抽水蓄能電站三維地質(zhì)建模研究與應(yīng)用

摘要：隨著三維地質(zhì)建模的不斷應(yīng)用，抽水蓄能電站數(shù)字化需求不斷提高，常規(guī)的建模方法無(wú)法滿(mǎn)足高精度的地質(zhì)分析需求。通過(guò)地質(zhì)信息三維可視化系統(tǒng)（ItasCAD），建立工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)不同條件的地質(zhì)對(duì)象采用多種實(shí)用的幾何建模方法，分別實(shí)現(xiàn)了阜康、鎮(zhèn)安抽水蓄能電站三維地質(zhì)建模、巖體質(zhì)量分級(jí)、模型的任意剖切及符合工程規(guī)范的二維出圖等應(yīng)用成果，可以進(jìn)行與工程設(shè)計(jì)密切相關(guān)的三維可視化分析，對(duì)抽水蓄能電站工程數(shù)字化建設(shè)具有參考意義。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站； 三維地質(zhì)建模； ItasCAD； 數(shù)據(jù)庫(kù)； 可視化分析

中圖法分類(lèi)號(hào)：P642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.04.010 文章編號(hào)：1006-0081（2025）04-0052-05

0 引 言

深入認(rèn)識(shí)區(qū)域工程地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)工程建設(shè)有重要意義。三維地質(zhì)建模不僅能彌補(bǔ)傳統(tǒng)地質(zhì)勘察的不足，更能直觀、完整、準(zhǔn)確地展示立體的空間形態(tài)，有利于科學(xué)引導(dǎo)工程建設(shè)［1-3］。通過(guò)人工獲取相關(guān)工程數(shù)據(jù)，運(yùn)用三維工具來(lái)實(shí)現(xiàn)模型的虛擬創(chuàng)建、修改、完善、分析等一系列數(shù)字化操作，建立三維數(shù)字模型，可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的三維直觀展現(xiàn)，同時(shí)具備空間數(shù)據(jù)處理和工程分析能力，為可視化分析和工程設(shè)計(jì)提供有效的支持［4-5］。

抽水蓄能電站工程地質(zhì)勘察普遍采用地質(zhì)測(cè)繪、建筑物所在部位相對(duì)密集的勘探（鉆孔、平硐等）以及相應(yīng)的地質(zhì)編錄和試驗(yàn)、物探測(cè)試等，這些手段獲取的基本信息都用于評(píng)價(jià)巖體工程可用性和潛在問(wèn)題，也需要在三維模型中充分體現(xiàn)。抽水蓄能電站工程場(chǎng)址區(qū)地形高陡、地質(zhì)條件復(fù)雜，建模不僅需要推測(cè)，更重要的是需要在滿(mǎn)足局部條件基礎(chǔ)上進(jìn)行推測(cè)，相對(duì)難以掌控。抽水蓄能工程地質(zhì)勘察工作目標(biāo)可以歸結(jié)為地質(zhì)界面代表的地質(zhì)單元體（分區(qū)）邊界和重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的巖體力學(xué)參數(shù)值2個(gè)方面。三維建模可能遇到的困難來(lái)源于3個(gè)方面：① 資料來(lái)源多樣性和不均勻性；② 行業(yè)要求不一致；③ 工程環(huán)境和地質(zhì)現(xiàn)象較復(fù)雜。

目前國(guó)內(nèi)外在工程地質(zhì)信息三維可視化與分析方面開(kāi)展了一些應(yīng)用研究，并取得了一定的成果［6］，但對(duì)于更復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和更高精度的地質(zhì)分析需求，以及地質(zhì)信息規(guī)范存儲(chǔ)、管理和高效應(yīng)用方面存在一定的局限［7-9］。本文結(jié)合抽水蓄能電站工程地質(zhì)實(shí)際需求，采用地質(zhì)三維可視化系統(tǒng)ItasCAD，通過(guò)國(guó)內(nèi)在建大型抽水蓄能電站地質(zhì)三維可視化的應(yīng)用，以網(wǎng)絡(luò)化的工作方式實(shí)現(xiàn)了勘察、分析和設(shè)計(jì)一體化的目標(biāo)，滿(mǎn)足在三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上開(kāi)展分析和設(shè)計(jì)，為工程建設(shè)中地質(zhì)模型數(shù)字化應(yīng)用提供參考。

1 ItasCAD軟件介紹

ItasCAD是由依泰斯卡（武漢）工程咨詢(xún)有限公司開(kāi)發(fā)的三維地質(zhì)建模與分析軟件，利用離散光滑插值（discrete smooth interpolation，DSI）技術(shù)建立三維地質(zhì)模型，具有操作簡(jiǎn)單實(shí)用、快速建模的特點(diǎn)。ItasCAD具有多種數(shù)據(jù)接口，可以與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，且擁有獨(dú)立的底層圖形平臺(tái)，可以根據(jù)需要開(kāi)發(fā)各種三維可視化效果，方便直觀展示區(qū)域工程地質(zhì)問(wèn)題。

ItasCAD提供三維非連續(xù)和多值性復(fù)雜地質(zhì)模型的快速構(gòu)建（比如斷層、透鏡體）以及通過(guò)各種約束工具進(jìn)行地質(zhì)界面的構(gòu)建和編輯，針對(duì)地質(zhì)工作特點(diǎn)定制開(kāi)發(fā)了單一層面、覆蓋層、斷層錯(cuò)斷、透鏡體及二維工作面等5個(gè)建模“集成工作流”，以向?qū)Х绞酵瓿赡Ｐ蜆?gòu)建和編輯。集成工作流的操作方式能利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)方便快捷地建立三維地質(zhì)模型，從而避免盲目準(zhǔn)備建模數(shù)據(jù)，降低了三維建模軟件的應(yīng)用難度。

2 三維地質(zhì)建模研究

在三維地質(zhì)建模時(shí)，首先將數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ItasCAD，根據(jù)實(shí)際建模需要選擇相應(yīng)的集成建模工作流，將數(shù)據(jù)庫(kù)中所定義的地質(zhì)界面（如地層界面、風(fēng)化界面等）作為建模約束條件，采用DSI技術(shù)對(duì)層面進(jìn)行擬合，構(gòu)建三維地質(zhì)模型。該建模過(guò)程以地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)來(lái)源，隨著勘探工作和地質(zhì)人員認(rèn)識(shí)的不斷推進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型的不斷調(diào)整和及時(shí)更新，保證了地質(zhì)模型的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。完成地質(zhì)三維建模，之后在二維工作面中可以實(shí)現(xiàn)剖面的局部調(diào)整，其結(jié)果自動(dòng)反映在三維空間，即二維驅(qū)動(dòng)三維模型，方便三維模型的校驗(yàn)和修改，如圖1所示。

2.1 工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)

為構(gòu)建精確的三維地質(zhì)數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)工程勘察、分析、設(shè)計(jì)一體化，建立完善的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)可以大大提高工程地質(zhì)內(nèi)業(yè)整理的效率，而且是建模和模型應(yīng)用的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到模型的精度和質(zhì)量［10-11］。

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)是管理地質(zhì)信息和實(shí)現(xiàn)三維可視化的基礎(chǔ)，包括工程資源管理模塊和文件管理模塊，涵蓋地質(zhì)、勘探、物探和試驗(yàn)等資料。在數(shù)據(jù)庫(kù)中可以對(duì)不同工程、階段、部位的對(duì)象進(jìn)行查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)，有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和維護(hù)。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)思路及應(yīng)用流程如圖2所示。

登錄地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立工程并設(shè)置工程參數(shù)（地層、巖性、結(jié)構(gòu)面編號(hào)、結(jié)構(gòu)面類(lèi)型及填充類(lèi)型等），根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)格式要求和三維地質(zhì)建模需要，錄入不同階段不同部位的鉆孔、平硐以及試驗(yàn)等基本信息，建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。將鉆孔和平硐勘探數(shù)據(jù)入庫(kù)之后，利用“導(dǎo)入至ItasCAD”功能，實(shí)現(xiàn)鉆孔和平硐的三維可視化顯示和勘探數(shù)據(jù)的入庫(kù)檢驗(yàn)，并運(yùn)用到三維地質(zhì)建模過(guò)程中。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)不僅具備傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、查詢(xún)統(tǒng)計(jì)等功能，而且可以生成鉆孔柱狀圖和節(jié)理玫瑰花圖，可為地質(zhì)三維建模和分析輸出數(shù)據(jù)格式。

2.2 建模方法

抽水蓄能工程地質(zhì)勘察工作目標(biāo)可以歸結(jié)為2個(gè)方面：地質(zhì)界面代表的地質(zhì)單元體（分區(qū)）邊界以及重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的巖體力學(xué)參數(shù)值。從三維地質(zhì)建模和應(yīng)用角度，分為地質(zhì)體的幾何模型和屬性模型。深切河谷地區(qū)復(fù)雜地形條件下岸坡松散巖體（覆蓋層）、河床覆蓋層、基巖強(qiáng)弱風(fēng)化界面、卸荷帶是水電行業(yè)常見(jiàn)的地質(zhì)對(duì)象，結(jié)合鉆孔、平硐和物探方法并根據(jù)地質(zhì)工程師的經(jīng)驗(yàn)推測(cè)地質(zhì)對(duì)象界面，針對(duì)不同條件的地質(zhì)對(duì)象建立多種實(shí)用又快速的幾何建模方法，選取相適應(yīng)的界面建模方法不僅可以快速有效地建立模型界面，而且建模質(zhì)量較高。根據(jù)抽水蓄能電站地質(zhì)對(duì)象的特點(diǎn)，本文主要采用以下建模方法建立幾何模型。

（1） 中值面插值計(jì)算法。通過(guò)ItasCAD選擇點(diǎn)集生成中值面，以該點(diǎn)集作為約束進(jìn)行DSI離散光滑插值計(jì)算。此方法主要用于簡(jiǎn)單界面的建立，如地形面、卸荷界面、透水界面、地下水等，可以在插值計(jì)算過(guò)程中逐步加密，重復(fù)插值計(jì)算，根據(jù)工程需要及建筑物分布，具有稀疏有章、網(wǎng)格質(zhì)量高、存儲(chǔ)空間利用合理、可視化效率高等優(yōu)勢(shì)。

（2） 工作流程法。ItasCAD針對(duì)地質(zhì)工作特點(diǎn)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的覆蓋層、單一界面、斷層錯(cuò)斷、透鏡體及二維工作面等5個(gè)建模“集成工作流”，還有一些極端情況，如針對(duì)資料極其缺乏或者特別復(fù)雜的土層等情況，以向?qū)Х绞揭龑?dǎo)用戶(hù)完成模型構(gòu)建和修正，大大降低了三維建模軟件的應(yīng)用難度。

（3） 張合法。張合法可根據(jù)勘探和剖面等資料對(duì)上下面的厚度進(jìn)行及時(shí)有效的調(diào)整，張合有度。主要是針對(duì)實(shí)際建模過(guò)程中一些不跨河地質(zhì)對(duì)象界面的創(chuàng)建，可以保證共有邊界不變，根據(jù)約束調(diào)整上下底面的厚度（只允許Z值上變化，XY值不變化），方法簡(jiǎn)單有效，可以很好地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)化、

卸荷面、滑坡等界面創(chuàng)建。

（4） 重構(gòu)逼近法。實(shí)際建模過(guò)程中，基巖頂板面是風(fēng)化、卸荷等界面的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到模型的精確度。同時(shí)基巖頂板的建立比較困難和復(fù)雜，基巖頂板是由覆蓋層底面與其外部的基巖面合并形成，必須保證兩個(gè)邊界節(jié)點(diǎn)重合，控制難度較大，且網(wǎng)格的質(zhì)量較差，處理不好會(huì)影響后續(xù)界面的建立。采用“重構(gòu)逼近法”可以有效杜絕累積錯(cuò)誤的出現(xiàn)。首先，將上述兩種面合成一個(gè)初始面，提取初始面的邊界，以此邊界線(xiàn)重新構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)格均勻的面，將重構(gòu)面邊界進(jìn)行固定約束，再用“0”厚度約束將重構(gòu)面逼近初始面，進(jìn)而生成一個(gè)完整的網(wǎng)格均勻的基巖頂板面。優(yōu)點(diǎn)在于既改善了面的質(zhì)量，又能保證面的準(zhǔn)確性，很好地解決了節(jié)點(diǎn)不重合和網(wǎng)格穿插等問(wèn)題。該方法主要用于復(fù)雜界面的建立，如河床覆蓋層、基巖頂板面、弱風(fēng)化頂面、巖性分界面等。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

阜康抽水蓄能水電站（A項(xiàng)目）位于新疆昌吉回族自治州阜康市境內(nèi)，工程區(qū)出露地層主要有震旦系上統(tǒng)燈影組、泥盆系中統(tǒng)上古道嶺組地層和印支期侵入巖、第四系覆蓋層。鎮(zhèn)安抽水蓄能電站（B項(xiàng)目）位于陜西省商洛市鎮(zhèn)安縣境內(nèi)，主要出露地層有石炭系中統(tǒng)（C2）及第四系（Q），局部有少量淺成火山巖侵入。

3.2 三維地質(zhì)模型構(gòu)建

采用地質(zhì)信息三維可視化系統(tǒng)ItasCAD，基于建立的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)（圖3），針對(duì)不同條件的地質(zhì)對(duì)象，采用多種建模方法完成了A、B項(xiàng)目地質(zhì)三維幾何模型，并實(shí)現(xiàn)了快速三維建模、模型的任意剖切及符合工程規(guī)范的二維出圖等應(yīng)用成果，見(jiàn)圖4。

基于以上建模方法，采用中值面插值計(jì)算法建立地形面，可保證可視化效果和精度的平衡；通過(guò)工作流程法能高效地實(shí)現(xiàn)斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造建模；利用張合法建立風(fēng)化、卸荷及地下水等模型，優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)格均勻、邊界節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)、利于與包絡(luò)體結(jié)合；采用重構(gòu)逼近法構(gòu)建覆蓋層、基巖頂板面、巖性分界面等，降低了網(wǎng)格穿插所造成的累積錯(cuò)誤。

3.3 巖體質(zhì)量分級(jí)

巖體質(zhì)量分級(jí)和參數(shù)取值是水電工程地質(zhì)關(guān)注的一項(xiàng)核心內(nèi)容。ItasCAD中引用的分類(lèi)方法有RMR（巖體地質(zhì)力學(xué)分類(lèi)）、HC（水利水電工程圍巖工程地質(zhì)分類(lèi)）、BQ（巖體基本質(zhì)量分類(lèi)）3種，通過(guò)日常性地質(zhì)編錄（RQD、節(jié)理線(xiàn)密度、節(jié)理面狀態(tài)、地下水條件）、物探（巖體波速和巖石波速）、試驗(yàn)（巖石強(qiáng)度）獲得巖體質(zhì)量分級(jí)所需要的全部資料（表1），選擇RMR、HC、BQ三種方法分別將所需指標(biāo)導(dǎo)入已經(jīng)創(chuàng)建的地質(zhì)三維實(shí)體模型內(nèi)，以此為“種子”，按地質(zhì)單元擴(kuò)展到三維空間，并將結(jié)果投射到地下廠(chǎng)房的開(kāi)挖體型上，如圖5所示。

ItasCAD提供的巖體質(zhì)量分級(jí)嚴(yán)格遵循了“獲取單指標(biāo)值、然后求和”的基本要求，區(qū)別于現(xiàn)實(shí)工作中直接給出巖體質(zhì)量等級(jí)（結(jié)果）的工作方式。系統(tǒng)采用米為單位描述巖體質(zhì)量空間變化，更合理體現(xiàn)巖體固有特征，為巖體特性變化和參數(shù)取值不確定性工程提供可靠依據(jù)。并兼容國(guó)內(nèi)、外工作流程，實(shí)現(xiàn)不同巖體質(zhì)量分級(jí)的轉(zhuǎn)換，如圖6所示。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)及地質(zhì)信息三維可視化系統(tǒng)ItasCAD，建立三維地質(zhì)模型，并驗(yàn)證了建模方法的可靠性，得到如下結(jié)論。

（1） 工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)不同工程地質(zhì)信息的規(guī)范存儲(chǔ)、有效管理和高效應(yīng)用管理，同時(shí)為三維可視化提供數(shù)據(jù)支持；

（2） 基于建立的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)不同條件的地質(zhì)體建模形式，總結(jié)了幾種復(fù)雜地質(zhì)對(duì)象的建模方法，有助于評(píng)價(jià)各地質(zhì)對(duì)象的工程條件；

（3） 通過(guò)建立的三維地質(zhì)模型，完成地下廠(chǎng)房巖體質(zhì)量分級(jí)，對(duì)地下工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

抽水蓄能電站三維地質(zhì)建模與數(shù)字化應(yīng)用能夠更加直觀地表現(xiàn)地質(zhì)體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，更加明確地表現(xiàn)地質(zhì)體內(nèi)部的分布規(guī)律。然而由于地質(zhì)體的復(fù)雜性，結(jié)合工程地質(zhì)特點(diǎn)，需進(jìn)一步研究和解決三維地質(zhì)模型中的不確定性。

參考文獻(xiàn)：

［1］ HOULDING S W.3D Geoscience Modeling：Computer Techniques for Geological Characterization［M］.Berlin：Springer-Verlag，1994.

［2］ 朱良峰，潘信，吳信才.三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］.巖土力學(xué)，2006，27（5）：828-832.

［3］ 劉聰元，劉文巖.基于Civil 3D的水利水電工程三維地形建模技術(shù)研究［J］.人民長(zhǎng)江，2023，54（增2）：148-152.

［4］ 張春峰，周小娟，賈新會(huì)，等.水電工程地質(zhì)信息三維可視化研究及應(yīng)用［J］.資源環(huán)境與工程，2015，29（5）：726-730.

［5］ 張春峰.地質(zhì)空間曲面重構(gòu)及三維建模方法探討［D］.蘭州：蘭州大學(xué)，2012.

［6］ 柴賀軍，黃地龍，黃潤(rùn)秋，等.巖體結(jié)構(gòu)三維可視化模型研究進(jìn)展［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2001，16（1）：55-59.

［7］ 張春峰，王小兵，賈新會(huì).水電工程地質(zhì)信息管理系統(tǒng)研究［J］.西北水電，2016（1）：14-17.

［8］ 盧俊.“數(shù)字水電”工程地質(zhì)信息統(tǒng)計(jì)分析模塊研發(fā)［D］.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2008.

［9］ 孫黎明，蔡紅，嚴(yán)俊，等.基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的少資料尾礦庫(kù)潰壩三維模型重建［J］.水利水電快報(bào)，2023，44（10）：29-35，40.

［10］ 朱信波，劉培培，趙明華.CnGIM＿ma三維建模軟件在工程勘察中的應(yīng)用研究［J］.水利水電快報(bào)，2022，43（4）：74-78.

［11］ 張建龍，朱煥春，葛隆發(fā)，等.三維地質(zhì)建模與數(shù)據(jù)交互技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析［J］.水電與抽水蓄能，2022，8（5）：14-22.

（編輯：李 晗）

Research and application of three-dimensional geological modeling of pumped storage power station

ZHANG Chunfeng ZHAO Shuai1，WANG Xiaobing1

（1.POWERCHINA Northwest Engineering Corporation Limited，Xian 710000，China； 2.POWERChina Xinjiang Engineering Corporation Limited，Urumqi 830063，China）

Abstract： With the continuous application of 3D geological modeling，the demand for digitalization of pumped storage power stations is increasing，and conventional modeling methods cannot meet the needs of high-precision geological analysis.Through the three-dimensional visualization system of geological information （ItasCAD），the engineering geological database was established，and a variety of practical geometric modeling methods were adopted for geological objects under different conditions.The application results in Fukang and Zhenan pumped storage power stations such as three-dimensional geological modeling，rock mass quality classification，arbitrary section of the model and two-dimensional drawing in line with engineering specifications were realized respectively，which can carry out three-dimensional visual analysis closely related to engineering design，and it has guiding significance for the digitalization construction of pumped storage power station projects.

Key words： pumped storage power station； 3D geological modeling； ItasCAD； database； visual analysis

收稿日期：2024-05-08

基金項(xiàng)目：中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司重大科技項(xiàng)目（XBY-ZDKJ-2020-10）

作者簡(jiǎn)介：張春峰，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事工程地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害防治工作。E-mail：314754510@qq.com

引用格式：張春峰，趙帥，王小兵.抽水蓄能電站三維地質(zhì)建模研究與應(yīng)用［J］.水利水電快報(bào)，2025，46（4）：52-56.