基于GOCAD的三维工程地质地层建模研究

黄静莉 ，王 清

1.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026；2.长春工程学院，吉林 长春 130021

城市地下空间的开发利用是现代化城市发展的必然趋势。有效利用城市地下空间，避免产生工程事故或不必要的资源浪费，就必须查明地层岩土体的特性及分布状态，为城市规划和工程建设提供可靠依据。随着城镇化建设的不断加速，我国先后开展了北京、上海、天津、南京、广州和杭州等6 个城市的三维城市地质调查工作。另外，深圳、武汉、昆明、重庆等城市也相继进行了大规模的城市地下空间开发利用的研究和以城市交通改造为主的城市再开发[1-8]。

对城市地下空间的三维地质结构进行空间模拟及可视化是当前岩土工程勘察工作发展的主要趋势之一。一方面，对单项工程的三维可视化能够提供比二维的剖面图更加直观的表现形式，并能为后期的设计和施工工作提供辅助参考。另一方面，对区域范围内的工程地质概况进行三维模拟，能够从宏观上更好地了解其地层分布，并且通过对三维模型的切割观察，可以辅助未知地层的勘察，为实际勘察工作提供借鉴。

1 三维地质建模软件

目前三维地质建模软件在工程地质学方向常见的应用包括边坡工程数值分析、地下水模拟、地面沉降分析、地下工程监测等。根据软件设计的服务对象，大体上可以按照用途分为以下几种：

一种是基于地理信息系统的三维地质建模软件，如ARCGIS，主要用于描述地形和地理空间要素的分布状况，可以用于记录地质灾害数据，按照点、线、面可分为不同用途的图层。

其次，还有为结构设计和工业设计服务的三维建模软件，如3DMAX，三维CAD，ANSYS 等。其特点是软件对几何体的表达能力强，但是对地学对象的表达能力弱。其中ANSYS 除了应用于机械类或材料类的三维力学模拟，在边坡受力分析方便的应用也比较多。

另外，还有为水文地质专业服务的地下水计算应用软件，如GMS、MODFLOW、FEFLOW 等。其中， GMS 的三维可视功能比较强大。GMS 属于真三维构模软件,既可以构造面元模型，又可以构造非规则体元模型。

最后，还有针对石油开采而开发的专用软件，如GOCAD、 CTech 、Earth Vision、Gemcom、Surpac Vision、Micro LYNX、Comet、Eclipse 等。其中，GOCAD 在建立复杂地质构造的三维实体地质模型方面颇有独到之处[9-11]。

2 GOCAD软件介绍

GOCAD 是一款完整的面和体建模系统。它即能构建几何对象，也能对其空间属性进行模拟。应用GOCAD 软件的三维地质建模方法可以构建出三维地质构造模型和三维储层栅格结构模型。

其中三维地质构造模型主要用于模拟地层面、断层面的形态、位置和相互关系。GOCAD 软件具有自由曲面构建功能，其以 DSI 插值方法为基础，融合地质体形状的定性数据，提供了一种“地质体网格”的概念：一个地质体网格由边界和内部网格单元组成，其中边界由地质体的界面定义，内部网格单元代表地质体的内部组成，用来进行面向对象的随机模拟方法。因此GOCAD 软件能够直接利用测量所得的地形数据点生成三维地形，并生成相应的等高线地形图，或者利用地质平面测绘数据和地质钻孔数据生成地质分界面（如岩性分界面、断层面等），可以直观展示各地质单元间的空间关系和因果关系。

而三维储层栅格结构模型则是在三维地质构造模型的基础上对其进行实体网格化，剖分出形状理想的六面体网格，为工程数值分析提供良好的网格前处理。还能根据研究需要赋予其相应的地层属性，如地层的孔隙度、渗透率、重度等，可对这些物性参数进行计算和综合分析，得到地质体的物性参数模型。

GOCAD 提供了齐全的通用数据接口，支持自由文本数据，可以直接和Auto CAD、Excel 及多种GIS 软件、图形软件进行数据共享。GOCAD 生成的网格数据可导入ABAQUS、FLAC3D 等数值分析软件使用。

3 三维地质建模实例

论文以单项工程的钻孔数据为例，利用GOCAD 软件模拟构建其三维工程地质地层模型。该单项工程数据来自《长春市两横两纵快速路系统——二环路工程（二段标）岩土工程勘察报告（详勘）》，由上海市城市建设设计研究总院提供。该工程基本上所有钻孔深度都达到了50 m 深，且钻孔间距较紧密，能够较好地反映实际地层的分布情况。

3.1 地层层面数据的抽取及导入

利用GOCAD 软件构造地层层面，可以采用测绘地形数据输入、井文件输入及点文件输入等方式。论文采用点文件输入的方式，从原始勘察报告中提取各个地层层面的点数据，并将其保存为*.txt文本。该工程的勘察范围是从伊通河西岸起延伸至会展大街，地貌单元属于一级阶地，地层分布从上至下依次为人工填土层、褐黄色可塑粉质粘土层、褐灰色软塑有机质粉质粘土层、灰色稍密—中密中粗砂层、全风化泥岩与粉砂质泥岩互层、强风化泥岩与粉砂质泥岩互层、中风化泥岩与粉砂质泥岩互层。

为了便于观察坐标点的空间位置，需要首先导入长春市街路图作为底图。导入方法是在Voxet 中Import from Picture，然后在其属性定义中修改底图的四个边角的坐标点（Resize Voxet with Points），从而调整好底图正确的坐标位置。

点的输入有两种方法，一种是用*.txt 文件导入（在PointSet 选项中选择Column_based File），另一种是用屏幕定点的方式输入。论文从现有资料中获得了精确的坐标值，因此可以采用*.txt 文件导入的方法生成点文件。生成的点文件如图1 所示。该工程点在东西方向上沿着卫星路从伊通河西岸一直延伸到会展大街以东。钻孔点基本上呈东西向条带状分布，在彩宇大街局部存在南北向条带状分布。

3.2 生成曲面

图1 钻孔平面分布图Fig.1 Bores plane distributing

GOCAD 曲面由三角面组成，可以由点，线（由GOCAD 生成或由资料数字化所得），井型标志，实体表面和等高线等资料来创建曲面。利用Gocad的高斯插值算法（DSI），可以从几何学角度对曲面进行编辑，通过不同的约束输入数据来控制曲面的外形，如控制点约束，控制斜坡约束，接触控制约束。

其中，由点、线生成面的时候，需要首先绘制边界线，然后用点拟合生成面（General mode-Surface mode-New-From point set）。 如 果 没 有 指定边界线，系统将自动生成。论文采用点文件生成面，边界线由系统自动拟合生成。具体操作方法是Application-Wizards-Surface Creation-From Data（without internal borders）-From Points and Computed Outline-Direct Triangulation。生成的曲面如图2 所示。将层面模型在深度Z 方向上放大10倍后，可以更为清晰地观察到地层缺失的情况。如图3 中展示的局部地段，图片左边的地层层面重叠说明在该区段内缺失有机质粉质粘土层，图片右边的地层层面重叠则表明该区段人工填土层直接覆盖在全风化岩层上。

3.3 生成曲线及边界曲面

曲线的输入可以用*.dxf 文件导入（File-Import object-Acad-Dxf），也可以在屏幕绘制。需要注意的是，绘图的平面默认是水平面，但随着视角的变化可能会改变。论文根据已经生成的地层层面的边界来生成曲线（Creat from Border），用于拟合模型的纵向表面。分别将各地层的上下两个边界曲线拟合生成垂直于地层层面方向的边界曲面（Surface-From Several Curves）。如图4，展现的是中风化岩层的边界曲面形态。

3.4 生成三维工程地质地层模型

在Gocad 中，即可以由边界曲面来定义实体，也可以把实体定义为离散化的空间。层可以由规则格栅组成，特性由规则格栅确定。首先建立好地层层面（包括顶底面），然后使用SGrid 工具中的俯视和正北工具生成Sgrid（Sgird-New-From objects box-Edit-Proportionally between top and bottom）。

基于三维可视化的需要，论文仅建立了三维工程地质地层模型。根据边界曲面和地层的顶底面生成构造模型的实体表面，如图5 所示。从模型中可以观察到，研究区的全风化、强风化及中风化岩层的分布比较均匀，在区段以西靠近伊通河的部位存在有大面积的软塑有机质粉质粘土层的缺失，可塑粉质粘土层和稍密～中密中粗砂层也存在局部缺失。总体上，该区段的土层分布相对比较均匀。

图2 地层曲面形态图Fig.2 Stratum curved surface f igure

图3 地层曲面局部示意图Fig.3 Partial schemati c diagram of stratum curved surface

图4 边界曲面示意图Fig.4 Schematic diagram of boundary curved surface

图5 三维工程地质地层模型Fig.5 Three-dimensional engineering geology strata model

4 结语

论文以实际工程为例，介绍了应用GOCAD 软件建立三维工程地质地层模型的方法。该方法建立模型快速简便，且可视化效果良好，能够较真实地反映实际情况，适合于将其广泛应用于岩土工程的勘察行业，并且能为工程设计和施工提供辅助参考。

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