三維地質建模在水利工程勘察中的應用

趙 意， 吳坤占， 甘 龍， 葉 欣

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014； 2.長沙市工務局，湖南 長沙 410013； 3.長沙理工大學，湖南 長沙 410076)

1 引言

三維地質建模的概念最早是由加拿大Simon W Houlding于1993年提出的。三維地質建模是運用計算機技術，在三維環境下，將空間信息管理、地質解譯、空間分析和預測、地學統計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來用于地質研究的技術。在水利工程勘測中，三維地質建模可以直觀地將各類地質信息以立體的方式進行展現，有利于設計人員更好地分析存在的地質問題，也方便各專業之間的技術交流。本項目主要利用中國電建集團中南勘測設計研究院基于Bentley公司Microstation平臺研發的工程地質三維設計軟件(PowerGeo)，以湘江東岸防洪堤改造工程中的五一路管涵為例，依據實測的地形數據和地質勘察數據建立三維地質模型，并對模型的后期初步應用進行探索。

2 項目概況

湘江東岸防洪堤改造工程位于長沙市湘江東岸(右岸)的杜甫江閣—銀盆嶺大橋段，全長約5.1 km，主要對已有堤防進行改造，并改擴建穿堤管涵。工程建設區發育的地層主要有：第四系人工填土、第四系沖積堆積物(以粉質黏土、黏性土、含淤泥質黏性土、砂礫層為主)、

始新統—漸新統霞流市組(E2-3x)(泥質粉砂巖、粉砂質泥巖和礫巖)、元古界冷家溪群(Ptln)(絹云母板巖、千枚狀板巖)。

3 構建三維地質模型

3.1 建模思路

PowerGeo軟件分為數據端和圖形端兩部分，數據端作為一個數據管理系統，主要用于存儲原始的勘察資料，包括工程區內地層巖性、構造風化、鉆探試驗等基礎數據，并對數據進行初步處理，為建模提供數據支撐。圖形端通過調用基礎數據建立各種地質界面，并最終生成三維地質模型。建模過程為：建立三維地形面→創建鉆孔、地質剖面模型→建立各種地質界面→根據地質界面分別生成相應的地質體→三維地質模型的后期應用(如虛擬開挖、快速出圖、協同設計、施工動態模擬等)。

3.2 建立地質模型

3.2.1 創建三維地形面

工程區已有比例尺1∶1000的地形圖，通過對地形圖進行整理，利用Bentley公司的GEOPAK Site軟件提取地形圖中的等高線和高程數據，制作TIN文件，并生成地形三角網格面(圖1)。

圖1 地形圖生成地形三角網格面

3.2.2 創建鉆孔勘探線模型

利用PowerGeo軟件圖形端，直接調用數據庫中存儲的勘探數據，生成鉆孔模型和勘探線模型(圖2)，其中鉆孔模型可按地層、巖性、風化等不同類別進行分段顯示。

圖2 鉆孔模型和勘探線模型

3.2.3 建立地質界面

在鉆孔模型和勘探線模型的基礎上，利用剖面分析工具，對勘探剖面進行編輯，確定各類地質界線，形成地質線框模型(圖3)。根據不同地質屬性的界線及數據，分別生成相應的地質界面，如人工填土底面、粉質黏土底面、砂礫石層底面、全風化板巖底面和強風化底面等(圖4)。

3.2.4 生成三維地質模型

利用PowerGeo軟件圖形端的工具，在各地層界面之間生成網格體，并賦與相應的地質屬性(圖5)。為了使三維地質模型更加直觀，還可以將各個地質網格體貼上相應的材質。

圖3 地質線框模型

圖4 地質界面模型

圖5 三維地質模型

4 三維地質模型初步應用

4.1 地形開挖

利用Bentley公司的GEOPAK Site軟件在三維地質模型上進行虛擬開挖設計時，可以清晰地展示基坑開挖到設計高程時各個地層的情況(圖6)，并根據不同的地層巖性來分別計算開挖量和回填量，使得土石方工程的造價預算更為精確。

同時，三維地質模型也可以幫助我們檢驗設計方案。按照基坑設計方案建立樁基礎模型，并與地質模型進行組裝(圖7)，可以直觀展示樁端是否達到持力層，并可計算出樁端進入持力層的深度。在滿足設計要求的前提下，對設計方案進行合理優化。

4.2 快速出圖

和傳統設計相比，當設計方案發生變更時，剖面的位置也會發生相應的改變，這就需要地質專業人員花費大量的時間來重新對剖面進行填圖。而三維地質模型完成后，可以對模型進行任意剖切，快速得到二維剖面圖，以此來滿足設計人員的需求。

圖6 三維地質模型及地層拆分

圖7 樁基礎與地質模型

4.3 協同設計

通過協同設計平臺，設計人員將地質模型與設計模型組裝在一起(圖8)，可以直接從地質模型中得到有用的地質信息，如巖性、風化、地下水等，有利于方案設計。而且當方案發生變更時，設計人員可以根據地質模型及時調整設計方案，大大提高了設計效率。

圖8 多專業模型組裝

4.4 施工動態模擬

通過將各專業完成的模型按照施工步驟進行拆分重組，利用BIM技術對施工步驟進行動態模擬，可以直觀、精確地反映出整個施工過程，確保施工方案的合理性，促進施工方案的進一步優化，也有助于施工方更加高效地對整個工程的施工進度、資源調配等進行管理。

5 結語

本文以PowerGeo軟件創建穿堤管涵三維地質模型為例，介紹了建模的基本流程，并對模型成果進行了初步應用，取得了較好的效果。三維地質建模有助于勘察資料的管理，而模型任意位置剖面的快速出圖大大減少了地質生產人員的工作量。同時地質模型為設計人員提供了更為直觀的地質信息，提高了設計工作效率，而利用模型進行施工動態模擬對實際施工具有很好的指導作用。