基于AutoCAD Civil 3D的水利工程地质三维模型

李永勇

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

基于AutoCAD Civil 3D的水利工程地质三维模型

李永勇

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

Civil 3D软件包含了传统CAD的全部功能，同时实现了三维动态模型的设计。文中以某水库工程地质勘察的三维地质建模过程为例，通过创建地形曲面、地层实体、坝基开挖曲面、生成施工结果等步骤来介绍Civil 3D的建模过程，为水利工程地质勘察三维建模提供参考。

Civil 3D；地质；三维模型

0 引言

随着计算机技术的发展，三维模型在设计行业得到日益广泛的应用。AutoCAD Civil 3D软件包含了传统CAD的全部功能，同时实现了三维动态模型的设计。Civil 3D软件广泛应用于规划、交通、市政、水利等土木工程领域[1]。在传统CAD工程地质制图的基础上，可以实现三维地质模型，更加直观地观察工程设计的施工结果，便于快速发现工程地质制图中存在的问题，同时对施工结果进行模拟，大大提高勘察设计的工作效率。兰立伟等运用Civil 3D软件在水工大坝坝体三维建模设计中，得到了较好的效果[2]。

1 主要思路

传统的地质建模思路主要是利用Civil 3D软件中的曲面、路线、纵断面之间同一对象不同视图不同显示的特性，各个视图间对象修改具有动态关联的特征，来生成地层曲面。主要利用了二维地形地质图与地质剖面图创建出三维地质模型。

水库工程多建于河谷型地貌，由于地层的出露、河谷切割等因素，绘制地层实体需多次裁减地层曲面，步骤较为繁琐。本文利用Civil 3D软件的创建实体功能，通过地层实体干涉，快速生成地层实体，使得河谷型地貌绘制地层实体更加快捷。具体建模过程为：①绘制原始地形三角网曲面；②利用钻孔等勘探资料绘制各地层曲面；③根据剖面图选定地层实体干涉步骤进行干涉；④整理成图。

2 工程实例

某水库工程位于冲沟沟口，冲沟走向为N80～85°W，无常流水。坝轴线走向N22°W，坝址区沟谷多为“U”型谷，沟谷宽约90 m，地面高程915～935 m，坝址处因沟内修建淤积坝造地，地形呈台阶段。两岸多为土质坡，自然坡度30～70°，呈台阶段，多为耕地。山梁高程一般 990～1 050 m，相对高差 60～120 m，属典型梁峁状黄土地貌。

发育地层岩性主要为古生界奥陶系中统峰峰组（O2f）、石炭系中统本溪组（C2b）和新生界第四系松散堆积物。①奥陶系中统峰峰组（O2f）岩性主要为峰峰组上段灰、深灰、青灰色厚层灰岩夹豹皮状灰岩、泥质灰岩。②石炭系中统本溪组（C2b）岩性为灰白色、灰黄色、灰色砂质页岩及灰色、浅灰色黏土质页岩、铝土页岩等。③第四系（Q4）松散堆积物主要为低液限粉土、低液限黏土夹钙质结核层。

根据勘察报告，得到坝轴线剖面简图与坝轴线横剖面简图见图1、图2。

图1 坝轴线剖面图

图2 坝轴线横剖面图

2.1 创建原始地形曲面

工程测量提供了比例尺1∶1 000平面图，并不能利用Civil 3D软件直接生成三维地形曲面。需对图面数据进行提取，步骤如下：

1）隔离地形图中的高程点，利用“提取数据”命令提取高程点数据形成外部高程点数据文件。对高程点数据文件内容进行整理，只保留坐标数据。

2）新建空白Civil 3D文件，从高程点数据文件导入坐标点，需要按照高程点数据文件格式选择点文件格式。

3）创建“原始地形”曲面，对曲面的点编组进行定义，将刚导入的高程点数据添加到点编组，利用“对象查看器”检查原始地形曲面。删除明显错误的高程点。

4）生成原始地形三角网曲面，结果见图3。

2.2 创建地层曲面

整理外业得到的勘探点数据，分别统计出基岩面数据、C2b与O2f层面数据。钻孔数据越多，得到的曲面越精确，本文只列出部分钻孔数据，见表1。

图3 原始地形三角网曲面

1）根据钻孔数据，分别生成基岩面高程点数据文件及C2b与O2f层面高程点数据文件。

2）按照原始地形曲面步骤生成基岩面曲面及C2b与O2f层面曲面。

3）利用“提取对象”命令，提对各地层曲面等高线数据，并对等高线图进行编辑，使曲面合理化。并将修改后的等高线添加到相应的曲面定义中。

表1 钻孔数据表

4）重新定义各地层曲面边界，与原始地形曲面边界一致。

2.3 提取各曲面实体

1）提取原始地形实体

提取原始地形曲面实体，向下提取深度为负值，深度宜大于最大勘探深度，本工程取-200 m，得到实体A。

2）提取基岩面实体

向上提取基岩面实体，本工程取100 m，得到实体B；

向下提取基岩面实体，本工程取-100 m，得到实体C。

3）提取C2b与O2f层面实体。

向上提取C2b与O2f层面实体，本工程取100 m，得到实体D；

向下提取C2b与O2f层面实体，提取至最大高程处，本工程取850 m，得到实体E。

2.4 干涉实体

干涉实体是将选定的两个实体的公共部分提取出来。应注意，此时的工作空间为“三维建模”。

1）覆盖层实体

干涉实体A和实体B，得到覆盖层实体（黄色）。

2）C2b 地层实体

干涉实体A和实体C，得到实体F；

干涉实体F和实体D，得到C2b地层实体（粉色）。

3）O2f地层实体

干涉实体F和实体E，得到O2f地层实体（绿色）。

至此，各地层实体都已经生成，删除实体A～F，只保留各地层实体。通过“对象查看器”可观察生成的三维地层模型。

2.5 施工结果

根据设计坝基开挖，利用“放坡创建工具”，可将坝基开挖进行放坡，合并原始地形曲面和坝基开挖曲面，生成施工结果曲面。施工结果曲面实体与各地层实体进行干涉，可得到最终的开挖结果模型，见图4。

图4 三维建模结果图

3 模型分析

根据三维模型可以看出，坝基中段开挖未将覆盖层全部清除，地基仍存在不均匀变形等工程地质问题，对大坝安全存在隐患，建议进一步进行处理。

4 结论

通过工程实例分析，体现了Civil 3D软件在建立三维地质模型的直观性、高效性。Civil 3D软件在水利工程地质建模中的优势主要有以下几点：

1）Civil 3D软件的曲面功能可以更加快速地提取测量数据，并形成数据库，同时方便对测量成果进行检查。

2）利用实体干涉生成地层实体模型的方法较为高效，但需要准确分析各实体干涉的先后步骤。

3）三维模型可以直观地看出工程设计存在的问题。

4）对于构造形迹较为复杂的地质模型的建立，仍需进一步研究。

［1］任 耀，秦 军等，AutoCAD Civil 3D 2008实战教程[M]，北京：人民交通出版社，2008.

［2］兰立伟，严 杰，AutoCAD Civil 3D在水利工程设计中的应用［J］，中国水运，2009，12（9）：120-121.

Three Dimensional Modeling for Hydraulic Engineering Geological Investigation Based on AutoCAD Civil 3D

LI Yong-yong

Civil 3D software contains all the functions of traditional CAD software.At the same time，it realizes the design of 3D dynamic model.The 3D geological modeling process of geological investigation in a reservoir project was taken as an example，the Civil 3D modeling process was introduced by creating the terrain surface，the stratum entity，the excavation surface of the dam foundation and generating construction results.The results could provide reference for 3D modeling in hydraulic engineering geological investigation.

Civil 3D；geological；3D modeling

TV221.2

B

1006-8139（2017）02-032-03

2017-02-24

李永勇（1982-），男，2008年中国地质大学（武汉）硕士研究生毕业，工程师，主要从事水文地质与工程地质方面的研究。