三維地質(zhì)建模方式及運用分析

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本文作者：賈新會、王小兵、曹文廣 單位：中國水電顧問集團西北勘測設計研究院工程地質(zhì)分院

0前言

近年來，計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展為地質(zhì)三維設計的發(fā)展創(chuàng)造了條件，在地質(zhì)領域中，巖體的三維可視化模擬已成為人們廣泛關(guān)注的熱點。目前，中國國內(nèi)工程勘察設計行業(yè)的三維地質(zhì)建模技術(shù)已經(jīng)由探索階段逐漸走向生產(chǎn)應用階段。國際上廣泛應用的GoCAD軟件在地質(zhì)建模方面有著獨到之處，它不但具有核心的地質(zhì)幾何形態(tài)建模功能，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)特征與地質(zhì)屬性的統(tǒng)一表達，還具備強大的可視化功能和屬性分析功能。本文將結(jié)合烏托水電站的三維設計詳細闡述GoCAD軟件在水電工程地質(zhì)中的應用。

1GoCAD平臺及其建模思想

1．1GoCAD簡介

GoCAD(GeologicalObjectComputerAidedDesign)是由法國ENSGNancy地質(zhì)學院(Mallet，1989)研制的地質(zhì)造型軟件，是專門針對地質(zhì)專業(yè)的三維模型建造、屬性分析軟件。軟件主要包含PointSet、Curve、Surface、solid、Voxet、Sgrid、Well、Group、Channel、2D－Grid、X－Section、Frame、Model3d等對象類型。GoCAD軟件最大特點是延續(xù)了與人工地質(zhì)制圖傳統(tǒng)習慣相同的思想，即利用少數(shù)已知控制點推測空間分布形態(tài)，反映地質(zhì)體的空間不確定性和模擬這種不確定性的技術(shù)思路。因此，GoCAD模型可以100%保證勘探控制點處的精度，而勘探點以外部分則合理利用地質(zhì)傳統(tǒng)習慣的推測方法進行模擬。

1．2GoCAD數(shù)學處理方法

GoCAD軟件是采用離散平滑內(nèi)插算法(Dis-creteSmoothInterpolation，簡稱DSI)作為核心技術(shù)。DSI方法用一系列具有物體幾何和物理特性的相互連結(jié)的節(jié)點來模擬地質(zhì)體。用DSI方法模擬幾何和物理特性時，已知節(jié)點和地質(zhì)學中的典型信息將被轉(zhuǎn)化為線形約束，引入到模型生成的過程中。該方法基于圖形拓撲，它適用于構(gòu)建復雜模型和處理模型表面不連續(xù)的情況。DSI算法具有一定優(yōu)點，如可自由選擇和自動調(diào)整格網(wǎng)模型，實時交互操作，能夠處理一些不確定的數(shù)據(jù)等。這些優(yōu)點決定了DSI在地質(zhì)建模和可視化中的重要位置。

1．3GoCAD建模思路

三維地質(zhì)建模的思想是利用各種地質(zhì)勘測資料，借助GoCAD內(nèi)部的DSI算法，將離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)曲面，進而建立巖體的三維模型，處理巖層界面與結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系，逼真地反映地質(zhì)體的全貌。具體思路如圖1所示，建立一個曲(平)面，對該曲(平)面進行相應的約束后，將這個面擬合到由鉆孔、平硐確定的該層的離散點位置，得到一個曲面，該曲面在宏觀形態(tài)上與出露線、產(chǎn)狀數(shù)據(jù)一致，在局部與鉆孔確定的層面位置一致，如果其展布情況與地質(zhì)規(guī)律不矛盾，則可認為該曲面可以模擬該地層面［1－2］。

2GoCAD三維地質(zhì)建模方法

2．1地形面

(1)將選定的研究區(qū)域的地形等高線直接導入GoCAD軟件，在PointsSet模塊中將所有等高線離散成點;(2)建立一個與研究區(qū)域范圍相符的平面，對平面進行分裂(Split)，即增加網(wǎng)格密度;(3)約束(Constraints)待變形面的邊界，確保其邊界(Border)只能沿Z方向進行變形，并約束待變形面，使離散點集成為待變形面的軟約束控制點(ControlPoints);(4)對設置好各種約束的待變形面進行多次的插值積分(Interpolation)，根據(jù)實際情況判斷變形后的曲面是否滿足要求，若達到要求，停止積分操作，若需要局部修改，使用Region命令進行局部范圍的劃定，然后執(zhí)行相應的分裂與積分操作即可。

2．2鉆孔與平硐

在GoCAD中，鉆孔是以鉆井(Well)的形式表示的，Well作為GoCAD的基本對象之一，包含有位置信息(WellPath)和屬性信息(WellLogs)。GoCAD中提供了多種數(shù)據(jù)錄入接口，建模中基本采用文本文件方式錄入鉆孔及相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀入GoCAD后，可在Well的Marker項修改各層的信息并加入各層的產(chǎn)狀信息。在GoCAD平臺中沒有專門用于建立平硐模型的模塊，平硐可以視作水平方向的鉆孔，其位置信息(WellPath)表示的是平硐軸線的幾何信息，其它信息與鉆孔模型相似，區(qū)別在于平硐中有更多的結(jié)構(gòu)面的特征信息，包括結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、填充等信息。2．3地質(zhì)分界面地質(zhì)分界面主要包括地層面、風化面、地下水位面、卸荷帶等。由于地質(zhì)分界面存在于地表以下，無法直接觀察到，因而存在很大的未知性。三維地質(zhì)建模的任務就是將這些無法完整觀察到的未知面進行重構(gòu)，包括它們的幾何形態(tài)、相互間的位置關(guān)系等。地質(zhì)分界面具體建模過程與方法如下。(1)建立一個與研究區(qū)域范圍相符的平面作為待變形面，對平面進行分裂(Split)，將網(wǎng)格加密，或者復制地形面并降低高程作為待變形面。(2)對待變形曲面添加約束(Constraints)，主要有3種約束需要添加:1)設置待變形曲面厚度范圍約束(SetRangeThicknessConstraint)，控制待變形曲面與其上層已完成曲面之間的深度范圍;2)對待變形曲面添加出露跡線、已探明跡線、勘探點信息等控制點的硬約束(ControlNodes)，確保待變形曲面100%通過已知信息點;3)約束待變形曲面區(qū)域外輪廓，確保其邊界(Border)只能沿Z方向進行變形。需要注意的是，實際測繪地表出露跡線時只能得到有限的點信息，測繪點連接后形成的地表出露跡線需要進行加密(Densify)處理并投影(Project)至地形面。(3)對設置好各種約束的待變形曲面進行多次的插值積分(Interpolation)，根據(jù)實際情況判斷變形后的曲面，如果其展布情況與地質(zhì)規(guī)律不矛盾，則可認為該曲面可以模擬該地層面。隨著勘探工作的加深，不斷新增勘探點數(shù)據(jù)，將新增信息添加到待變形曲面，設置為新的硬約束，確定該勘探點的影響范圍，建立region，再次積分，完成對模型的修訂。

2．4結(jié)構(gòu)面三維地質(zhì)建模過程中需要關(guān)注的結(jié)構(gòu)面主要有斷層、裂隙、巖層分界面等不連續(xù)的開裂面，其具體建模過程與方法如下，(1)建立出露線，方法有2種:①在AutoCAD平臺中根據(jù)地質(zhì)測繪點描繪出結(jié)構(gòu)面的地表出露線，然后導入到GoCAD中;②直接在GoCAD中根據(jù)地質(zhì)測繪點建立地表出露線。通過上述方法，在GoCAD中得到1個Curve對象，對Curve對象根據(jù)需要進行相應的加密、投影處理。(2)根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與預測延伸長度計算得到結(jié)構(gòu)面的法向增量。(3)將Curve對象沿該法向量拉伸一定距離得到1個面對象(Surface)，即為該結(jié)構(gòu)面的宏觀形態(tài)，該面與地表出露線及產(chǎn)狀數(shù)據(jù)相一致。再將這個面擬合到由鉆孔、平硐確定的該層的離散點位置，得到1個曲面，該曲面在宏觀形態(tài)上與出露線和產(chǎn)狀數(shù)據(jù)一致，在局部與鉆孔確定的層面位置一致，如果其展布情況與地質(zhì)規(guī)律不矛盾，則可認為該曲面可以模擬該結(jié)構(gòu)面［3］。

3應用實例———烏托水電站下壩址區(qū)三維地質(zhì)模型

3．1工程概況

烏托水電站工程是伊洛瓦底江密支那以上流域水電資源開發(fā)規(guī)劃中的東源恩梅開江5級開發(fā)方案中的第4座梯級電站，位于中緬山脈北部的克欽山區(qū)。地勢總體上具有北高南低、東高西低的特點。

3．2技術(shù)路線

烏托水電站三維地質(zhì)模型建立的技術(shù)路線如圖2所示，具體過程為:①以地形等高線數(shù)據(jù)為基礎建立三維地形模型;②以鉆孔、平硐等勘探數(shù)據(jù)為基礎建立鉆孔、平硐三維模型;③以測繪數(shù)據(jù)為基礎，結(jié)合三維地形模型以及鉆孔、平硐三維模型建立結(jié)構(gòu)面模型;④以鉆孔、平硐三維模型及三維地形模型為基礎，結(jié)合虛擬鉆孔模型及結(jié)構(gòu)面模型建立地層界面模型;⑤整合所有完成的模型得到地質(zhì)面模型;⑥以地質(zhì)面模型為基礎進行實際工程應用。

3．3建模過程

烏托水電站地質(zhì)三維模型中各個對象建立的方法及過程如下。

3．3．1地形面

加載地形等高線到GoCAD中，離散等高線建立點集，以離散點集為基礎建立地面模型。三維地形面模型如圖3所示。

3．3．2鉆孔平硐

對鉆孔與平硐數(shù)據(jù)進行預處理，使之成為Go-CAD軟件能夠利用的格式，然后分別建立鉆孔與平硐三維模型。鉆孔與平硐的三維模型如圖4，5所示。在勘探點稀少的區(qū)域建立虛擬鉆孔，同樣建立鉆孔三維模型。虛擬鉆孔是由地質(zhì)人員根據(jù)經(jīng)驗和其它勘探手段獲取的結(jié)果做出的推斷，它對地層模型具有和真實鉆孔一樣的約束。事實表明，通過虛擬鉆孔的輔助控制建立的三維地質(zhì)模型比只用實際鉆孔數(shù)據(jù)建立的三維地質(zhì)模型具有更高的精度和可信度［4－6］。

3．3．3覆蓋層

研究區(qū)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)沖積、崩坡積、洪積物等。具體建模過程是:從勘探資料及地質(zhì)測繪資料中獲取覆蓋層深度及邊界信息，這里主要是指從實際鉆孔模型中提取marker信息得到覆蓋層深度信息，從平面圖中獲取覆蓋層邊界線，即尖滅處，然后進行積分插值，建立三維界面模型。在缺少勘探的區(qū)域及模型不合理的區(qū)域建立虛擬鉆孔，控制覆蓋層的形變，多次積分，最終完成覆蓋層三維模型的建立。研究區(qū)覆蓋層三維模型如圖6所示，圖7所示為覆蓋層中透鏡體三維模型。

3．3．4斷層

研究區(qū)無區(qū)域性斷層通過，地表測繪兩岸巖體中共發(fā)育23條斷層，規(guī)模均較小，以陡傾角斷層為主，緩傾角斷層不發(fā)育。研究區(qū)中斷層模型的建立過程具體為:從地質(zhì)測繪資料中得到斷層在地表出露跡線的位置，由產(chǎn)狀及推測延伸長度計算出對應的法向增量。將地表出露線拉伸得到斷層基本表達面，根據(jù)勘探信息對斷層面進行適當平滑處理，若模型結(jié)果與自然規(guī)律相符，則完成模型的建立。研究區(qū)斷層三維模型如圖8所示。

3．3．5地層

研究區(qū)分布的地層主要為中元古界(Pt2)，其巖性為花崗片麻巖、片麻巖，地層相對較為單一。因此，建立地層模型的主要任務是完成風化界面、卸荷面、地下水位面等的擬合。研究區(qū)中巖體的強風化、卸荷面不連通，在地表有尖滅。弱風化、地下水位面都是連通曲面。地下層面的建模方法相同，都是從鉆孔與平硐模型中提取相應的marker信息，設置為硬約束，在數(shù)據(jù)缺少區(qū)域建立虛擬鉆孔，然后進行積分插值。不同的是對不連通曲面模型的建立需要根據(jù)地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)先確立其在地表面的尖滅線，并將尖滅線設置為硬約束。研究區(qū)地層三維模型如圖9所示。總的來說，曲面模型構(gòu)造屬于基礎建模，它主要采用線、面模型，重在模擬對象的形態(tài)及其相互之間的位置關(guān)系，但是缺少各層面的屬性信息［7－8］。

3．4成果校驗

為了檢驗本次研究中三維地質(zhì)模型的精度與實用性，在已有AutoCAD圖件中提取了若干條剖面線的端點，在GoCAD中以端點數(shù)據(jù)建立Curve對象。以三維地質(zhì)面模型為基礎，在GoCAD中利用Cross－Section模塊里面的FromCurveandVector命令切出多幅剖面圖，并與原有的地質(zhì)剖面圖進行比較。校驗的第一步是將新切圖輸出為．dxf文件，并與原圖置于同一文件中，進行直觀對比，對比結(jié)果如圖10所示。校驗的第二步是由工程經(jīng)驗豐富的地質(zhì)人員來判斷地質(zhì)圖件的合理性與實用性，進一步確定三維地質(zhì)模型的可信度。校驗的結(jié)果是:從三維地質(zhì)面模型中切出的二維剖面圖與原始剖面圖基本一樣，完全符合工程精度要求，三維地質(zhì)模型在工程實踐中可信、實用。

4結(jié)語

(1)研究與應用表明，基于GoCAD平臺的三維地質(zhì)建?？朔藦碗s地形面準確模擬的難點，能精確建立完善的三維可視化模型，同時也突破了地下不可見區(qū)域地質(zhì)信息迅速方便三維表達的限制，三維地質(zhì)模型在質(zhì)量上滿足了實際要求。

(2)模型的建立為工程地質(zhì)巖體的認知表達提供了新的技術(shù)途徑，為地質(zhì)人員的分析判斷提供綜合信息，使得地質(zhì)人員跳出了傳統(tǒng)二維推測的局限，基于三維模型的地質(zhì)推測更趨合理，也使得后續(xù)勘探點的增加布置更為科學。

(3)建模結(jié)果提供了精確的地質(zhì)可視化模型，為工程以后的三維設計應用推廣做好了鋪墊，為工程的設計、施工、勘探布置以及數(shù)值模擬分析等提供模型資料，為設計人員的分析和設計提供可視化參考。三維模型服務于實際生產(chǎn)應用，改變了傳統(tǒng)工作模式與思路，提高了生產(chǎn)效率與精度。

(4)雖然基于GoCAD平臺的三維建模技術(shù)在水電工程中的應用取得了一定的成功，但是對于三維地質(zhì)模型更深層次的應用，如地質(zhì)屬性賦值與分析，工程計算分析與應用等仍有待繼續(xù)深入研究。