城市三维地质建模在砂土液化分析中的应用：以通州为例

李　静，赵　帅

(1．中国地震应急搜救中心，北京 100049；2.北京市地震局，北京 100080)

城市三维地质建模在砂土液化分析中的应用：以通州为例

李静1，赵帅2

(1．中国地震应急搜救中心，北京 100049；2.北京市地震局，北京 100080)

摘要：以城市区域地质、钻孔、剖面等数据为基础，结合3D GIS 方法技术、3D可视化技术以及一系列有关城市地质特征的描述、模型、分析评价的方法，利用三维建模理论构建研究区3D地质体模块，并在3D可视化下综合解析城市的砂土液化，将城市地质工作和城市规划结合，构建一个城市三维地质信息系统，提高城市地质工作的研究水平。以通州地区为例，结合砂土液化灾害理论知识从三维角度进行地质稳定性评价，划定通州区地下潜在砂土液化灾害区域，为后续灾害防治工作提供决策依据。

关键词：三维地质体；砂土液化；建模；评价

三维地质建模(3D Geoscience Modeling)，就是采用现代计算机技术，将地理空间信息、地质解译、空间分析以及预测、地学计算统计，块体内容分析结合图形可视化等工具，在三维空间环境下,作用于地质条件分析的一项综合性技术。城市工程地质环境质量评估利用3D地质-实体模型进行预测评价是伴随着计算机3D建模技术的不断发展逐步实施的；随着中国城市建设中的3D立体地质调查项目的启动，城市3D空间地质信息建设以及城市3D地质模型的构建也得到了稳步的发展。

3D地质体模型构建与3D可视化早期是由加拿大科学家 Simon W.Houlding[1-2]于1993 年提出，如今这一技术已成为计算科学可视化、数学地质、岩土工程、石油勘探与水电勘察等诸多领域的热点研究方向。总的来说，国内外对3D地质可视化方面的研究都比较多，集中的研究方向在3D可视化的快速处理、地质数学模型构建、3D实体拓扑等等方面，其中地质数学模型构建的研究是地质体空间信息3D可视化的基础及核心。城市的地质环境评估与3D地质实体模块构建相结合分析城市地质内部关系方面的工作在最近几年才开展；上世纪60年代我国的地质环境评估工作就已开展，其主要服务的目标是为预定的大型、超大型城市工程进行区域上的环境工程地质进行调查、评价。[3-4]国外，在上世纪90年代初期英美国、荷兰、加拿大、澳大利亚等国家就相继开展了各自的城市3D地质数学可视化构建工程。进行城市3D地质建模、空间分析，及时的分析出相关地质稳定性特征；能够快速、有效避免因工程建设而导致的地质灾害的发生；为城市规划提出建设性的科学依据。

本次通州研究区位于北京市东南部，京杭大运河北端；主要通过收集研究区以往地质资料，厘定研究区地形、地貌、水文、岩土特性及构造等等城市地质环境影响因子，构建研究区三维地质模型进行砂土液化分析，采用的软件主要有达索旗下SURPAC VISION、ESRI旗下Arcgis、ENVI、VRP、3DMAX等。

1地质背景

1.1区域构造

通州研究区地质构造上位于阴山构造带的南缘，祁吕-贺兰山“人”字型的东部构造带、新华夏系构造带、延昌弧型构造东部南缘结合部位；处于华北板块(Ⅰ)中部，冀辽断陷盆地(Ⅱ3)北部，大兴隆起(Ⅲ4)三级构造单元平原区北东部(图1)[5]。

图1　通州研究区构造划分示意图

南苑-通县活动断裂(图1)为通州研究区发育的主要控制性断裂；总体上呈NE向展布；南起河北省涿县塔上，往北，经北京市房山区码头镇、两间房，横穿北京市永定河向北东方向继续延伸，沿南苑镇、高碑店、双埠头至顺义区北务展布，全长约为 110km。；划分出了北京迭凹陷和大兴迭隆起两个构造单元，控制了北京南部平原地区的断裂分布[5]。

1.2水文地质

地表以下30m深度的地下水，通州研究区范围内主要为潜水、承压水，局部地区赋存有上层滞水。

潜水水位大于6m的地区主要分布在黑庄户-梨园-宋庄-带，其周边水位埋深递减，水位小于3m埋深位于楼梓庄、苍头地区。第四纪孔隙潜水水位标高在12～24m±，水位埋深在 0.7～9m，粉细砂及粉土层为主要的含水层岩性。[5]该地区地表下一般14～20m即可见承压水，水位标高在0～8m±；粉细砂、中粗砂、砾-卵石及粉土层为该地区主要承压水的含水层岩性。

2三维地质模型构建

以多年积累的二维地质调查成果与经验为基础，系统地总结研究区的地质背景以及水文地质条件；根据收集的研究区的工程图、中段平面图、勘探线剖面以及各类比例尺地质图、剖面[7-8]，通过数据转换，空间分析得到研究区各类地质体的轮廓线，利用地质三维建模技术构建三维地层岩性实体模型，以遥感与高程数据建立地表地形模型，以采集的尺寸与纹理信息遥感影像建立地上景观模型，以工程尺寸与工程布置数据建立工程模型[10]；通过数据结构分解与多源数据转换，实现地上地下的贯通以及二维三维等多源数据的集成，在此基础上进行系统功能开发，实现三维可视化综合分析，并建立空间数据库，有机的融合研究区各种数据资料[12-13]。目的就是把那些空间上不连续、分布散乱的地质现象，采用现代计算机3D建模技术与数学拟合、图形构建等技术想结合，实现现实地质现象的虚拟3D现实化[14]；处理各个地质体间真实反映，完成地下地质结构全面反映[15-16]。

本文研究的内容是通过3D地质建模进行区域地质稳定性评价工作，主要的建模工作流程如下所示。

1)资料搜集、整理与筛选：整理研究区217个钻孔资料，33条实际剖面，同时获取研究区157.85km2高分辨率遥感影像图以及1∶1000地面高程数据。

2)勘探剖面图布设：首先按照深孔分布，以及地质背景，沿北东方向布设深孔勘探线，考虑与已知5条勘探剖面相交的情况，在与已知剖面交叉重合部位，设定虚拟钻孔；其次按照实测第四纪浅钻孔分布情况，布设浅孔勘探线，同时，参考已知剖面以及周边深钻孔情况；在研究区外围没有钻孔控制的区域，设立虚拟勘探线，将周边的钻孔按照趋势分布在该勘探线上(图2)。

3)绘制勘探剖面图并立剖面：结合钻孔数据绘制钻空柱状图并进一步沿勘探线形成剖面图，按照实际钻孔位置及勘探线空间分布将二维剖面数据展布到三维空间当中，形成研究区空间立体剖面图。

4)构建三维地质体：将研究区的所有剖面装置到3D空间，按照地质体的形态，采用轮廓线重构面(wireframe modeling)[7,9,10,11]技术在相邻勘探线之间用三角网连接三维地质体表面，最终形成地质体实体。

本次工作主要分层建立研究区的粉砂、细砂、中砂模型以及粉土、粉质黏土、黏土和粘质粉土模型(图3、图4)，最后将多个地质体进行空间叠加，形成研究区的实际地质体模型。

图2　研究区勘探线布设(上)及三维布设(下)图

图3　研究区粉砂(a)、细砂(b)、中砂(c)

从图3及图4上的3D空间实体模型可以准确的发现研究区内粘性土与砂土互层。从构建的3D模型中发现，研究区地表以下30m的空间内，分布细砂、粉质粘土层两层较厚的地层，同时可发现砂土从西到东逐渐变厚，埋深逐渐变浅；厚度为0.9～20.0m；整个研究区以细砂及粉质粘土为主，中砂、粘土及粘质粉土次之，粉砂、粉土零星分布主要呈水平方向展布(表1)。目前地下水位埋深较浅，历史最高水位接近地表。

3砂土液化三维评价方法

砂土液化是指砂土液态化的表现，当地震发生时，在地震力的往复作用下，超静孔隙水压力承担全部上覆土重时，砂土层内最上部的砂就会处于悬浮状态(液化状态)。超静孔压在上覆土层薄弱处，悬浮状态的砂土随水喷出地表，就会形成砂土液化致灾。

3.1评价因子

经过调查发现，我国地质年代为晚更新世或以前的饱和土层未发生液化现象；同时，当地下水位小于界限值时，没有发现砂土液化现象；砂土或粉土上覆盖的非液化土层厚度越过临界值时，没有发现砂土液化现象。当粉土或砂土的粘粒含量超过某一界限值时，不会发生液化，这是由于土的黏聚力增大了，抗液化能力加强了。砂土或粉土的相对密度<50%的砂土液化现象普遍，没有发生液化其相对密度均>70%。土的侧压力越大；地震烈度越高，持续的时间越长，砂土发生液化的可能性就越大；[5]一般地震烈度在6度以下，很少见到砂土液化，然而当烈度大于7度，砂土液化现象则较为普遍。砂土层内部孔隙水连通，处于饱和或近于饱和状态，发生砂土液化的可能性就越高。

图4　研究区粉土(a)、粉质黏土(b)、黏土(c)、粘质粉土(d)

土质类型上覆地层下伏地层最厚最薄平均粉砂粉质黏土中砂9.82.44.2细砂粉质黏土、黏土黏质粉土、细砂20.00.915.3中砂细砂、黏土—6.40.22.7粉土粉质黏土细砂、粉砂2.31.01.8粉质黏土细砂、黏质粉土细砂、粉土、粉砂、黏土20.00.814.8黏土粉质黏土中砂、细砂3.80.52.5黏质粉土细砂、粉质黏土、中砂中砂、粉质黏土13.40.87.6

因此存在砂土液化的可能必须具备以下几个基本要素：①晚于晚更新世的砂土层；②黏粒(粒径≤0.005mm的土颗粒)含量在一定范围；③上覆盖非液化层厚度能抑制可液化层喷水、冒砂；④砂土层位于地下水位以下，地下水位埋藏浅及径流条件滞缓地带；⑤砂层密实度差、结构松散；⑥土层埋深小于20m；⑦地震烈度和震级。

是否会发生液化现象，还有其他因素，包括埋深、地震条件、可液化层与非可液化层间的关系等。通州研究区地表以下 20m 深度范围内分布粉土、砂土，历史最高水位接近地表，地下水位埋深较浅，具备了产生砂土液化灾害的基本条件。

3.2评价方法

为了对研究区内砂土层进行空间三维定位，采用地质体立方体法进行，将研究区内土层立体格网化，对每一个立方体进行液化可能性赋值，以准确的定位空间位置上，哪一个区域存在砂土液化的可能。

1)首先计算研究区内已知钻孔的砂土液化指数[5]。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)技术规范，对位于地下水位以下呈饱和状态的砂土，结合基准标准贯入锤击数判别该层是否发生液化，对于可液化砂土层，计算其液化指数，划分砂土液化地质灾害危险性级别。

砂土是否能产生液化的判别公式见式(1)、式(2)。

(1)

(2)

(适用于地面以下15m以内)

式中：ds为饱和土标准贯入点深度(m)；dw为地下水位深度(m)；ρ0为黏粒含量百分数，小于3或为砂土时，取3；N0为饱和土液化判别的基准标准贯入锤击数；Ncr为饱和土液化临界标准贯入锤击数。

对于可液化层，可按式(3)计算的液化指数(Iie)来确定液化等级。

(3)

式中：Ni为i点饱和土层实测标准贯入锤击数；Ncri为临界标准贯入锤击数(相应于Ni深度处)；N为15m深度内钻孔饱和土层标准贯入点总数；di为i处土层厚度(m)；Wi为i点单位土层厚度的影响函数值(单位m-1)。

最终获得研究区194个钻孔的液化指数数据。

图5三维空间上分布的液化指数(截取研究区部分)

2)以三维地质砂土层为对象，结合地质立方体，采用距离幂次反比法计算研究区内砂土层三维空间上的砂土液化分布情况。进而对全区内的砂土层液化灾害进行评价。首先对钻孔内计算获得的液化指数数据进行统计发现，其结果符合对数正太分布，结合空间变异结构分析，[13-16]最终采用SURPAC中的块体模型，运用距离幂次反比法[15-16]对三维空间内的块体进行液化指数赋值。

通过分析得知研究区80%左右的地区存在不同程度的可液化土层，平面面积约为137.63km2，按照液化指数0～5为轻度，5～15为中度，大于15为重度将研究区划分为四个层次的液化区域，从轻微～严重比例分布见表2。其中面积约为 25.39km2，分布于楼梓庄、师姑屯—供给店北一带为液化严重地区，可能的液化深度为 8～20m，平均深度约13.7m，体积约0.43km3；面积约为 40.08km2，主要分布于东石村-苍头、高安屯-北寺庄、梨园-小圣庙、垡头一带为中等程度液化地区，可能的液化深度为 6～16m，平均深度约12.6m，体积约0.67km3；轻微程度液化地区主要分布于研究区中部，面积约为 72.16km2，可能的液化深度为 2～9m，平均深度约7.7m 左右，体积约1.16km3；其空间分布情况见图6。

从图6可以发现砂土层主要分布于研究区细砂及粉质黏土层中。利用上述砂土液化判别标准结合研究区数据分析可知：可能液化的区域应该在距地表20m以下范围内均存在砂土液化的可能。

表2　研究区砂土液化分区评价分析表

图6研究区可能液化空间分布图

4结论

1)本文利用三维地质建模技术结合地质砂土液化指数评价相关的理论对通州区潜在砂土液化区域进行评价研究，具体形象的展示了通州区地下土质的空间三维形态分布，便于客观清楚的了解研究区地下土质结构，结合砂土液化判别理论，确定整个研究区易于发生砂土液化灾害的地下范围，为砂土液化灾害的防治工作提供决策依据。

2)通过与北京通州地区其它地质资料对比，本次工作的成果符合地质现状，本次工作结合三维地质体模型，拓展了传统液化指数方法，将其从二维平面发展到三维空间，并且对于砂土危害程度一并进行了评估，将砂土液化工作从半定量分析发展到定量定位分析，为准确定位砂土液化位置，提供了一条准确科学的方法。

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Application of 3D geological modeling in the analysis of sandy soil liquefaction:a case study of Tongzhou

LI Jing1，ZHAO Shuai2

(1.National Earthquake Response Support Services，Beijing 100049，China；2.Earthquake Administration of BEIJING Municipality，Beijing 100080，China)

Abstract:Based on the data of regional geology，drilling and profile，combined with 3D GIS technology，3D visualization technology and a series of description，model and analysis evaluation method of urban geological characteristics，the 3D geological model was established by 3D modeling theory，and in the 3D visualization of the comprehensive analysis of the city of sand liquefaction，the combination of urban geological work and urban planning，to create an urban 3D geological information system，improve the level of urban geological work.Taking Tongzhou area as an example，combined with the theory of sandy soil liquefaction disaster，the geological stability evaluation is carried out from three aspects，and the potential sand liquefaction disaster area in Tongzhou District area is delineated，which provides a decision-making basis for the prevention and control of disaster.

Key words：3D geological body; sand liquefaction; modeling; evaluation

收稿日期：2015-10-17

作者简介：李静(1976-)，女，汉族，河南信阳人，硕士，工程师，主要研究方向为结构工程，E-mail：zz_lijing@126.com

中图分类号：P642

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)05-0164-05