三维地质建模技术在水利水电工程中的应用

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明650051）

三维地质建模，就是运用计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析及图形可视化等工具结合起来，用于地质研究的技术［1］。三维地质建模最初主要是为了解决矿业工程、油藏工程等地质模拟和辅助工程设计而提出的，随着相关理论基础的研究和深入，以及计算机技术的迅速发展，国外在相关领域出现了一些地质建模可视化软件，如EarthVision，GOCAD，3DGMS等。近年来，国内三维地质建模软件系统的开发逐渐成为关注的热点，一些单位及高校研究开发出了满足不同要求的三维地质建模系统［2-5］。

土木工程三维地质系统（GeoBIM）是由中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司和中国地质大学（武汉）联合开发的三维地质建模软件，软件功能涉及权限管理、数据维护、三维建模、数据分析、图件编绘、网络数据查询等，软件已在数十个水利水电工程中得到应用，取得了大量的应用成果。

1 三维地质建模的基本流程

1.1 数据准备

三维地质建模以各种原始资料为基础，用于建模的数据包括以下几类。

（1）地形数据。包括点云数据、地形等高线、地形面等。

（2）物探数据。包括物探剖面成果、物理属性界面等。

（3）勘探数据。包括钻孔、平洞、探坑、探井、探槽等勘探成果资料。

（4）试验数据。包括各种室内试验及原位测试的成果资料。

（5）地质数据。包括遥感解译成果、工程地质测绘资料。

根据不同的数据类型，分别进行整理和归纳。将各类地质点数据录入数据库，将各类特征线和面直接导入软件中作为原始数据，并从完整性、合规性、合理性等方面对数据进行全面的检查和复核。

1.2 建模基本流程

（1）将各类基础地质资料录入到地质数据库中。

（2）直接导入测绘专业提供的地形面，将基础地质资料转换为空间点、线数据。

（3）以各类勘探点为节点绘制控制剖面，根据各类地质对象的特点绘制特征，辅助剖面对建模数据进行加密，得到各类地质对象的控制线模型，对同一属性线条拟合得到相应地质对象的初步大面模型。

（4）通过剪切、合并等操作形成三维地质面模型。

（5）通过围合操作得到三维地质围合面模型，通过面与实体的分割操作得到三维地质体模型。

三维地质建模流程如图1。

图1 三维地质建模流程

2 工程地质对象建模

2.1 地表面模型及河流水面模型

地表面是地质建模的基础表面，同时也是三维设计工作的基础，在实际工作中，应有唯一的地形面才能保证使用数据的统一。为保证地形面的精度，地形面的提供者应为测绘专业，且地形面模型应同时满足地质建模软件和设计专业软件的需求。

2.1.1 地表面模型

模型的建立同时考虑水上地形数据和水下地形数据，一次性整体建模。河流水面模型应使用河流两侧及河流中的测绘点云数据进行建模，并通过与地表面模型的剪切操作得到河流水面模型。

2.1.2 地形面

需根据地质勘探点及物探测量点高程对地形面进行校核及更新，以保证地形面的精度。

2.2 覆盖层建模

在建模过程中，应考虑覆盖层堆积成因，根据底界面形态和已有数据选择合适的建模方法。滑坡体的建模应关注滑坡的滑动面和滑坡中部堆积体厚度的变化情况；冲积层的建模可以考虑河流的特点，采用横截面剖面分段控制建模的方法来进行建模，如图2。

图2 工程区覆盖层地质模型

2.3 地层及构造建模

地层及构造建模主要考虑产状来建模，在分界点上给出反映该处对象变化情况的倾向线或小范围面，综合各个分界点的特征线或特征面拟合建模，既可保证面模型通过现有分界点，又可反映地层和构造的整体变化特点，如图3。

图3 地层界面、构造面模型

2.4 剖面线建模

风化面、卸荷面、水位面、透水率界限面等地质对象的建模相较于地层及构造的建模，缺少了产状信息，且形态特征更加不规则，需要更多的数据来控制形态的变化。将现有的各类离散点，通过剖面的方式来连接各类散点，一方面可以增加数据量，另一方面可以给定拟合的方向，提高拟合成目标面的效率。

剖面线建模以现有的勘探点位为控制节点，形成三角化的剖面线网格控制研究区的建模，而对于缺少数据的部位可增加适量的辅助剖面来进行数据加密。

2.5 特殊对象建模

特殊对象考虑透镜体及溶洞，这类对象的建模方式不同于其他地质对象。在建模过程中，重点构建地质对象的轴线和特征截面线，通过放样的方式来建模。

3 建模成果

3.1 基础图件

通过对数据库数据直接调用，可得到各类基础图件，如钻孔柱状图、赤平投影图、节理玫瑰图等。

3.2 数据查询及统计

在建模的过程中直接从数据库调用数据，在需要进行数据查询时，可搜索各类相关信息并直接查看。同时，数据库提供了数据统计的功能，可以根据不同的设置条件来统计各类数据。

3.3 模型分析

主要针对已建的三维地质模型进行分析，模型分析可以进行单截面分析、多截面分析、剖面分析、虚拟钻孔、虚拟平洞等操作。在空间上、多角度反映地质对象的变化情况，为地质对象的空间分析提供了基础，如图4～图5。

图4 单截面分析

图5 多截面分析

3.4 成果图件编绘

三维地质图在表达上更加形象，更具立体感，但是由于缺少三维地质图的相关出图标准，现阶段的图件编绘以二维图件和三维图件共存，可以直接从三维模型中抽取得到二维图件；三维图件在强调展示效果的同时注重信息的展示，既可达到美观的效果，又可表达信息，为三维图件的标准化提供了参考，如图6～图7。

图6 二维剖面地质图

图7 三维地质剖面图

3.5 CAE分析

随着各种数值计算分析软件的不断发展，三维数值模拟分析在工程中得到了大量的应用，二维设计成果需要通过成果转换得到三维模型。三维设计可以直接提供三维地质模型，经过适当的简化就可以应用于数值模拟计算，如图8和图9。

图8 模型剖分结果

图9 模型分析结果

3.6 协同设计

设计专业使用的软件与地质三维建模软件不同，通过对地质模型进行转换可得到直接导入设计软件的地质模型，包括Inventor软件和Civil 3D软件。导入Inventor软件的地质模型为实体模型，带有地质相关信息，包括地质对象的岩性、风化、建议开挖坡比及相关的岩土力学参数。导入Civil 3D软件的地质模型为面模型，带有面的相关属性，如地层分界面、风化程度、水位面等信息，如图10和图11。

图10 导入Inventor地质模型

图11 导入Civil 3D地质模型

4 工程实例

4.1 工程概况

某水电站位于雅砻江中游河段上，电站总装机容量1500MW。枢纽由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等组成。该电站位于高山峡谷区，两岸地形陡峭，呈基本对称的“V”型。坝址区基岩主要为花岗闪长岩、板岩夹砂岩、变质粉砂岩等。坝址区变质岩为单斜地层，断层较发育，共发育3条Ⅱ级结构面，59条Ⅲ级结构面。

4.2 工程三维地质建模

本工程应用土木工程三维地质系统软件（GeoBIM）进行三维地质建模，主要利用勘探所得的54个钻孔成果，以钻孔为节点绘制了控制性剖面共41条，结合初步曲面拟合成果有针对性地增加了辅助剖面，得到的全部剖面的空间线条如图12。将具有同一属性的空间线条进行曲面拟合，按照各曲面之间相互关系进行剪切后得到各种地质对象的面模型。本次建模完成了4个地层界面、62个断层面、地下水面、强卸荷面、弱卸荷面、透水率1Lu面、弱风化上带分界面、弱风化下带分界面、微风化面等面模型。通过对建模范围的侧面及底面进行围合，得到工程枢纽区三维地质模型，如图13。

图12 绘制剖面后得到的空间线条

图13 枢纽区三维地质模型立视图

4.3 三维地质建模成果应用

通过对三维地质模型进行剖切直接得到各种建筑物轴线的三维地质剖面模型，如图14；将三维地质模型转换后导入Inventor软件，基于三维地质模型进行开挖面设计，得到坝基与水垫塘开挖边坡设计模型，如图15；使用开挖面对三维地质模型进行剪切得到开挖面三维地质模型，如图16；将大坝及地下厂房等模型与地质模型结合后，直接进行剖切后可以了解建筑物所处的地质条件，图17为某高程三维地质平切模型。

图14 大坝坝轴线三维地质模型

图15 坝基与水垫塘开挖边坡设计模型

图16 开挖面三维地质模型

图17 三维地质平切模型

5 结语

三维地质建模技术依托三维地质建模软件在水利水电工程中取得了较好的应用效果，解决了各类原始资料的整理和归纳，各种资料的快速查询和统计，各类地质对象的快速建模，三维地质模型的快速分析，二维图件批量出图，三维图件编绘，地质模型与建筑物模型结合CAE分析，地质专业与设计专业协同等问题，大大减少了二维设计中出现的错误，提高了工作效率，为整个工程的三维设计工作打下了坚实基础。

参考文献：

［1］Houlding S W.3D geo science modeling：computer techniques forgeologicalcharacterization［M］.Berlin：Springer-Verlag，1994.

［2］钟登华，李明超，刘杰.水利水电工程地质三维统一建模方法研究［J］.中国科学，2007，38（3）：455-466.

［3］刘振平.工程地质三维建模与计算的可视化方法研究［D］.武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2010.

［4］梁昌玉.水电工程地质体三维建模及可视化研究［D］.兰州：兰州大学，2010.

［5］王正.水利水电工程三维地质建模可视化技术研究［D］.长沙：中南大学，2013.