GMS在巖土工程勘察中三維地層建模與可視化應(yīng)用

朱和保

（安徽工程勘察院，安徽 合肥 230011）

GMS（groundwater modeling system）是 由 美 國(guó)Brigham Young University環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)軍隊(duì)排水工程試 驗(yàn) 工 作 站 在 綜 合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有地下水模擬軟件的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的用于地下水模擬的綜合性圖形界面軟件。其圖形界面由下拉菜單、編輯條、常用模塊、工具欄、快捷鍵和幫助條6個(gè)部分組成，使用便捷。由于GMS軟件具有良好的使用界面，強(qiáng)大的前處理、后處理功能及優(yōu)良的三維可視效果，目前已成為國(guó)際上最受歡迎的地下水模擬軟件[1]。

1 GMS軟件的選擇

GMS軟件功能模塊非常多,涵括了地下水流、溶質(zhì)運(yùn)移擬、反應(yīng)運(yùn)移多種模擬組件，同時(shí)在鉆孔數(shù)據(jù)管理、空間地質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等方面也具有很好操作性、便攜性。采用GMS軟件建立模型的方法一般有網(wǎng)格法、solids法及概念模型法。概念模型法除常用方式之外，根據(jù)需要，還能夠先采用特征體（包括點(diǎn)、曲線和多邊形）來(lái)表示模型的邊界或不同的參數(shù)區(qū)域生成網(wǎng)格，再通過(guò)模型轉(zhuǎn)換將特征體上的所有數(shù)據(jù)一次性轉(zhuǎn)換到網(wǎng)格相應(yīng)的單元和結(jié)點(diǎn)上。相對(duì)于要求對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行編輯網(wǎng)格化方式，概念化方式可以對(duì)實(shí)體直接編輯，并且以文件形式來(lái)輸入、處理大部分?jǐn)?shù)據(jù)更加方便迅速[2]。和概念模型法、網(wǎng)格法相比較，solids建模方法具有的優(yōu)勢(shì)在于描述地層宏觀上相對(duì)復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)時(shí)，具有更好的準(zhǔn)確性。

2 三維工程地質(zhì)地層可視化模型建立

2.1 項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)概況

項(xiàng)目區(qū)地處沿江丘陵平原，區(qū)域地勢(shì)起伏較大，高程變化36.54～48.83之間。微地貌類(lèi)型主要為河漫灘和崗坡地。項(xiàng)目區(qū)處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)下?lián)P子臺(tái)坳沿江拱斷褶帶之安慶凹斷褶帶內(nèi)，三疊紀(jì)末的印支運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致蓋層全面褶皺，并有燕山期新生北東向和南北向斷裂。根據(jù)勘察資料，項(xiàng)目區(qū)分布的地層主要有填土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)粘土夾砂礫等，巖石巖性主要為紫紅、棕紅色厚層砂巖、粗粒砂巖、細(xì)粒砂巖互層，夾灰白色薄層長(zhǎng)石砂巖等。

2.2 資料收集

本次工作收集的材料包括項(xiàng)目區(qū)內(nèi)鉆孔柱狀圖、各類(lèi)地質(zhì)報(bào)告及地質(zhì)圖、剖面圖等資料，為建立模型提供基礎(chǔ)資料。

首先，按照GMS軟件可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，將整理好的鉆孔資料匯總處理。首先根據(jù)地層特征，對(duì)照鉆孔野外記錄表，準(zhǔn)確地將各個(gè)地層劃分出來(lái)，統(tǒng)計(jì)出每一個(gè)鉆孔分層標(biāo)高值，然后對(duì)相應(yīng)地層按序編號(hào)。每個(gè)鉆孔需要統(tǒng)計(jì)的地層信息包括：鉆孔孔號(hào)、巖性編號(hào)和層序編號(hào)、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、高程Z值。

2.3 模型建立

把項(xiàng)目區(qū)AutoCAD格式的地質(zhì)底圖導(dǎo)入到GMS中，進(jìn)行相應(yīng)處理，形成邊界，然后把前面處理優(yōu)化后的地層格式數(shù)據(jù)，按相應(yīng)步驟導(dǎo)入到GMS軟件模塊中，GMS軟件根據(jù)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)生成Borehole Data模塊，同時(shí)相應(yīng)坐標(biāo)系會(huì)根據(jù)邊界條件建立起來(lái)（圖1）。

圖1 鉆孔平面位置圖

在軟件中菜單欄中選擇Edit→Materials，根據(jù)實(shí)際地層層數(shù)，建立4個(gè)Material層，每個(gè)Material層與實(shí)際地層每一層的巖性相對(duì)應(yīng)，每一種顏色代表一種巖性，a紅代表雜填土，b藍(lán)代表淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，c黃代表粉質(zhì)粘土，d綠代表粉質(zhì)黏土夾卵礫石（圖2）。

在導(dǎo)入底圖后MAP模塊中確定項(xiàng)目區(qū)邊界，再通過(guò)這些這些定位邊界，生成TINs，然后在菜單欄Borehole模塊中選擇Horizons->Solid命令，利用鉆孔數(shù)據(jù)，軟件會(huì)采用相應(yīng)方法進(jìn)行插值，生成相應(yīng)的地質(zhì)實(shí)體，此時(shí)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型會(huì)逐步被建立起來(lái)（見(jiàn)圖3）。與此同時(shí)，我們還可以根據(jù)需要，利用Solid模塊來(lái)分離和組合不同的地質(zhì)層，還能通過(guò)旋轉(zhuǎn)、建立剖面線，查看各剖面上地層的分布情況，從不同角度、不同部位查看地層分布情況（見(jiàn)圖4）。

建立好項(xiàng)目區(qū)的地質(zhì)三維可視化模型后，為了提高模型的準(zhǔn)確度，我們需要進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，使得模型與實(shí)際地層更加的相符一致，讓其在實(shí)際勘察項(xiàng)目中起到更好的指導(dǎo)作用。鉆孔DK10未作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參與模型建立，此次便利用DK10孔實(shí)際鉆探數(shù)據(jù)，同鉆孔相同位置的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，加以驗(yàn)證。首先點(diǎn)擊菜單欄Plan View按鈕，該視圖下在模型中使用工具欄按鈕Create Borehole，根據(jù)鉆孔坐標(biāo)確定DK10孔在模型中的位置。在Solid狀態(tài)下，模型將自動(dòng)生成鉆孔，同時(shí)還會(huì)賦予鉆孔相應(yīng)巖性，進(jìn)行分層。利用菜單欄SelectBorehole，找到DK10鉆孔所處位置，查看模型中DK10鉆孔的分層屬性，并和鉆孔實(shí)際的鉆探分層結(jié)果相比較，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1，由此可以看出實(shí)際鉆孔鉆探分層結(jié)果與預(yù)測(cè)模型鉆孔分層結(jié)果相符度。

由表1可以看出實(shí)際鉆孔鉆探分層結(jié)果與預(yù)測(cè)模型鉆孔分層結(jié)果相符度較高，在實(shí)際工作中能起到很好參照和預(yù)測(cè)作用。

圖2 鉆孔柱狀顯示圖

圖3 鉆孔柱狀顯示圖

圖4 三維地層模型縱剖面圖

表1 實(shí)際鉆孔分層與預(yù)測(cè)模型鉆孔分層對(duì)比表

2.4 三維地層可視化模型預(yù)測(cè)結(jié)果分析

從上至下，項(xiàng)目區(qū)的地層主要分布有較厚松散-稍密雜填土、軟塑或流塑狀態(tài)的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、硬塑狀態(tài)的黏土及粉質(zhì)黏土夾礫石。從圖3、圖4中可以看出，整個(gè)場(chǎng)地地形呈現(xiàn)西部高、東部偏低走勢(shì)，各土層分布較為均勻，主要是中壓縮性、高壓縮性土。

其中雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土工程性質(zhì)較差，不宜作為地基持力層，粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾礫石層呈現(xiàn)工程性質(zhì)良好，可作為地基持力層，適宜進(jìn)行工程建設(shè)。

由于本項(xiàng)目存在地下污水處理設(shè)施，考慮到對(duì)地下水環(huán)境的影響，所以對(duì)于污水處理設(shè)施選址尤為關(guān)鍵。項(xiàng)目區(qū)主要賦存2層地下水，即填土與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中潛水含水層與粉質(zhì)黏土夾礫石層中的弱承壓水含水層。結(jié)合圖3、圖可見(jiàn)，粉質(zhì)黏土層為潛水含水與弱承壓水含水層之間良好相對(duì)隔水層，分布較為連續(xù)，但呈現(xiàn)東厚西薄趨勢(shì)。正常情況下潛水含水層與下層承壓水含水層無(wú)水力聯(lián)系。但是項(xiàng)目區(qū)西部粉質(zhì)黏土相對(duì)較薄，存在兩層地下水相互產(chǎn)生水力聯(lián)系的風(fēng)險(xiǎn)，因此地下水污水處理設(shè)施宜選址于項(xiàng)目區(qū)東部。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）地質(zhì)三維可視化建模技術(shù)在工程地質(zhì)勘察中的有效應(yīng)用，以鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)可以構(gòu)建出三維地質(zhì)模型，使得項(xiàng)目區(qū)的地層分布更為直觀和形象，不僅可以滿足項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)、施工和管理的需要，還可以根據(jù)項(xiàng)目需要以任何角度查看地層延展、發(fā)育情況，還能對(duì)任何地方進(jìn)行切割，形成剖面，查看該處剖面地層分布情況。因此構(gòu)建三維地質(zhì)模型，對(duì)地層構(gòu)成、發(fā)育會(huì)有更清晰的認(rèn)識(shí)和判斷，為后面的工程設(shè)計(jì)施工具有積極參考意義。

（2）從建立的三維地層可視化模型中可以看出，實(shí)際鉆孔鉆探分層結(jié)果與預(yù)測(cè)模型鉆孔分層結(jié)果相符度較高，粉質(zhì)黏土層為潛水含水與弱承壓水含水層之間良好相對(duì)隔水層，呈現(xiàn)東厚西薄趨勢(shì)，分布較為連續(xù)，由于項(xiàng)目區(qū)西部粉質(zhì)黏土相對(duì)較薄，存在兩層地下水相互產(chǎn)生水力聯(lián)系的風(fēng)險(xiǎn)，因此地下水污水處理設(shè)施宜選址于項(xiàng)目區(qū)東部。

（3）模型的準(zhǔn)確度和所使用的鉆孔數(shù)據(jù)多少、分布情況有很大關(guān)聯(lián)，如果利用較多且分布較為均勻的鉆孔數(shù)據(jù)，將會(huì)使建立的三維可視化模型更加符合實(shí)際地層，相反使用鉆孔數(shù)據(jù)過(guò)少，且分布不均勻，那么模型自動(dòng)插值計(jì)算的精準(zhǔn)度會(huì)大大降低，造成模型與實(shí)際地層存在較大誤差。