基于數(shù)字地形模型的水利工程地質(zhì)勘察及施工

王 琛 金 凱

（青州水建工程建設(shè)有限公司，山東 青州 262500）

0 引言

在開展水利工程項(xiàng)目前，首先需要完成對其所在區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)情況的勘察，并在得到準(zhǔn)確勘察資料的基礎(chǔ)上，開展各項(xiàng)針對性的施工任務(wù)。因此，對于水利工程建設(shè)質(zhì)量而言，其地質(zhì)勘察的精準(zhǔn)度起到?jīng)Q定性的作用[1]。水利工程地質(zhì)勘察的主要內(nèi)容是對地形、地層、斷層等進(jìn)行勘察。這些勘察對象的模型構(gòu)建通常是對其表面以及實(shí)體建模。因此，需要構(gòu)建的模型是一個包含了表面和實(shí)體的混合型模型。通過對水利工程地形模型的建立能夠?qū)⒖辈斓玫降臄?shù)字信息以更直觀的方式展現(xiàn)，從而為后續(xù)水利工程施工方案的制定和實(shí)施提供重要基礎(chǔ)[2]。除此之外，水利工程地質(zhì)勘察工作還需要獲取更多的數(shù)據(jù)資源，包括地形、物探等多種數(shù)據(jù)類型。針對不同的勘察數(shù)據(jù)類型還需要對其進(jìn)行分類和整理，這一環(huán)節(jié)更需要一個符合勘察需要的模型作為支撐。當(dāng)前，在水利工程地質(zhì)勘察中應(yīng)用現(xiàn)有模型構(gòu)建方法，存在模型構(gòu)建精度低、無法實(shí)現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)資源的充分展現(xiàn)等問題，嚴(yán)重影響著地質(zhì)勘察工作的質(zhì)量，阻礙施工的進(jìn)行[3]。針對這一問題，嘗試引入數(shù)字地形模型，構(gòu)建水利工程地質(zhì)勘察及施工研究新體系。

1 基于數(shù)字地形模型構(gòu)建水利工程地質(zhì)勘察及施工研究新體系

1.1 水利工程地質(zhì)信息空間解析及三維預(yù)處理

為實(shí)現(xiàn)對水利工程地質(zhì)勘察數(shù)字地形模型的構(gòu)建，首先需要對獲取到的水利工程地質(zhì)信息進(jìn)行空間層面上的解析。根據(jù)地質(zhì)點(diǎn)記錄卡上的內(nèi)容，可實(shí)現(xiàn)對水利工程各個階段地質(zhì)變化情況的詳細(xì)掌握[4]。由于在勘察的過程中無法應(yīng)用過多重型勘探設(shè)備，只好依靠各個地質(zhì)點(diǎn)觀察得到所需的數(shù)據(jù)信息。盡管水利工程地質(zhì)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)為點(diǎn)信息，但通過多個點(diǎn)信息的變化及差異能夠?qū)崿F(xiàn)對整個空間展布情況的描述。在獲取各個勘察節(jié)點(diǎn)上的點(diǎn)信息后，根據(jù)對水利工程地質(zhì)勘察的不同目的，選擇相應(yīng)的處理方法[5]。

（1）針對地層界線上的地質(zhì)點(diǎn)，在對其進(jìn)行處理時，需要將相同層次結(jié)構(gòu)上的地質(zhì)點(diǎn)按照其坐標(biāo)以及產(chǎn)狀，以“V”字型形式進(jìn)行連接，并在平面圖上標(biāo)記出一條界線。

（2）針對斷層上的地質(zhì)點(diǎn)，需要按照上述處理方式獲取到該地層的界線，并進(jìn)一步根據(jù)地質(zhì)點(diǎn)觀察到的現(xiàn)象以及兩側(cè)巖層的具體情況，對斷層的性質(zhì)進(jìn)行判斷。

（3）針對泉點(diǎn)的處理，需要結(jié)合其具體出露的地理位置、性質(zhì)以及周圍水質(zhì)分析斷層的具體位置及是否存在滑坡等。

通過上述處理后，對各類地質(zhì)勘察信息綜合分析，并從客觀角度獲取空間構(gòu)造剖面數(shù)據(jù)，以此為后續(xù)數(shù)字地形模型的建立提供重要的數(shù)據(jù)源。對于野外勘察工作獲取到的地形數(shù)據(jù)，將其以柵格形式轉(zhuǎn)換，利用半自動的掃描數(shù)字設(shè)備對地形信息進(jìn)行數(shù)字化處理，并以此獲取到二維地形等高線圖[6]。再通過分批處理的方式對具有相同密度性質(zhì)的等高線賦予對應(yīng)屬性值，完成三維化處理。

1.2 基于數(shù)字地形模型建立水利工程地質(zhì)三維幾何模型

數(shù)字地形模型通常可以選擇三種建立形式，分別為等高線形式、規(guī)則格網(wǎng)形式和不規(guī)則三角網(wǎng)形式。在完成對水利工程地質(zhì)信息的三維預(yù)處理后，得到了等高線圖。因此，在構(gòu)建水利工程地質(zhì)三維幾何模型時，采用等高線形式的數(shù)字地形模型[7]。圖1為基于數(shù)字地形模型的水利工程地質(zhì)建模總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 基于數(shù)字地形模型的水利工程地質(zhì)建模總體結(jié)構(gòu)圖

在該結(jié)構(gòu)中集合建模是其核心部分，以地質(zhì)對象建模作為主線，分別從地形模型構(gòu)建和地質(zhì)結(jié)構(gòu)面模型構(gòu)建兩個路徑完成對子模型的構(gòu)建，并在最后通過映射形成地質(zhì)體模型。基于上述獲取的地形等高線圖，將其代入到TIN地形模型當(dāng)中，并利用NURBS實(shí)現(xiàn)對其簡化，從而得到整體地形輪廓的提升。將所有可以利用的原始地質(zhì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到二維地質(zhì)解析圖中，針對地質(zhì)面中的NURBS構(gòu)造按照標(biāo)準(zhǔn)劃分類型，最后再對地質(zhì)曲面整合完成對地質(zhì)結(jié)構(gòu)面模型的構(gòu)建。在建模的過程中，原始地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)分布范圍較廣，且不均勻，因此無法直接采用插值法或逼近法確定模型數(shù)據(jù)點(diǎn)。針對這一問題，采用將二者結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對模型中各個數(shù)據(jù)點(diǎn)的確定。假設(shè)在水利工程施工區(qū)域內(nèi)某一地質(zhì)曲面的原始數(shù)據(jù)集合為D，則分布均勻的子集為D′，剩余分布不均勻的子集為D′′。按照插值法完成對構(gòu)造曲面的建立，該曲面可用如下公式表示：

式中：

A——水利工程建設(shè)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的曲面數(shù)學(xué)地形模型；

X——在曲面結(jié)構(gòu)上的某一未知矢量數(shù)據(jù)；

B——均勻曲面子集合D′以及邊界條件形成的已知的標(biāo)準(zhǔn)矢量數(shù)據(jù)。

在確定曲面的數(shù)學(xué)模型后，再利用逼近法，根據(jù)給定的精度和控制點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)用NURBS函數(shù)對其進(jìn)行逼近擬合，以此得到精度符合數(shù)字地形模型精度標(biāo)準(zhǔn)且充分逼近不均勻分布的子集合D′′的擬合曲面，由兩種曲面構(gòu)成水利工程地質(zhì)三維幾何模型。

1.3 水利工程地質(zhì)勘察與施工一體化流程設(shè)計(jì)

在構(gòu)建的水利工程地質(zhì)三維幾何模型基礎(chǔ)上，結(jié)合大量工程實(shí)踐，對水利工程地質(zhì)勘察與施工一體化流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。在該流程運(yùn)行過程中，以水利工程地質(zhì)三維幾何模型作為中心，將地質(zhì)勘探、地質(zhì)解析、地質(zhì)剖面出圖等內(nèi)容關(guān)聯(lián)，為后續(xù)施工提供依據(jù)。在上述基礎(chǔ)上，建立水利工程周圍地質(zhì)中巖體質(zhì)量的分級模型，并在該模型中完成對基面開挖、基礎(chǔ)勘察信息處理、填挖量確定等工作。在完成上述工作后，對其進(jìn)行進(jìn)一步校核、優(yōu)化以及修改，以此為后續(xù)施工提供更直觀的信息和真實(shí)的三維地質(zhì)施工環(huán)境。圖2為水利工程地質(zhì)勘察與施工一體化流程示意圖。

圖2 水利工程地質(zhì)勘察與施工一體化流程示意圖

按照圖2所示的內(nèi)容完成整個水利工程地質(zhì)勘察與施工一體化流程。在實(shí)際應(yīng)用這一流程時，為了進(jìn)一步提高施工的穩(wěn)定性、可靠性，需要對水利工程地質(zhì)三維幾何模型與穩(wěn)定數(shù)值計(jì)算進(jìn)行耦合分析，并以此為三維地質(zhì)模型提供條件，確保穩(wěn)定計(jì)算的邊界條件能夠更符合實(shí)際水利工程的地質(zhì)情況。

1.4 基于地質(zhì)勘察結(jié)果的地基建設(shè)與防滲施工

為了進(jìn)一步提高水利工程施工的質(zhì)量和安全性，結(jié)合勘察過程中得到的勘察結(jié)果完成對施工現(xiàn)場的地基建設(shè)以及防滲處理。在水利工程建設(shè)項(xiàng)目中，地基的建設(shè)十分關(guān)鍵。在勘察結(jié)果的基礎(chǔ)上，能夠查明項(xiàng)目所在區(qū)域內(nèi)地層結(jié)構(gòu)以及埋藏的具體分布，以此作為基礎(chǔ)資料。在開展地基建設(shè)時需要完成相應(yīng)的技術(shù)處理工作，并嚴(yán)格按照水利工程建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)劃及要求，按照水利工程地質(zhì)三維幾何模型中表明的地腳線以及渠道連接線完成施工建設(shè)。在這一過程中，還需要嚴(yán)格配合其他各項(xiàng)工程以及運(yùn)行中的機(jī)械設(shè)備，配合完成對地基的挖掘施工。在水利工程地質(zhì)三維幾何模型的支撐下，地基中的土層內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠在最大限度上保證穩(wěn)定，從而確保土層當(dāng)中的水分能夠始終處于自然風(fēng)干的狀態(tài)，確保地基的穩(wěn)定。在施工過程中還需要完成對混凝土等施工材料的配制和混合工作，嚴(yán)格按照模型分析得出的比例對施工材料進(jìn)行合理配比，并選擇符合建設(shè)要求的混凝土翻拌技術(shù)，以此促進(jìn)施工密實(shí)度的進(jìn)一步提升，避免施工后出現(xiàn)滲漏問題，確保水利工程施工項(xiàng)目整體質(zhì)量和安全。

2 對比實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的引入數(shù)字地形模型的水利工程地質(zhì)勘察與施工方法的實(shí)際應(yīng)用效果，分別從勘察和具體施工角度對其應(yīng)用性能進(jìn)行分析。選擇以某地區(qū)正在開展的水利工程建設(shè)項(xiàng)目為例，已知該水利工程整體項(xiàng)目范圍涉及三個城市以及下屬的三個縣，并且該水庫已經(jīng)完成對灌溉閘的修建。整個水利工程項(xiàng)目輸水線路從東至西總長度為112.36km，采用明渠輸水的形式灌溉。將該地區(qū)以往獲取到的地質(zhì)勘察資料作為依據(jù)，分別利用本文提出的勘察方法和傳統(tǒng)基于DEM的建模勘察方法對該水利工程項(xiàng)目的勘察模型進(jìn)行構(gòu)建。對比兩個模型與真實(shí)地質(zhì)勘察資料之間的相似性，以此實(shí)現(xiàn)對模型精度的檢驗(yàn)。假設(shè)本文勘察方法得到的模型為實(shí)驗(yàn)組，基于DEM得到的模型為對照組。選擇以原始5m等高線數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，結(jié)合檢查點(diǎn)的驗(yàn)證思路，針對兩組勘察模型的精度進(jìn)行檢驗(yàn)，通過模型的精度能夠間接反應(yīng)勘察結(jié)果的精度。模型的精度以如下公示表示：

式中：

σ——模型的精度；

n——模型中包含的檢查點(diǎn)個數(shù)；

Rk——某一檢查點(diǎn)k位置上的原始高程數(shù)據(jù)；

Zk——某一檢查點(diǎn)k位置上的模型高程數(shù)據(jù)。

將上述公式作為依據(jù)，從兩組勘察模型中隨機(jī)選取5個檢查點(diǎn)，并按照上述公式計(jì)算出其精度，其結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對照組勘察模型精度對比

結(jié)合水利工程地質(zhì)勘察的需要，其勘察模型的精度應(yīng)當(dāng)在2.0~2.5標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，從表1中得出的數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)組模型上5個檢查點(diǎn)的精度均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，而對照組模型上5個檢查點(diǎn)的精度均小于標(biāo)準(zhǔn)范圍的最小限值。因此通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠證明，本文提出的地質(zhì)勘察與施工方法在勘察方面能夠具備更高精度的勘察條件。在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對施工方面的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，仍然選擇以上述水利工程建設(shè)項(xiàng)目為例，利用本文提出的施工方法對該工程項(xiàng)目進(jìn)行施工，并選擇將防滲效果作為評價指標(biāo)，對完成施工后水利工程水庫堤壩的滲流量進(jìn)行記錄，并對比施工前與施工后的滲流量，其計(jì)算公式為：

式中：

W——水庫堤壩上的滲流量；

s——水庫堤壩縫隙中流出的水量；

t——記錄的時間范圍。

針對施工前后該水利工程中四個水庫量水堰的滲流量進(jìn)行記錄，并繪制成如圖3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖。

從圖3兩條滲流量變化曲線可以看出，施工前各個量水堰的滲流量均超過1.4L/s，施工后各個量水堰的滲流量均小于或等于0.8L/s，各個量水堰滲流量均明顯減少。因此，通過上述得出的施工結(jié)果可以看出，應(yīng)用本文構(gòu)建模型下的施工思路完成對該水利工程建設(shè)項(xiàng)目的施工能夠確保滲流量得到有效降低，提高施工整體質(zhì)量。綜合上述實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于數(shù)字地形模型的勘察及施工方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效提高地質(zhì)勘察工作的精度，并促進(jìn)后續(xù)施工質(zhì)量的提升，實(shí)現(xiàn)對滲流量的有效控制，確保水利工程整體建設(shè)項(xiàng)目的安全。

圖3 施工前后水庫量水堰滲流量變化圖

3 結(jié)束語

水利工程與其他工程項(xiàng)目相比，所處地理位置的地質(zhì)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，且形態(tài)多變，因此無論是勘察還是施工難度都明顯提升，針對水利工程施工區(qū)域開展地質(zhì)勘察具有十分重要的意義。基于此，本文通過引入數(shù)字地形模型技術(shù)，提出了一種全新的水利工程地質(zhì)勘察及施工方法，并通過實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證了該方法的可行性和應(yīng)用優(yōu)勢。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，引入數(shù)字地形模型構(gòu)建思路后，實(shí)現(xiàn)了對地質(zhì)勘察模型的簡化，并實(shí)現(xiàn)了對更多的控制勘察數(shù)據(jù)的可視化顯示，滿足了多方面的要求，同時也為施工方案的設(shè)計(jì)和具體實(shí)施提供了重要的依據(jù)。