基于GEO5 的三維地質模型建立和應用研究

李 忠，張雪鋒

（黃河水利職業技術學院，河南 開封 475004）

0 引言

隨著經濟社會的發展和城市化進程的加快，城市地下空間開發利用成為當前和今后很多城市發展的必然選擇。 地下空間的開發利用與其所處的地質環境條件，如地質構造、地層巖性、水文地質條件、不良地質體等密切相關。 由于地質環境條件往往具有較大的各向異性和復雜性， 在進行地下空間開發利用時，若缺乏對地質環境條件的深刻把控，極易出現地下建筑物或結構失穩的現象。

目前， 勘察測繪技術的數據成果多以二維空間的形式來展示，二維空間的信息資料繁多，缺乏整體性和連續性， 不能直觀且科學地展示實際的地質環境條件［1-2］。三維地質建模技術是伴隨著計算機三維建模技術的不斷發展逐步產生和發展起來的。 隨著中國城市建設中的三維立體地質調查項目的啟動，城市三維地質模型的構建得到了穩步發展。

城市三維地質建模（3D Geosciences Modeling）是指運用計算機技術，在三維環境下，將城市空間信息管理、地質解釋、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， 并用于地質分析的技術。它通過適當的可視化方式，構建出能夠展現真實地質環境的模型。更重要的是，基于模型的數值模擬和空間分析， 能夠輔助用戶進行科學決策和規避風險［3-5］。本文以開封萬達廣場項目勘察數據為基礎， 基于GEO5 三維地質建模軟件， 采用“鉆孔+剖面”的混合方法，建立城市三維地質模型，并將導出的剖面圖與原始勘探數據進行對比， 驗證模型的可靠性， 以期為三維地質模型的應用提供參考。

1 三維地質建模的思路

三維地質建模技術可使地質體呈現連續的、有規律的、可視化的三維模型，能夠全面、準確地展現地質體的空間特性，為研究地層的空間分布情況、地質構造分布規律等地質條件提供直接、有效的方法。

1.1 建模方式

按照數據來源， 三維地質建模可以分為基于鉆孔數據、剖面數據、物探數據以及多源數據等的多種建模方式［6-9］。 鉆孔數據是地質建模最直接、最可靠的數據， 但是地下情況的復雜性和鉆孔數據的有限性，使得建模精度受限。

1.2 建模步驟

本文以南京庫侖公司的GEO5 軟件為建模平臺，以鉆孔資料為主要數據源，以平面地質圖和地形圖等其他地質資料及地質認識為補充數據源， 建立空間數據鉆孔建模的數據庫，構建地質剖面，生成三維地質模型，具體建模流程如圖1 所示。

2 開封萬達大宏廣場三維地質模型的建立

2.1 數據源

開封萬達廣場位于開封市新區，屬于黃河沖積、泛濫平原。 項目區面積約58 500 m2，場地地表地形稍有起伏。 勘探點間距控制在30 m 以內，按場地建筑物平面形狀均勻布置，重點控制建筑物周邊、角點及應力集中部位。本場地共布置勘探點143 個，其中鉆探孔95 個、靜探孔48 個，鉆孔深度為30～80 m。

圖1 三維地質模型建模流程Fig.1 Modeling process of 3D geological model

鉆探結果顯示，（1）～（7） 層為第四紀全新世Q4文化期以來中近期沉積的土， 為新近沉積土， 以粉沙、粉土、黏性土為主；（8）～（10）層為第四紀全新世Q4文化期以前沉積的土，為一般沉積土，以粉沙、粉質黏土、細沙為主。 場地初見地下水位埋深為2.0 m左右，穩定地下水位埋深為4.0～6.8 m，屬第四系松散巖類孔隙潛水。 地層簡要描述如下：

（1）粉沙。該層厚2.0～4.7 m，呈黃褐色，松散-稍密，上部局部存在1.0～2.0 m 的雜填土。

（2）粉土。該層厚1.5～3.0 m，呈灰褐色，稍密，黏粒含量高， 局部見灰褐色軟塑狀粉質黏土薄層或透鏡體。

（3）粉土。該層厚0.6～2.2 m，呈黃褐-灰褐色，稍密-中密，沙質含量高，局部見灰褐色粉沙薄層。

（4）黏土。該層厚0.4～2.8 m，呈黃褐-灰褐色，軟塑狀，局部夾有灰褐色粉土、粉質黏土薄層。

（5）粉土。該層厚1.6～5.5 m，呈灰褐-黃褐色，稍密-中密，局部夾有灰褐色軟塑狀粉質黏土薄層，干強度低，韌性低，無光澤反應，搖振反應迅速。

（6）粉質黏土。該層厚1.0～3.9 m，呈灰褐色，軟-可塑狀，局部夾有灰褐色粉土薄層。

（7）粉土。該層厚0.8～4.5 m，呈青灰色、黃褐色，稍密-中密。

（8）粉沙。 該層厚3.5～10.2 m，呈平黃褐-灰褐色，中密-密實。

（9）粉質黏土。該層厚0.0～1.8 m，平均層厚1.00 m，呈黃褐色，可塑狀，局部孔缺失該層。

（10）細沙。該層平均層厚為13.00 m，呈黃褐-褐黃色，密實，飽和。

2.2 建立三維地質模型的步驟

按圖1 所示流程，將整理好的地形、鉆孔數據錄入GEO5 地質建模軟件中， 應用混合建模法建立萬達廣場的三維地質模型。

2.2.1 地形建模

本文選取95 個地表坐標點來構建地形模型，場地地形點的分布如圖2 所示， 部分地形坐標如表1所示。

2.2.2 鉆孔數據處理

以開封萬達廣場項目勘探鉆孔數據為基礎，選取31 個鉆孔地質數據，其分布情況和地層巖性特征如圖3 所示。 在鉆孔數據中， 可能包含多種異常情況，因此，在建模前，需對數據進行質量檢查與預處理。 鉆孔地層的缺失或錄入錯誤等常見的異常情況會造成自動構模邏輯錯誤而不兼容， 其處理措施是對照原始數據，修改鉆孔數據。

圖2 項目區地形點分布圖Fig.2 Topographical point distribution of project area

表1 項目區部分地形坐標Tab.1 Topographical coordinates of project area

圖3 項目區鉆孔分布和地層巖性特征圖Fig.3 Drilling distribution and formation lithology of project area

2.2.3 二維剖面數據處理

以鉆孔數據為基礎， 構建了6 條覆蓋整個廣場的剖面，如圖4 所示。剖面數據處理最常見的問題為尖滅地層的處理。處理時，需要根據經驗選擇合適的尖滅位置，并手動添加該層的地層線。

2.2.4 建立三維地質模型

采用“鉆孔＋剖面”的混合建模方法，構建本場地的三維地質模型，如圖5 所示。 建模步驟為：先選擇構建的6 條剖面參與建模，整體控制模型；然后，選擇控制鉆孔，激活參與建模的鉆孔數據，并補充細節。

與傳統的二維地質剖面圖和斷面圖相比，三維地質模型以三維圖象的形式展現地質結構的真實形態、特征。 三維交互定位可用于模型的精確定位操作，可以用不同的顏色顯示各種地層，也可以從任意的角度來查看土質、土層厚度和連續情況，支持對三維地質模型的剖切，展示地下三維地質模型及地層分布變化的可視化效果。 三維地質模型的構建，除了直觀地對地層進行展示和分析外，還可以用于二維設計、三維有限元分析及地下空間開發和地面建筑規劃。

2.3 模型驗證

采用剖面比較法對所建模型進行驗證。 剖面比較法是通過比較原始勘探剖面和所建三維模型生成剖面的一致性來實現的。 圖6 為項目場地一原始勘探剖面圖，圖7 為同一位置三維模型導出的剖面圖。由圖6 和圖7 可知，兩者在地層劃分、尖滅巖層、地下水位等處理上，結果一致，但也存在一些差異，如第9 層粉質黏土厚度有變化。 變化原因可能是地質工作者在進行地質剖面圖繪制時， 多采用兩點定一線的規則行事，而在建立模型時，全過程都是以離散光滑插值法為基礎的， 為了在遵循各點之間的變化規律前提下，讓整個模型趨于圓滑，所以模型顯示結果與實際勘察資料略有不同。

圖4 項目區二維地質剖面圖Fig.4 2D geological profile of project area

圖5 項目區三維地質模型Fig.5 3D geological model of project area

圖6 原始勘探剖面圖Fig.6 Original exploration profile

圖7 模型導出剖面圖Fig.7 Derived section of model

3 結語

在城市地質勘查中，三維地質建模技術具有廣闊的應用前景。本文基于GEO5 三維地質建模軟件，采用“鉆孔+剖面”的混合建模方法，創建了開封萬達廣場的三維地質模型。 將原始勘探剖面圖與系統生成的剖面圖進行比較， 發現所建立的三維地質模型與原始數據有較高的吻合度，且能夠準確、客觀地反映研究區域內的地下地質條件及其情況。同時，利用該三維地質模型可以為后續分析工程地質條件、建筑場地選址、基坑開挖、支護結構等設計、計算工作奠定基礎。