三维地质模型在门头沟新城建设规划地质勘查中的应用

赵 越，李军辉

（北京市地质研究所，北京 100120）

三维地质模型在门头沟新城建设规划地质勘查中的应用

赵 越，李军辉

（北京市地质研究所，北京 100120）

三维地质模型具有直观、准确、可分析、可利用等特点，可以为城市规划及土地利用提供科学依据。本文介绍了三维地质模型，在门头沟新城建设规划地质勘查中的应用。

三维地质模型；空间结构；可视化；新城建设规划

随着国家社会经济发展的需要，全国各地都在进行城市化建设规划。为了给城市规划提供科学地质依据，应对规划区进行区域地质勘查工作。传统的城市地质勘查手段，主要是基于点、线、面等二维平台下，开展地面调查、遥感解译、工程钻探等工作。传统的二维地质工作解释仅仅是出现在有限的几条剖面和平面上，剖面之间或平面之间是不连续的。因此，采用三维地质模型直接展示地质体的空间分布情况，可满足城市建设规划有关专家的需要。本文介绍三维地质模型，在门头沟新城建设的需要。

1 三维地质模型概念和特点

（1）三维地质模型概念

三维地质模型是指使用适当的数据结构，在计算机中建立起能反映地质构造的形态、各构造要素之间的关系以及地质体空间物性分布等地质特征的数学模型。三维地质结构模型，可以把空间分布不均匀、不连续、散乱的地质信息，通过数学拟合及计算机图形学的方法变成可视的、连续的和形象直观的3D地质图形。

（2）三维地质建模软件

本次建模采用的软件是《北京市城市地质数据管理与服务系统》（图1），该系统是2007年由北京市地质矿产勘查开发局基于VC++语言平台上开发的。系统运行于图形工作站，能满足三维地质空间信息获取、管理、分析和可视化的基础软件平台。系统可以使用多种类型的数据源生成三维数据，并提供多种三维数据的生成方法。系统主要功能，有数据管理、可视化功能、三维结构建模和三维属性建模等。

图1 北京市城市地质数据管道与服务系统界面

（3）三维地质模型意义

三维地质模型通过处理岩层界面与结构面组合关系，力求真实地反映地下地质结构全貌，将地质体及其形态结构直观、形象地展现在分析者面前，能够最大限度地增强地质分析的直观性和准确性，做出符合地质现象分布变化规律的工程设计与施工方案。

三维地质模型的特点，除了具有确定性、可视性及可修改性之外，更重要的是能够利用已有模型数据进行有关分析和推测。例如：通过分析三维地质模型的结构，可以计算有关地质体的体积与储量，在地球物理探测领域，还可以分析推测地质体所引起物探异常的原因。分析研究三维地层结构，深刻认识工程地质环境特征，确定工程建设层岩土力学参数的空间分布特征，为合理确定土地利用和城市规划奠定了地质基础。

2 三维地质模型在门头沟新城地质勘查中的应用

（1）模型建立

北京门头沟规划新城三维地质模型 基本上覆盖了门头沟新城建设规划的功能区，根据野外施工钻孔和资料收集钻孔的特点，按照 取点 连线 建面成体 的工作路线建立地质模型。首先，在平面上完成钻孔点的合理选取，以控制工作区范围，并满足成果精度要求。在钻孔点选取完成后，在平面上进行剖面线布置，并对布置好的剖面线进行钻孔地层间的连线，建立二维地质剖面。然后将二维地质剖面数据转为三维地质剖面，对三维地质剖面进行计算机拓扑，最终建成三维地质结构模型。其详细路线描述见表1，建模过程分别见图2、图3、图4、图5、图6。

表1 三维地质建模技术路线表

图2 在工作区内选取钻孔

图3 在工作区内合理布置剖面

图4 对每条剖面进行地层连接

图5 将二维剖面转换为三维剖面

图6 通过计算机拓扑完成三维模型的建立

（2）地层分布

门头沟三维地质模型工作区，位于低山区到永定河冲洪积平原的过渡地带，地势总体西北高东南低。三维地质模型直观地展现出地下岩土体结构。工作区地层岩性，主要以粘性土、粉土、砂土、碎石、角砾、卵石及砂岩为主，地表主要为人工填土层，分布厚度不均匀，总体上说东南部厚度大于西北部。工作区具有典型的多层岩土体结构。

从三维地质模型的栅栏图中可以很容易了解到，工作区西部埋深20m以上的地层主要以碎石、角砾及粘性土互层为主，20m以下基本为砂岩；而工作区东南部受永定河冲积扇影响，地层的上部主要以粘性土、砂土、粉土互层为主，厚度一般为1～5m，下部为较厚的卵石层，厚度可达30m以上，由西向东逐渐增厚，见图7、图8。

图7 门头沟新城三维地质模型

图8 门头沟新城三维栅栏图

（3）切面分析

建设工程基础直接坐落在地基土上，当基础坐落在两个不同的工程地质单元或不同岩性且岩土的物理力学特性相差较大的情况下，这样的地基一般称之为不均匀地基，应进行变形验算，并采取相应的结构和地基处理措施。地基土土质的水平和垂向分布直接关系到建筑地基基础的选型和工程造价，甚至影响上部结构设计。

通过对三维地质模型作切面分析，便可以得到不同深度同一平面内地基土的分布情况，对于1～6层不带地下室或带0.5层地下室的建筑，基础埋深一般不超过3m，因而对3m深度切面的地基土进行分析；考虑带1～2层地下室的6层以上多层建筑和高层建筑物，基础的埋深一般在6m左右，因而对6m深度切面的地基土进行分析；考虑到将来地下空间的开发利用及带多层地下室的高层建筑物，宜对15m深度切面的地基土进行分析。

从3m深度切面图（图9）来看，新城功能区范围内分布最广的是回填土，其次为粉质粘土、粉细砂，卵石、砂岩小范围分布。

图9 3m深度切面岩性分布图

从6m深度切面图（图10）来看，新城功能区范围内，随着地层深度增加杂填土分布面积大大减小，粉质粘土分布面积有所扩大，主要集中分布在山前洪坡积地带；碎石、卵石、细中砂局部分布，其中碎石主要分布在门头沟沟谷和山前地带；卵石还是在永定河河漫滩局部分布；细中砂主要分布在滨河世纪广场公园附近和老山附近山前地带。

图10 6m深度切面岩性分布图

从15m深度切面图（图11）来看，随着深度增加新城功能区内卵石层分布范围大范围增加，除局部为碎石、粉质粘土、回填土外，大部分地区为卵石层分布，主要集中分布在永定河西侧河漫滩一带。

图11 15m深度切面岩性分布

（4）剖面分析

通过对三维地质模型作剖面分析，根据需求可以得到任意剖面的地层信息。例如：在门头沟规划新城三维地质模型中确定一条剖面路径，即可沿路径生成垂直剖面，从剖面中可以直观的发现ZKO98号位置地层与周围有明显差异,钻孔揭露的15m岩芯全部为人工回填土，而周围地层人工填土厚度在1～3m，下部以卵石为主，如图12。经过野外调查验证，确定ZK098号位置原为沙石坑，坑深约20m，现已被人工回填。由此可见，三维地质模型可以准确、直观的反应地层信息，对有关工程规划工作起到指导作用。

图12 三维地质模型剖面分析

（5）采空分析

北京门头沟地下蕴藏着丰富的煤炭资源，门头沟新城勘查项目中采用钻探、物探手段在门城镇地区发现了多处采空区，结合以往的勘查资料，初步确定了该区地下采空的总体分布状况。在对采空区进行三维地质模型建设时，为了能较准确的反映采空区的空间分布特征，需要确定两个因素，第一、通过分析煤层产状确定采空区的空间延展方向；第二、结合钻探、物探及以往勘查资料确定采空区的范围。

以门头沟新城勘查实例说明，ZK132号钻孔显示地表以下22.9m为采空，采空区厚度为0.3m。首先根据该处的煤层产状及三维剖面走向，确定采空在各条剖面上的视倾角，即确定了采空区在各条剖面的展布方向；再通过物探、钻探手段确定采空区在各条剖面上的长度及厚度；然后用三维软件按各项指标参数设置采空区的结构特征；最后通过三维软件拓扑生成采空区的三维地质模型，见表2、图13、图14。

表1 ZK132采空区特征参数一览表

图13 采空分布及三维剖面布置图

3 结论

三维地质建模在工程建设中应用的意义不仅体现在提高制图效果方面，更重要的是，能对工程地质问题提供正确判断及成因分析，为合理制定城市规划、土地利用奠定基础。三维地质建模是一个重要的有效手段，具有很大的使用价值。

图14 采空区三维模型示意图

[1]王永立,雷磊,齐波.3D GIS支持下的城市地质调查,城市地质,2008.

[2]朱良峰，吴信才，刘修国，尚建嘎.基于钻孔数据的三维地层模型的构建.地理与地理信息科学,2004.

[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.

The Application of the Three-Dimensional Geological Model in the Exploration of Mentougou New Town

ZHAO Yue, LI Junhui

(Beijing Institute of Geology, Beijing 100120)

With the characteristics of visualization, accuracy, analyzability and applicability, the threedimensional geological model can offer scientifc and effective construction bases for urban planning and land utilization. Based On the application cases of the three-dimensional geological model in the exploration of Mentougou New Town, this paper identifed and confrmed the theoretical meaning and utilization value of the three-dimensional geological model.

Three-dimensional geological model; Space structure; Visualization; Urban planning

TP399

A

1007-1903(2010)04-0040-05