基于ItasCAD闸泵站三维地质建模方法研究

2019-10-14徐肖峰曹正璇于亚东

浙江水利科技 2019年5期

徐肖峰，曹正璇，黑灿，于亚东

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002）

1 问题的提出

大型水利工程的设计和施工往往面临复杂的地质情况，传统工程地质资料的分析一般局限于二维和静态的方式，不能良好地表达地质体之间的相互关系，也不便于进行地质力学分析[1]。且水利工程不同专业之间的工作方式是流水式的，即地质勘测→地质分析→水工设计→施工设计→施工管理，这种工作方式虽然使各专业部门的职能非常明确，但不利于专业之间的信息交叉和反馈，往往产生地质与水工、施工相脱节的现象；同时，当有新的地质资料加入或者设计方案发生变更时，各专业人员都需花费很多时间和精力返工，整个过程不仅存在大量的重复劳动，而且不同专业之间的数据难以有效协调，使工程设计的水平和效率降低，从而影响工程建设的顺利进行[2]。发展三维地质曲面建模技术被认为是提升岩土工程设计质量的重要途径，三维地质曲面模型作为岩土工程建设信息的一个重要组成，不仅有利于观察分析工程区的地质状态，还能辅助决策者进行方案的比选和优化，实现设计精细化，提高设计水平[3-6]。

目前，国内外学者在三维地质建模方面做了很多研究工作，取得了很大的进展。国外已推出很多成熟的商业软件，如GOCAD、CTECH、EARTHVISION和GEOFRANCE 3D等，这些软件已被广泛应用于三维地质建模与可视化研究、矿床模拟、生产管理等方面。国内学者在三维地质建模系统方面也做了大量工作，研发一些软件，如成都理工大学柴贺军和黄地龙开发的矿山采场岩土工程模型软件系统、天津大学钟登华院士等研发的基于NURBS算法的岩体结构三维可视化软件，中国地质大学（武汉）国土资源信息系统研究所研究的GeoBIM等，但由于上述软件是基于不同的界面平台，且生成的三维地质可视化模型缺乏与通用数值计算软件的结合，大多数服务于一些特定领域，成熟通用的商业软件并不多见，因而在众多设计院中并未得到广泛的推广与应用[1]。

近年来，地质曲面插值拟合算法研究成为三维地质建模研究的热点，克里金插值方法、Lawson算法、三角剖分的优化算法、广义三棱柱构模法、四面体模型、地理信息系统都不同程度地考虑了地质体对象的特点，但都将地质钻孔数据的离散性与地质体对象的连续性分隔开来。离散光滑插值技术（DSI）构建的地质模型被认为是具有可靠性较好的一种结果[3]。以某闸泵站工程为例，基于ItasCAD平台，引入钻孔、静力触探等多种勘探数据，采用数据库驱动与DSI插值技术构造地层曲面的方法，建立枢纽区的三维地质模型，较好地反应了场区的地质分层情况，同时，导出部分模型成果为勘察报告附件，为信息化设计提供了更丰富的地质资料。

2 平台介绍及工作流程

2.1 平台介绍

ItasCAD平台由基于C#和OpenGL的图形系统不断完善而成，定位于“建模为基础、工程分析和辅助设计为目的”的综合性平台，包含数据库、建模与数据处理、应用与成果输出3大功能模块。基础资料录入和储存在基于数据库技术研发的工程地质信息系统内，通过必要的处理之后形成含属性的三维地质模型。平台采用DSI（Discrete Smooth Interpolation）插值方法，该方法允许使用多种形式的约束条件以保证勘探点精度和实现勘探点以外的地质推测。能同时满足地质体复杂形态、非连续性和不确定性等3方面的特点和要求。

2.2 工作流程

首先，对岩土层名称、成因地质年代等进行术语定义，并按照定义好的勘察成果进行入库并对入库数据进行检查；然后，通过层面建模及透镜体建模建立地层曲面，必要的时候建立封闭的mesh面；最后，将模型成果用于二维剖切出图，或导出相关曲面，可进行场平设计和挖填方辅助设计，也可将模型导出至三维数值分析软件进行数值模拟（见图1）。

图1 建模工作流程

3 地质三维模型的构建

3.1 工程及勘察概况

某闸泵站枢纽包括排水泵站、引水闸站、总干渠、总干闸及排引水河首部。排水泵站设计排水流量165 m3/s，引水闸站设计引水流量40 m3/s，闸净宽20 m，总干闸净宽14 m。枢纽区工程勘察采用钻探取土、双桥静力触探试验、十字板剪切、标准贯入、重型圆锥动力触探和室内土工试验等综合勘察手段。建模场区范围内共完成钻孔26只，静力触探孔2只，勘探剖面13条，建模范围约0.19 km2，勘探孔平面布置示意图及建模边界见图2。

3.2 场地地层分布

场地地处曹娥江边，属曹娥江冲海积平原亚区和低山丘陵区，由于沉积环境的不断变迁，土层分布不均匀，在水平及垂直方向上都有相变现象，土层结构较为复杂。按地层沉积时代、成因类型及物理力学性质指标的差异，勘探孔深度范围内揭露地层自上而下主要层次见表1。其中，Ⅲ层各亚层软土厚度较大，地基浅部无良好天然持力层，需进行地基处理。同时，场地靠近山麓，基底基岩由东南侧向北西侧倾伏，局部基岩面倾角较陡，对嵌岩桩桩长的选择影响较大。

图2 建模场址内勘探孔示意图

表1 勘探范围内主要土层表

3.3 数据整理与准备

枢纽区陆地地形采用无人机，水下地形采用测深仪，均进行密集的点云采集，其成果数据为坐标点，点云数据可导入ItasCAD成为点集对象。同时，将26个勘探孔的孔口坐标也导入到点集中，利用地形要素线控制突变边界，生成地形曲面。或在Civil3D建立.dwg三维网格曲面，通过数据处理成.3ds文件后再导入到ItasCAD中。

根据场区工程地质条件，进行数据库内术语定义。同时，结合岩层风化分带、室内土工试验和静力触探试验曲线，对每个勘探孔进行土层划分，并逐一输入钻孔信息及相应的分层数据，或通过预定义好的Excel表格将勘探孔信息及分层数据导入.db数据库中。已有纵、横剖面视实际情况确定是否需要纳入建模源数据中。对入库数据进行容错检查，完成上述步骤后地形曲面及勘探孔分层见图3。

图3 场区地形曲面及勘探孔位置图

3.4 三维地层模型的构建

地层曲面建模是三维地质建模的核心部分，这些面存在于地质体的内部，无法直观观察到。在三维地质建模中，将这些曲面重构处理，包括其几何形态和空间位置关系等。首先，将数据库中的勘探数据导出至ItasCAD建模界面，保持建模源数据与数据库的关联性。根据已知资料条件和对象特征，有勘探资料的位置采用精确约束，无勘探资料的位置采用模糊约束，采用DSI技术进行地层曲面拟合，采用二维剖切人工干预并在过程中进行校审，最大程度地体现几何曲面的地质合理性。

利用覆盖层建模、单一层面建模、透镜体建模等流程，分层建立各大层和亚层的曲面，并最终完成勘探深度内的地质体。最终实体及曲面地质模型分别见图4 ～ 5。整个枢纽区的三维地质模型可以通过旋转、缩放、剖切等手段对地层进行全方位的了解，比常规二维剖面更为直观，包括的信息量更大。如需了解地质体内部的地层情况，可以对地质体进行剖切、斜切、横切处理。通过剖切能比较清晰地分辨出各亚层所处深度及展布情况。特别是对于图2中无勘探孔控制的纵、横剖面的交点，其具有一致的通过性，无需每个剖面都人工校正，可以极大地缩短人工二维剖面作图时间。

通过导出数据格式的处理，可在设计平台中将上部水工结构与地质体的位置联合展示，辅助基础型式选型、评估工程修建对环境的影响，从而制定相应的防治措施。

图4 枢纽区三维地质实体模型图

图5 枢纽区三维曲面模型图

4 地质三维模型的应用

4.1 地质二维出图

剖面图是工程地质工作的主要成果之一，在创建三维地质模型以后，ItasCAD提供了2种生成剖面图的操作方式。一是点击二维图主菜单，在次级下拉菜单中选择需要生成的二维图类型；二是点击二维图工具条中的相关图标，弹出相应的界面，引导完成二维切图过程。从三维地质模型中生成的二维图将通过列表的方式显示在二维图列表浏览器中，可根据工程需要导出.dxf格式的文件供报告和分析使用。图6为剖切成图与手绘二维图的比较图，根据勘探资料、地质预判及制图习惯综合判断，模型剖切的图纸较绘制的剖面图更为合理。

图6 剖切、绘制剖面图比较图

4.2 主要岩土层界面等高线

根据室内土工试验成果，Ⅲ层各亚层土均为高含水率、高孔隙比、高压缩性、低剪切强度的软土层，施工过程中易因扰动而引起基坑、河道开挖边坡的失稳。枢纽区基坑开挖过程中拟采用三轴搅拌桩+钢板桩+钻孔灌注桩等措施对基坑进行临时支护。临时支护措施大部需嵌入下部性质较好土层一定的深度。从模型中可导出软土底面，较为宏观的展示不同区域软土的埋深情况。图7为Ⅲ层（含亚层）软土层下限界面等深线图，从图7中可知软土层底板由东南向西北侧逐渐变深，即靠近曹娥江下游侧埋深较大，其埋深可达-40.00 m左右。场地东南侧靠近山麓，基覆界面等深线见图8。图8非常直观地验证了原勘察报告中“基底岩面由东南侧向北西侧倾伏，局部基岩面倾角较陡”的说法。据Civil3D坡度分析，大部区域坡度为0.18% ～ 28.46%，个别区域坡度超过30.00%，嵌岩桩在坡度较大区域施工时应特别重视嵌岩深度。综上，模型对基岩面的重构有益于桩长的选择。同时，可提供岩面倾斜度的定量描述，对施工起到了一定的指导作用。

图7 Ⅲ层（软土层）下限界面等深线图

图8 基覆界面等深线图

根据《建筑桩基技术规范》[7]的相关要求，嵌岩深度应综合荷载、上覆土层、基岩、桩径、桩长诸多因素确定。设计一般以进入弱风化的长度作为嵌岩深度的计算长度，图9给出了枢纽区强风化下限界面（即弱风化上限界面）的等深线。对于没有常规二维剖面控制的区域，设计可根据等深线进行合理桩长的选择。同时，等深线也为施工桩基验收提供地质参考。