某水電站復雜地質體空間展布三維分析與應用

曲海珠，姚鵬程

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

某水電站復雜地質體空間展布三維分析與應用

曲海珠，姚鵬程

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

將自然地質體的空間分布，運用合適的方式予以表達是地質工程師的重要工作之一，本文通過典型工程案例，敘述了在大量出露復雜地質體的情況下，采用傳統二維圖紙的表達方式所存在的局限，著重介紹了以GOCAD為軟件平臺，以地質勘查為基礎，采用合適的方法進行三維地質建模，從而達到更準確、完整的表達地質工程師對復雜地質體的空間展布分析與認識。

復雜地質體；三維地質建模；GOCAD

0 前 言

某水電站位于西藏昌都境內，目前處于前期研究階段，初擬大壩高度近100 m，裝機容量約700 MW，該工程地處印度板塊與亞歐大陸碰撞構造變形強烈的藏東構造結附近，區域地質構造背景復雜，區內地層巖性復雜多樣。

根據初步勘察成果，對于工程壩址區而言，具有區域地質條件復雜，構造發育；巖性多樣，空間展布及接觸關系復雜；多個大型堆積體分布等工程地質特點，受其影響與控制，造成場址區存在大量空間展布相對復雜的工程地質體。在本階段，地質工程師通過現場調查、勘探揭示等工作，對復雜地質體已有基本的分析與認識，采用合適的方法手段，將地質工程師對工程區復雜地質體的分析認識進行表達，并利于實際應用，是本工程本階段重要工作內容之一。

三維地質建模是指采用適當的數據結構在計算機中建立能反映地質體的形態和各要素之間關系以及地質體物理、化學屬性空間分布等地質特征的數學模型。國內從20世紀90年代開始就不斷地有人研究三維地質建模軟件的核心理論與技術，進入本世紀，包括中國電建成都院在內的眾多生產、科研單位，以實際需要為基礎，對三維地質建模技術更是進行了深入研究及二次開發。

1 復雜地質體基本特征

1.1 地層巖性發育特征

根據地質勘察，壩址區巖性復雜，成因多樣，經工程地質分析，劃分基巖巖組14個，覆蓋層6組?；鶐r地層由不同時代、不同性質、不同成因的構造巖片拼合而成，地層接觸關系中，整合接觸、假整合接觸、角度不整合接觸關系均有出露(見圖1)。

圖1 巖性分布及接觸關系簡圖

壩址區第四紀沉積物成因多樣，沖積、洪積、崩坡積、泥石流堆積等均有出露，且互相堆疊、夾雜，形態多樣(見圖2)。

圖2 第四紀堆積物局部堆疊

1.2 構造發育特征

場區地處岡瓦納大陸與泛華夏大陸的接合部位，經歷了自新元古代以來長期的沉積—構造演變，地質構造較復雜，褶皺、大型斷裂(層)在壩址區均較發育，其中，中小尺度褶皺尤為發育，造成地表地層產狀稍顯凌亂，規則性差，但就大尺度上而言，褶皺現象并不發育(見圖3)。

圖3 典型中小尺度范圍上的褶皺現象

1.3 大型堆積體發育特征

壩址區右岸呈近順向坡，加之巖性軟弱相間，形成并出露多處大型堆積體，其表部經后期侵蝕，溝槽發育，地形較為凌亂，其基覆界面形態起伏也較大(見圖4)。

圖4 壩址上游右岸堆積體形態

2 傳統地質表達方法的局限

針對上述復雜的地質體，采用傳統二維平面圖及骨架剖面的表達方法，雖也可表達出地質工程師的認識，但在實際應用時存在一定的局限，這主要是因為傳統方法在表達時僅是對局部進行了圖紙描述，即骨架剖面部位(或控制剖面)。對于一般工程而言，地質工程師通過骨架剖面進而對其他部位進行地質分析，是能夠滿足分析認識需要的，但對于本工程所及的復雜地質體，因其局部變化較大，若不是對本工程極為了解的地質工程師，僅根據以往經驗，容易在認識上發生錯誤，這導致在應用傳統方法時，既不利于多人配合，也容易因疏忽導致錯誤。以下列舉幾例。

(1)問題一表現為：以地層在地表出露的局部產狀繪圖，導致地層厚度變化較大，與地質分析不符。原因分析：對本工程的地層內“中小尺度褶曲發育，大尺度上總體平順”的特點了解不夠深入(見圖5)。

圖5 實際工作中問題之一(剖面示意)

(2)問題二表現為：在無勘探控制下，基覆界面局部下凹。原因分析：控制剖面繪制時，以厚度為控制因素，未注意堆積體表部地形凌亂的特點(見圖6)。

圖6 實際工作中問題之二(剖面示意)

(3)問題三表現為：階地部位，老地層壓覆于新地層之上。原因分析：無骨架剖面控制部位，對工程特點了解不夠深入(見圖7)。

圖7 實際工作中問題之三(剖面示意)

針對工作中以上及類似的實際問題，成都院積極尋求解決辦法，通過分析后，決定對復雜地質體采用三維建模的方式進行表達。

3 復雜地質體三維模型構建

本工程在進行復雜地質體三維模型構建時，采用成都院重點研究、應用的以GOCAD為平臺的三維建模軟件。

3.1 地質信息的采集應用分析

同傳統工作方法相一致，地質信息的采集，是三維模型構建的基礎，包括通過地質測繪對地表的巖層產狀信息、 地層層序關系與厚度、 褶皺形態、 斷層性質及其位移以及地質剖面現象等。通過鉆探、洞探、物探等勘察手段，對地質體的深部延展情況予以探查。

對地質信息的分析，是地質工程師在本階段的重要工作，通過對上述采集的地質信息，地質工程師應對工程區地質體的空間展布予以充分認識，應當明確，無論傳統的二維圖紙或三維模型，都是地質工程師對地質體已有認識的表達。當然，在分析認識過程中，通過有效繪制圖紙輔助地質工程師進行深入分析與認識，也是必要的工作。

3.2 選擇合適方法進行模型構建

根據已有工程經驗，在三維地質模型構建時，一般采用以下兩種方法：

(1)利用原始地質信息，包括地質點、巖層產狀、勘探揭示等，直接進行模型構建；

(2)根據已有勘探信息，先行繪制部分二維平剖面圖，再利用該部分平剖面圖進行模型構建。

本工程采用的即為第二種方式，其原因，首先如前所述，在進行模型構建前，本工程已完成了部分二維平剖面圖繪制工作。其次，前期所繪制的平剖面圖較好地體現了地質工程師對本工程地質條件的認識。最后，對于如本工程這樣具有大量復雜地質體的區域而言，若采用較少的控制點，在建模時勢必需要大量的調整、修正。

模型構建過程如下：

(1)利用地形測量數據生成三維地形的同時，整理二維圖紙，將剖面、平切面二維線條轉換為GOCAD中的三維線條。

(2)利用已有二維剖面(對于復雜地質體，局部需適當補充輔助地質剖面)生成地質體。首先是將剖面線條生成初始面，其次將生成面上所有的點都設為控制節點的同時，將面向外延伸至合適范圍。再次，對面進行撕分、擬合、美化，以面的空間展布既符合地質判斷又符合美觀合適為止。最后，根據地質界面之間的相互關系，進行切割、調整等工作。

(3)控制點鎖定。對于地質體的重要控制點，包括地表調查的地質點，鉆孔、平硐內揭示的地質體分界點等，應予以鎖定，形成控制點，避免在模型后期修改時，因不當操作，而對相應部位形成修改(見圖8、9)。

4 結 論

圖8 本工程三維模型局部構建

圖9 本工程下壩址三維地質模型

該模型已應用于本工程復雜地質體空間展布三維分析、三維匯報展示、三維模型輔助二維地質剖面繪制等方面。從應用情況看，其能夠更準確、完整地表達地質工程師對復雜地質體的空間展布分析；模型構建過程即地質深入分析過程；一次構建，隨工作深度調整，全階段連續應用；一套模型，全體應用，利于全員參與。

(1)對于大量存在復雜地質體的工程而言，采用傳統的繪圖方式，在實際應用中存在一定的局限，而三維地質建模是解決此類局限的有效措施。

(2)采用以GOCAD軟件為平臺，以地質勘查為基礎，以合適的方法進行三維地質建模是可行的，而且也是便于工程應用的。

(3)三維地質建模能夠更準確、完整地表達地質工程師對復雜地質體的空間展布分析，能夠有效提高工作效率，體現了三維地質建模的優勢。

[1] 王國燦,徐義賢,等. 基于地表地質調查剖面網絡基礎上的復雜造山帶三維地質調查與建模方法 [J].地球科學-中國地質大學學報, 2015,40(3): 397-406.

[2] 吳志春,郭福生,姜勇彪,羅建群,侯曼青.基于地質剖面構建三維地質模型的方法研究 [J].地質與勘察,2016,52(2):363-375.

[3] 李青元,張麗云,魏占營,孫黎明. 三維地質建模軟件發展現狀及問題探討 [J]. 地質學刊, 2013, 37(4):554-561.

[4] 彭土標,等.水利發電工程地質手冊[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2011.

2017-02-06

曲海珠(1981-)，男，內蒙古通遼人，高級工程師，從事水利水電地質工程研究。

TV221.2

B

1003-9805(2017)02-0030-03