基于鉆孔數(shù)據(jù)的揚(yáng)中市三維工程地質(zhì)模型構(gòu)建

劉　洪，陳　剛，王振海

（1.國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210018；2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018）

基于鉆孔數(shù)據(jù)的揚(yáng)中市三維工程地質(zhì)模型構(gòu)建

劉洪*1，2，陳剛1，2，王振海1，2

（1.國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210018；2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018）

三維工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型可以直觀反映工程地質(zhì)層的空間分布特征，對工程地質(zhì)問題提供正確判斷及成因分析，為城鎮(zhèn)規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)布局和工程建設(shè)提供依據(jù)。以揚(yáng)中市為例，以工程地質(zhì)鉆孔資料作為地層建模的數(shù)據(jù)來源，采用GMS軟件，建立了30m以淺的三維工程地質(zhì)模型，并展示了實(shí)際的建模效果，具有一定的實(shí)用價值。

鉆孔數(shù)據(jù)；三維；工程地質(zhì)模型；揚(yáng)中市

1　概述

多年以來，對于地學(xué)信息的表示和處理都是基于二維的，不能充分揭示地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間變化規(guī)律，使人們難以直接、完整、準(zhǔn)確地理解和感受地下的地質(zhì)情況，越來越不能滿足工程設(shè)計和分析的實(shí)際需求，三維立體處理顯得愈來愈迫切。三維地質(zhì)建模就是運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)，在三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來，并應(yīng)用于地質(zhì)分析的技術(shù)［1］。

三維地質(zhì)模型的建立是在原始地質(zhì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，在專家知識和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下，結(jié)合對研究區(qū)地層的認(rèn)識，以適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立地質(zhì)特征模型，把已有的點(diǎn)數(shù)據(jù)（鉆孔）或線數(shù)據(jù)（剖面）通過一定的數(shù)學(xué)方法插值得到未知點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后對實(shí)際地質(zhì)實(shí)體對象的幾何形態(tài)、拓?fù)湫畔ⅲǖ刭|(zhì)對象間的關(guān)系）和物性3個方面進(jìn)行模擬，由這些對象的各種信息綜合形成的一個復(fù)雜整體三維模型的過程。三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，可以把空間分布不均勻、不連續(xù)、散亂的地質(zhì)信息，通過數(shù)學(xué)擬合及計算機(jī)圖形學(xué)的方法變成可視的、連續(xù)的和形象的3D地質(zhì)圖形，直觀地反映了地質(zhì)信息的空間變化，有助于加深對空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。三維地質(zhì)模型能把專業(yè)知識與實(shí)際管理需要有機(jī)的結(jié)合在一起，具有重要的實(shí)用價值。

按照建模所使用的數(shù)據(jù)源來分，三維地質(zhì)建模可以分為基于鉆孔數(shù)據(jù)建模、基于剖面數(shù)據(jù)建模、基于三維地震資料建模、基于多源數(shù)據(jù)建模等［2］。鉆探是獲取地下三維空間信息的重要手段，鉆孔數(shù)據(jù)中包含了巖土層的絕大部分信息，能夠反映巖土層的天然狀況，是獲取三維地質(zhì)信息、進(jìn)行巖土層可視化、模擬分析的主要數(shù)據(jù)。利用鉆孔數(shù)據(jù)，前人也構(gòu)建了不同的三維地質(zhì)模型［3-8］，取得了一定的效果。本文以揚(yáng)中市工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用GMS軟件構(gòu)建了30m以淺的三維工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，從三維立體的角度呈現(xiàn)了各工程地質(zhì)層的空間組合關(guān)系，有利于認(rèn)識研究區(qū)內(nèi)的工程地質(zhì)特征，為土地的開發(fā)利用、城市發(fā)展規(guī)劃和工程建設(shè)提供了依據(jù)。

2　三維工程地質(zhì)模型的建立

2.1GMS軟件

GMS是地下水模擬系統(tǒng)（Groundwater Modeling System）的簡稱，是一個綜合性的、用于地下水模擬的圖形界面軟件［9］，不僅具有地下水模擬、溶質(zhì)運(yùn)移模擬等功能外，還具有從鉆孔到地層結(jié)構(gòu)、從平面到空間建立三維地質(zhì)模型的功能。

2.2模型邊界的確定與導(dǎo)入

GMS構(gòu)建三維地質(zhì)模型是通過內(nèi)插的方法構(gòu)建，模型邊界的平滑程度直接影響模型的可靠性。本次建模的范圍為揚(yáng)中市的陸地面積，不包括長江和大部門夾江的水面，并在揚(yáng)中行政邊界的基礎(chǔ)上，對行政邊界彎曲較大地段進(jìn)行忽略或填充，生成GMS可以導(dǎo)入的邊界文件。

2.3地表形態(tài)的生成

揚(yáng)中市為長江三角洲沖積平原，地形平坦，地形等高線稀疏，本次地表形態(tài)的生成主要利用區(qū)內(nèi)的高程點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)建，即將已有的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)一起進(jìn)行Delaunay三角剖分，以生成的三角形平面來模擬地表形態(tài)。

2.4工程地質(zhì)層概化

三維工程地質(zhì)建模數(shù)據(jù)主要來源于鉆孔資料，需要鉆孔名稱、橫坐標(biāo)X、縱坐標(biāo)Y、頂板標(biāo)高Z、地層巖性Soil ID、地層層序Horizon等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)具有離散、有限、稀疏、不規(guī)則等特點(diǎn)，為體現(xiàn)不同鉆孔間的對應(yīng)關(guān)系，建模前首先要進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行工程地質(zhì)層的劃分、排序和統(tǒng)一編號等。

由于工程地質(zhì)層空間分布的不連續(xù)性、不均勻性和不確定性［10］，工程地質(zhì)層之間相互交叉、關(guān)系錯綜復(fù)雜，如何進(jìn)行工程地質(zhì)層序的劃分成為三維地質(zhì)建模的關(guān)鍵問題。根據(jù)收集的工程地質(zhì)鉆孔，揚(yáng)中市淺部土體的巖性種類較多，有粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、細(xì)砂、粉細(xì)砂、含礫中粗砂以及上述各類巖性的互層等，而這么多種巖性及其之間的組合關(guān)系增加了模型建立的難度，難以在三維結(jié)構(gòu)模型中一一顯示出來，因此必須對各類巖性進(jìn)行合理的歸并和概化，使模型能夠更加簡單明了的展示出來，同時也能降低模型建立的難度，減少模型建立的工作量。本次建模在收集整理工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)物理力學(xué)性質(zhì)，對揚(yáng)中市淺部土體的巖性做了進(jìn)一步的歸并，將30m以淺土體分為11個工程地質(zhì)層（表1）。本次三維工程地質(zhì)建模共收集到揚(yáng)中市的工程地質(zhì)鉆孔21個，整理后的鉆孔數(shù)據(jù)以工程地層分層為單位，通過空間坐標(biāo)（X、Y、Z）將同一鉆孔的不同分層集成到一起。

表1　揚(yáng)中市淺部地層屬性表

2.5鉆孔剖面圖的創(chuàng)建

鉆孔剖面圖能直觀表現(xiàn)地層的分布與構(gòu)造特征，較好地反映典型的和特殊的地質(zhì)現(xiàn)象。鉆孔剖面圖的創(chuàng)建有效地約束了計算機(jī)數(shù)學(xué)插值，盡可能地保證了插值后的地層與實(shí)際地層的吻合程度，將建模過程中相鄰鉆孔數(shù)據(jù)繪制的剖面圖與鉆孔數(shù)據(jù)結(jié)合在一起進(jìn)行建模，可以提高三維地層模型的精度與表現(xiàn)能力。當(dāng)鉆孔間工程地質(zhì)層具有完全吻合的對應(yīng)關(guān)系時，即2個鉆孔工程地質(zhì)層相同，可自動創(chuàng)建鉆孔剖面。但是，由于鉆孔是點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，鉆孔間往往不具有完全吻合的對應(yīng)關(guān)系，插值結(jié)果往往無法刻畫鉆孔之間工程地質(zhì)層的實(shí)際情況，這時自動創(chuàng)建的鉆孔剖面往往與實(shí)際相差較大，就需要手動創(chuàng)建盡可能符合實(shí)際的鉆孔剖面。如鉆孔ZK11中的（5）層，在鉆孔ZK12中缺失，而鉆孔ZK12中的（6）層，在鉆孔ZK11中缺失，就需要手動創(chuàng)建鉆孔剖面，以符合實(shí)際情況（圖1）。

圖1　ZK11和ZK12鉆孔剖面夾層處理前后的對比

3　三維工程地質(zhì)立體模型的功能

在GMS中做好導(dǎo)入模型邊界、工程地質(zhì)層概化、鉆孔文件準(zhǔn)備、構(gòu)建鉆孔剖面、生成不規(guī)則三角網(wǎng)等工作后，即可構(gòu)建三維工程地質(zhì)模型（圖2、圖3）。

建成后的揚(yáng)中市三維工程地質(zhì)模型可無障礙、逐層觀察工程地質(zhì)層的空間分布特征以及接觸關(guān)系，對工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)有更完整、更具體的認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)了多維視角、隨意切剖、地理位置與三維地層組合相對照等功能。

（1）通過對工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的查詢，能以分解形式展現(xiàn)任一工程地質(zhì)層層的空間展布形態(tài)，尤其是不良工程地質(zhì)層（軟土、砂土）（圖4）的空間分布，而且能以組合形式展現(xiàn)任意兩個工程地質(zhì)層的組合關(guān)系。

（2）可以多視角的觀測各工程地質(zhì)層的的空間形態(tài)，并且可以產(chǎn)生在任意方向上切割工程地質(zhì)層的縱剖面圖，有助于更好的了解工程地質(zhì)層在不同位置的空間分布。

（3）可以從任意地層高程上，切出橫向（水平）的工程地質(zhì)層切片，顯示某一深度下各工程地質(zhì)層的區(qū)域分布（圖5），并可以計算出任一工程地質(zhì)層空間體的體積，為工程建設(shè)、規(guī)劃提供依據(jù)。

（4）在已建成的三維工程地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，采用相同的坐標(biāo)系統(tǒng)，將地理圖、規(guī)劃圖等以活動的方式覆于其上，可以了解任意功能區(qū)的工程地質(zhì)層的分布與結(jié)構(gòu)形態(tài)，直觀、清晰的將地區(qū)與其地下空間的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。

圖2　揚(yáng)中市工程地質(zhì)鉆孔三維形態(tài)

圖3　揚(yáng)中市工程地質(zhì)三維模型

圖4　揚(yáng)中市第⑶工程地質(zhì)層（淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土）展布形態(tài)

圖5　揚(yáng)州市-10m標(biāo)高工程地質(zhì)層展布圖

4　存在問題

揚(yáng)中市三維工程地質(zhì)模型的構(gòu)建是以工程地質(zhì)鉆孔資料為基礎(chǔ)，利用GMS構(gòu)建起來的，客觀地反映了揚(yáng)中市工程地質(zhì)層的空間分布狀況，軟土、砂土等特殊工程地質(zhì)層也得到了很好的處理，達(dá)到預(yù)期的效果，但是在模型的構(gòu)建過程中仍然存在一些問題。

4.1鉆孔數(shù)量

對于地形平緩、地層結(jié)構(gòu)簡單的地區(qū)，少量的鉆孔就可以清楚地反映該地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)；而對于地形起伏較大、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜或是構(gòu)造發(fā)育的地區(qū)，需要較多的鉆孔才能準(zhǔn)確揭示各地層分布以及構(gòu)造的發(fā)育狀況。本次建模利用了21個工程地質(zhì)鉆孔，相對于揚(yáng)中市全區(qū)來說，鉆孔的數(shù)量偏少，不能完全反映全區(qū)工程地質(zhì)層的特征，可能導(dǎo)致部分地區(qū)的某個工程地質(zhì)層缺失，影響模型的精度。今后，隨著工程地質(zhì)鉆孔資料的積累，可以不補(bǔ)充完善工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維模型。

4.2鉆孔資料整理

本次建模收集的工程地質(zhì)鉆孔資料的來源不一，由于鉆孔的投影方式、作業(yè)方式、編錄標(biāo)準(zhǔn)等的不同，存在著資料雜、可比性差的問題，給鉆孔資料的整理和工程地質(zhì)層的對比和概化增添了困難。

4.3工程地質(zhì)層的劃分

在個別工程地質(zhì)鉆孔中，包含有連續(xù)性差的工程地質(zhì)夾層，如果建模時劃分的工程地質(zhì)層過細(xì)，將導(dǎo)致模型無法分辨透鏡體和連續(xù)地層，容易引起地層混雜，即將一個鉆孔上的透鏡體地層與另一個或幾個鉆孔上的連續(xù)地層界面相連，形成錯誤的地層結(jié)構(gòu)。針對這種情況，在整理鉆孔資料時根據(jù)該區(qū)域剖面圖，將透鏡體區(qū)分出來，忽略小的透鏡體，對于大的透鏡體，另行生成地層結(jié)構(gòu)。

4.4差值計算方法的選擇

在進(jìn)行插值計算時，采用反距離加權(quán)法和自然鄰近插值法所產(chǎn)生的結(jié)果可能會有很大的差異，而且邊界單元距離和三角網(wǎng)的密度也都影響著模型的精度，在實(shí)際應(yīng)用過程中要在對比的基礎(chǔ)上選擇適合本地區(qū)的方法。

5　結(jié)語

三維地質(zhì)模型作為一種處理地質(zhì)對象的新技術(shù)，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(shù)據(jù)進(jìn)行有關(guān)分析和推測，更加符合現(xiàn)代工程規(guī)劃、設(shè)計、施工和管理的需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，真實(shí)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，沒有固定、準(zhǔn)確的模式，地學(xué)數(shù)據(jù)也存在許多不確定性，具有有限、離散、稀疏、空間分布不均勻等特點(diǎn)，而且經(jīng)濟(jì)條件也不允許為解決不確定而進(jìn)行充足采樣。作為對地質(zhì)結(jié)構(gòu)的仿真，如何提高模型的精度，使三維模型將更加接近真實(shí)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，將是今后研究的重點(diǎn)。

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Construction of 3D Geological Model Based on Drilling Data in Yangzhong City

LIU Hong1，2，Cheng Gang1，2，Wang Zheng-hai1，2
（1.Ministry of Land and Resources Ground Fissure Geological Disaster Key Lab，Nanjing Jiangsu 210018，China；2.Geological Survey of Jiangsu Province，Nanjing Jiangsu 210018，China）

3D geological structural model can directly reflect the characteristics of the spatial distribution of engineering geological layer，provide the correct judgment and cause analysis of engineering geological problem，and provide basis for urban planning，economic layout and engineering construction.Taking Yangzhong City as a case，based on engineering geological drilling data，Using GMS software，the 3D engineering geological model above 30m is constructed，and shows the practical modeling effect which has a certain practical value.

drilling data；3D；engineering geological model；Yangzhong City

P64

A

1004-5716（2016）03-0160-04

2015-03-13

2015-03-23

劉洪（1973-），男（漢族），安徽阜陽人，高級工程師，現(xiàn)從事水工環(huán)地質(zhì)工作。