GMS软件在岩土工程勘察中的应用

江贵荣, 周燕红, 廖坤炎, 王建军

(1.广东省地质局 第一地质大队,广东 珠海 519002; 2.南昌工程学院,江西 南昌 330099; 3.中国地质大学(武汉) 环境学院,湖北 武汉 430074)

GMS软件在岩土工程勘察中的应用

江贵荣1, 周燕红2, 廖坤炎1, 王建军3

(1.广东省地质局 第一地质大队,广东 珠海 519002; 2.南昌工程学院,江西 南昌 330099; 3.中国地质大学(武汉) 环境学院,湖北 武汉 430074)

以珠海横琴新区某勘察区为例,根据钻孔数据,利用GMS中2D Scatter Point、 TINS和Solid模块建立该区三维岩土层结构,与现用勘察软件制作的成果图相比,其生成的剖面更平滑,更客观。

GMS;三维岩土层结构模型;岩土工程勘察

在工程勘察中,成果图件编制可以通过钻孔柱状图及剖面图反映地层分布,由于柱状图和剖面图是离散的、不连续的,往往缺乏整体可视效果,因此岩土层结构三维可视化研究成为热点[1-5]。目前常用的三维可视化软件有GOCAD、FLAC3D、ANSYS和GIS等[6-7],这些软件功能强大,可以精细刻画断层、岩脉和矿体等特征,但绘制三维可视化模型工作量大,需要较为详细的数据资料。GMS软件是水文地质模拟软件,在水文地质领域应用广泛,多用于数值模拟,刻画三维含水层结构功能服务于数值模拟[8]。把GMS应用于工程勘察中,将整个勘察区岩土层分布特征进行三维可视化展示[9],可以方便工程技术人员使用勘察成果,并且在三维可视化时数据准备处理较为简单。

1 软件简介

GMS(Groundwater Modeling System)是一款综合性地下水数值模拟软件,由美国Brigham Young University的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站研制开发,其综合了诸多已有地下水模型,比如MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D和NUFT等。GMS软件操作界面友好,前、后处理功能强大,成果可视化程度高,目前已成为最常用地下水模拟软件之一。

GMS软件除了具有强大的地下水模拟功能外,对于三维地层刻画也极为方便,涉及的主要模块包括Borehole、2D Scatter Point、 TINS和Solid。

Borehole模块对钻孔资料进行管理并生成钻孔柱状图,可自动或手动生成三维地层结构模型。

2D Scatter Point模块管理散点数据,可以进行二维地质统计(插值)分析,可以用于对各种类型像网格、栅格、TINS等进行插值。

TINS模块的主要功能是将研究区三角剖分,并将插值计算出的等值线图转化为每个剖分节点上的具体高程值。此外,可以利用多个TIN,直接生成三维岩土层,相互叠加后就形成了整个勘察区完整的三维岩土层结构模型。

Solid模块用于构造和管理地层三维实体模型。三维实体模型建立后,可根据需要在任意层、任意位置切割剖面,并查看剖面岩土层分布情况,也可以在空间任意旋转角度上观察模型的结构。

2 GMS在工程勘察项目中的应用

2.1 勘察区概况

勘察区位于珠海市横琴新区,年平均气温22.4 ℃,极端最低气温为2.5 ℃,极端最高气温为38.5 ℃;年降雨日为137.2天,年平均降雨量为1 993.70 mm,其中5—9月降水集中,其降雨量合计为年降雨量的77%。

2.2 建模方法

在GMS中,常用的建立地层三维实体模型的方法主要有两种:一种是基于Borehole模块,另一种是基于2D Scatter Point模块。Borehole模块构建模型时,较为简单,只要将钻孔数据整理成GMS识别的相应格式,导入后插值到由边界生成的TIN中,执行生成三维模型命令即可。2D Scatter Point模块相对比较繁琐,应预先准备好各地层的顶底板数据,再逐个导入,并将其插值到对应TIN中,最后执行命令生成三维地质模型。若研究区岩土层条件简单,不易出现窜层情况时,可采用第一种方法,反之宜采用第二种方法,并在数据准备时进行数据修正。相对于其他三维可视化软件,GMS具有数据格式简单、建模方法可选、易于前后处理以及可视化功能突出等特点。

图1 钻孔布置图Fig.1 Layout chart of drilling

2.3 建模过程

根据勘察钻孔数据,本区存在较多透镜体,局部为互层,因此采用第二种方法进行三维地质模型构建。建模过程如下:

(1) 收集钻孔数据,并按层位将数据整理成(XYZ)格式。为避免在岩土层构建时出现窜层,可预先采用Golden Software Surfer软件将层位厚度数据按一定间距进行预先插值,并将插值结果厚度>0的数据修正为0。利用地表高程数据依次减去处理后岩土层厚度,即可得相应层位的顶底板高程数据,保存为(XYZ)格式。

表1 勘察区场地岩土单元(层)一览表

(2) GMS中模型边界可识别SHP格式,可采用MAPGIS将CAD文件转换成SHP文件,完成后装入GMS,利用TINS模块对勘察区进行网格剖分。

(3) 将整理好的各岩土层高程散点数据通过2D Scatter Point模块导入到GMS中,采用Inverse distance weighted插值法进行插值计算,并将结果插值到相应的TIN上。

(4) 在TIN模块中选择horizons→solids命令,生成各岩土层实体结构模型,从而建立整个勘察区三维岩土层结构模型。

该三维岩土层结构模型通过打开和关闭相应层位进行整体或单层显示,可从XYZ轴负方向进行剖面查看或三维空间任意角度查看。通过GMS中Solid模块下的Create Cross Section命令切割三维岩土层结构模型,切割位置既可以根据钻孔连线,也可以随机切割,生成该位置相应剖面,通过开关断面线显示单剖面或多个剖面(图2-图4)。现用的勘察软件在刻画剖面时一般选择多个钻孔连线,在处理透镜体或互层时容易受主观因素影响,但GMS软件在三维岩土体刻画时仅参照数据变化,尖灭服从插值数据分布,人为主观因素修正较少,即透镜体或互层尖灭时延相对平滑、客观。

图2 勘察区南北向剖面图Fig.2 NS-trending profile in investigation area

图3 勘察区东西向剖面图Fig.3 EW-trending profile in investigation area

图4 勘察区岩土层空间结构剖面图Fig.4 Profile of spatial structure of rock-soil layer

通过GMS构建的三维岩土层结构模型,不光可查看正常岩土层分布,对于透镜体或互层也有较好的刻画。在该勘察区中,相对重要岩土层特征为:①块石填土层(层号1-2)厚度在场地内分布变化大,场地中南部分布较厚,北部、东部较薄;②吹填砂层(层号1-3)透镜体分布不连续,厚度分布不均,北西侧、东侧缺失,西侧、中部局部较厚;③淤泥层(层号2-1)场地分布广泛、连续,厚度变化较大;④海陆交互相粉质粘土层(层号2-5)和粗砂/砾砂层(层号2-6)出现了透镜体或互层,厚度变化较大,在勘察软件中将其处理为相对连续土层,但在GMS中由插值结果控制,多被处理成透镜体或互层,具有一定平滑效应;⑤残积层(层号3)仅局部出露,厚度较小,不连续;⑥勘察区岩体为燕山三期侵入强风化花岗岩(层号5)和中风化花岗岩(层号6),分布较广且连续。

3 结语

勘察区三维岩土层结构模型是利用GMS软件中的2D Scatter Point、 TINS和Solid模块建立的。该三维岩土层结构模型具有空间结构可视化、剖面切割随意化以及真实、准确等特点,并可通过切割剖面建立起立体剖面图。从该三维模型上可以清楚地看到岩土层的空间结构关系,方便工程技术人员整体把握勘察区岩土层厚度、分布和结构的空间变化。

[1] 施木俊,熊毅明,甄云鹏.基于工程勘察钻孔数据的三维地层模型的自动构建[J].城市勘测,2006(5):62-64.

[2] 孙国庆,施木俊,雷永红,等.三维工程地质模型与可视化研究[J].工程勘察,2001(5):8-11.

[3] 郭甲腾,吴立新,杨宜舟,等.岩土工程勘察场地立体空间建模与可视化信息管理[J].东北大学学报:自然科学版,2013,35(1):122-125.

[4] 乔涛,李晓勇.采用MAPGIS 进行地层三维可视化的应用[J].工程勘察,2008(增1):279-282.

[5] 翁正平.复杂地质体三维模型快速构建及更新技术研究[D].武汉:中国地质大学(武汉),2013.

[6] 聂琼.小南海坝基软弱夹层发育规律及三维可视化[D].武汉:中国地质大学(武汉),2014.

[7] 李莉.工程地质信息三维可视化关键技术研究[D].天津:天津城市建设学院,2008.

[8] 贾瑞亮,周金龙,刘延锋,等.应用GMS软件构建三维含水层结构模型[J].节水灌溉,2014(1):57-59.

[9] 杨军杰.GMS三维地质模型在铁路地质勘察中的应用[J].铁道标准设计,2014,58(11):24-27.

[10] GB50021—2001(2009版),岩土工程勘察规范[S].

(责任编辑：陈文宝)

The Application of GMS in Geotechnical Investigation

JIANG Guirong1, ZHOU Yanhong2, LIAO Kunyan1, WANG Jianjun3

(1.FirstBrigadeofGuangdongGeologicalBureau,Zhuhai,Guangdong519002; 2.NanchangInstituteofTechnology,Nanchang,Jiangxi330099; 3.SchoolofEnvironmentalScience,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074)

Taking the investigated area of Hengqin town in Zhuhai city as example,the three-dimensional structure of rock-soil layers is established by assigning formation with 2D Scatter Point,TINS and Solid modules of GMS according to borehole data and elevation data.The profile compared to the investigation results is smoother and more objective which is established by GMS.

GMS Software; three-dimensional structure of rock-soil layers; geotechnical investigation

2015-03-18;改回日期:2015-04-01

江贵荣(1986-),男,助理工程师,硕士研究生,地下水科学与工程专业，从事地质灾害勘察设计与工程勘察工作。E-mail:123jiangguirong123@163.com

TP319; TU4

A

1671-1211(2015)03-0347-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503024

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150422.1104.017.html 数字出版日期:2015-04-22 11:04