基于ItasCAD三维地质模型的工程地质条件分析

牛贝贝，姚振国，王宏飞，吴向涛，孙红义

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003）

近年来随着互联网、云技术、大数据的飞速发展，工程勘察的信息化和数字化也得到了快速发展，尤其是内外业一体化和远程协同工作在地质工作者中越来越得到广泛的应用，为地质工作者的工作提供了诸多便利。

ItasCAD软件是一款基于互联网和云技术，通过数据库、三维地质建模与数据处理、应用与成果输出三大模块建立的针对岩土地质体的专业性BIM平台［1-2］。它可将外业工作中采集到的各类地质数据存储于平台的数据库中，以数据库为基础建立起不仅包含地质体空间几何形态特征，还包含岩土工程分析和设计所需信息的三维地质模型。通过三维地质模型的建立可在平台中实现二维地质图件的生成、岩土体等专题分析，通过三维地质建模分析大坝工程地质条件在实际应用中有着直观、快捷、高效等优势［3-7］。本文以某工程为例，介绍基于ItasCAD三维地质建模在大坝工程地质条件分析中的应用。

1 工程概况

某工程大坝位于N省，工程任务为供水、灌溉、防洪、旅游等，库容2亿m3。大坝坝型采用混凝土面板堆石坝混合坝。大坝自左岸向右岸依次由左岸混凝土面板堆石坝、中部重力坝（包括：引水发电（灌溉、供水）坝段、底孔坝段、溢流坝段及连接坝段）、右岸混凝土面板堆石坝组成。混凝土面板堆石坝（混合坝方案）总长1500m，最大坝高60m。

2 大坝工程地质条件

2.1 地形地貌

2.2 地层岩性

坝址区揭露的地层主要有新近系（N）沉凝灰岩、火山砾凝灰岩、凝灰岩、洪积角砾岩及火成岩侵入体和第四系松散堆积物（Q4）。

2.2.1 新近系（N）沉凝灰岩

灰色，棕红色，压结和水化学胶结，水平互层或薄层结构。该层分布于河流两岸阶地上部，厚度一般为4～9m，因埋深浅而风化严重。

2.2.2 新近系（N）火山砾凝灰岩

灰色，火山角砾具有一定外形，粒径2mm以上角砾占50%以上。岩体以压紧胶结为主，层状构造不明显，岩体呈整体状或巨厚层状结构。该层岩体在坝址区河流左、右岸山坡均见有呈整体状裸露，厚度达数十米，河床部位钻孔揭露有多层分布，下伏于沉凝灰岩有一层分布，一般厚度为3～5m，为坝基主要岩体之一。

2.2.3 新近系（N）洪积角砾岩

灰白色、深灰色洪积成因角砾岩，整体状结构或巨厚层状，角砾粒径相差较大，分选性差，磨圆度低，角砾成分复杂。该层在现代河床部位大片裸露，整体状结构。坝址区钻孔揭露该层分布稳定，层厚一般为15～20m，为坝基主要岩体之一。

2.2.4 火成岩侵入体

工作时，地轮通过传动系统驱动栽植轮转动，悬杯始终与地面保持垂直，并随栽植轮转动；当悬杯转到上面时，由人工将钵苗投入悬杯中，当栽植轮转到预定位置时，凸轮也随之转到回程位置，连杆受到弹簧的拉力向后推动悬杯，悬杯水平打开，向后推动钵苗至开沟器开出的沟内；然后覆土、镇压，完成栽植过程。悬杯离开钵苗后，在凸轮的作用下慢慢闭合，等待下一次喂苗。

坝址区多处发现或钻孔揭露侵入岩体，侵入体以岩株或岩墙的形式切穿新近系（N）地层。在地下深部岩性为辉长岩，接近地表岩性逐步转变为玄武岩喷出。在右坝肩、河床及左岸阶地等部位均见有火成岩侵入体，切穿新近系（N）地层在地表出露。右坝肩侵入体呈岩墙形式，岩性为辉长岩；现代河床见有两条岩脉，横跨河床两岸，如图1。

图1 现代河床出露的两条岩脉

2.2.5 第四系松散堆积物

坝址区第四系松散堆积物主要为河流冲洪积物和左右坝肩坡体堆积的崩坡积物。河流两岸侵蚀阶地顶部分布冲洪积土层，厚度一般小于1m。左坝肩山坡坡面主要为坡积碎石土，厚度一般小于3m，局部见有崩积块石和塌滑堆积体； 右坝肩缓坡地带覆盖层较厚，一般为10～15m，大多为黏性土，高程120m以上为火成岩侵入体形成岩墙地形，局部呈陡壁状，陡壁下面坡面上大量堆积大块状崩塌岩体。

3 三维地质建模

3.1 地表面建模

地表面模型的建立基于地形线（等高线），地表面的建模范围可与地形图的范围一致，其三维地质模型的精度取决于地形线（等高线）的测量精度。将地形线（等高线）文件导入ItasCAD软件中，ItasCAD软件可识别所有地形线（等高线）的坐标属性和高程属性，并可从地形线（等高线）中提取出若干等高点。在ItasCAD软件中新建一个平面，将该平面通过点集约束方式约束至从地形线 （等高线） 提取的等高点上，再通过若干次网格加密和离散光滑插值的运算，便可完成地表面的建模。建成后的地表面三维模型如图2。从三维地表面模型中可较为直观地看出大坝各部位所处的位置，通过ItasCAD软件中的查询命令，可查询地表面上任一点的坐标与高程信息。

图2 坝址区地表面三维地质模型

3.2 基岩覆盖层界面建模

由于覆盖层与下伏基岩的物理力学性质存在很大差异，因此基岩覆盖层界面是在大坝工程地质条件分析中十分重要的界面。基岩覆盖层界面模型的建立需要基于地质剖面图中的基岩覆盖层界线，其精度取决于覆盖层底界线的数量，数量越多，相对精度越高，数量越少，相对精度越低。在基岩覆盖层界面建模之前，需先将地表基岩出露的范围导入ItasCAD软件中，基岩出露的范围内不存在基岩覆盖层界面。坝址区地质剖面图导入ItasCAD软件也是非常重要的一个环节。在地质剖面图导入ItasCAD软件的过程中，基岩覆盖层界线被同步导入，从基岩覆盖层界线中提取界线点集，在ItasCAD软件中新建一个平面，通过点集约束的方式将新建平面约束至从基岩覆盖层界线中提取的点集上，再通过若干次网格加密和离散光滑插值的运算便可完成基岩覆盖层界面的建模。建成后的基岩覆盖层界面三维模型如图3。通过ItasCAD软件中的查询命令，可查询基岩覆盖层界面上边界位置的坐标与高程信息。

图3 坝址区基岩覆盖层界面三维地质模型

3.3 岩层界面建模

由于坝址区地层岩性分布较为复杂，各不同岩性地层的物理力学性质存在差异，同时坝址区还存在有侵入岩和喷出岩，因此，岩层界面的建模同样非常重要。岩层界面的建模与基岩覆盖层界面的建模过程类似，即通过已导入ItasCAD软件中的地质剖面图，从地质剖面图中的地质岩层界线中提取出岩层界线点，然后即可创建平面并采用点集约束的方式完成各岩层界面的建模。建成后的岩层界面的三维地质模型如图4。通过岩层界面的三维模型可直观的查看各岩层不同位置的厚度分布情况及坝基坐落的岩层位置。

图4 块石料场岩层底界面三维地质模型

3.4 坝址区地质体建模

在各地质层面全部建模完成后，可通过各面所包围成的区域采用面分割的方式创建立方网。在本坝址区域范围中，立方网主要被分割成覆盖层区域和基岩区域。

通过ItasCAD软件中的数据库可将勘察基础数据导入三维地质模型中并赋值于坝址区地质体立方网上，如岩石质量指标RQD值和透水率Lu值等，建成并进行透水率赋值后的坝址区地质体三维地质模型如图5。

图5 坝址区地质体三维地质模型

4 传统二维工程地质条件分析

传统的工程地质条件分析一般基于基础地质资料和地质平面图、地质剖面图等二维地质图件，以坝基岩体工程地质分类为例，需要依据勘探点中实际统计的岩石质量指标RQD值、通过试验得到的岩石的饱和单轴抗压强度值及通过物探得到声波纵波波速值等，而这些数值有两大特点，一是数值仅存在于勘探点中，周边区域的相关参数值需通过地质图推测得到；二是数值是散乱的，需通过统计、整理后才可用于进一步的地质条件分析。在坝基岩体的渗透性分析上也存在同样特点，只能通过二维地质剖面图分析某一剖面上的岩体渗透性。

5 基于三维地质模型的工程地质条件分析

与传统二维工程地质条件分析不同的是，基于三维地质模型，可将所有勘探点上的相关参数的数值通过ItasCAD软件中的数据库导入并赋值于坝址区三维地质模型中，勘探点周边岩体的地质参数可通过插值运算自动获得，通过三维地质模型可直观的查看任一点的岩石质量指标RQD值、饱和单轴抗压强度值、透水率Lu值等地址参数，还可通过ItasCAD软件自动生成某一指标的等值面，例如岩石质量指标RQD=80%的等值面，通过等值面判断岩层中岩石质量指标RQD＞80%的区域，这对于坝基岩体工程地质分类和判断坝基所处位置的岩石质量都有十分重要的意义。

对于坝体帷幕灌浆的范围一般应深入到弱透水层中（10Lu线或5Lu线以下），同样可通过ItasCAD软件自动生成10Lu或5Lu的等值面，这对于确定帷幕灌浆的范围也具有十分重要的意义。另外，基于三维地质模型可到处任意位置的图片，同时可生成任意位置的二维剖面图，这对于地质成果的输出带来更多便利。

6 结语

通过比较传统二维方法与三维地质模型方法对工程地质条件的分析，可得出以下结论：

（1）两种方法的分析原理基本相同，都以基本的地质数据为基础，但传统二维方法的地质参数仅存在于勘探点中，周边区域的地质参数需通过地质图推测得到，而三维地质模型中地质参数可通过插值运算自动赋值于地质体的每一点上，更为直观。

（2）两种方法所依据的地质数据相同，但整理统计过程不同，传统二维方法需人工对所有散乱的地质数据整理统计后再进行分析，而三维地质模型所有的地质数据可储存于数据库中，可通过插值运算、生成等值面等方法进行整理统计，以辅助于工程地质条件分析，因此，对于地质数据的储存、整理和统计，基于三维地质模型更为简便和高效。

（3）对于地质数据的变化，传统方法需按部就班地重新进行整理统计和分析，而基于三维地质模型，只需将变化后的数据在数据库中进行修改，在三维地质模型中可得到同步的更新即可。三维地质模型在数据变化的处理上更为简便。

（4）三维地质建模是未来地质工作发展的趋势与方向，借助于三维地质模型可大大促进地质工作的信息化、数字化和可视化，使地质工作成果更加生动、形象和易于理解。