河道治理工程中分区段地质三维建模的过程及应用

王英豪

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 基本概念

GeoStation是华东勘测设计研究院数字工程中心依托美国Bentley软件平台独立研发的地质三维勘察设计系统，其主要目的是利用软件建立地质三维实体模型，立体展示工程地质条件并可在三维实体模型的基础上进行各种三维分析计算。

在众多的建模方法中，对于水利工程中长线型河道治理工程来说，运用GeoStation中的分区段进行地质建模，是非常合适和合理的。

2 分区段三维建模

2.1 建模理念

在水利长线型河道治理工程中，由于治理工程区的特殊地形，地质勘察的重点区域基本上为长线型，沿河堤线状方向及两侧治理范围为重点部位，所以有区别于面块状模型，宜运用长线型的分区段模型。

2.2 建模基础地质资料及成果输出

建模基础地质资料涵盖基本地质数据诸如工程区的地形地貌、地层岩性、水位地质条件、物理地质现象等。

建模的基本定义主要有标准地层的定义、勘探线布置及定义、钻孔定义等。其中，钻孔数据包括钻孔概况、孔径结构、地层岩性和界面、完整程度、风化程度、钻遇构造、节理统计、水文试验、试样取样、综合测井、孔内试验、孔内观测。

建模的试验数据主要有取样试验数据、原位试验数据、地面试验数据、现场钻孔抽水、注水试验数据等。

建模的后期模型输出主要有二维图纸（包括平面、剖面、平切、柱状图），查询统计（包括地质数据、测试数据、工作量、常规统计、岩土计算、工程结算）和属性文件（包括钻孔属性、勘探线属性、试验取样点属性、原位试验点属性）。

3 工程实例（雄安新区南拒马河防洪治理工程容城段地质三维建模）

3.1 地质概况

3.1.1 地势地貌

工程区在地貌单元上大部分属河北平原区，西部少部分为太行山山前倾斜平原，地势西高东低。工程区范围内南拒马河总体流向为西北至东南方向。

3.1.2 地层岩性

工程区地层主要为第四系全新统冲洪积（Q）地层，局部零星夹杂有沼泽堆积地层。岩性主要有粉细砂、粉土、砂壤土、壤土及黏土等。自上而下分述如下。

（1）第四系全新统上段冲洪积层（Q43alp）。岩性主要有壤土、砂壤土、粉细砂等。壤土、砂壤土一般为黄褐—褐黄色，稍湿—湿，可塑。粉细砂多呈灰黄色、灰白色，湿—饱和，松散—稍密，主要矿物成分为石英、长石等。

（2）第四系全新统中段冲洪积层（Q42alp）。岩性主要为壤土、砂壤土及少量黏土，黑灰—黄灰色，湿，可塑，土质不均一。

3.1.3 水文地质条件

勘察期间，取地表水样1组进行了水质简分析试验。根据试验成果，河道内的地表水对混凝土不具腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性。

3.1.4 物理地质现象

工程区最大冻土深度0.60～0.67cm，无其他不良物理地质现象。

3.2 土岩数据

3.2.1 地质定义（标准地层）

地质定义（标准地层），如图1所示。

图1 地质定义（标准地层）

3.2.2 勘探布置（勘探线布置）

勘探布置（勘探线布置），如图2所示。

图2 勘探布置（勘探线布置）

其中，KTX-0为河堤轴线勘探剖面，KTX-1—KTX-8为垂直河堤轴线的勘探剖面。

3.2.3 地质勘探（钻孔）

地质勘探（钻孔）包括钻孔概况、孔径结构、地层岩性和界面、完整程度、风化程度、钻遇构造、节理统计、水文试验、试样取样、综合测井、孔内试验、孔内观测。

3.2.4 试验数据

试验数据包括取样试验、原位试验、地面试验。工程涉及的原位试验有标准贯入试验、现场钻孔注水试验。

3.3 参考引用

DWG文件的参考，核心包括工程地质平面图的参考、工程地质剖面图的参考和设计边界条件和范围内容参考。DGN文件的参考，核心包括地形面Mesh参考，最终设计边界、范围、结构等参考。DWG文件的引用，核心包括工程地质平面图的重要边界、范围的引用；工程地质剖面图中重要部位地层岩性边界条件和范围的引用。DGN文件的引用，核心包括地形面引用，最终设计边界、范围、结构等引用。

3.4 分段建模

3.4.1 建模方式

雄安新区南拒马河防洪治理工程（容城段）属于河道治理工程，结合工程地质情况，需要建模的范围属于线状模型。结合地质三维软件GeoStation For City采用地层建模中的分段建模。本工程共计分13个区段，如图3所示。

图3 13个分区段

3.4.2 初始Mesh体创建

（1）参数设置。顶面高程默认为0，若有地形，程序会自动获取地形的最高高程。建模厚度要求建模的初始地质体包含最大的钻孔深度范围。在进行初始地质体创建之前，需要划定建模边界，该边界包含钻孔且在地形范围内，如图4所示。

图4 初始地质体边界

（2）参数设置好后，选择Shape或者Complex Shape面元素，再生成初始地质体，如图5所示。

图5 初始地质体线框模型

3.4.3 Mesh体细分及分割

（1）选中Mesh体，执行Mesh体分割功能，如图6—7所示。

图6 Mesh体细分效果

图7 Mesh体分割界面

（2）可以指定勘察阶段、工程区、勘探线、工程位置，左侧列表框中会显示所有在指定条件下的钻孔编号。用户只需将需要建模的钻孔数据添加到右侧列表框中即可。设定网格间距参数，包括X和Y方向上的网格间距。

（3）设置完成后，左键单击即可完成触发Mesh体功能，所划分地层将被赋予地层单元地质属性，如图8所示。

图8 经划分后的地层三维模型

3.5 成果输出

雄安新区南拒马河防洪治理工程（容城段）河堤轴线剖面和15 m高程工程地质平切，分别如图9—10所示。

图9 雄安新区南拒马河防洪治理工程（容城段）河堤轴线剖面

图10 雄安新区南拒马河防洪治理工程（容城段）15 m高程工程地质平切

4 结语

工程实践表明，不同的建模方法适用于不同的地质模型，对于长线型的河道治理工程而言，这种分区段的建模方法可以在很大程度上节约资源、提高建模成功率和模型精度，并很好地适应建模完成后期的工程施工、工程监管等工程要求。