GOCAD软件在工程地质三维建模中的应用

GOCAD软件在工程地质三维建模中的应用摘要：针对三维建模中的不精确、和数值分析接口不连续性问题，采用GOCAD软件建立工程地质体的三维模型，使得建立的模型达到既“可视”又“可算”的目的。将其应用于岩滩水电工程的地质三维建模中，证明了该法具有准确、快捷和合理等优点。关键词：GOCAD；工程地质；三维建模1引言传统的地质信息的模拟与表达主要采用平面图和剖面图，其实是将三维空间中的地层、构造、地貌及其它地质现象投影到某一平面上进行表达。该方法存在的主要问题是空间信息的损失与失真、制图过程繁杂及信息更新困难。三维地质建模正是针对传统的地质信息模拟与表达方法的缺陷，借助计算机和科学计算可视化技术，直接从三维空间的角度去理解和表达地质体与地质环境。国外将可视化技术应用于三维地质数据的管理、分析和模拟起步较早，并达到一定的深度，目前已有许多成熟的软件系统推出，如GOCAD、AVS、LYNX、CTECH、EARTHVISION等。这些软件涉及地震勘探、地质结构建模、矿床模拟、开采评估、规划设计、生产管理等领域，有的是通用型可视化系统，有的则是面向地质领域的专用系统。其中GOCAD是一个关于地球物理、地质、工程应用的三维地学模拟软件，其核心模块是基于离散光滑插值技术（DSI）进行扩展实现的，在地质体结构建模上有独到之处，能够准确表达工程地质特征。本文以岩滩水电站为例，基于现有工程地质勘察的基本资料(等高线图、钻探及物探资料等)，利用GOCAD软件，建立起相应的三维工程地质概念模型，更清晰认识地质体的空间形态和相互关系，而且为地质体的三维数值模拟提供了基础，达到“可视”又“可算”的目的。2三维结构面的建立结构面是地质体三维建模的基础，利用已有的离散数据资料构建地质体的地形面及各个构造面，是建立合理的三维地质体模型的前提。GOCAD中提供了支持CAD所产生的DXF格式文件的接口，可以将CAD中构造的等高线地形图导入，经处理后自动生成三维地形面。GOCAD同时提供了支持钻孔数据输入的接口，按照GOCAD所支持的钻孔输入格式所制成的EXCEL文件可直接导入GOCAD，生成钻孔布置图，并可由钻孔信息生成三维地层面。2.1地形三维面的建立在地质体的三维模型建立方面,用于控制其地表形态的信息很多，其中地形图就是常用的信息。因此，在建立地质体地形三维面时可以直接利用已矢量化的地形等高线图作为基础，然后导入GOCAD中产生地质体三维地形面(图1)。三维地形面2.2三维地层面的建立由于野外勘探(钻探、踏勘、物探等)工作量的限制，地层面的控制点通常非常有限，如果直接利用现有的勘探点生成地层三维面，难以与实际情况相吻合。因此，在生成地质体的地层或其他结构面时，必须加上相应的工程地质分析进行人工干预数据，对要建的地层面追加一定数量的控制点，以使其尽量与实际的地质结构面相符合。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，但与国内流行的钻孔数据有一定差别，建模中基本采用文本文件方式录入钻孔及相关数据。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，在本项目中，总共布置了42个钻孔，如图2所示。根据这些钻探及物探资料，并附以地面调查分析，建立了各个地层分界面的离散数据点分布图。利用这些离散数据点，按照GOCAD支持的格式，在GOCAD中利用曲面生成命令生成相应的三维地层分界面。3三维地质建模地质体通常被多组构造面(地层分界面、断层面、节理面等)划分成不同的地质单元体。在大多数GOCAD软件中，复杂体可以通过面切割简单的体来产生。基于这种思路，在地质体的三维模型建立方面可以通过利用已生成的结构面来切割覆盖整个研究区域的立方体来形成。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)，完成了岩滩水电站工程坝址区域三维岩体结构模型的构造，如图3和图4所示，其中包含了主要地形面、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。在重建的三维岩体结构模型基础上，可作任意方向、任意地点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、岩体填挖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的意义。4结论研究与应用表明，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三维建模表达的限制，并在质量上达到了实际要求，提供了表达更为精确的地质模型，并在应用中逐步得到了推广。自由拓朴和映射的分网技术既能发挥出三维地质模型在建模方面的优势，又能改变数值计算技术在前、后处理方面的劣势，做到既“可视”又“可算”，为后续数值计算提供了高质量的三维模型，避免了重复劳动。针对水电工程中岩体结构的不确定性，尽可能精确的表达，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。参考文献1.王明华，白云.层状岩体三维可视化构模与数值模拟的集成研究[J].岩土力学，2005，26(7):1123-11262.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):52-553.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):218-2234.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):470-475