濟(jì)南工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)與應(yīng)用

程愛華，仝霄金

(濟(jì)南市勘察測繪研究院，山東 濟(jì)南 250013)

1 前 言

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是圖形管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，是對空間信息進(jìn)行采集、處理、傳輸、儲存、查詢、管理、檢索、分析、表達(dá)及應(yīng)用的地理信息計算機(jī)系統(tǒng)。隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展和完善，信息在社會中發(fā)揮著越來越重要的作用。數(shù)據(jù)庫的開發(fā)應(yīng)用，已經(jīng)成為勘察設(shè)計與施工管理科學(xué)化的發(fā)展方向，為城市規(guī)劃、項目選址、工程勘察、地基與基礎(chǔ)設(shè)計、基坑開挖與支護(hù)設(shè)計、土地開發(fā)與地下空間利用等提供參考與決策依據(jù)，是現(xiàn)代城市建設(shè)管理發(fā)展的必然趨勢［1］。

2 數(shù)據(jù)庫建設(shè)目標(biāo)和數(shù)據(jù)庫基本結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)庫建設(shè)目標(biāo)

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化:制定統(tǒng)一的工程勘察數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，將各種工程勘察資料嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整理和歸一化。在統(tǒng)一的地理坐標(biāo)基準(zhǔn)下，將孤立、分散工程勘察資料，通過空間地理定位建立空間聯(lián)系，使得分散的資料在空間上形成一個有機(jī)整體。并隨著工程建設(shè)不斷擴(kuò)展、錄入新的勘察資料，實現(xiàn)勘察數(shù)據(jù)庫的動態(tài)更新和反饋［2］。

(2)服務(wù)城市規(guī)劃建設(shè):全面反映城市范圍內(nèi)工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，展示巖土體的空間分布特征，為城市規(guī)劃和建筑場地的選擇提供依據(jù)。

(3)工程咨詢:面向社會提供有償咨詢，為城市建設(shè)的決策提供可靠依據(jù)，增強經(jīng)濟(jì)建設(shè)的預(yù)見性。為建設(shè)項目的立項、選址、可行性論證、初步設(shè)計提供依據(jù)［3］。

2.2 數(shù)據(jù)庫基本結(jié)構(gòu)

圖1 數(shù)據(jù)庫基本結(jié)構(gòu)圖

3 工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)

3.1 濟(jì)南市地層層序劃分標(biāo)準(zhǔn)建立

建立工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，首先必須確定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，沒有標(biāo)準(zhǔn)，就很難將分散的數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來，就無法實現(xiàn)不同格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和重復(fù)利用。

制定“濟(jì)南市地層層序劃分標(biāo)準(zhǔn)”是解決與建筑地基相關(guān)的地層層序劃分的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，將原有的地質(zhì)資料、水文資料、工程項目資料等進(jìn)行統(tǒng)一管理，這也是工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)的基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)地層層序的劃分以相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范為基礎(chǔ)，借鑒地層對比的研究方法，從區(qū)域地貌單元劃分入手，采用了綜合研究的方法確定。

第四系土層層序的劃分主要考慮了其形成時代、成因類型、工程形狀、包含物等因素，巖層層序的劃分主要考慮了其成因時代、巖性、風(fēng)化程度、完整程度等因素。綜合 考慮，將濟(jì)南市地層自上而下劃分了17 個大層。

圖2 巖土層序列劃分綜合柱狀圖

3.2 原始工程數(shù)據(jù)錄入

對于紙質(zhì)原始數(shù)據(jù)資料，以單項工程為單位，采用理正勘察工具軟件模塊為平臺，將工程基本信息、勘探點基本數(shù)據(jù)、地層數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、圖表等工程數(shù)據(jù)錄入，經(jīng)檢查與修改后形成原始勘察數(shù)據(jù)庫。

圖3 原始工程數(shù)據(jù)錄入界面

3.3 勘察數(shù)據(jù)導(dǎo)入

勘察數(shù)據(jù)導(dǎo)入是將工程勘察中的工程數(shù)據(jù)導(dǎo)入原始資料管理數(shù)據(jù)庫中。在導(dǎo)入的過程主要分兩部分來處理:

第一部分是保留一份原始工程鉆孔的坐標(biāo)，主要應(yīng)用對象是在鉆孔查詢時，能夠保持原來的工程數(shù)據(jù)不變化;第二部分是把鉆孔坐標(biāo)的屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形數(shù)據(jù)，在這個過程中，鉆孔的坐標(biāo)需要經(jīng)過坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化，通過統(tǒng)一坐標(biāo)系、統(tǒng)一高程系的過程轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個新的鉆孔圖形層，對應(yīng)到地形圖上面。

3.4 歸一化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化也叫歸一化數(shù)據(jù)處理，是指把原始資料庫中不同工程的鉆孔土層按濟(jì)南標(biāo)準(zhǔn)地層進(jìn)行合并轉(zhuǎn)換。通過歸一化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，將各工程的地層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為區(qū)域統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)地層數(shù)據(jù)，并將各工程的坐標(biāo)、高程轉(zhuǎn)化到區(qū)域統(tǒng)一的坐標(biāo)系、高程系中，把原本各自獨立工程，相對散亂的數(shù)據(jù)融合到一起，在空間上形成聯(lián)系，使我們對整個濟(jì)南地層有了比較直觀的了解和認(rèn)識。實現(xiàn)了大量分散、獨立勘察資料的綜合管理。

3.5 地形圖更新

地形圖作為“濟(jì)南工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)”項目的重要組成部分，是系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)。為了能夠準(zhǔn)確的反映現(xiàn)狀地形、地物，滿足數(shù)據(jù)庫應(yīng)用要求，數(shù)據(jù)庫所用地形圖從1985年老版本更新為2005年新版本1∶10 000地形圖，并且擴(kuò)大了覆蓋范圍。

把各個圖層分別分成159 幅，通過Windows 2000 系統(tǒng)下的SQL Server 進(jìn)行合并、調(diào)色，所有圖層疊加后，生成項目圖，最后導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，作為數(shù)據(jù)庫的地形圖。

圖4 更新后的地形圖

4 工程地理數(shù)據(jù)庫功能實現(xiàn)

4.1 原始資料管理

系統(tǒng)通過原始資料管理模塊，經(jīng)對原始工程資料“按單個工程裝入”、“按區(qū)域裝入”、“按條件裝入”實現(xiàn)工程的查找，工程基本信息，工程鉆孔信息，工程剖面圖，工程鉆孔柱狀圖，工程成果表(包括勘探點一覽表，地層統(tǒng)計表，指標(biāo)匯總表，指標(biāo)統(tǒng)計表)，工程文檔管理，工程數(shù)據(jù)查詢等功能。

4.2 區(qū)域分析

系統(tǒng)功能提供對新建任意區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的工程數(shù)據(jù)自動形成一個新項目，利用新建區(qū)域內(nèi)的資料數(shù)據(jù)進(jìn)行巖上工程分析，通過區(qū)域分析工具箱的歸一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行統(tǒng)一，實現(xiàn)新建區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)管理，剖面圖、成果表格、等值線、場地分析評估、分區(qū)圖的形成等幾大功能，主要對歸一化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、地質(zhì)分析及查詢。實現(xiàn)新建區(qū)域內(nèi)的擬建工程進(jìn)行工程預(yù)測。

4.3 三維模型建立

地下三維根據(jù)鉆孔平面、剖面等數(shù)據(jù)生成地下三維模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，實現(xiàn)各種剖分的處理及剖(斷)面圖顯示，根據(jù)地表、地層構(gòu)造進(jìn)行任意角度旋轉(zhuǎn)觀測，任意剖切、剝離、抽取三維地質(zhì)體，實現(xiàn)對圖形元素及各種屬性的查詢、計算和分析。對于地下三維模型，簡單地質(zhì)情況的地區(qū)，可以自動在所劃分的區(qū)域中形成三維模型;對于復(fù)雜的地質(zhì)情況，在自動生成三維模型的同時，還可以手工干預(yù)生成的三維模型。三維模型的分析包括:查看各層信息、切剖面、平整場地(計算填挖方)、挖洞、計算體積、圖形化指標(biāo)分析等。

圖5 切剖面、挖洞、挖方計算圖

5 工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫在實際工作中的應(yīng)用

5.1 規(guī)劃選址

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)的最大潛能存在于工程建設(shè)的選址階段，工程地質(zhì)工作作為工程建設(shè)的前期工作，其不僅限于滿足設(shè)計方面的設(shè)計要求，還須在了解工程規(guī)劃設(shè)計意圖的條件下，從工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件出發(fā)，考慮規(guī)劃選址方案。針對規(guī)劃范圍，對各項因素進(jìn)行綜合分析，針對開發(fā)區(qū)域時可能遇到的工程地質(zhì)狀況，給予綜合評價與建議。

5.2 工程地質(zhì)條件評價

在規(guī)劃方案編制過程中，系統(tǒng)可對區(qū)域進(jìn)行工程地質(zhì)分區(qū)分析、場地穩(wěn)定性分析及工程建設(shè)適宜性分析，為詳細(xì)規(guī)劃提供工程地質(zhì)評價，定性給出開發(fā)范圍內(nèi)工程地質(zhì)條件適宜性和開發(fā)時可能會采取的工程地質(zhì)處理方法。以濟(jì)南市區(qū)為例:濟(jì)南市地貌單元南部屬于山前沖洪積平原，北部為黃河、小清河沖積平原，地形起伏大，南高北低，高差100 m左右，上部地層為第四系陸相沉積的松散沉積物，濟(jì)南市區(qū)第四系厚度變化較大，反映了物質(zhì)運移的總趨勢是由高到低搬運、堆積的特點。地勢越低、越平緩開闊，厚度越大，反之越薄。根據(jù)實際工程驗證，對濟(jì)南市區(qū)地層進(jìn)行了適宜性分析評價，劃分為3 個地基基礎(chǔ)區(qū)，Ⅰ區(qū)一般為天然地基淺基礎(chǔ)區(qū)域，主要分布在工業(yè)南路—二環(huán)東路—濼源大街—英雄山路—二環(huán)南路以南地帶，Ⅲ區(qū)一般為復(fù)合地基與樁基礎(chǔ)深基礎(chǔ)區(qū)域，主要分布在小清河－清源路－南吳家堡－二環(huán)西路－張莊路－濟(jì)齊路－無影山中路－濟(jì)濼路－東西丹鳳街－義和北街－明湖西路－順河街－少年路－大明湖路－黑虎泉北路－明湖東路－歷山路－膠濟(jì)鐵路－二環(huán)東路－工業(yè)北路－王舍人鎮(zhèn)一線以北區(qū)域。Ⅱ區(qū)分布介于以上兩個區(qū)域之間。

5.3 軌道交通、路網(wǎng)規(guī)劃

數(shù)據(jù)庫還可為軌道交通、人防工程、地下管線共同溝項目規(guī)劃提供相關(guān)基礎(chǔ)資料，供規(guī)劃參考。如通過本系統(tǒng)生成地下水水位埋深水位線圖與地下影響深度范圍內(nèi)地層分布圖，為線路設(shè)計、基礎(chǔ)選型、施工難度估計等提供可靠依據(jù)。

5.4 勘察綱要編制

在巖土工程勘察工作前，為勘察綱要編制提供依據(jù)。通過借鑒擬建場區(qū)附近的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)資料(包括地下水位埋深、地下水性質(zhì)、巖土層的分布、厚度及物理力學(xué)性質(zhì))，結(jié)合建(構(gòu))筑物性質(zhì)，明確勘察目的，突出勘察重點，采取針對性的試驗項目與勘察方法，布置合理的工作量。

5.5 科學(xué)研究

為科學(xué)研究工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，為地區(qū)性的工程地質(zhì)專題報告編織、城市地質(zhì)災(zāi)害防治、地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)、國土資源開發(fā)利用等提供服務(wù)。

6 前景展望

作為城市規(guī)劃、發(fā)展系統(tǒng)的一部分，工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫將隨著軟件功能的不斷完善、數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的不斷增加逐漸凸顯出其巨大作用。伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步和工程地質(zhì)地理信息系統(tǒng)技術(shù)的日益成熟，工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫將服務(wù)于城市規(guī)劃、勘察設(shè)計、土地評估、地方規(guī)范制定等社會各個領(lǐng)域。城市工程勘察信息系統(tǒng)會擴(kuò)充為多層分布網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)工程勘察數(shù)據(jù)共享，提升工程勘察數(shù)據(jù)的利用價值。

7 結(jié) 語

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫在各個領(lǐng)域的應(yīng)用日趨普及并逐漸深入，特別是在工程地質(zhì)領(lǐng)域更有無可替代的作用，建立工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫可以將地質(zhì)信息進(jìn)行集中管理，全面共享。

目前，數(shù)據(jù)庫建設(shè)還處于初級階段，其發(fā)展是一項長期、復(fù)雜、艱巨的系統(tǒng)工程，需要不斷摸索、創(chuàng)新。從社會效益上來講，隨著它的不斷完善，信息共享將更方便地服務(wù)社會。

［1］張龍起．石家莊市工程地質(zhì)地理信息系統(tǒng)建設(shè)與實現(xiàn)［J］．工程勘察，2008(2):212～215．

［2］劉軍，鞠建榮，劉清華．基于GIS 的地鐵工程勘察數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．城市勘測，2012(1):167～169．

［3］李成軍．哈爾濱市巖土工程信息系統(tǒng)研究與應(yīng)用［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006:1～45．

［4］GB50021－2001．巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)［S］．

［5］GB50007－2002．建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］．