三维地质建模关键技术及其在水电工程中的应用

三维地质建模关键技术及其在水电工程中的应用范孝锋许国王长海陆瑞年许正权（广西电力工业勘察设计研究院南宁530023）【摘要】在实践的基础上，探讨三维地质建模技术在水电工程中的作用和意义。利用GOCAD软件，准确构造地形面，进行岩层面、结构面建模，生成钻孔和剖面，并最终建立网格/实体模型，为水电工程地质分析和工程设计提供可视化参考。【关键词】三维建模实体模型地质水电工程GOCAD1引言在水利水电工程中，地质体的稳定性是工程设计关注的重点之一。在地质体稳定性分析系统中引入三维地质建模，可以提高综合分析效果。一个好的三维地质模型是进行力学分析的基础，它对工程决策和工程建设具有重要意义。在虚拟的三维地质环境中，地质体的显示可以更为直观、清晰、准确，更有助于地质师深刻地认识和分析工程区地质体的形成、演变和发展；对于进一步揭示隐伏地质构造的几何形态，判断断层运动规律，弄清地层接触关系，深入研究地学规律，都有启发和帮助。特别地，三维地质模型还可以提高地质师的空间想象力；对于设计人员认识地质空间关系将更为直观，设计更为合理。GOCAD软件具有强大的三维建模、可视化、地质解译和分析的功能。它既可以进行表面建模，又可以进行实体建模；既可以设计空间几何对象，也可以表现空间属性分布。并且，该软件的空间分析功能强大，信息表现方式灵活多样。因此，将GOCAD引入水电工程地质三维建模，符合水电工程实际。2三维地质建模关键技术所谓三维地质建模，是运用计算机技术，在虚拟的三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来的综合性技术，也是计算机技术在工程地质应用中的一个前沿课题。它将工程地质的分析由平面延伸到立体，由二维发展到三维的一个飞跃。三维地质模型的准确程度，对于工程分析、判断和决策影响极大。因此，需要应用成熟的三维建模软件，建立高精度的三维地质模型。2.1构造地形面工程区域的工程测量是严格按工程精度要求进行的，测量数据可以满足建模精度要求。测量数据为三维坐标点文件，基本格式为：测点编号，x，y，z。图1基于point构造的地形面这样的数据文件可以直接读入GOCAD，成为一个点集对象，用于生成地形；当无测量原始数据点文件时，可由地形图提取等高线，以dxf文件导入GOCAD，得到一个曲线对象，按一定精度在这些等高线上提取数据点，生成点集，作为生成地形面的控制点。由点集生成一个曲线对象，作为地形面的边界。最后由点集和边界曲线离散平滑内插(DSI)生成地形曲面。GOCAD提供了由point和curve两种方式生成地形图，基于point生成的地形面，速度快，但精度较低；而基于curve生成的地形面则精度更高，能够准确表达出坝址区诸如平台、马道等地形。基于point生成的地形面如图1所示，基于curve生成的地形面如图2所示。图2基于curve构造的地形面2.2岩层面、结构面建模岩层面和结构面的建模是三维地质建模最核心的部分，这些面存在于地质体内部，无法直观观察到。在三维地质建模中，就是将这些无法完整观察到的面重构出来，包括它们的几何形态、相互间的位置关系等。我们掌握的这些地质对象的资料包括地形数据（如根据平面测绘掌握的地层、断层出露“线”）和钻孔、平硐揭露的离散“点”数据（如面的产状）。相对于建模区域而言，由钻孔得到的地层分布数据及其极其有限，因此在建模中，钻孔数据只作为层面的控制要素，而岩层出露线和岩层产状作为岩层的形态要素。首先将岩层的地表出露线从AUTOCAD导入GOCAD，得到一个curve对象，然后岩层产状换算为面的切向量，在GOCAD中，坐标与地质图坐标一致，正北为Y方向，正东为X方向，向上为Z方向，设岩层产状为“倾向∠倾角”（dd∠da，0≤dd≤360，0≤da≤90），则该层面的切向量为：x＝cos(da)sin(dd)y＝cos(da)cos(dd)z＝-sin(da)将地表curve对象沿该切向量拉伸一定距离得到一个面对象（surface），即为该地层面的宏观基本形态，该面为一直平面，与地表出露线及产状数据相一致。再将这个面拟合到由钻孔、平硐确定的该层的离散点位置，得到一曲面，该曲面在宏观形态上与出露线和产状数据一致，在局部与钻孔确定的层面位置一致，如果其展布情况与地质规律不矛盾，则可认为该曲面可以模拟该地层面。重复以上过程，对每一个地层面、断层面分别建模，就得到整个建模区域的岩性、构造分布情况面模型，如图3所示。可见，钻孔、平硐数据的数量，直接影响曲面形状与真实地层面形状的接近程度，随着工程勘察工作的不断深入，模型将不断完善，同时也为下一步工程勘察重点和地质分析提供依据。图3GOCAD岩层面、结构面建模2.3钻孔的生成钻孔数据是三维地质建模的基础，在GOCAD中，钻孔是以测井（Well）的形式表示的。Well作为GOCAD的基本对象之一，包含有位置信息（WellPath）和属性信息（Welllogs)，GOCAD中提供了多种国际通用的钻孔录入数据接口，建模中基本采用文本文件方式录入钻孔相关数据，数据读入GOCAD后，可在Well的Marker项修改各层的信息并加入各层的产状信息。如图4所示。图4GOCAD钻孔数据及钻孔对象建模2.4网格/实体模型的建立面模型的建立确定了各地质要素间的基本关系，但还不是真正的地质三维模型，因为它在面与面之间依然是不连续的，在模型中除了面以外的区域，不携带任何信息的。GOCAD提供了网格模型对象（sgrid）和实体模型对象（solid），解决了由面模型向体模型的转化。sgrid是一组柔性的六面体格子组成的单元集，并且将边界拟合到两个或多个岩层面，同时可以被断层切割。每一个单元都有自己独立的八节点坐标和属性点，属性点可以携带任意多个属性值，在建模中，给这些属性点赋对应的属性值，sgrid在三维空间将这些属性值以云图或等值线图的方式显示出来，便于模型的使用者进行分析。图5GOCAD网格模型sgrid的建立需首先建立sgrid对象，确定网格密度，然后将sgrid拟合到面边界，这样sgrid的六面体单元就填充到面模型的所有空间中。以面模型中的各地质界面作为边界，或以断层面切割，将sgrid划分成不同的区域（单元集），为这些单元集中的每一个单元的属性点赋相应的属性值，并以等值线的形式显示，即完成了地质网格模型的建立，如图5所示。solid对象与sgrid对象相似，只是它以四面体实体填充模型空间，视觉上更真实，但区域的区别只能以简单的颜色加以区别，如图6所示。图6GOCAD实体模型3应用实例——三维地质建模技术在广西某水电站建设中的应用某水电站扩建工程是在上游龙滩水电站高坝大库正在紧张施工建设后提到日程上来的，要求与龙滩水电站同步建成。扩建工程为地下厂房方案，布置在右岸山体内，距一期地面厂房开挖边线最近为60m。主体工程由进口引水明渠、进水口闸门、引水压力隧洞、主厂房洞、主变室洞、尾水隧洞（支洞和主洞）、尾水闸门廊道、尾水主洞明挖回填段、尾水明渠、运输洞和一、二期厂房交通洞等组成。此外还有施工洞、排风洞和防渗帷幕灌浆洞等临时洞室，构成右岸地下厂房洞室群。3.1坝址区域地质概括红水河经龙滩水电站后，以南南东方向流经坝区，河谷深切，有五级阶地发育，惟以一级阶地及石质河漫滩分布较完整，河床滩多水急，局部深槽较低，浅滩或河中岛较高，两岸山坡一般较陡，局部段为灰岩陡崖,坝区河底高程约130m。图7地形和主要地质构造厂区洞室为辉长辉绿岩和辉绿岩，总厚为110m～180m，以横河走向F48陡立逆断层为分界线，下盘（上游侧）绝大部为Ⅱ类围岩，深部低高程有I类围岩，上盘（下游侧）为III类围岩。主要不利地质因素：与主厂房纵轴线夹角较小的两组陡倾角节理很发育，其中一组(北西西向)，与纵轴线基本平行，与另一组(北东东向)，与坝轴线近于一致。图8地下厂房的空间位置3.2工程岩体三维可视化建模及其分析基于GOCAD建模的构造思路和方法，利用工程地质勘探所获得地质信息(包括钻孔、平硐、地形以及地表露头等信息)和专业地质人员交互解译出的二维剖面图(包括横、纵剖面图和不同高程的平切面图)，完成了某水电站工程坝址区域三维岩体结构模型的构造，如图7和图8所示。模型包含了主要地形面、断层、破碎带、地下厂房相关建筑物等综合信息。经过与已有钻孔、平硐以及二维剖面图的对比检验，该模型精度较高，能够满足地质人员和设计人员的分析要求。图9地下洞室三维地质模型在重建的三维岩体结构模型基础上，可作任意方向、任意位置和任意深度的三维剖切操作，进行相应的工程岩体结构可视化分析，主要包括岩体的剖切分析、地下建筑物的岩体结构分析、模拟数字钻孔、开挖方量计算分析以及结构面等值线图自动绘制分析等，这对于地下厂房岩体结构预测、风化层发育规律预测等具有重要意义。如图9所示，为从整体模型中掏挖出的地下洞室三维地质模型，各部位显示的岩性和断层可为设计人员提供地质依据。如图10所示，为开挖方量计算分析，为分析设计人员提供开挖数据。图10开挖方量计算分析4结语地质结构三维可视化建模是一个复杂的问题，需要不断探索。研究与应用表明，基于GOCAD的三维地质建模思路突破了复杂地形面和地下结构二维表达的限制，提供了表达更为直观精确的三维地质模型，达到了实用要求，并在应用中逐步得到了推广。针对水电工程中地质体结构的不确定性，建立更完善的三维可视化模型，为水电工程的设计、施工、勘探布置以及数值模拟分析等提供模型资料，为地质人员的分析判断提供综合信息，为设计人员提供可视化参考。(收稿日期：2007－06－19；Email：[e-mail])参考文献[1]WhiteMJ.VisualizationoftheEIBerrocalgranite:Applicationtorockengineering[J].EngineeringGeology，1998，49(3-4):185-194[2]PintoV，FontX，SalgotM，etal.Using3Dstructuresandtheirvirtualrepresentationasatoolforrestoringopencastminesandquarries[J].EngineeringGeology，2002，63(1-2):121-129[3]郑贵洲，申永利.地质特征三维分析及三维地质模拟现状研究.地球科学进展，2004，19(2):218-223[4]吴键，曹代勇，邓爱居等.三维地质建模技术在油田基础地质研究中的应用.地球科学与环境学报，2005，27(3):52-55[5]柴贺军，黄地龙，黄润秋等.岩体结构三维可视化及其工程应用研究.岩土工程学报，2001，23(2):217-220[6]林高印，谢放，夏礼祖等.水利水电工程地质三维模型的研究.东北水利水电，2005，23(249):49-52[7]李亦纲，曲国胜，陈建强.城市钻孔数据地下三维地质建模软件的实现.地质通报，2005，24(5):470-475KEYTECHNIQUESOF3DGEOLOGICALMODELINGINSTUDYINGHYDROPOWERGEOLOGYFanXiaofengXuGuoWangChanghaiLuRuinianXuZhengquan(GuangxiElectricPowerIndustryInvestigationDesignandResearchInstituteNanning530023China)Abstract：Baseonpracticalengineering,discussesthefunctionandsignificationof3Dgeologicalmodelingtechniqueinthehydropowderengineering.UsingGOCADtoconstructterrainfirmly,tomodelterranesurfaceandstructuresurfaceofrockmass,tomakeprofilewithb