高陡地形料场储量计算方法探讨

冯秋丰，范文东，刘杰，高静，常文娟

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

传统的天然建筑材料储量计算是根据地形地质条件、勘察级别、勘探点布置情况主要选用平均厚度法、三角形法以及平行断面法等几种进行[1]。平均厚度法一般只适用厚度稳定的矿床储量计算，对于倾斜平缓的矿体以及近直立的矿体则不适用；三角形法的精度则同料场的勘探点多少和组成三角形的勘探点连线有关，当勘探点少以及组成三角形的勘探点连线不同时，储量计算结果就会有较大出入。相对于平行断面法和三角形法，平行断面法的优点在于断面保持了矿体断面的真实形状，可直观反映地质构造特征。储量计算时，在满足勘察精度要求的条件下可任意划分块段，具有灵活性，且任意形状的矿体都可用断面法。

随着计算机技术的发展，在新修订的NB/T 10235-2019《水电工程天然建筑材料勘察规程》中，天然建筑材料储量计算方法明确增加了三维模型计算法[1]。相对于传统计算方法，三维模型计算法不受地形起伏、有用层厚度不均、勘探点布置不规则等影响，且具有操作便捷、显著提高地质工程三维建模与分析设计质量和效率等优势[2]，被工程人员广泛使用。

本文选用目前工程上常用的平行断面法，利用几种不同断面间距料场储量计算结果同三维模型计算法料场储量计算结果比较，验证三维模型计算法计算料场储量的可行性和准确性。

1 工程概况

某人工骨料场位于扎雅沟口河流右岸，有乡村道路通过，为一大型水电工程的主料场，人工骨料场地貌见图1。料场山体雄厚，岸坡地形较陡，上游侧呈近直立的绝壁，地层岩性为白垩系黑云母二长花岗岩(K1ηγα)，呈灰白色、灰色，局部受热液蚀变呈红褐色，中粗粒结构，根据平洞揭露，强风化水平深度3 m左右，弱风化水平深度22～30 m。下游侧岸坡相对较缓，自然坡度45°～60°，根据钻孔揭露，临近下游开挖边界覆盖28～40 m的崩坡积块碎石土。根据设计要求，工程需要人工骨料约700万m3，设计开挖高程3 110.00～3 500.00 m，料场按1∶0.3坡比放坡，每20 m设一级马道，料场底部按3 110.00 m高程水平开挖。

图1 人工骨料场地貌图

根据现场地质测绘，近场区域高程3 095.00～3 550.00 m范围内褶皱不发育，地质构造以小断层和裂隙为主，总体上料场地形完整，沟谷不发育，岩性单一，岩相稳定，覆盖层厚度变化较大，剥离层较厚，属Ⅱ类人工骨料料场。

2 平行断面法储量计算

2.1 平行断面法公式选用

前人用平行断面法计算料场储量体积时，一般根据相邻两断面的几何形态和相对面积比，选择合理的计算公式[1,4-6]，本文根据现场地质测绘，结合勘探资料选用以下2种：

(1) 当相邻两断面的形状相似，且二者面积相对差小于40%时，使用梯形体积公式：

(1)

(2) 当只有一个断面控制或另一断面的面积为零时，则根据断面尖灭的情况，其采用楔形公式来计算块体体积：

(2)

式中：V为储量体积，m3；l为两断面之间的距离,m；S1、S2分别为相邻两断面的面积， m2。

2.2 平行断面法不同断面储量计算

本料场类型为Ⅱ类，根据《水电工程天然建筑材料勘察规程》规定，人工骨料料场勘探间距不大于200 m。为了能更清楚的展示由于断面布设的间距不同，造成储量计算的精度差别，本次剖面布设以能把料场等分为原则，分别按178、152、126 m 3条断面间距均等分料场进行储量计算比较。人工骨料场工程地质情况见图2。

图2 某人工骨料场工程地质平面图

根据地质测绘，将表部第四系崩坡积块碎石土层视为无用层；结合平洞和钻孔基岩揭露情况，强风化层厚度为3 m，将表层以下3 m厚度基岩视为剥离层；3 m以下基岩到3 110.00 m设计开挖起始高程为料场有用层。断面间距按178、152、126 m布设，料场无用层、剥离层及有用层计算结果分别为见表1～3。

表1 断面间距178 m条件下储量计算结果表

从以上表格计算结果类比，断面间距178、152、126 m使用平行断面法计算得到无用层、剥离层以及有用层某人工骨料场储量计算结果见表4。

表2 断面间距152 m条件下储量计算结果表

表3 断面间距126 m条件下储量计算结果表

表4 3种断面间距布设下某人工骨料场储量计算结果表

从表4计算结果看，增加断面间距，得到的无用层、剥离层以及有用层储量方量有变小趋势，平行断面法计算得出料场储量比实际料场储量要大[4,7]。平行断面法要想提高计算精度，应增加计算断面。

3 三维模型计算法储量计算

3.1 三维地质建模

地形面是基于测量提供的地形信息建立的。现实中的地形多多少少存在“负地形”，根据测量规范要求，在生成等高线时，会将这些“负地形”信息剔除，所以测量提供的地形信息如果同时有高精度点云数据和等高线时，优先使用点云数据，这样可以获得更接近实际地形的地面模型。将地形信息导入到NWH-GeoBIM建模软件，以比实际料场范围线略大30%～50%设定建模范围，通过点集约束、网格加密和DSI离散光滑插值运算生成地形面，完成地形面建模。同理，根据钻孔资料，按照“先上后下，从今到古”的先后顺序完成覆盖层底面、强风化面、弱风化面等各地层建模，闭合各地层面，生成精度较高的三维地质模型，具体见图3。

图3 某人工骨料场地质模型图

3.2 三维模型计算法储量计算

根据料场实际开挖范围线和3 110.00 m开挖起始高程面以及1∶0.3坡比放坡面，使用“面封闭”功能得到与实际地层情况较相符的无用层包络体、3 m强风化基岩剥离层包络体以及料场有用层包络体模型，具体见图4。相应体积可直接在NWH-GeoBIM建模软件上使用查询功能直接获取。

图4某人工骨料场无用层、剥离层、有用层包络体模型图

通过三维软件的体积查询功能，可以快速、便捷得到该人工骨料场无用层体积为201.6万m3，剥离层体积为97.4万m3，有用层体积为2 861.9万m3。

4 2种储量计算方法对比分析

整理平行断面法和三维模型计算法储量计算结果，具体见表5。

表5 2种储量计算结果表

根据表5结果看，随着计算断面的加密，平行断面法储量计算结果有向三维地质建模法计算结果收敛的趋势，说明增加计算断面，能得出更加接近实际储量的结果，但增加了工作量，消耗了更多的时间和精力。一般情况下，人们在满足《水电工程天然建筑材料勘察规程》规定的情况下，在不同勘察阶段，往往会按不大于规定上限的间距来布设断面，计算得到的料场无用层、剥离层以及有用层储量要比实际的料场储量要大，会高估料场无用层、剥离层以及有用层的储量，从经济等多方面给工程带来不利影响。

三维模型计算法相对于平行断面法，最大优点在于准确、快捷和高效，且不受地形起伏、有用层厚度不均、勘探点布置不规则等条件限制，只要勘探精度满足《水电工程天然建筑材料勘察规程》规定，获得的体积就比采用平行断面法计算得出的体积更接近实际。且后期勘探数据有任何更新，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更新，即可相应提高三维地质模型的精度，对工程的不利方面相对可控。

5 结 语

三维地质建模是未来地质工作发展的趋势和方向，三维模型计算法为料场储量计算提供了一个全新的方法，其最大优点在于准确、快捷、高效且不受地形起伏、有用层厚度不均、勘探点布置不规则等条件限制，尤其在高陡地形环境中，在勘探精度满足《水电工程天然建筑材料勘察规程》的条件下，对储量计算的精度明显优于平行断面法计算的精度，得出的料场储量结果比采用平行断面法计算方法得出的结果更加趋近实际，节省了人力，提高了工作效率，且后期勘探数据有任何更新，只需更新数据库，即可相应提高三维地质模型的精度，对工程的不利影响相对可控。