基于GOCAD的坝址区三维地质建模及成果应用

魏恺泓, 崔中涛, 李进元, 李青春, 王 刚

(1.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072; 2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川 成都 610059)

基于GOCAD的坝址区三维地质建模及成果应用

魏恺泓1,2, 崔中涛1, 李进元1, 李青春1, 王 刚1

(1.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072; 2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川 成都 610059)

在传统的水电勘测设计过程中,地质模型常用传统的二维剖面形式展现,无法构建地质体的空间几何形态及分布。利用GOCAD系统强大的三维建模功能建立某水库电站坝址区工程地质模型,模型直观显示了河床基覆界面、砂层透镜体、覆盖层内部界面、风化卸荷面等地质对象的空间属性,并借助地质解译、空间分析功能进行超深厚覆盖层条件下河谷形态研判及天然防渗铺盖层可靠性分析。其意义在于加强坝址区超深厚覆盖层成因以及河谷演化地质宏观认识,指导后续勘探布置,实现水电工程协同设计。

GOCAD;地质模型;超深厚覆盖层;河谷形态;铺盖层

图1 坝址区覆盖层层次结构示意图Fig.1 The sketch map of hierarchy structure of dam covering layer1.风积堆积;2.崩坡积堆积;3.冲风积堆积;4.坡洪积堆积;5.洪积堆积;6.泥石流堆积;7.冲洪积堆积;8.现代河流冲积堆积;9.河流阶地冲积堆积;10.冰川冰水堆积;11.河湖相堆积;12.湖相堆积;13.泥石流堆积;14.超基性岩体;15.念唐古拉山岩群a岩组;16.覆盖层分层编号。

目前,随着信息技术的发展,应用于三维地质建模的软件程序也越来越多,由于各软件应用重点不同,其建模难易程度、模型精度及模型应用等有较大差别。国际上广泛应用的GOCAD大型三维建模软件在地质建模方面有着独到之处,它不但具有核心的地质建模功能,可以实现结构特征与地质属性统一表示,还具备强大的可视化功能和地质解释功能[1];依托其离散平滑插值技术,能够利用地表及地层界面信息数据(等高线地形图、钻孔数据等)建立地表面和地层分界面(对象)[2]。此外,可通过二次开发编写接口程序,将GOCAD中对象输入到有限元分析软件中,实现数值模型的建立和模型的数值分析[3]。该系统不仅满足建立几何模型和三维展示的需要,更重要的是需要帮助进行工程分析和决策,实现辅助设计的目的[4-5]。

本文以某水库电站工程为例,由于坝址区河床覆盖层超深厚且层次结构复杂,在建立地质对象时需要综合考虑对象边界条件、叠覆关系、空间展布等因素,因此在有限勘探信息的条件下,利用系统离散平滑内插方法(简称DSI)建立坝址区基覆界面、透镜体、风化卸荷界面等地质对象,并检验、修正基覆界面,使河谷形态及空间展布更精确,在此基础上利用系统解析功能,对具有相对隔水特性,能作为铺盖的层进行可靠性分析,最终达到协同设计效果。

1 基本地质条件

某水库电站坝址区河谷开阔,宽近2 km,呈较顺直宽缓“U”型谷,两岸山体雄厚,岸坡地形较陡。勘探揭示覆盖层最大厚度为567 m,基岩为片麻岩(Pt2-3Nqa)、超基性岩(∑),覆盖层按成因类型主要有冲洪积、堰塞湖相沉积、冰积与冰水堆积,以及坡洪积、泥石流堆积、风积等。

河床覆盖层从下至上可分为四个大层,九个亚层(见图1),其中具有重大工程意义的第③层为堰塞湖相沉积,以细颗粒土为主,累计厚度达200～250 m,按物质组成又分为三个亚层(见表1)。

表1 第③层物理特性统计表Table 1 Physical properties of the third layer

2 三维地质建模思路及意义

坝址区地质模型的构建采用成都院地质处自主研发的GeoSmart平台,该平台形成集数据管理—模型构建—模型应用于—体的数字化体系[6]。

建模过程中首先需要通过GeoIM工程地质信息管理系统对原始勘探数据(钻孔、平硐、地质点、试验等)进行录入,并进行成果单因素解析[7]。在GOCAD系统中,按照“提取数据”—“提取坐标点”—“创建/定义地质界面”—“数据关联”的步骤(见图2),建立相应的地质界面,设计人员可将界面的三维形态与工程地质定性分析相结合,利用三维模型与二维剖面“互校”方法对模型进行检验、补充、修改,如地质曲面的边界控制、切割和平顺处理,地质体的体积、空间形态展布控制等,最终形成具有参数属性的地质对象。

图2 建模步骤Fig.2 Modeling step

坝址区GOCAD三维地质模型(见图3)直观显示基覆界面、砂层透镜体、覆盖层内部界面、风化卸荷面等对象的空间属性,而其中核心部件基覆界面的形态精确度不仅关系到河谷演化,也对地下厂房、引水线路、溢洪道、坝基处理、坝肩开挖锚固等工程设计亦有重要指导意义。但在覆盖层厚度超500 m且成因类型极其复杂的条件下,若要做到通过剖切面准确判断河谷形态,需要大量的勘探工作,消耗大量的时间和经费,且现场实施难度极大。同时,③-2层作为相对隔水层,若能作为水平铺盖防渗层,可以节约投资成本。因此,通过钻孔、地表测绘点控制约束建立坝址区表面和实体模型,并运用可视化操作,使不同方位、不同水平的地质信息迅速方便而又直观地显示出来,可解决勘测数据较少的情况下河谷形态研判及铺盖层可靠性分析。

图3 坝址区GOCAD地质模型Fig.3 GOCAD geological model of the dam area

3 GOCAD模型应用实例

3.1 河谷形态研判

DSI方法是运用一系列具有物体几何和物理特性的相互连结的节点来模拟地质体。本文实例中,“U”型河谷“深槽”曲面内插数据仅通过4个钻孔(表2)获取,数据缺乏且离散,此外数据显示下游基岩高于上游基岩。因此在将数据转化为连续曲面时,系统运算拟合出不合常规的网格节点[8],表现为原始模型中的“基岩反翘”现象,不符合地下水渗流规律。

表2 河谷“深槽”曲面插值数据Table 2 Interpolation data of valley deep groove

对原始模型“病灶”分析可以看出,河床中轴线(Y轴方向)长度为5.45 km,“深槽”上游起点至下游3.6 km段形态平顺合理,解析出模型的平均纵坡降比为0.01。结合地质宏观认识研究判断,zkm01与zkm02中点M(节点M位于河床中轴线上)高程异常偏高是导致“基岩反翘”原因。因此,以纵坡降比0.01为参考值,通过计算公式(1)得出节点M的合理高程(即Z轴坐标)应为2 332 m。

HM=Hzkm304-Lzkm304-M×i

(1)

式中:HM为节点M合理高程,m;Hzkm304为钻孔zkm304高程,m;Lzkm304-M为钻孔zkm304至节点M水平距离,m;i为河谷纵坡降比。

为了修正原始模型,采用添加虚拟钻孔的方法,以节点M的XY坐标为钻孔坐标,在地质分层数据信息中增加基覆界线点,高程录入为2 332 m,以该点为新的约束点,进行局部的“撕分”、“迭代”处理,最终形成纵坡降比为0.01的“U”型河谷“深槽”空间形态(图4)。

图4 河谷最终形态Fig.4 The final form of valley

3.2 ③-2层可靠性分析

(1) 按照GOCAD建模的基本方法,首先建立防渗铺盖层的上下顶底面;

(2) 通过厚度约束并计算误差,将误差云图(厚度等值线)投影到顶面或底面上;

(3) 在被投影的面属性栏中,查找到“厚度值”,应用脚本将“厚度值”与“Z”属性替换;

(4) 通过线子集将厚度等值线创建为新的线对象;

(5) 将对象输出,形成DXF、DWG格式文件。

图5 ③-2层厚度等值线图(圆点表示钻孔,数字表示厚度)Fig.5 The map of thickness contour of ③-2 layer (dots indicate drilling,digital indicate thickness)

由图5可得出:该层厚度为6～26 m,总体呈“中间薄,两岸厚”的趋势,最厚与最薄处都位于同一勘探线上,间距较小,且靠近左岸,说明该处层厚起伏较大。为了确保厚度分布的准确性,下一阶段需进行有针对性的验证性勘探,在缺乏钻孔控制的部位进行补充性勘探。

该层无“天窗”发育,分布连续的现象与勘查结果一致。试验成果显示其抗剪强度平均值分别为c=14.5 kPa,φ=23.1°,若作为堆石坝铺盖层,总体能起到一定抗滑移作用。此外,GOCAD将工程地质信息系统解析的其余试验成果(如颗分、渗透性、密度、含水率、比重、压缩系数等)与对象的属性关联,水工专业可运用现有成果,确定铺盖范围、厚度,计算铺盖作用下的水力梯度,对比不同防渗体作用下的防渗效果。

在河谷演化过程中,该层沉积同时伴有古河流冲刷,厚度较薄的部位则河流冲刷效应显著。沿河床中心线该层厚度变化较大、坡降不连续,推断古河流流向并非沿河床中部自上游到下游,与现代河流流向不同,出现改道现象,如图5中箭头所示。

4 结论

三维地质建模是地质学研究的基础,也是水电工程设计的基础,基于GOCAD系统可进行地质信息以及后续施工信息动态化管理。结合系统平滑插值方法(DSI方法)的可视化操作,直观地显示了三维模型,节约了大量勘探工作量,但由于插值数据有限,对重点区域的研究采用添加虚拟钻孔的方法进行原始模型的检验、修正,使地质对象空间展布合理,符合地质宏观认识。此外,系统的解译功能将地质定量与定性分析相结合,有助于工程地质评价,并对下阶段勘查起到一定的指导作用;同时,该系统也可同其他软件对接,模型转换后可进行岩土体应力应变、稳定性,地下水渗流等数值分析。

[1] 魏群,党丽娟,张俊红,等.GOCAD在岩体三维可视化模拟中的应用[J].煤田地质与勘探,2008,36(5):15-19.

[2] 刘毅,程建军,马恩帅,等.边坡地质体三维模型及数值模型构建方法研究[J].公路,2015(4):63-66.

[3] 许国,王长海.万家口水电站复杂地质体三维模型及其数值模型构建[J].武汉大学学报(工学版),2013,46(4):469-474.

[4] 段建肖,廖立兵,肖鹏,等.GOCAD三维地质建模成果的二次开发及应用研究[J].人民长江,2015,46(14):51-54.

[5] 张先伟,王常明,张国柱,等.三维边坡地质体建模方法及工程应用[J].地下空间与工程学报,2011,7(2):329-334.

[6] 李明超,钟登华,王忠耀,等.水利水电工程地质—水工三维协同设计系统研究[J].中国工程科学,2010,12(1):43-47.

[7] 李明超,闫福根,韩彦青.一种用于水利水电工程的三维设计协同作业方法:201210392963.1[P].2013-04-17.

[8] 陈昌彦,张菊明,杜勇廉,等.边坡工程地质信息的三维可视化及其在三峡船闸边坡工程中的应用[J].岩土工程学报,1998,20(4):1-6.

(责任编辑：费雯丽)

3D Geological Modeling and Application of Dam Site Area Based on GOCAD

WEI Kaihong1,2, CUI Zhongtao1, LI Jinyuan1, LI Qingchun1, WANG Gang1

(1.PowerChinaChengduEngineeringCo.,Ltd,Chengdu,Sichuan610072; 2.StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059)

Geological models are often shown in traditional two-dimensional profiles in traditional design methods of hydropower survey,therefore,the spatial geometry shape and distribution of geological bodies cannot be constructed. In this paper,the engineering geological model of dam site of reservoir power station is established by 3D modeling function in GOCAD system. The model shows the spatial attributes of geological objects such as riverbed base cover interface,sand lens,covering internal interface,weathering and unloading surface. At the same time,the river valley shape analysis and reliability analysis of natural impervious blanket can be carried out under ultra-deep overburden through geological interpretation and spatial analysis function. It is significantly to enhance geology awareness of formation of ultra-deep overburden and valley evolutionin dam site area,guide the layout of exploration subsequently and realize the collaborative design of hydropower projects.

GOCAD; geologic model; ultra-deep overburden; valley morphology; bedding layer

2017-06-20;改回日期:2017-07-11

魏恺泓(1989-),男,工程师,博士,地质工程专业,从事水电工程和岩土工程勘察设计工作。E-mail:kaihongwei0908@126.com

TV222.2

A

1671-1211(2017)04-0510-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.034

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170622.1655.010.html 数字出版日期:2017-06-22 16:55