三维数字洞库系统在地下水封洞库建设中的应用

姚鹏君，曹宏涛，史少维

(北京东方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)

1 引言

地下水封洞库一般是在稳定的地下水位线以下一定的深度，通过人工在地下岩石中开挖出一定容积的洞室，利用稳定的地下水的水封作用存储洞室内的原油或液化天然气［1］。地下水封洞库因其安全性能高、环保、投资小、占地少、运营管理费用低等优势，已成为近年来大规模存储原油和液化天然气的发展方向。

在地下水封洞库的建设中对工程地质条件和水文条件的监测与控制显得尤为重要［2］。三维数字洞库系统利用GIS技术与实际的洞库建设相结合，按照一定的程序和准则对地质信息、水文信息、支护信息和监测信息进行全过程的管理与监控。作为一种空间的数据处理、存储、分析的技术，本系统可以提升地下水封洞库的可视化表达能力和综合信息分析能力。

2 系统设计

2.1 系统总体架构

系统采用 B/S 架构，基于．NET Framework［3］框架;运用Visual Studio 2010为开发工具，C#、JavaScript为主要开发语言。系统以skyline三维平台为基础，前端技术采用Ext．NET组件库。系统后台 SqlSever 2008数据库，运用面向．NET环境的对象/关系数据库映射工具(NHibernate［4］)，将对象映射基于 SQL 的关系模型数据结构中。后台采用三层架构将整个业务应用分为表现层(UI)、业务逻辑层(BLL)、数据访问层(DAL)，三层架构分工更明确，有利于后期的系统维护和升级。系统的整体架构如图1所示。

图1 系统整体架构

2.2 系统功能实现

(1)洞库地质信息模块

洞库建设需工程地质条件好，岩石整体性好，裂隙少，并具有弱透水性［5］。依据洞库开挖获得的勘察资料，深入全面认识和掌握工程地质信息，并将地质信息实现入库管理。对开挖后的围岩进行地质素描工作的地质信息成果内容包括:

①按围岩地质素描结果编制巷道、竖井、洞库的地质展示图和洞库顶基岩地质图及洞库围岩富水程度图等。洞室不同部位或洞段的岩性变化及其岩体间的接触关系，重点是岩脉的分布。岩石全、强、中、微、未风化划分，如表1所示;②地质构造:断层的性质、产状、破碎带宽度、特征;③标出掉块、塌方等发生处结构面组合性状与规模，并说明发生原因，必要时附素描图和照片;④利用Q系统法进行围岩分区定级，Q系统法是应用岩石参数的一个系统来评价岩体质量和洞库开挖的岩体条件，并对洞室采取合理岩石支护的一种方法。它主要考虑了岩体质量指标RQD、节理组数Jn、节理面粗糙度Jr、节理蚀变程度Ja、裂隙水影响因素Jw以及地应力影响因素SRF等6项指标。其计算公式为系统围岩质量评估表，如表2所示。

岩石风化程度的划分［7］ 表1

Q围岩质量评估 表2

(2)水文信息模块

在地下洞库的建设中，由于采用了水封原理，水文地质条件及其变化的监测与控制就为其建设的重要因素。地下水动态监测网应在初勘阶段建立，以水文观测井为主，并在施工期进行水位监测。洞库施工中地下水出露主要分为:湿润、渗水、滴水、流水4种。对水文信息的监测内容包括:

①水文观测井的编号、位置、监测日期、天气、水位;②洞库围岩富水程度，标出含水裂隙带分布与宽度;③洞库中出水点的位置及出流状态;④存储各出水点的水量与封堵情况;

(3)支护信息模块

洞室围岩一般地段采用砂浆锚杆和喷射混凝土方式进行支护;破碎带区域采用砂浆锚杆、钢筋网、喷射混凝土支护。支护信息包括:

①支护的位置与类型;②支护部位的岩石描述;③支护具体设计，包括系统锚杆的长度与数量，喷混凝土挂网的类型和厚度［8］。

(4)监测信息模块

洞库施工过程中，在洞库围岩部署围岩收敛(反光片)、接触应力、锚杆应力、裂缝开合度、多点位移观测、钢筋应力、水位变化等监测项目，如表3所示。通过这些监测设备对施工期间洞库的工程地质、水文地质状况进行监测，为动态施工设计和质量管理提供依据。监测和掌握洞室围岩的变形趋势，建立洞室失稳预警机制，及时对其稳定性和安全做出评估和预警，同时掌握地下水变化情况，使其处于安全可控状态。

①按上述监控量测项目可以实现对安装信息，量测数据及断面信息的存储;②方便地实现从量测值到应力值、位移值的转换;③能够对监控量测数据实现编辑、修改、添加新的量测项目及数据等操作，对监控量测数据可实现导出Excel报表。④自动生成监控量测对象的时态曲线，并设有预警阀值，监控围岩和支护结构的稳定性，反馈到施工和设计中。

监控量测内容与目的 表3

3 关键技术

3.1 洞库三维地质建模建立

为满足三维建模与分析要求需要对洞库地质素描图进行处理。结合实际洞库开挖的地质情况，对钻孔和洞库地质编录所分析的地质情况进一步解译，获得更符合实际的地质解释。洞库初步数字模型是在洞库设计图纸基础上，利用3ds Max软件进行数字建模［9］。在整个建模过程中严格按照设计图及设计变更文件进行 1∶1建模。根据地质素描展开图与编录划分不同岩性区域，在区域中贴上相应地质纹理。以掌子面为基础将洞库分为左壁、左拱顶、拱顶、右拱顶、右壁5部分，如图2所示。沿洞室走向将地质纹理也分为相应5部分，如图3所示，并贴于数字洞库相应位置上，再现整个洞库的地质情况。

地质信息以 GIS数据结构中的 Polygon(多重面)［10］存储。按照既定的划分原则提取区域边界并根据实际坐标转化为三维空间图形，数据源采用Shape格式。洞库的地质建模流程如图4所示。

图2 洞室掌子面分区

图3 沿洞室走向纹理分区

图4 洞库地质建模流程图

洞库地质信息查询步骤:①获取目标点，判断是否点选中表示岩石的曲面;②若选中则获取目标点处的曲面信息;③若未选中则在目标点处生成一个立体图形;④用立体图形与曲面相交得出目标点处的曲面;⑤显示曲面的岩石属性;洞库支护信息采用的方法类似。

3.2 监测信息

监控量测信息以开源工具NHibernate实现了业务类与数据库之间的持久层，通过实体映射与关系映射，使对数据库的操作就直接转换为对这些实体的操作［11］。以裂缝开合度监测项目为例来说明。数据源中既有监测设备(测缝计)的安装信息，也有测缝计的常规监测信息，而测缝计的安装位置是以洞库里程来说明的，如交通巷道 1 010 m里程处，同一里程处可能安装多个设备。因此在数据库中建立3个表，DCFJ_Section代表里程距离和该里程的掌子面的相关信息，DCFJ_Device代表设备的具体安装信息和初始数据信息，以SectionId作为外键与里程面表关联。DCFJ_Record记录设备监测到的数据信息，以DeviceId作为外键与测缝计表关联。3个表之间建立关联(如图5所示)。其他的监控量测项目如围岩收敛、接触应力等均可以类似形式设计。

系统使用Nhibernate后，由于对数据的操作都是通过实体对象来进行，因此采用泛型技术，使用一个数据访问类来处理实体类的数据操作。监测数据以查询模型点的方式实现。监控量测项目查询数据与形成统计图，如图6、图7所示。

图5 裂缝开合度监测表关联

图6 监控量测数据查询

图7 监控量测数据统计图

4 结语

将传统的二维GIS的研究成果拓展到三维空间，并结合Internet使用户真正突破空间的限制，共享和分析地球空间的各种信息，已经成为GIS工作人员亟待解决的问题［12］。三维数字洞库系统贯穿于地下水封洞库建设的全过程，从地质勘察到施工期的洞库监测甚至可以拓展到生产运营的监控方面。当地下洞库封堵投入使用后，系统可以真实再现整个洞库的信息，以达到信息完全共享和动态联动，为地下洞库建设提供新的技术平台。

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