河道治理工程中分區段地質三維建模的過程及應用

王英豪

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

1 基本概念

GeoStation是華東勘測設計研究院數字工程中心依托美國Bentley軟件平臺獨立研發的地質三維勘察設計系統，其主要目的是利用軟件建立地質三維實體模型，立體展示工程地質條件并可在三維實體模型的基礎上進行各種三維分析計算。

在眾多的建模方法中，對于水利工程中長線型河道治理工程來說，運用GeoStation中的分區段進行地質建模，是非常合適和合理的。

2 分區段三維建模

2.1 建模理念

在水利長線型河道治理工程中，由于治理工程區的特殊地形，地質勘察的重點區域基本上為長線型，沿河堤線狀方向及兩側治理范圍為重點部位，所以有區別于面塊狀模型，宜運用長線型的分區段模型。

2.2 建?；A地質資料及成果輸出

建?；A地質資料涵蓋基本地質數據諸如工程區的地形地貌、地層巖性、水位地質條件、物理地質現象等。

建模的基本定義主要有標準地層的定義、勘探線布置及定義、鉆孔定義等。其中，鉆孔數據包括鉆孔概況、孔徑結構、地層巖性和界面、完整程度、風化程度、鉆遇構造、節理統計、水文試驗、試樣取樣、綜合測井、孔內試驗、孔內觀測。

建模的試驗數據主要有取樣試驗數據、原位試驗數據、地面試驗數據、現場鉆孔抽水、注水試驗數據等。

建模的后期模型輸出主要有二維圖紙（包括平面、剖面、平切、柱狀圖），查詢統計（包括地質數據、測試數據、工作量、常規統計、巖土計算、工程結算）和屬性文件（包括鉆孔屬性、勘探線屬性、試驗取樣點屬性、原位試驗點屬性）。

3 工程實例（雄安新區南拒馬河防洪治理工程容城段地質三維建模）

3.1 地質概況

3.1.1 地勢地貌

工程區在地貌單元上大部分屬河北平原區，西部少部分為太行山山前傾斜平原，地勢西高東低。工程區范圍內南拒馬河總體流向為西北至東南方向。

3.1.2 地層巖性

工程區地層主要為第四系全新統沖洪積（Q）地層，局部零星夾雜有沼澤堆積地層。巖性主要有粉細砂、粉土、砂壤土、壤土及黏土等。自上而下分述如下。

（1）第四系全新統上段沖洪積層（Q43alp）。巖性主要有壤土、砂壤土、粉細砂等。壤土、砂壤土一般為黃褐—褐黃色，稍濕—濕，可塑。粉細砂多呈灰黃色、灰白色，濕—飽和，松散—稍密，主要礦物成分為石英、長石等。

（2）第四系全新統中段沖洪積層（Q42alp）。巖性主要為壤土、砂壤土及少量黏土，黑灰—黃灰色，濕，可塑，土質不均一。

3.1.3 水文地質條件

勘察期間，取地表水樣1組進行了水質簡分析試驗。根據試驗成果，河道內的地表水對混凝土不具腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有弱腐蝕性。

3.1.4 物理地質現象

工程區最大凍土深度0.60～0.67cm，無其他不良物理地質現象。

3.2 土巖數據

3.2.1 地質定義（標準地層）

地質定義（標準地層），如圖1所示。

圖1 地質定義（標準地層）

3.2.2 勘探布置（勘探線布置）

勘探布置（勘探線布置），如圖2所示。

圖2 勘探布置（勘探線布置）

其中，KTX-0為河堤軸線勘探剖面，KTX-1—KTX-8為垂直河堤軸線的勘探剖面。

3.2.3 地質勘探（鉆孔）

地質勘探（鉆孔）包括鉆孔概況、孔徑結構、地層巖性和界面、完整程度、風化程度、鉆遇構造、節理統計、水文試驗、試樣取樣、綜合測井、孔內試驗、孔內觀測。

3.2.4 試驗數據

試驗數據包括取樣試驗、原位試驗、地面試驗。工程涉及的原位試驗有標準貫入試驗、現場鉆孔注水試驗。

3.3 參考引用

DWG文件的參考，核心包括工程地質平面圖的參考、工程地質剖面圖的參考和設計邊界條件和范圍內容參考。DGN文件的參考，核心包括地形面Mesh參考，最終設計邊界、范圍、結構等參考。DWG文件的引用，核心包括工程地質平面圖的重要邊界、范圍的引用；工程地質剖面圖中重要部位地層巖性邊界條件和范圍的引用。DGN文件的引用，核心包括地形面引用，最終設計邊界、范圍、結構等引用。

3.4 分段建模

3.4.1 建模方式

雄安新區南拒馬河防洪治理工程（容城段）屬于河道治理工程，結合工程地質情況，需要建模的范圍屬于線狀模型。結合地質三維軟件GeoStation For City采用地層建模中的分段建模。本工程共計分13個區段，如圖3所示。

圖3 13個分區段

3.4.2 初始Mesh體創建

（1）參數設置。頂面高程默認為0，若有地形，程序會自動獲取地形的最高高程。建模厚度要求建模的初始地質體包含最大的鉆孔深度范圍。在進行初始地質體創建之前，需要劃定建模邊界，該邊界包含鉆孔且在地形范圍內，如圖4所示。

圖4 初始地質體邊界

（2）參數設置好后，選擇Shape或者Complex Shape面元素，再生成初始地質體，如圖5所示。

圖5 初始地質體線框模型

3.4.3 Mesh體細分及分割

（1）選中Mesh體，執行Mesh體分割功能，如圖6—7所示。

圖6 Mesh體細分效果

圖7 Mesh體分割界面

（2）可以指定勘察階段、工程區、勘探線、工程位置，左側列表框中會顯示所有在指定條件下的鉆孔編號。用戶只需將需要建模的鉆孔數據添加到右側列表框中即可。設定網格間距參數，包括X和Y方向上的網格間距。

（3）設置完成后，左鍵單擊即可完成觸發Mesh體功能，所劃分地層將被賦予地層單元地質屬性，如圖8所示。

圖8 經劃分后的地層三維模型

3.5 成果輸出

雄安新區南拒馬河防洪治理工程（容城段）河堤軸線剖面和15 m高程工程地質平切，分別如圖9—10所示。

圖9 雄安新區南拒馬河防洪治理工程（容城段）河堤軸線剖面

圖10 雄安新區南拒馬河防洪治理工程（容城段）15 m高程工程地質平切

4 結語

工程實踐表明，不同的建模方法適用于不同的地質模型，對于長線型的河道治理工程而言，這種分區段的建模方法可以在很大程度上節約資源、提高建模成功率和模型精度，并很好地適應建模完成后期的工程施工、工程監管等工程要求。