三维地质设计在孟底沟工程中的应用

王 刚，田华兵,刘仕勇,梅稚平

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

三维地质设计在孟底沟工程中的应用

王 刚，田华兵,刘仕勇,梅稚平

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

复杂的地质条件给水电工程地质分析带来了极大的困难，为了解决孟底沟水电站地质分析难题，采用GeoSmart系统作为分析工具，基于其工程地质信息管理、工程地质三维解析和工程地质综合应用功能展开分析，结果表明，相关地质分析难题得到了较好的解决。该系统在实际水电站的地勘全程数字化三维设计工作中的应用，不仅高效地解决了各类复杂地质问题，而且有效提升了工程地质的分析方法和手段，具有良好的推广应用价值。

水电工程；工程地质；三维设计；GeoSmart

0 前 言

孟底沟水电站为大(1)型水电水利工程，位于西南高山峡谷区，地形地貌复杂。山高谷深，冲沟发育，交通极为不便，高山陡坡，地形及地质测绘难度很大。工程区地层为燕山期早期侵入的不规则空岩体，为中粒花岗闪长岩、少量黑云母花岗岩，后期蚀变强烈，主要为花岗岩化和粘土化蚀变带，发育的蚀变带和蚀变集中带规模大小、分布形态较复杂。同时，坝区断层发育，导致断层、蚀变带、岩脉等空间交切关系极为复杂。如何准确分析反映复杂地质结构空间展布形态和交切关系，是影响工程地质条件的关键因素之一。

要准确分析复杂地质结构的空间展布形态和交切关系，必须首先获得各项地质资料。由于水电工程特有的复杂地形地质条件，原始地质资料众多，资料的完整保存和调用将直接影响地质分析的精度；同时，由于地质体千变万化，传统的二维分析手段已难以满足工程设计的实际需求，利用计算机技术进行三维可视化分析以及三维表达已是地质专业发展的必然趋势[1]，目前已有不少这方面的研究成果[2-5]。

要解决上述问题，最好的方法是找到一种既可以完整保存、随时调取地质资料，同时又可以开展三维可视化分析的工具。经深入对比分析，本文选取GeoSmart系统作为工具，运用其强大的信息管理、三维解析及信息综合应用功能对孟底沟水电站的地质结构进行三维地质分析。

1 GeoSmart系统简介

GeoSmart系统主要包含工程地质信息管理、工程地质三维解析、工程地质综合应用三个方面的功能，主界面如图1所示。

图1 三维地质设计数字化系统界面

1.1 工程地质信息管理

工程地质信息管理子系统作为三维地质建模、地质分析评价、成果输出以及其他应用的唯一数据源，可以完整、规范地存储全部的基础资料、不同阶段的解析成果及校审记录等。该数据库可以进行空间坐标的统一转换和定位，勘探、施工编录、试验成果等全部信息均按照地质属性、工程属性进行分类。数据采集方式融合了相关规程规范的规定，将各种信息以地质类别为纲目进行统一储存管理。该系统实现了网络环境下的数据输入、输出、审核认证与交互管理，如图2所示。

1.2 工程地质三维解析

工程地质三维解析子系统以GOCAD[6](Geological Object Computer Aided Design)为基础研发，如图3所示。GOCAD主要应用于地质领域的三维可视化建模，具有强大的三维建模、可视化、地质解译和分析的功能。在GeoSmart系统中，三维解析遵从数据中心提取→分类空间表达→展布形态拟合→属性总结→返回数据中心这样一个循环交互过程，从而将原始资料、分析过程、合理性判断至形成解析结果的过程关联起来，这些关联关系以及解析得到的成果，作为一个认识固化后形成一个阶段性成果。

图2 网络环境下的工程地质信息管理系统

图3 基于GOCAD的三维地质空间解析系统

1.3 工程地质综合应用

工程地质综合应用子系统的主要功能是基于三维模型和地质属性信息的综合应用，提供多种功能：报表输出可根据用户需求，输出勘探任务书、工作量统计表、地层统计表、小断层统计表、风化卸荷统计表、试验成果汇总分析表等多种实用表格；原始资料可以输出勘探布置图、实际材料图、钻孔柱状图、平硐展示图等各种图件；依据模型和数据可以输出各种平剖切图、等值线图等；并为常用计算软件提供数据前处理、数据交换接口，并将计算结果可视化展示；利用数据中心集中存储的多工程数据进行工程类比辅助分析；可在线查询相关标准、规范及质量管理体系文件。

2 孟底沟水电站三维地质数字化设计

该工程自预可研工作始即全程采用数字化三维设计，通过建立中心数据库，进行三维解析与建模，并依据数据、模型展开专题地质分析，具体过程如下。

2.1 数据采集与中心数据库的建立

对于地形资料，由机载激光雷达获取地形高精度点云(DEM)生产高精度地形面，与正射影像(DOM)叠加形成三维虚拟场景，生成的地形面和影像导入到数据中心。

对于地表地质测绘资料，采用先进的3S地表地质测绘技术现场在三维平台中定位地质点，根据实测地质点勾勒地表地质界线，如图4所示，并录入或导入到数据中心。

对于地质勘探和相应的试验资料，物探、钻探、硐探、坑井等原始资料，以及与勘探相关的，如：抽压水试验、动力触探、岩土体物理力学试验等直接录入到数据库中统一管理，如图5所示，供其他系统建模分析时调用。

图4 坝区三维虚拟场景

图5 地质勘探数据

2.2 三维解析与建模

三维地质解析是一个交互的过程，系统通过服务与数据中心进行数据交换，按不同地质属性分别拟合出不同的地质界面，结合三维场景对整个范围内的地层岩性、地质构造(断层、挤压带等)、风化卸荷、地下水等因素分析及归类，形成不同的地质属性综合描述和相应的参数，并赋予三维地质体，形成包含地质属性的三维模型(基础地质模型或工程岩土体分层分类模型)，并随生产过程渐进明细。基于中心数据库数据建立的孟底沟三维地质模型(见图6)，图7展示了地质体间的空间展布形态和交切关系。

2.3 数据、模型的应用分析

数据、模型的应用分析依托工程地质综合应用子系统进行，在所建立的地质数据库和三维地质模型的基础上，开展了一系列地质设计分析工作。

(1)地质体间空间交切关系分析。前期勘探阶段对于地质条件的认识，最重要的是认识各种地质边界的空间展布，这在二维分析时代是比较困难的，主要通过二维剖切面来辅助地质人员分析，存在的主要问题是难以同时协调空间的多个已知条件，而在三维空间内来解析则能较好地处理这个问题。如：f4断层作为坝区规模最大的断层，对坝区构造格局有较大的影响，有多条断层受其限制，岩脉的分布规律与其关系极大，在孟底沟三维数字化设计过程中，它为其他断层、岩脉的分布交切提供了重要的参考作用。针对f4的勘探，先通过三维模型分析其空间展布，再开展有目的的调查及勘探，节省了工作量，缩短了工作周期。

图6 最终完成的孟底沟模型

图7 地质体空间关系分析

(2)等值线分析。在大坝设计过程中，建基面的确定是一个复杂的过程，其中基岩顶板及微新岩体的查明是一个基本要求，孟底沟河床完成钻孔11个，查明了河床覆盖层及微新岩体空间形态，并生成等值线供下游专业使用。

(3)体积计算。在料场工作中，一个重要的要求就是查明料场储量，传统的平行断面法、平均厚度法，都是一种近似计算方法。在高山峡谷区，微地形变化较大，传统的方法误差较大，且效率低下，三维模型完成后，料场储量计算及其简单。

(4)二维出图。孟底沟项目启动以来近5年的时间内，通过互提资料单提供二维图件772张，100%由三维模型剖切。孟底沟项目自2009年启动以来，地质专业便启动了全过程数字化设计，完成了孟底沟工程地质数据库、孟底沟三维地质模型，并在此基础上向下游专业提供了大量二维图件。

孟底沟水电站地勘全程数字化三维设计工作的成功应用表明，该系统以生产建模过程为主线，以地质特性为纲目，建立的关联数据库结构合理，工程属性数据完整；由此进行的数字化设计与生产过程深度融合，操作简便，已将设计标准、管理流程规定、校审体系以及质量控制体系固化到系统中；设计成果模型准确，精度、粒度、可靠性高，属性信息完整，此外还包含了与其关联的过程信息，并能追本溯源；系统采用一键式出图，二维出图自动化程度高，精度满足设计要求，与传统方式相比，三维设计的成果更合理，出图效率高。

3 结 语

(1)GeoSmart系统有效地解决了孟底沟水电站海量地质资料的存储和三维地质分析难题，基于其三维可视化和三维表达功能，地质人员对地质体的空间展布形态和交切关系有了清晰的认识，同时，其地质信息综合应用子系统为上下游专业之间的衔接提供了便利条件。

(2)GeoSmart系统强大的分析统计功能能够辅助地质人员依据地质勘察资料分析地质对象，通过控制三维面的变形体现地质工程师的认识，三维模型不再是地质工程师的额外负担，而是其认识分析过程自然的产物。水电工程三维地质设计不仅能够高效地解决工程中各类复杂地质问题，还使工程地质的方法和手段产生了飞跃，对降低成本、缩短工期有着显著效果，在水电工程地质专业有良好的应用空间与发展前景。

[1] 张咸恭, 王思敬, 张倬元. 中国工程地质学[M]. 北京: 科学出版社, 2000.

[2] 钟登华, 李明超. 水利水电工程地质三维建模与分析理论及实践[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.

[3] Houlding S.W. 3D Geoscience Modeling: Computer Techniques for Geological Characterization[M]. Berlin: Springer-Verlag, 1994.

[4] 钟登华, 王刚, 李明超, 王义锋. 三维地质模型信息可视化与工程应用[J]. 天津大学学报, 2005, 38(1): 36-40.

[5] Zhang Liqiang, Tan Yumin, Kang Zhizhong, Rui Xiaoping, Zhao Yuanyuan, Liu Liu. A methodology for 3D modeling and visualization of geological objects[J]. Sci. China Ser. D-Earth Sci., 2009, 52(7): 1022-1029.

[6] Zhu Liangfeng, Wang Xifeng, Zhang Bing. Modeling and visualizing borehole information on virtual globes using KML[J]. Computers & Geosciences, 2014, 62(1): 62-70.

2017-01-16

王刚(1973-)，男，四川成都人，硕士，教授级高级工程师，从事水利水电工程地质勘探设计与分析工作。

TP391;TV221.2

B

1003-9805(2017)02-0036-05