Geostation for City在长距离管线地质模型的应用

李汶谕，刘喜珠，张航钒，杜道宽

（山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013）

Geostation是依托Bentley平台，并基于MicroStation的地质三维勘察设计系统，其系统功能流程如图1所示，通过Microsoft SQLServer和ProjectWise两个数据服务平台，实现客户端对工程地质数据库和文档的异地远程访问、存储。集数据管理、地质建模、计算分析、二维出图、土木工程设计等模块于一体，广泛应用于水电、水利、工民建、地铁、公路等地质工程领域。该系统很好地满足了工程地质三维建模、三维分析、二维出图、项目数据管理、勘察信息化、标准化、流程化以及工程勘察与下游各设计专业三维协同设计一体化的需求。GeoDataManage、Geostation for City是Geostation按照行业领域划分的子系统之一，也是对Bentley工程三维协同设计软件体系的极大补充。

三维地质建模是运用计算机技术，在三维环境下将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计及图形可视化等工具结合，用于地质研究的一种技术。它具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性五大特点。对于地质工程研究、矿产资源开发、地质灾害防治和地理信息系统研究具有重要意义。

利用Geostation三维地质建模系统，能高效地进行三维地质建模和信息传递，提高研究设计阶段的效率，提升项目决策水平，对于项目设计的勘察、方案分析、设计、效果展示、决策、施工、管理及运营等方面有诸多益处。为此，笔者构建长距离管线地质模型，结合Geostation for City的软件功能，实现对长距离管线模型的建立、分析和反馈，并对Geostation for City应用过程进行分析探讨。

图1 Geostation系统功能流程示意图

1 模型创建

Geostation for City作业流程如图2所示，数据、模型、查询、统计一体化联动，形成一套完整的模型创建流程。该软件中模型建立、二维出图等功能高效便利，保存、修正交互联动，并与设计协同应用，多专业有机结合，工作效率高。

1.1 数据库系统

建模第一步是建立数据库，GeoDataManage就是用于创建地质数据库，系统梳理地质信息内容，完成之后再与Geostation for City交互联动，便于地质建模。

图2 作业流程示意图

1.1.1 地质定义

结合工程区地质资料，进行标准地层、地层界面、地质构造等信息录入，实现工程区的地质定义，如图3所示。地质定义可以说是一个分模块、系统性的地质概况，将工程区的地质最基本信息建立数据库，所以建立的地质定义模块将勘察前期或过程中收集到的地质资料汇总整合，形成一个数据目录，既可以便利提取数据信息，也可以及时进行数据修正。

图3 标准地层定义示意图

1.1.2 勘探布置

勘探布置主要是对工程开展前工作量进行初步规划，对地质勘察工作过程中有一定指向性。像其中勘探线布置录入各拐点对应的坐标信息，工程开展前规划好勘察过程的进展方向，便于勘察过程中对野外作业范围的圈定，建模完成后也与钻孔的信息联系便于勘探线出图；另外钻孔布置和坑探布置也是初步规划外业前钻孔、探坑的数量多少，最大程度合理计划勘察工作的顺序。

1.1.3 地质勘探

地质勘探是将钻孔、平洞、探坑和探井等野外作业收集的数据整理录入，是整个数据库的主干，钻孔界面如图4所示，基本信息包括：钻孔编号、钻孔坐标、、钻孔孔深等，此模块主要实现钻孔勘探过程中收集的野外地质信息，所包含的内容完整度高，很好体现钻探野外作业的实际情况，这一模块是地质模型创建必须应用的一部分，是整个数据库的重中之重。

图4 钻孔信息示意图

1.1.4 其他功能模块

数据库还可以添加地质测绘、实验数据、物探数据、观测数据、查询统计和资料登记等多方面数据的建立。

利用GeoDataManage数据库系统，建立的地质信息内容完善、全面，管理地质信息有效又便利，梳理统计已完成的地质信息准确又合理，为建立三维地质模型提供良好的数据支持。

1.2 三维建模

笔者利用Geostation for City构建三维地质模型，该软件具有强大的地质信息处理功能和建模功能，土层互层、地层分层较明显，相对较简单的地质情况根据软件计算方式，可以自动或半自动建模，比较快捷地利用数据库中工程地质信息创建三维地质模型。

1.2.1 地表曲面模型建立

测量人员利用相关软件将测量数据进行地形数据处理，建立地形mesh面，地质人员将测量提供的地形mesh面进行曲面转换，实现建立地表曲面模型。如图5所示。

图5 地表曲面模型创建示意图

1.2.2 地质建模

根据软件三维建模功能，使用地质建模工具，导入钻孔信息，检查整个环境中钻孔信息的完整准确性；再在地形mesh面建立实体成立模型。如图6所示，结合钻孔信息、剖面数据及其他各种地质数据，在所生成的实体模型中，实现二维出图展示等其他地质信息展示，其中地层起伏变化为基坑设计和基坑开挖施工有一定指导作用。

图6 地质模型示例

综上所述，通过数据库建立的三维模型具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等特点，符合BIM的特点。

2 工程应用

笔者选择黄水东调应急工程项目，结合项目的各种情况，应用Geostation for City完成其中长距离管线部分的地质建模。

2.1 工程概况

黄水东调应急工程调出区为东营市，调入区为胶东地区潍坊市，受益区为青岛、烟台、威海三市，所调水量均为利用各市现有的引黄指标，不新增引黄指标水量。工程与引黄济青工程共同承担青烟潍威四市供水任务，统筹解决青烟威潍供水危机。调水线路涉及东营市垦利县、东营区、广饶县、寿光市、潍坊滨海区共5个市（区、县）。

工程自广南水库加压泵站经两根2.4m管道输水至潍北第二平原水库，再经潍北第二平原水库加压泵站经管道两根2.4m管道输水至宋庄分水闸。黄水东调应急工程供水保证率95%，供水流量为15m3／s，年运行243天，年供水量3.15亿m3，工程规模为大（1）型。是山东省重点工程，总投资71.99亿。

该工程区位于山前倾斜平原与黄河三角洲平原之间近滨海地区，地貌属微倾斜低平原区的冲积-海积平原亚区内，工程区北邻黄河三角洲海积-冲积平原亚区，西邻黄河冲积平原亚区，南邻冲积洪积平原亚区。工程区内地势低平，海拔一般在10m以下。区内主要发育第四系及第三系地层，第四系全新统按成因可分三层，中层为灰至灰黑色的海相沉积层，上下两层为灰黄至黄褐色的河流相沉积层；上第三系包含明化镇组的棕红色泥岩、砂质泥岩与灰白色砂岩和馆陶组的灰白色砾状砂岩、细砾岩、灰绿色细砂岩和棕红色泥岩，下第三系为灰色、杂色泥岩和砂岩交互层。

根据GB50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》附录L判定，输水管道沿线地下水对混凝土具一般酸性弱～中等腐蚀性、镁离子型中等～强腐蚀性、硫酸盐型中等～强腐蚀性，对混凝土结构中钢筋具中等～强腐蚀性，对钢结构具中等腐蚀性。

根据GB18306-2015《中国地震动参数区划图》，龙泽水库以北（输水管线勘探桩号53+300附近）工程区地震动峰值加速度为0.10g，相应地震基本烈度为Ⅶ度；龙泽水库以东输水管线场区地震动峰值加速度为0.15g，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。

本文选择该工程第一段管线距离总长近65km，工程地处华北平原鲁北滨海黄泛平原区，管线范围内地势平坦，地貌类型为黄河三角洲冲积平原地貌；工程勘察区域整体地形宽度窄并且曲折变化，地表土层主要为第四系黄河冲积物，主要为粘性土和少粘性土，基岩埋藏较深。如图7所示。

图7 工程区域示意图

2.2 建模难度

模型建立过程中，软件整体一次性创建模型，出现所建地层不全、体积等属性缺失等情况，导致建模失败。从数据库的信息梳理，到建模过程操作，对地形模型、钻孔数据、钻孔位置分布和深度等多方面因素考虑，笔者分析认为线状地形的距离长度和建立线状模型对软件运算能力的要求，对整个模型的建立带来难度。

2.2.1 地形距离长度的难度

总长近65km长距离输水管线的地形宽度窄且弯曲多变，如图8所示，建立长距离线状模型对控制点的要求比单体点状明显要高，一次性建模无法很好实现。

图8 局部管线地形m esh

2.2.2 模型运算数据量大

线状长距离模型的钻孔、地形节点等各种运算数据与单体点状地质模型比较相差也很大，建模运算的数据量可能会远远超过计算机计算分析能力，并可能在建模过程中与其他软件产生冲突，导致建模失败。

2.3 解决策略

笔者为解决数据轻量化、线状长距离地形等进行了各种尝试，进行了钻孔、地形mesh方面的改进。如钻孔深度的控制，数据库中录入钻孔深度不统一，在保证勘察要求的前提下，尽可能保证建模钻孔深度一致，并进行钻孔数据调整，达到既保证数据准确性，又在建模数据处理过程中轻简化的目的。又如分段建模，对线状长距离地形的难点，笔者采取的方法就是将线状化成点状，化整为零，对地形Mesh分段取直，使线状长距离地形成为短距离点状地形，达到规整地形的目的，解决地形弯曲多变的影响因素，控制建模过程中节点，提高建模成功率。分段建模如图9所示。形成的模型具有BIM所有的特点，基本满足要求。应用此方式建立全部分段模型，实现该工程管线整体地质模型的建立如图10。

图9 局部分段地质模型

通过探讨分析局部调整，进行钻孔信息整理、模型分段构建，建立的长距离管线地质模型基本满足下游专业的需求。

图10 地质模型

3 结语

Geostation for City以工程地质数据资料为基础，软件建模功能为技术核心，通过强大的曲面构建能力，建立地表地形和地层界面，实现三维地质实体建模，突破二、三维互动修改，体现出BIM模型的可视化、协调性、优化性等特点。

本文通过探索线状长距离建模机制，实现了三维地质建模的动态模型建立，同时能够提供图形可视化，方量运算，剖面图自动绘制等功能，为三维地质建模提供了新的思路。通过Geostation for City建模软件强大的交互能力，可把生成三维地质模型数据导入Bentley系列其他软件进行充分的利用，也可以导出部分数值进行深度计算和模拟工作。

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