三维地质建模在水利工程勘察中的应用

赵 意， 吴坤占， 甘 龙， 叶 欣

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014； 2.长沙市工务局，湖南 长沙 410013； 3.长沙理工大学，湖南 长沙 410076)

1 引言

三维地质建模的概念最早是由加拿大Simon W Houlding于1993年提出的。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、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来用于地质研究的技术。在水利工程勘测中，三维地质建模可以直观地将各类地质信息以立体的方式进行展现，有利于设计人员更好地分析存在的地质问题，也方便各专业之间的技术交流。本项目主要利用中国电建集团中南勘测设计研究院基于Bentley公司Microstation平台研发的工程地质三维设计软件(PowerGeo)，以湘江东岸防洪堤改造工程中的五一路管涵为例，依据实测的地形数据和地质勘察数据建立三维地质模型，并对模型的后期初步应用进行探索。

2 项目概况

湘江东岸防洪堤改造工程位于长沙市湘江东岸(右岸)的杜甫江阁—银盆岭大桥段，全长约5.1 km，主要对已有堤防进行改造，并改扩建穿堤管涵。工程建设区发育的地层主要有：第四系人工填土、第四系冲积堆积物(以粉质黏土、黏性土、含淤泥质黏性土、砂砾层为主)、

始新统—渐新统霞流市组(E2-3x)(泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和砾岩)、元古界冷家溪群(Ptln)(绢云母板岩、千枚状板岩)。

3 构建三维地质模型

3.1 建模思路

PowerGeo软件分为数据端和图形端两部分，数据端作为一个数据管理系统，主要用于存储原始的勘察资料，包括工程区内地层岩性、构造风化、钻探试验等基础数据，并对数据进行初步处理，为建模提供数据支撑。图形端通过调用基础数据建立各种地质界面，并最终生成三维地质模型。建模过程为：建立三维地形面→创建钻孔、地质剖面模型→建立各种地质界面→根据地质界面分别生成相应的地质体→三维地质模型的后期应用(如虚拟开挖、快速出图、协同设计、施工动态模拟等)。

3.2 建立地质模型

3.2.1 创建三维地形面

工程区已有比例尺1∶1000的地形图，通过对地形图进行整理，利用Bentley公司的GEOPAK Site软件提取地形图中的等高线和高程数据，制作TIN文件，并生成地形三角网格面(图1)。

图1 地形图生成地形三角网格面

3.2.2 创建钻孔勘探线模型

利用PowerGeo软件图形端，直接调用数据库中存储的勘探数据，生成钻孔模型和勘探线模型(图2)，其中钻孔模型可按地层、岩性、风化等不同类别进行分段显示。

图2 钻孔模型和勘探线模型

3.2.3 建立地质界面

在钻孔模型和勘探线模型的基础上，利用剖面分析工具，对勘探剖面进行编辑，确定各类地质界线，形成地质线框模型(图3)。根据不同地质属性的界线及数据，分别生成相应的地质界面，如人工填土底面、粉质黏土底面、砂砾石层底面、全风化板岩底面和强风化底面等(图4)。

3.2.4 生成三维地质模型

利用PowerGeo软件图形端的工具，在各地层界面之间生成网格体，并赋与相应的地质属性(图5)。为了使三维地质模型更加直观，还可以将各个地质网格体贴上相应的材质。

图3 地质线框模型

图4 地质界面模型

图5 三维地质模型

4 三维地质模型初步应用

4.1 地形开挖

利用Bentley公司的GEOPAK Site软件在三维地质模型上进行虚拟开挖设计时，可以清晰地展示基坑开挖到设计高程时各个地层的情况(图6)，并根据不同的地层岩性来分别计算开挖量和回填量，使得土石方工程的造价预算更为精确。

同时，三维地质模型也可以帮助我们检验设计方案。按照基坑设计方案建立桩基础模型，并与地质模型进行组装(图7)，可以直观展示桩端是否达到持力层，并可计算出桩端进入持力层的深度。在满足设计要求的前提下，对设计方案进行合理优化。

4.2 快速出图

和传统设计相比，当设计方案发生变更时，剖面的位置也会发生相应的改变，这就需要地质专业人员花费大量的时间来重新对剖面进行填图。而三维地质模型完成后，可以对模型进行任意剖切，快速得到二维剖面图，以此来满足设计人员的需求。

图6 三维地质模型及地层拆分

图7 桩基础与地质模型

4.3 协同设计

通过协同设计平台，设计人员将地质模型与设计模型组装在一起(图8)，可以直接从地质模型中得到有用的地质信息，如岩性、风化、地下水等，有利于方案设计。而且当方案发生变更时，设计人员可以根据地质模型及时调整设计方案，大大提高了设计效率。

图8 多专业模型组装

4.4 施工动态模拟

通过将各专业完成的模型按照施工步骤进行拆分重组，利用BIM技术对施工步骤进行动态模拟，可以直观、精确地反映出整个施工过程，确保施工方案的合理性，促进施工方案的进一步优化，也有助于施工方更加高效地对整个工程的施工进度、资源调配等进行管理。

5 结语

本文以PowerGeo软件创建穿堤管涵三维地质模型为例，介绍了建模的基本流程，并对模型成果进行了初步应用，取得了较好的效果。三维地质建模有助于勘察资料的管理，而模型任意位置剖面的快速出图大大减少了地质生产人员的工作量。同时地质模型为设计人员提供了更为直观的地质信息，提高了设计工作效率，而利用模型进行施工动态模拟对实际施工具有很好的指导作用。