三維地質建模技術在水利水電工程中的應用

方正

（江西省水利規劃設計研究院，江西 南昌 330029）

水利水電工程經常面臨復雜的地層及構造，涉及到的地質信息日趨增多且更加復雜化、多元化，二維靜態表達方式對地質資料分析缺乏直觀性，難以真實反映出地質情況。由此，采用三維地質建模，借助信息化技術及數字化技術，大大提高了數據收集、處理效果，實現地層界面、斷層等的可視化分析，下面將詳細介紹具體應用流程及方法。

1 三維地質建模基本流程

1.1 準備數據

對原始數據進行篩選，并對篩選出的數據建模。用于建模的數據除了地形數據、物探數據、勘探數據以外，還包括試驗數據。分別對這些數據整理歸納，錄入到數據庫中，將不同地質點的數據，最后導入軟件中作為原始數據，全面檢查及復核，保證數據真實、完整。

1.2 建模流程

首先，將整理好的各類基礎地質資料錄入到地質數據庫內，然后再將數據導入地形面，這樣一來，可以將地質資料轉換為空間點及線數據。繪制特征，依據不同地質對象特點，在這之前要先繪制控制剖面，加密建模數據，將得到各類地質對象的控制線模型，隨后就可以初步將大面模型擬合出來。然后形成三維地質模型，通過合并、剪切等基礎操作，實體與面的分割操作后，將得到最終的三維地質體模型。

地質平面圖是一個二維坐標，有X、Y、Z三個值，這三個值均是通過地形DEM內插方式得到，然后將二維坐標再轉換為三維坐標，即得到（X，Y，Z），得到以下公式：

公式中，剖面的起點地理坐標為（xo,yo,zo）；剖面地層X，Y坐標為（X，Y）；其中，α為剖面的方位角，xs與ys表示為剖面圖水平及垂直狀態下的比例。使用TIN模型構筑數據網絡，這里主要指鉆探數據，這是形成三維模擬基本形態的重要步驟。由鉆孔數據、探槽數據共同組成了地下三維地質體構網，必須先進行鉆孔數據分層處理，主要得到含礦層、覆蓋層等地質信息，然后才能進行三維地質體構網，完成這項工作以后，才能進行TIN構網，得到各深度DEM數據。

2 對工程對象建模流程

2.1 河流水面及地表面模型

三維設計工作基礎是地表面，同時也是地質建模的基礎表面，保證使用數據的統一與規范的前提是使用合理的地形面。地形面模型的構建必須滿足設計專業軟件的需求。

地表面模型。需要充分收集水上及水下地形數據，將統一的整體模型構建出來，建模應用到河流兩側與中間測繪點云數據，然后通過對地表面模型剪切操作，最終得到河流水面模型；對于地形面模型，依據地質勘探點與物探測量點校核及更新地形面，這是保證地形面精準的關鍵。

2.2 覆蓋層建模

建模方法的選擇。對于覆蓋層建模來說，必須對覆蓋層堆積成因充分分析，依據現有數據選擇出最適宜的建模方法。比如，滑坡體建模，就要先對滑坡中部、滑動面堆積厚度變化仔細考察分析，而沖積層建模則要充分把握河流特點，建模采用分層控制法。

2.3 地層與構造建模

為保證面模型通過現有分界點將地層及構造整體變化特點反應出來，就要綜合不同分界點特征線或者特征面擬合建模。分界點上可以將該處對象變化反映出來，比如，傾向線或者小范圍面等。

2.4 剖面線建模

因為缺少產狀信息，并且存在不規則的形態特征，需要更多的數據控制形態變化，這是透水率界限面、水位面建模的特點。通過剖面可以將各類現有離散點連接起來，這樣不僅可以增加數據量，還能給定擬合方向，將擬合成目標面的速度加快。

2.5 模型的可視化分析

通過一系列流程最終建成三維地質模型后，最終可以得到地上地質體的三維地質模型。通過該模型可以了解到不同地質單元空間分布形態、特點、不同空間相互關系等，可以對前期的勘察結果進行驗證，同時通過分析模型，為后續的勘察及設計提供了科學依據。可視化分析具體方法為：①將地質體的輪廓詳細、生動地描繪出來，通過建模處理三維地質數據，可以發現該模型組成要素，即山體、進口邊坡等。②將地質體所在區域的巖石特性、地層特點揭示出來，為施工開挖選址提供科學依據等。同時，在施工前，對地質模型先進行模擬鉆孔，然后對挖洞模擬分析，減少失誤操作帶來的損失。③對任意地質剖面切割，在已經建成的模型上，從而獲取更加全面的地質信息，高海拔地區也可以對地質體截取，進行剖平面面積計算、土方計算等，進一步將地質探測的精度提高，并且可視化分析模型更為直觀、方便。

3 建模成果

3.1 基礎圖件及數據查詢與統計

為了得到不同種類的基礎圖件，可以直接調用數據庫中的數據，常見的基礎圖件有鉆孔柱狀圖、節理玫瑰圖等。然后進行數據的查詢及統計，在數據調用過程中，對于想要查看的數據可以直接搜索出來并查看，并且能夠基于數據庫統計功能，依據不同設置條件，統計各類數據。

3.2 模型分析

在模型已經建成以后，最重要的工作就是對模型分析，為圖件編制及協同設計創造條件。主要進行多截面分析、剖面分析，并能進行模擬平洞及虛擬鉆孔等專業化操作，這樣一來，地質對象變化情況可以多空間、多角度地反映出來。

3.3 圖件繪制及協同設計

直接從三維模型中抽取二維圖件，因為現階段圖件編繪三維及二維圖件是共同存在的；三維圖件不僅能全面展示地質信息，還能達到美觀效果。面模型帶有相關屬性，包括風化程度、水位面信息等，導入到的軟件為Civil3D。

4 工程實力探究

4.1 工程概況

某水電站位于高山峽谷區域，地勢陡峭。壩址區域內主要分布了花崗巖、變質粉砂巖、板巖夾砂巖等。壩區內單斜地層分布變質巖，有著發育良好的斷層。

4.2 三維地質建模

此次工程進行三維地質建模，使用到的三維地質系統軟件是GeoBIM，控制性剖面繪制了40條。得到全部剖面空間線條，因為增加了輔助剖面，曲面擬合對同一屬性的空間線條，才剪切得到多種地質對象的面模型，剪切時按照各曲面間相互關系進行。此次建模完成的面模型包括斷面層60個、地下水面、弱風化上帶分界面、微風化面等。然后圍合建模范圍的側面及地面，可以最終得到工程樞紐區三維地質模型。

4.3 三維地質建模成果應用

可以得到三維地質剖面模型，其中各種建筑軸線剖面模型占一定比重，將這些三維模型全部導入到設計軟件中，即Inventor，對地質模型開挖設計，最終得到設計模型圖。詳見圖1。

剪切三維地質模型，得到開挖面的三維地質模型，結合地質模型及廠房、大壩等模型，通過剖切，最終可以得到建筑物所處的地質條件。詳見圖2。

圖1 開挖邊坡設計模型

圖2 三維地質平切模型

5 結束語

本文主要對三維地質建模基本流程、工程對象建模流程進行了詳細介紹，并分析了建模成果，表現了三維地質建模可以在充分收集各項地質數據并對數據處理后，完成批量剖面及平切圖的切制，同時還能進行剖面的校核，從而與原始地質勘察資料進行比對，及時發現不足或者錯誤并改正，將地質勘探失誤率大大降低，同時減輕了工作人員工作量。最后，本文對三維地質建模技術在實際水電工程中的應用進行了介紹，表現了依靠三維建模技術，可以幫助快速、高效建立起工程區域地形剖面，得到三維地質剖面模型，并使用專業軟件處理，最終得到設計模型圖，更為快速、準確地獲取到更為直觀的工程區域建筑、地質條件等，為工程施工提供全面、準確的數據支持。