三維數字洞庫系統在地下水封洞庫建設中的應用

姚鵬君，曹宏濤，史少維

(北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)

1 引言

地下水封洞庫一般是在穩定的地下水位線以下一定的深度，通過人工在地下巖石中開挖出一定容積的洞室，利用穩定的地下水的水封作用存儲洞室內的原油或液化天然氣［1］。地下水封洞庫因其安全性能高、環保、投資小、占地少、運營管理費用低等優勢，已成為近年來大規模存儲原油和液化天然氣的發展方向。

在地下水封洞庫的建設中對工程地質條件和水文條件的監測與控制顯得尤為重要［2］。三維數字洞庫系統利用GIS技術與實際的洞庫建設相結合，按照一定的程序和準則對地質信息、水文信息、支護信息和監測信息進行全過程的管理與監控。作為一種空間的數據處理、存儲、分析的技術，本系統可以提升地下水封洞庫的可視化表達能力和綜合信息分析能力。

2 系統設計

2.1 系統總體架構

系統采用 B/S 架構，基于．NET Framework［3］框架;運用Visual Studio 2010為開發工具，C#、JavaScript為主要開發語言。系統以skyline三維平臺為基礎，前端技術采用Ext．NET組件庫。系統后臺 SqlSever 2008數據庫，運用面向．NET環境的對象/關系數據庫映射工具(NHibernate［4］)，將對象映射基于 SQL 的關系模型數據結構中。后臺采用三層架構將整個業務應用分為表現層(UI)、業務邏輯層(BLL)、數據訪問層(DAL)，三層架構分工更明確，有利于后期的系統維護和升級。系統的整體架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構

2.2 系統功能實現

(1)洞庫地質信息模塊

洞庫建設需工程地質條件好，巖石整體性好，裂隙少，并具有弱透水性［5］。依據洞庫開挖獲得的勘察資料，深入全面認識和掌握工程地質信息，并將地質信息實現入庫管理。對開挖后的圍巖進行地質素描工作的地質信息成果內容包括:

①按圍巖地質素描結果編制巷道、豎井、洞庫的地質展示圖和洞庫頂基巖地質圖及洞庫圍巖富水程度圖等。洞室不同部位或洞段的巖性變化及其巖體間的接觸關系，重點是巖脈的分布。巖石全、強、中、微、未風化劃分，如表1所示;②地質構造:斷層的性質、產狀、破碎帶寬度、特征;③標出掉塊、塌方等發生處結構面組合性狀與規模，并說明發生原因，必要時附素描圖和照片;④利用Q系統法進行圍巖分區定級，Q系統法是應用巖石參數的一個系統來評價巖體質量和洞庫開挖的巖體條件，并對洞室采取合理巖石支護的一種方法。它主要考慮了巖體質量指標RQD、節理組數Jn、節理面粗糙度Jr、節理蝕變程度Ja、裂隙水影響因素Jw以及地應力影響因素SRF等6項指標。其計算公式為系統圍巖質量評估表，如表2所示。

巖石風化程度的劃分［7］ 表1

Q圍巖質量評估 表2

(2)水文信息模塊

在地下洞庫的建設中，由于采用了水封原理，水文地質條件及其變化的監測與控制就為其建設的重要因素。地下水動態監測網應在初勘階段建立，以水文觀測井為主，并在施工期進行水位監測。洞庫施工中地下水出露主要分為:濕潤、滲水、滴水、流水4種。對水文信息的監測內容包括:

①水文觀測井的編號、位置、監測日期、天氣、水位;②洞庫圍巖富水程度，標出含水裂隙帶分布與寬度;③洞庫中出水點的位置及出流狀態;④存儲各出水點的水量與封堵情況;

(3)支護信息模塊

洞室圍巖一般地段采用砂漿錨桿和噴射混凝土方式進行支護;破碎帶區域采用砂漿錨桿、鋼筋網、噴射混凝土支護。支護信息包括:

①支護的位置與類型;②支護部位的巖石描述;③支護具體設計，包括系統錨桿的長度與數量，噴混凝土掛網的類型和厚度［8］。

(4)監測信息模塊

洞庫施工過程中，在洞庫圍巖部署圍巖收斂(反光片)、接觸應力、錨桿應力、裂縫開合度、多點位移觀測、鋼筋應力、水位變化等監測項目，如表3所示。通過這些監測設備對施工期間洞庫的工程地質、水文地質狀況進行監測，為動態施工設計和質量管理提供依據。監測和掌握洞室圍巖的變形趨勢，建立洞室失穩預警機制，及時對其穩定性和安全做出評估和預警，同時掌握地下水變化情況，使其處于安全可控狀態。

①按上述監控量測項目可以實現對安裝信息，量測數據及斷面信息的存儲;②方便地實現從量測值到應力值、位移值的轉換;③能夠對監控量測數據實現編輯、修改、添加新的量測項目及數據等操作，對監控量測數據可實現導出Excel報表。④自動生成監控量測對象的時態曲線，并設有預警閥值，監控圍巖和支護結構的穩定性，反饋到施工和設計中。

監控量測內容與目的 表3

3 關鍵技術

3.1 洞庫三維地質建模建立

為滿足三維建模與分析要求需要對洞庫地質素描圖進行處理。結合實際洞庫開挖的地質情況，對鉆孔和洞庫地質編錄所分析的地質情況進一步解譯，獲得更符合實際的地質解釋。洞庫初步數字模型是在洞庫設計圖紙基礎上，利用3ds Max軟件進行數字建模［9］。在整個建模過程中嚴格按照設計圖及設計變更文件進行 1∶1建模。根據地質素描展開圖與編錄劃分不同巖性區域，在區域中貼上相應地質紋理。以掌子面為基礎將洞庫分為左壁、左拱頂、拱頂、右拱頂、右壁5部分，如圖2所示。沿洞室走向將地質紋理也分為相應5部分，如圖3所示，并貼于數字洞庫相應位置上，再現整個洞庫的地質情況。

地質信息以 GIS數據結構中的 Polygon(多重面)［10］存儲。按照既定的劃分原則提取區域邊界并根據實際坐標轉化為三維空間圖形，數據源采用Shape格式。洞庫的地質建模流程如圖4所示。

圖2 洞室掌子面分區

圖3 沿洞室走向紋理分區

圖4 洞庫地質建模流程圖

洞庫地質信息查詢步驟:①獲取目標點，判斷是否點選中表示巖石的曲面;②若選中則獲取目標點處的曲面信息;③若未選中則在目標點處生成一個立體圖形;④用立體圖形與曲面相交得出目標點處的曲面;⑤顯示曲面的巖石屬性;洞庫支護信息采用的方法類似。

3.2 監測信息

監控量測信息以開源工具NHibernate實現了業務類與數據庫之間的持久層，通過實體映射與關系映射，使對數據庫的操作就直接轉換為對這些實體的操作［11］。以裂縫開合度監測項目為例來說明。數據源中既有監測設備(測縫計)的安裝信息，也有測縫計的常規監測信息，而測縫計的安裝位置是以洞庫里程來說明的，如交通巷道 1 010 m里程處，同一里程處可能安裝多個設備。因此在數據庫中建立3個表，DCFJ_Section代表里程距離和該里程的掌子面的相關信息，DCFJ_Device代表設備的具體安裝信息和初始數據信息，以SectionId作為外鍵與里程面表關聯。DCFJ_Record記錄設備監測到的數據信息，以DeviceId作為外鍵與測縫計表關聯。3個表之間建立關聯(如圖5所示)。其他的監控量測項目如圍巖收斂、接觸應力等均可以類似形式設計。

系統使用Nhibernate后，由于對數據的操作都是通過實體對象來進行，因此采用泛型技術，使用一個數據訪問類來處理實體類的數據操作。監測數據以查詢模型點的方式實現。監控量測項目查詢數據與形成統計圖，如圖6、圖7所示。

圖5 裂縫開合度監測表關聯

圖6 監控量測數據查詢

圖7 監控量測數據統計圖

4 結語

將傳統的二維GIS的研究成果拓展到三維空間，并結合Internet使用戶真正突破空間的限制，共享和分析地球空間的各種信息，已經成為GIS工作人員亟待解決的問題［12］。三維數字洞庫系統貫穿于地下水封洞庫建設的全過程，從地質勘察到施工期的洞庫監測甚至可以拓展到生產運營的監控方面。當地下洞庫封堵投入使用后，系統可以真實再現整個洞庫的信息，以達到信息完全共享和動態聯動，為地下洞庫建設提供新的技術平臺。

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