ItasCAD三維地質模型在黃土塌岸預測中的應用

牛貝貝 戴 雪

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

近年來BIM越來越高頻地出現在建筑工程行業與水利工程行業工作人員的視野，其為工程技術領域所提供的可視化、模擬性、可出圖性等改變可以說是對工程技術行業的一次技術革新，隨著BIM技術在建筑、水利工程行業的快速推廣應用，BIM技術越來越得到業界的廣泛認可，尤其是在水利工程勘察設計領域，該技術越來越多地被應用于勘察設計的全階段中，力求為業主的高效決策和工程的合理優化提供基礎依據。ItasCAD軟件便是基于互聯網和云技術，通過數據庫、三維地質建模與數據處理、應用與成果輸出三大模塊建立的針對巖土地質體的專業性BIM平臺[1-2]。ItasCAD軟件可以外業地質工作中采集到的各類數據為基礎，建立起既包含地質體空間幾何形態特征，又包含巖土工程分析和設計所需信息屬性的三維地質模型，可在平臺中實現二維地質圖件的生成、巖土體專題問題的分析、巖土工程設計等應用[3]。而通過三維地質建模對黃土塌岸這一水利工程中常遇到的專業問題進行分析預測，在實際應用中有著準確、快捷、高效等優勢[4]。本文以甘肅省劉李河水庫近壩庫岸段右岸為例，具體介紹基于ItasCAD三維地質建模在庫區黃土塌岸預測中的應用，以及與傳統計算方法的比較。

1 工程概況

劉李河水庫位于甘肅省涇川縣境內的劉李河上(洪河一級支流，涇河二級支流)，壩址距離涇川縣城約30km，位于涇川縣與鎮原縣交界處。劉李河水庫的開發任務為農村生活供水和灌溉。水庫規劃正常蓄水位1116.00m，規劃總庫容為329.8萬m3，水庫為Ⅳ等小(1)型工程。由于水庫位于典型黃土高原溝壑區，水庫蓄水后黃土岸坡將可能面臨大量的黃土塌岸問題。

2 水庫區基本地質條件

2.1 地形地貌

劉李河水庫位于涇川縣境內劉李河干流上，為典型黃土高原溝壑區，區內地形起伏，溝谷密布，岸坡傾斜近陡立。黃土塬、梁、峁等黃土地貌發育。劉李河河床寬20～50m，水面較窄，一般為1～5m不等，局部較寬。河谷由下部河槽、中部階地和上部兩側谷坡組成，河道平均比降18‰，河谷切深達130多m。水庫近壩庫岸段回水位約為1117m，回水總長度約3.7km。河流總體流向由西向東，在慶陽市境內流入洪河。從地貌形態看，庫區河谷主要呈不對稱的“U”形，河床兩側不對稱發育，有漫灘和Ⅰ、Ⅱ級階地，見圖1。

圖1 劉李河水庫庫區地形地貌

河谷凸岸多發育河漫灘及階地，地形平緩，谷坡坡度一般小于20°；河谷凹岸岸坡較陡，谷坡坡度一般大于30°。河谷兩岸多為黃土覆蓋，基巖多在河槽及溝谷深切地段出露，黃土岸坡高陡，地形起伏較大，岸坡受雨水沖刷侵蝕切割較強烈，完整性差，沖溝發育，高陡岸坡伴有基巖崩塌和黃土崩塌現象發生。

2.2 地層巖性

庫區出露地層較簡單，主要有白堊系泥巖、砂巖和第四系堆積層，現分述如下。

2.2.1 白堊系(K)

下白堊統志丹群涇川組(K1j)：該層為第四系地層的基底，巖性主要為紫紅色、青灰色泥巖、砂質泥巖與灰黃色、橘紅色、青灰色砂巖不等厚互層，近水平狀產出，傾向差異較大，傾角一般為3°～15°。出露在河流中下游河槽及溝谷下部。

2.2.2 第四系(Q)

第四系地層在庫區廣泛分布，主要發育黃土，其次為河流沖積層，按其時代與成因對主要地層分述如下：

中更新統離石黃土(Q2l)：一般伏于Q3m馬蘭黃土層之下，淺黃、淺棕黃色，無層理，具柱狀節理，稍有大孔，堅硬密實，含鈣質結核，夾粗顆粒物質及巖石碎屑。該層底部發育一層砂礫石或砂層，在庫區中下游階地上部廣泛出露。

上更新統馬蘭黃土(Q3m)：灰黃色、淺黃色為主。土質均勻，具大孔，垂直節理發育，具點狀鈣質結核，伴有植物根系、蟲孔及鹽斑。廣泛覆蓋于黃土塬梁峁及階地頂部。

2.3 近壩庫岸段岸坡類型

近壩庫岸段為黃土—基巖庫岸，即為黃土和基巖的雙層結構，下部為基巖，多分布于河槽與深切溝谷的下部，上部為黃土，多分布于河槽頂部與河谷中上部。近壩庫岸段岸坡基本呈陡立狀，天然狀態下岸坡穩定。水庫蓄水后，近壩庫岸段正常蓄水位高于基巖面，岸坡上部的黃土受庫水位影響存在塌岸問題。

3 傳統方法預測黃土塌岸

近壩庫岸段右岸的正常蓄水位高于基巖面，岸坡均存在黃土塌岸問題，采用兩段圖解法(計算示意圖見圖2)對近壩庫岸段右岸250m范圍內的塌岸寬度和塌岸量進行計算和分析預測。

圖2 劉李河水庫兩段法塌岸計算示意

水下淺灘坡角(α)的大小不僅與巖性有關，還與浪高有關。三門峽水庫黏性土層水下淺灘坡角(α)實測值為4.5°～7.5°。劉李河庫區近壩庫岸段塌岸現象主要發生在少量Q2l離石黃土和大量Q3m馬蘭黃土庫岸段，其土層較致密，質地較堅硬。本次塌岸預測參考三門峽水庫取值，水下淺灘坡角α取7°，水上穩定坡角β取65°，以此確定塌岸寬度、塌岸范圍及塌岸量。

采用平行斷面法(斷面間距為25m)對劉李河水庫近壩庫岸段右岸250m范圍內的塌岸進行分析預測，結果顯示該段塌岸寬度為64.12～141.95m，塌岸量約為13.54萬m3。

4 三維地質建模預測黃土塌岸

4.1 三維地質建模

塌岸三維地質模型的建立主要基于地表面、回水面、水下淺灘坡面和水上穩定坡面。地表面模型的建立基于地形線(等高線)，地表面模型的精度也取決于地形線(等高線)的測量精度。將所需格式的地形線(等高線)文件導入ItasCAD軟件，ItasCAD軟件可識別所有地形線(等高線)的坐標屬性和高程屬性，并可從地形線(等高線)中提取出若干等高點。將在ItasCAD軟件中新建的一個平面通過點集約束的方式約束至從地形線(等高線)中提取的等高點上，再通過若干次網格加密和離散光滑插值的運算，便可完成地表面的建模。

回水面、水下淺灘坡面和水上穩定坡面的建立均采用線與產狀的方式，例如：回水面須將回水線導入ItasCAD軟件，再結合產狀(傾向和傾角)便可生成回水面,回水面僅作為三維模型建立的輔助面；水下淺灘坡面則是依靠導入ItasCAD軟件中的基巖覆蓋層分界線結合產狀生成；建立水上穩定坡面前，須先由回水面和水下淺灘坡面生成兩個面的交線，水上穩定坡面就是依靠此交線結合產狀生成。建成后的塌岸三維地質模型各主要面如圖3所示。

圖3 建成后的塌岸三維地質模型各主要面

在塌岸三維地質模型各主要面全部建模完成后，可通過對地表面、水下淺灘坡面和水上穩定坡面等3個主要面采用面分割的方式創建立方網，該立方網中地表面、水下淺灘坡面和水上穩定坡面等3個主要面所包圍的區域即為黃土塌岸區域。建成后的三維塌岸模型如圖4所示。

圖4 建成后的塌岸三維地質模型

4.2 黃土塌岸預測

在已建成的塌岸三維地質模型中，可直接在三維地質模型上量測該段任意位置的塌岸寬度，較為直觀地查看塌岸范圍、塌岸區域等，通過查詢立方網區域的相關屬性可得到黃土塌岸區域的體積，區域的體積及相關數據通過ItasCAD軟件導出為電子表格，便于數據的分析與整理。查詢結果顯示該段塌岸寬度為60.36～149.53m，塌岸量約為13.27萬m3。結果與采用傳統方法預測的塌岸寬度和塌岸量較為接近。另外，已建成的塌岸三維地質模型還可直接生成范圍內任意剖面的剖面圖，便于地質附圖的整理與地質成果的輸出。

5 結 語

通過采用三維地質模型和傳統方法分別對同一庫岸段黃土塌岸進行預測，可對比得出以下結論：

a.兩種方法的計算原理基本相同，都以基本的地質勘察數據為基礎，傳統平行斷面法以部分平行斷面來預測塌岸范圍具有一定的局限性，而三維地質模型方法相當于建立了連續的全部平行斷面，通過對三維地質模型進行屬性查詢便可得到塌岸寬度、塌岸量，同時可直觀查看塌岸區域。相比較而言，三維地質模型的預測方式更為簡便、全面且高效。

b.兩種方法對塌岸預測結果相近，表明基于三維地質模型對黃土塌岸的預測是可靠和有效的，可用于對傳統方法預測的輔助和校核。

c.目前國內還沒有利用ItasCAD軟件進行三維地質建模來預測黃土塌岸的先例，該方法在黃土塌岸預測中的應用還需不斷探索。

d.三維地質建模是未來地質工作發展的趨勢與方向，借助于三維地質模型可大大促進地質工作的信息化、數字化和可視化，使得未來的地質工作更加高效、生動與便捷。

e.本文采用三維地質建模的方法僅對近壩庫岸段的黃土塌岸進行了分析預測，對于庫區以至流域內的黃土塌岸預測還需進一步采用更加全面且系統的方法進行深入研究。