質(zhì)黏土為例，建模時(shí)只勾選其上包含的鉆孔，利用反復(fù)加密網(wǎng)格（不規(guī)則三角網(wǎng)）和離散光插值法，創(chuàng)建出地層界面。需注意，三角網(wǎng)尺寸不宜過(guò)于稀疏或過(guò)于密集。網(wǎng)格過(guò)于稀疏，則尺寸太大，模型擬合精度差。反之，網(wǎng)格尺寸過(guò)小，會(huì)大幅降低計(jì)算效率[6]。粉質(zhì)黏土層擬合結(jié)束后，對(duì)合理區(qū)域進(jìn)行修正調(diào)整，成果如圖2 所示。

圖2 滑坡粉質(zhì)黏土層建模

地質(zhì)體建模：參考粉質(zhì)黏土層的建模方法，依次建立全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化花崗巖的模型。同時(shí)，為了增加模型立體感，坡面和地層用不同顏色進(jìn)行渲染。

4.3 勘察數(shù)據(jù)庫(kù)工程

滑坡三維地質(zhì)模型和勘察數(shù)據(jù)庫(kù)建立之后，可導(dǎo)出任意斷面的地質(zhì)柱狀圖、剖面圖，并根據(jù)插值法計(jì)算出土層任意一個(gè)物理力學(xué)性能指標(biāo)的等值線圖和等值面圖，為滑坡穩(wěn)定性分析和加固設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

在巖土工程勘察數(shù)字化的背景下，本文分析了巖土工程三維地質(zhì)建模方法，并基于GIS 系統(tǒng)建立了勘察數(shù)據(jù)庫(kù)，主要得到以下幾個(gè)結(jié)論：（1）在建立三維地質(zhì)模型前，從圖層管理、等高線處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等方面對(duì)勘察基礎(chǔ)資料進(jìn)行處理；（2）巖土工程地質(zhì)三維建模重點(diǎn)要解決虛擬鉆孔、地層尖滅和透鏡體、空間插值擬合等問(wèn)題；（3）基于GIS 系統(tǒng)所建立的巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫(kù)包含原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)等內(nèi)容，建庫(kù)完成后可根據(jù)需求導(dǎo)出各種勘察成果文件。