某水电站复杂地质体空间展布三维分析与应用

曲海珠，姚鹏程

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

某水电站复杂地质体空间展布三维分析与应用

曲海珠，姚鹏程

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

将自然地质体的空间分布，运用合适的方式予以表达是地质工程师的重要工作之一，本文通过典型工程案例，叙述了在大量出露复杂地质体的情况下，采用传统二维图纸的表达方式所存在的局限，着重介绍了以GOCAD为软件平台，以地质勘查为基础，采用合适的方法进行三维地质建模，从而达到更准确、完整的表达地质工程师对复杂地质体的空间展布分析与认识。

复杂地质体；三维地质建模；GOCAD

0 前 言

某水电站位于西藏昌都境内，目前处于前期研究阶段，初拟大坝高度近100 m，装机容量约700 MW，该工程地处印度板块与亚欧大陆碰撞构造变形强烈的藏东构造结附近，区域地质构造背景复杂，区内地层岩性复杂多样。

根据初步勘察成果，对于工程坝址区而言，具有区域地质条件复杂，构造发育；岩性多样，空间展布及接触关系复杂；多个大型堆积体分布等工程地质特点，受其影响与控制，造成场址区存在大量空间展布相对复杂的工程地质体。在本阶段，地质工程师通过现场调查、勘探揭示等工作，对复杂地质体已有基本的分析与认识，采用合适的方法手段，将地质工程师对工程区复杂地质体的分析认识进行表达，并利于实际应用，是本工程本阶段重要工作内容之一。

三维地质建模是指采用适当的数据结构在计算机中建立能反映地质体的形态和各要素之间关系以及地质体物理、化学属性空间分布等地质特征的数学模型。国内从20世纪90年代开始就不断地有人研究三维地质建模软件的核心理论与技术，进入本世纪，包括中国电建成都院在内的众多生产、科研单位，以实际需要为基础，对三维地质建模技术更是进行了深入研究及二次开发。

1 复杂地质体基本特征

1.1 地层岩性发育特征

根据地质勘察，坝址区岩性复杂，成因多样，经工程地质分析，划分基岩岩组14个，覆盖层6组。基岩地层由不同时代、不同性质、不同成因的构造岩片拼合而成，地层接触关系中，整合接触、假整合接触、角度不整合接触关系均有出露(见图1)。

图1 岩性分布及接触关系简图

坝址区第四纪沉积物成因多样，冲积、洪积、崩坡积、泥石流堆积等均有出露，且互相堆叠、夹杂，形态多样(见图2)。

图2 第四纪堆积物局部堆叠

1.2 构造发育特征

场区地处冈瓦纳大陆与泛华夏大陆的接合部位，经历了自新元古代以来长期的沉积—构造演变，地质构造较复杂，褶皱、大型断裂(层)在坝址区均较发育，其中，中小尺度褶皱尤为发育，造成地表地层产状稍显凌乱，规则性差，但就大尺度上而言，褶皱现象并不发育(见图3)。

图3 典型中小尺度范围上的褶皱现象

1.3 大型堆积体发育特征

坝址区右岸呈近顺向坡，加之岩性软弱相间，形成并出露多处大型堆积体，其表部经后期侵蚀，沟槽发育，地形较为凌乱，其基覆界面形态起伏也较大(见图4)。

图4 坝址上游右岸堆积体形态

2 传统地质表达方法的局限

针对上述复杂的地质体，采用传统二维平面图及骨架剖面的表达方法，虽也可表达出地质工程师的认识，但在实际应用时存在一定的局限，这主要是因为传统方法在表达时仅是对局部进行了图纸描述，即骨架剖面部位(或控制剖面)。对于一般工程而言，地质工程师通过骨架剖面进而对其他部位进行地质分析，是能够满足分析认识需要的，但对于本工程所及的复杂地质体，因其局部变化较大，若不是对本工程极为了解的地质工程师，仅根据以往经验，容易在认识上发生错误，这导致在应用传统方法时，既不利于多人配合，也容易因疏忽导致错误。以下列举几例。

(1)问题一表现为：以地层在地表出露的局部产状绘图，导致地层厚度变化较大，与地质分析不符。原因分析：对本工程的地层内“中小尺度褶曲发育，大尺度上总体平顺”的特点了解不够深入(见图5)。

图5 实际工作中问题之一(剖面示意)

(2)问题二表现为：在无勘探控制下，基覆界面局部下凹。原因分析：控制剖面绘制时，以厚度为控制因素，未注意堆积体表部地形凌乱的特点(见图6)。

图6 实际工作中问题之二(剖面示意)

(3)问题三表现为：阶地部位，老地层压覆于新地层之上。原因分析：无骨架剖面控制部位，对工程特点了解不够深入(见图7)。

图7 实际工作中问题之三(剖面示意)

针对工作中以上及类似的实际问题，成都院积极寻求解决办法，通过分析后，决定对复杂地质体采用三维建模的方式进行表达。

3 复杂地质体三维模型构建

本工程在进行复杂地质体三维模型构建时，采用成都院重点研究、应用的以GOCAD为平台的三维建模软件。

3.1 地质信息的采集应用分析

同传统工作方法相一致，地质信息的采集，是三维模型构建的基础，包括通过地质测绘对地表的岩层产状信息、 地层层序关系与厚度、 褶皱形态、 断层性质及其位移以及地质剖面现象等。通过钻探、洞探、物探等勘察手段，对地质体的深部延展情况予以探查。

对地质信息的分析，是地质工程师在本阶段的重要工作，通过对上述采集的地质信息，地质工程师应对工程区地质体的空间展布予以充分认识，应当明确，无论传统的二维图纸或三维模型，都是地质工程师对地质体已有认识的表达。当然，在分析认识过程中，通过有效绘制图纸辅助地质工程师进行深入分析与认识，也是必要的工作。

3.2 选择合适方法进行模型构建

根据已有工程经验，在三维地质模型构建时，一般采用以下两种方法：

(1)利用原始地质信息，包括地质点、岩层产状、勘探揭示等，直接进行模型构建；

(2)根据已有勘探信息，先行绘制部分二维平剖面图，再利用该部分平剖面图进行模型构建。

本工程采用的即为第二种方式，其原因，首先如前所述，在进行模型构建前，本工程已完成了部分二维平剖面图绘制工作。其次，前期所绘制的平剖面图较好地体现了地质工程师对本工程地质条件的认识。最后，对于如本工程这样具有大量复杂地质体的区域而言，若采用较少的控制点，在建模时势必需要大量的调整、修正。

模型构建过程如下：

(1)利用地形测量数据生成三维地形的同时，整理二维图纸，将剖面、平切面二维线条转换为GOCAD中的三维线条。

(2)利用已有二维剖面(对于复杂地质体，局部需适当补充辅助地质剖面)生成地质体。首先是将剖面线条生成初始面，其次将生成面上所有的点都设为控制节点的同时，将面向外延伸至合适范围。再次，对面进行撕分、拟合、美化，以面的空间展布既符合地质判断又符合美观合适为止。最后，根据地质界面之间的相互关系，进行切割、调整等工作。

(3)控制点锁定。对于地质体的重要控制点，包括地表调查的地质点，钻孔、平硐内揭示的地质体分界点等，应予以锁定，形成控制点，避免在模型后期修改时，因不当操作，而对相应部位形成修改(见图8、9)。

4 结 论

图8 本工程三维模型局部构建

图9 本工程下坝址三维地质模型

该模型已应用于本工程复杂地质体空间展布三维分析、三维汇报展示、三维模型辅助二维地质剖面绘制等方面。从应用情况看，其能够更准确、完整地表达地质工程师对复杂地质体的空间展布分析；模型构建过程即地质深入分析过程；一次构建，随工作深度调整，全阶段连续应用；一套模型，全体应用，利于全员参与。

(1)对于大量存在复杂地质体的工程而言，采用传统的绘图方式，在实际应用中存在一定的局限，而三维地质建模是解决此类局限的有效措施。

(2)采用以GOCAD软件为平台，以地质勘查为基础，以合适的方法进行三维地质建模是可行的，而且也是便于工程应用的。

(3)三维地质建模能够更准确、完整地表达地质工程师对复杂地质体的空间展布分析，能够有效提高工作效率，体现了三维地质建模的优势。

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2017-02-06

曲海珠(1981-)，男，内蒙古通辽人，高级工程师，从事水利水电地质工程研究。

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1003-9805(2017)02-0030-03