三维地质建模在大型引调水工程中的应用

曹泰瑞 左霖 骆桂英

摘 要：华北平原大型引调水工程具有跨越地层单元广、工程数量多、工期集中等特点。本文结合GeoStation软件的自动建模、半自动建模及分区块建模功能，建立了一套大型线型水利工程的建模流程方法;将工程划分为独立单元进行分区建模，解决了建模操作面单一的困难，兼顾了模型质量与建模效率的平衡;介绍了建模过程中的实际经验和模型应用情况，为大型线型水利工程的三维建模和模型应用提供了参考。

关键词：引调水工程;三维地质建模;GeoStation

中图分类号：TV221.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）09-0078-04

Abstract： The large-scale water diversion project in the North China Plain has the characteristics of a wide range of strata units， a large number of projects， and a concentrated construction period. In this paper， combined with the automatic modeling， semi-automatic modeling and block modeling functions of GeoStation software， a set of modeling process methods for large-scale linear water conservancy projects had been established; the project planning was divided into independent units for partition modeling， which solved the difficulty of a single modeling operation surface and took into account the balance of model quality and modeling efficiency; the actual experience and model application in the modeling process were introduced， which provided a reference for the three-dimensional modeling and model application of large-scale linear water conservancy projects.

Keywords： water diversion engineering;three-dimensional geological modeling;GeoStation

我国是水资源短缺的国家。特别对于华北平原而言，水资源时空分布不均、水环境恶化、生活工业用水供需紧张已经成为制约当地社会经济快速发展的关键因素[1]。兴建大型跨区域引调水工程在加强可利用水资源管理、保障居民生活用水质量、促进受水区社会经济发展方面有难以替代的作用，是提升区域水资源承载力的有效途径[2]。仅河南省已投入运行及在建的大型平原区引调水项目有：南水北调中线及其配套工程、引江济淮（河南段）工程、赵口灌区工程、小浪底北岸灌区工程、西霞院水利枢纽灌区工程等。

随着地学信息化的发展，数学地质正向“数字地质”发展[3-4]，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）为岩土数字化工作带来了契机与挑战[5]。相对于工业民用建筑行业已日趋成熟的BIM技术水平，水利水电行业以涉及专业多、建设周期长、建设内容繁杂等特点在BIM领域仍处于初级发展阶段。尤其是在大型线型引调水工程上，目前处于起步探索阶段，缺乏针对该类项目的一套完整作业流程及标准。

当前，发达国家主流的三维地质建模软件有法国达索公司的CATIA、英国Data Mine公司的Data Mine Studio、美国PST油藏技术公司的GOCAD和Autodesk公司的Revit、澳大利亚Micromine公司的Micromine软件等[6-7]。从国内来看，深圳秉睦科技有限公司的BM_GeoModeler、南京库伦公司的EVS和华东勘测设计研究院的GeoStation等近年都在岩土建模领域取得了良好的应用效果[8-9]。本文以華东勘测设计研究院依托MicroStation软件平台开发的地质三维勘察设计系统GeoStation为例，介绍平原区大型引调水工程的建模经验。

1 Geostation建模流程

GeoStation是华东勘测设计研究院依托Bentley公司的MicroStation软件平台开发的地质三维勘察设计系统。主要建模流程为地形面建模—数据入库—地质界面建模—地质体建模，如图1所示。

1.1 地形面建模

在实际建模工作中，地形数据主要来源于两方面：一是基于测绘专业的DEM数字高程模型生成的TIN三角网格（下称方式一）;二是基于dwg格式地形图中的等高线及高程点生成的地形mesh面（下称方式二）。在Smooth（光滑）显示模式和Wireframe（网格）显示模式下，同一场地基于DEM和等高线两种不同数据生成的地形面对比如图2所示。由此可以看出，方式一生成的地形面在精细度和准确度方面相较方式二具有明显优势，但其成本较高;方式二基于dwg格式等高线生成地形面，具备操作简单、数据量小、修改灵活等优点。

（a） Smooth模式下地形面对比

（b） Wireframe模式下地形面对比

在处理地形数据时，为了避免其与后期工程数据不匹配，人们应注意以下两点：使用dwg文件转入GeoStation生成地形面之前，要将图形单位设置为米（m）;前期地形数据和后期地质要素、建筑物位置信息应统一在相同的坐标系中。

1.2 数据入库

建模人员可通过数据管理系统（GeoData Manage）对项目各种属性数据进行录入，包括项目阶段、区域、地质测绘、勘探、试验和物探数据等，也可以在建模软件中对绘制元素进行属性定义，再导入数据库。

1.3 地质界面建模

地质界面元素的建模工作按几何特征要素可分为两类：即规则面元素建模和不规则面元素建模。规则面元素适用于产状稳定的地质要素，如沉积岩岩性界面和简单构造。地质人员仅指定面产状和出露点即可完成面元素的建模，简洁高效，后续剪切亦不易报错。不规则面元素建模适用于无明显展布规律的地质要素，如覆盖层、变质岩岩性界面、大型褶皱等复杂构造。建模人员需要绘制必要的辅助线网格，对面元素的几何形状进行控制。

1.4 地质体建模

地质体主要建模方式有拉伸成体再剪切和围合成体等。建模人员可将面元素拉伸至指定高程或厚度成体，再用面截切体得到符合要求的几何体形状。此建模方式逻辑简单直白，困难在于面剪切体过程中软件运行时间长，报错率高。

围合成体需要定义地质体的顶、底面，围合范围为顶、底面在垂直方向上的最小相交面积。实际操作中，此建模方式软件运行成功率高，但围合前需要对斜面进行多次剪切围合，避免地质体之间存在空腔。

值得注意的是，地质体建模阶段，各种点、线、面、体元素交错，空间位置相互堆叠，有必要及时对新生成的面和体模型进行属性定义，方便对各元素的模块化管理。

2 工程区单元划分

大型引调水工程一般由取水枢纽、输水建筑物、控制建筑物、交叉建筑物、调蓄水库以及末端配套工程组成，空间上一般分为调出区、输水线路区和受水区。其具有跨越地层单元广、单项工程数量多、工期集中等特点。为了兼顾建模效率及模型质量，有必要提前对项目进行分区块切割，依据在空间、功能、复杂程度等方面的不同将工程划分为多个独立单元，针对各单元特征采取与之相适应的建模方法。

地质三维勘察设计系统GeoStation按照行业领域分为多个软件产品，包括水利水电工程地质三维系统（GeoStation for Geology）和城市岩土工程地质三维系统（GeoStation for City）等。虽然二者的产品遵循各自的行业标准，但其所生成的dgn模型可以相互通用，为引调水工程模型的单元切割和整合提供了便利。下面以河南省某大型灌区为例，简要介绍工程区单元划分的经验与体会。

一是对于位于地势平坦区域、地层结构简单的节制闸等控制建筑物、中小型末端配套建筑物等，可类比普通工业民用建筑物建模方法，利用GeoStation for City中的自动建模技术。地质人员只需要录入钻孔数据，设定网格间距，程序便可自动实现地层划分。软件自动建模可以显著提升建模效率，满足简单建筑物“量多”的需求。

二是对于倒虹吸、穿河隧洞、渡槽等大型交叉建筑物或局部地质条件复杂的工程单元，可采用半自动建模技术。地质人员需要划定建模边界，设置参数生成初始地质体，然后对局部重要地块进行修正。半自动建模方法在保障模型重点区域准确的同时缩短了建模周期，在一定程度上达成了模型质量和建模效率的平衡。

三是对于丘陵、峡谷区地貌的取水枢纽、调蓄水库等大型建筑物，涉及断层、褶皱、透镜体等复杂地質要素的工程单元，应建立大量虚拟钻孔和垂直辅助剖面，根据项目进度对模型进行多期次、逐步精细化的修正，地质人员需要根据自己丰富的专业经验绘制辅助线网来达到精准控制地质要素的目的。

3 模型应用

三维地质模型是BIM三维模型的重要组成部分，其根本应用是数字化交付，以协同上、下游专业的信息交互，保障项目成果的连续性和累积性，解决信息孤岛，为项目全生命周期的建设运行提供高效率、高质量的基础条件。现阶段，三维地质模型在地质专业中还有批量出图、开挖量估算、可视化分析及成果验证、数值分析等应用。

3.1 批量绘制图表

三维地质模型完成后，专业人员可以对模型进行任意剖切，设置相关出图细节，计算机会依据数据库信息、模型属性等批量打印各种表格，绘制剖面图、平切图、钻孔柱状图等。在遇到设计变更时，应用三维地质模型批量绘制图表，能有效缓解工作量烦琐、重复劳动多、校核难度大等困难。

3.2 开挖方量估算

三维地质模型可以清晰地展示各地层的空间展布情况，并根据施工开挖参数进行动态虚拟开挖设计，方便、快捷得到各岩性层的开挖方量和回填方量（见图3），为土石方工程造价预算提供参考，从而达到降低人力预算及物资消耗的目的。

3.3 可视化分析及成果验证

大型引调水工程线路长，勘察期次多，地质条件复杂。对于穿越复杂地质条件区域的线型项目，传统二维图件难以完整、直观地传递工程区内的地下空间构造和地层分布变化。三维地质模型有助于地质人员从多维度、多视角丰富空间想象，及时捕捉二维空间中不易获取的信息，提高对工程区内地学规律的认识和判断水平，为勘测设计提供更充分的解释和验证。

大型引调水工程勘察过程中会出现多期次成果不整合、各钻孔内地层划分不一致等现象，直接导致后期人员校核数据和修改图件费时费力。三维地质建模的过程会倒逼地质人员对所有钻孔数据进行梳理、概化，在校核原始数据的同时，便于地质建模人员更深刻地思考、认识区域内的地质成因及规律。此外，展布于同一三维空间中的试验、物探、钻探等数据组成了一幅立体的数据云图像，既能分析、印证各种地质资料间的相互关系，又易于向非专业人员展示勘测成果。

3.4 数值计算

随着计算机运算能力的普遍提升，数值分析计算冗繁的问题显著缓解，而在求解复杂问题时以其广泛的适用性受到越来越多专业人员的青睐。鉴于FLAC3D、Abaqus、Modflow等数值计算软件在前处理功能上的缺憾，将三维地质模型转化为可计算网格开展数值分析的需求日趋强烈。许多学者都发掘了各样基于三维地质模型生成可计算网格模型的途径，以补足数值软件在构建不规则三维地质体时的短板，这些尝试为三维地质模型在工程项目中的应用带来了欣欣向荣的生命力。

4 结论

大型引调水工程是解决我国华北平原水资源紧张的有效途径。建立一套完整的三维模型作业流程及标准可为完善大型引调水工程BIM建设体系、缓解地区用水矛盾、促进生态和谐提供技术支撑。针对大型引调水工程空间分布、建筑类别、地质条件等特征，将其划分为不同独立单元，并结合GeoStation软件的自动及半自动建模功能，可实现建模效率与模型质量的平衡，有效降低工程跨越地层单元广、建筑物数量多、工期集中等因素带来的建模困难。现阶段，三维地质模型的主要应用集中于可视化、开挖量估算、地质构造定性分析等，模型整体利用率还存在很大的挖掘空间。将三维地质模型与数值模型相结合进行定量分析，将极大地拓宽三维地质建模在水利水电工程中的应用市场。

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