三維地質模型在門頭溝新城建設規劃地質勘查中的應用

趙 越，李軍輝

（北京市地質研究所，北京 100120）

三維地質模型在門頭溝新城建設規劃地質勘查中的應用

趙 越，李軍輝

（北京市地質研究所，北京 100120）

三維地質模型具有直觀、準確、可分析、可利用等特點，可以為城市規劃及土地利用提供科學依據。本文介紹了三維地質模型，在門頭溝新城建設規劃地質勘查中的應用。

三維地質模型；空間結構；可視化；新城建設規劃

隨著國家社會經濟發展的需要，全國各地都在進行城市化建設規劃。為了給城市規劃提供科學地質依據，應對規劃區進行區域地質勘查工作。傳統的城市地質勘查手段，主要是基于點、線、面等二維平臺下，開展地面調查、遙感解譯、工程鉆探等工作。傳統的二維地質工作解釋僅僅是出現在有限的幾條剖面和平面上，剖面之間或平面之間是不連續的。因此，采用三維地質模型直接展示地質體的空間分布情況，可滿足城市建設規劃有關專家的需要。本文介紹三維地質模型，在門頭溝新城建設的需要。

1 三維地質模型概念和特點

（1）三維地質模型概念

三維地質模型是指使用適當的數據結構，在計算機中建立起能反映地質構造的形態、各構造要素之間的關系以及地質體空間物性分布等地質特征的數學模型。三維地質結構模型，可以把空間分布不均勻、不連續、散亂的地質信息，通過數學擬合及計算機圖形學的方法變成可視的、連續的和形象直觀的3D地質圖形。

（2）三維地質建模軟件

本次建模采用的軟件是《北京市城市地質數據管理與服務系統》（圖1），該系統是2007年由北京市地質礦產勘查開發局基于VC++語言平臺上開發的。系統運行于圖形工作站，能滿足三維地質空間信息獲取、管理、分析和可視化的基礎軟件平臺。系統可以使用多種類型的數據源生成三維數據，并提供多種三維數據的生成方法。系統主要功能，有數據管理、可視化功能、三維結構建模和三維屬性建模等。

圖1 北京市城市地質數據管道與服務系統界面

（3）三維地質模型意義

三維地質模型通過處理巖層界面與結構面組合關系，力求真實地反映地下地質結構全貌，將地質體及其形態結構直觀、形象地展現在分析者面前，能夠最大限度地增強地質分析的直觀性和準確性，做出符合地質現象分布變化規律的工程設計與施工方案。

三維地質模型的特點，除了具有確定性、可視性及可修改性之外，更重要的是能夠利用已有模型數據進行有關分析和推測。例如：通過分析三維地質模型的結構，可以計算有關地質體的體積與儲量，在地球物理探測領域，還可以分析推測地質體所引起物探異常的原因。分析研究三維地層結構，深刻認識工程地質環境特征，確定工程建設層巖土力學參數的空間分布特征，為合理確定土地利用和城市規劃奠定了地質基礎。

2 三維地質模型在門頭溝新城地質勘查中的應用

（1）模型建立

北京門頭溝規劃新城三維地質模型 基本上覆蓋了門頭溝新城建設規劃的功能區，根據野外施工鉆孔和資料收集鉆孔的特點，按照 取點 連線 建面成體 的工作路線建立地質模型。首先，在平面上完成鉆孔點的合理選取，以控制工作區范圍，并滿足成果精度要求。在鉆孔點選取完成后，在平面上進行剖面線布置，并對布置好的剖面線進行鉆孔地層間的連線，建立二維地質剖面。然后將二維地質剖面數據轉為三維地質剖面，對三維地質剖面進行計算機拓撲，最終建成三維地質結構模型。其詳細路線描述見表1，建模過程分別見圖2、圖3、圖4、圖5、圖6。

表1 三維地質建模技術路線表

圖2 在工作區內選取鉆孔

圖3 在工作區內合理布置剖面

圖4 對每條剖面進行地層連接

圖5 將二維剖面轉換為三維剖面

圖6 通過計算機拓撲完成三維模型的建立

（2）地層分布

門頭溝三維地質模型工作區，位于低山區到永定河沖洪積平原的過渡地帶，地勢總體西北高東南低。三維地質模型直觀地展現出地下巖土體結構。工作區地層巖性，主要以粘性土、粉土、砂土、碎石、角礫、卵石及砂巖為主，地表主要為人工填土層，分布厚度不均勻，總體上說東南部厚度大于西北部。工作區具有典型的多層巖土體結構。

從三維地質模型的柵欄圖中可以很容易了解到，工作區西部埋深20m以上的地層主要以碎石、角礫及粘性土互層為主，20m以下基本為砂巖；而工作區東南部受永定河沖積扇影響，地層的上部主要以粘性土、砂土、粉土互層為主，厚度一般為1～5m，下部為較厚的卵石層，厚度可達30m以上，由西向東逐漸增厚，見圖7、圖8。

圖7 門頭溝新城三維地質模型

圖8 門頭溝新城三維柵欄圖

（3）切面分析

建設工程基礎直接坐落在地基土上，當基礎坐落在兩個不同的工程地質單元或不同巖性且巖土的物理力學特性相差較大的情況下，這樣的地基一般稱之為不均勻地基，應進行變形驗算，并采取相應的結構和地基處理措施。地基土土質的水平和垂向分布直接關系到建筑地基基礎的選型和工程造價，甚至影響上部結構設計。

通過對三維地質模型作切面分析，便可以得到不同深度同一平面內地基土的分布情況，對于1～6層不帶地下室或帶0.5層地下室的建筑，基礎埋深一般不超過3m，因而對3m深度切面的地基土進行分析；考慮帶1～2層地下室的6層以上多層建筑和高層建筑物，基礎的埋深一般在6m左右，因而對6m深度切面的地基土進行分析；考慮到將來地下空間的開發利用及帶多層地下室的高層建筑物，宜對15m深度切面的地基土進行分析。

從3m深度切面圖（圖9）來看，新城功能區范圍內分布最廣的是回填土，其次為粉質粘土、粉細砂，卵石、砂巖小范圍分布。

圖9 3m深度切面巖性分布圖

從6m深度切面圖（圖10）來看，新城功能區范圍內，隨著地層深度增加雜填土分布面積大大減小，粉質粘土分布面積有所擴大，主要集中分布在山前洪坡積地帶；碎石、卵石、細中砂局部分布，其中碎石主要分布在門頭溝溝谷和山前地帶；卵石還是在永定河河漫灘局部分布；細中砂主要分布在濱河世紀廣場公園附近和老山附近山前地帶。

圖10 6m深度切面巖性分布圖

從15m深度切面圖（圖11）來看，隨著深度增加新城功能區內卵石層分布范圍大范圍增加，除局部為碎石、粉質粘土、回填土外，大部分地區為卵石層分布，主要集中分布在永定河西側河漫灘一帶。

圖11 15m深度切面巖性分布

（4）剖面分析

通過對三維地質模型作剖面分析，根據需求可以得到任意剖面的地層信息。例如：在門頭溝規劃新城三維地質模型中確定一條剖面路徑，即可沿路徑生成垂直剖面，從剖面中可以直觀的發現ZKO98號位置地層與周圍有明顯差異,鉆孔揭露的15m巖芯全部為人工回填土，而周圍地層人工填土厚度在1～3m，下部以卵石為主，如圖12。經過野外調查驗證，確定ZK098號位置原為沙石坑，坑深約20m，現已被人工回填。由此可見，三維地質模型可以準確、直觀的反應地層信息，對有關工程規劃工作起到指導作用。

圖12 三維地質模型剖面分析

（5）采空分析

北京門頭溝地下蘊藏著豐富的煤炭資源，門頭溝新城勘查項目中采用鉆探、物探手段在門城鎮地區發現了多處采空區，結合以往的勘查資料，初步確定了該區地下采空的總體分布狀況。在對采空區進行三維地質模型建設時，為了能較準確的反映采空區的空間分布特征，需要確定兩個因素，第一、通過分析煤層產狀確定采空區的空間延展方向；第二、結合鉆探、物探及以往勘查資料確定采空區的范圍。

以門頭溝新城勘查實例說明，ZK132號鉆孔顯示地表以下22.9m為采空，采空區厚度為0.3m。首先根據該處的煤層產狀及三維剖面走向，確定采空在各條剖面上的視傾角，即確定了采空區在各條剖面的展布方向；再通過物探、鉆探手段確定采空區在各條剖面上的長度及厚度；然后用三維軟件按各項指標參數設置采空區的結構特征；最后通過三維軟件拓撲生成采空區的三維地質模型，見表2、圖13、圖14。

表1 ZK132采空區特征參數一覽表

圖13 采空分布及三維剖面布置圖

3 結論

三維地質建模在工程建設中應用的意義不僅體現在提高制圖效果方面，更重要的是，能對工程地質問題提供正確判斷及成因分析，為合理制定城市規劃、土地利用奠定基礎。三維地質建模是一個重要的有效手段，具有很大的使用價值。

圖14 采空區三維模型示意圖

[1]王永立,雷磊,齊波.3D GIS支持下的城市地質調查,城市地質,2008.

[2]朱良峰，吳信才，劉修國，尚建嘎.基于鉆孔數據的三維地層模型的構建.地理與地理信息科學,2004.

[3]鄭貴洲，申永利.地質特征三維分析及三維地質模擬現狀研究.地球科學進展,2004.

The Application of the Three-Dimensional Geological Model in the Exploration of Mentougou New Town

ZHAO Yue, LI Junhui

(Beijing Institute of Geology, Beijing 100120)

With the characteristics of visualization, accuracy, analyzability and applicability, the threedimensional geological model can offer scientifc and effective construction bases for urban planning and land utilization. Based On the application cases of the three-dimensional geological model in the exploration of Mentougou New Town, this paper identifed and confrmed the theoretical meaning and utilization value of the three-dimensional geological model.

Three-dimensional geological model; Space structure; Visualization; Urban planning

TP399

A

1007-1903(2010)04-0040-05