三维地质建模技术在水利水电工程中的应用

方正

（江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029）

水利水电工程经常面临复杂的地层及构造，涉及到的地质信息日趋增多且更加复杂化、多元化，二维静态表达方式对地质资料分析缺乏直观性，难以真实反映出地质情况。由此，采用三维地质建模，借助信息化技术及数字化技术，大大提高了数据收集、处理效果，实现地层界面、断层等的可视化分析，下面将详细介绍具体应用流程及方法。

1 三维地质建模基本流程

1.1 准备数据

对原始数据进行筛选，并对筛选出的数据建模。用于建模的数据除了地形数据、物探数据、勘探数据以外，还包括试验数据。分别对这些数据整理归纳，录入到数据库中，将不同地质点的数据，最后导入软件中作为原始数据，全面检查及复核，保证数据真实、完整。

1.2 建模流程

首先，将整理好的各类基础地质资料录入到地质数据库内，然后再将数据导入地形面，这样一来，可以将地质资料转换为空间点及线数据。绘制特征，依据不同地质对象特点，在这之前要先绘制控制剖面，加密建模数据，将得到各类地质对象的控制线模型，随后就可以初步将大面模型拟合出来。然后形成三维地质模型，通过合并、剪切等基础操作，实体与面的分割操作后，将得到最终的三维地质体模型。

地质平面图是一个二维坐标，有X、Y、Z三个值，这三个值均是通过地形DEM内插方式得到，然后将二维坐标再转换为三维坐标，即得到（X，Y，Z），得到以下公式：

公式中，剖面的起点地理坐标为（xo,yo,zo）；剖面地层X，Y坐标为（X，Y）；其中，α为剖面的方位角，xs与ys表示为剖面图水平及垂直状态下的比例。使用TIN模型构筑数据网络，这里主要指钻探数据，这是形成三维模拟基本形态的重要步骤。由钻孔数据、探槽数据共同组成了地下三维地质体构网，必须先进行钻孔数据分层处理，主要得到含矿层、覆盖层等地质信息，然后才能进行三维地质体构网，完成这项工作以后，才能进行TIN构网，得到各深度DEM数据。

2 对工程对象建模流程

2.1 河流水面及地表面模型

三维设计工作基础是地表面，同时也是地质建模的基础表面，保证使用数据的统一与规范的前提是使用合理的地形面。地形面模型的构建必须满足设计专业软件的需求。

地表面模型。需要充分收集水上及水下地形数据，将统一的整体模型构建出来，建模应用到河流两侧与中间测绘点云数据，然后通过对地表面模型剪切操作，最终得到河流水面模型；对于地形面模型，依据地质勘探点与物探测量点校核及更新地形面，这是保证地形面精准的关键。

2.2 覆盖层建模

建模方法的选择。对于覆盖层建模来说，必须对覆盖层堆积成因充分分析，依据现有数据选择出最适宜的建模方法。比如，滑坡体建模，就要先对滑坡中部、滑动面堆积厚度变化仔细考察分析，而冲积层建模则要充分把握河流特点，建模采用分层控制法。

2.3 地层与构造建模

为保证面模型通过现有分界点将地层及构造整体变化特点反应出来，就要综合不同分界点特征线或者特征面拟合建模。分界点上可以将该处对象变化反映出来，比如，倾向线或者小范围面等。

2.4 剖面线建模

因为缺少产状信息，并且存在不规则的形态特征，需要更多的数据控制形态变化，这是透水率界限面、水位面建模的特点。通过剖面可以将各类现有离散点连接起来，这样不仅可以增加数据量，还能给定拟合方向，将拟合成目标面的速度加快。

2.5 模型的可视化分析

通过一系列流程最终建成三维地质模型后，最终可以得到地上地质体的三维地质模型。通过该模型可以了解到不同地质单元空间分布形态、特点、不同空间相互关系等，可以对前期的勘察结果进行验证，同时通过分析模型，为后续的勘察及设计提供了科学依据。可视化分析具体方法为：①将地质体的轮廓详细、生动地描绘出来，通过建模处理三维地质数据，可以发现该模型组成要素，即山体、进口边坡等。②将地质体所在区域的岩石特性、地层特点揭示出来，为施工开挖选址提供科学依据等。同时，在施工前，对地质模型先进行模拟钻孔，然后对挖洞模拟分析，减少失误操作带来的损失。③对任意地质剖面切割，在已经建成的模型上，从而获取更加全面的地质信息，高海拔地区也可以对地质体截取，进行剖平面面积计算、土方计算等，进一步将地质探测的精度提高，并且可视化分析模型更为直观、方便。

3 建模成果

3.1 基础图件及数据查询与统计

为了得到不同种类的基础图件，可以直接调用数据库中的数据，常见的基础图件有钻孔柱状图、节理玫瑰图等。然后进行数据的查询及统计，在数据调用过程中，对于想要查看的数据可以直接搜索出来并查看，并且能够基于数据库统计功能，依据不同设置条件，统计各类数据。

3.2 模型分析

在模型已经建成以后，最重要的工作就是对模型分析，为图件编制及协同设计创造条件。主要进行多截面分析、剖面分析，并能进行模拟平洞及虚拟钻孔等专业化操作，这样一来，地质对象变化情况可以多空间、多角度地反映出来。

3.3 图件绘制及协同设计

直接从三维模型中抽取二维图件，因为现阶段图件编绘三维及二维图件是共同存在的；三维图件不仅能全面展示地质信息，还能达到美观效果。面模型带有相关属性，包括风化程度、水位面信息等，导入到的软件为Civil3D。

4 工程实力探究

4.1 工程概况

某水电站位于高山峡谷区域，地势陡峭。坝址区域内主要分布了花岗岩、变质粉砂岩、板岩夹砂岩等。坝区内单斜地层分布变质岩，有着发育良好的断层。

4.2 三维地质建模

此次工程进行三维地质建模，使用到的三维地质系统软件是GeoBIM，控制性剖面绘制了40条。得到全部剖面空间线条，因为增加了辅助剖面，曲面拟合对同一属性的空间线条，才剪切得到多种地质对象的面模型，剪切时按照各曲面间相互关系进行。此次建模完成的面模型包括断面层60个、地下水面、弱风化上带分界面、微风化面等。然后围合建模范围的侧面及地面，可以最终得到工程枢纽区三维地质模型。

4.3 三维地质建模成果应用

可以得到三维地质剖面模型，其中各种建筑轴线剖面模型占一定比重，将这些三维模型全部导入到设计软件中，即Inventor，对地质模型开挖设计，最终得到设计模型图。详见图1。

剪切三维地质模型，得到开挖面的三维地质模型，结合地质模型及厂房、大坝等模型，通过剖切，最终可以得到建筑物所处的地质条件。详见图2。

图1 开挖边坡设计模型

图2 三维地质平切模型

5 结束语

本文主要对三维地质建模基本流程、工程对象建模流程进行了详细介绍，并分析了建模成果，表现了三维地质建模可以在充分收集各项地质数据并对数据处理后，完成批量剖面及平切图的切制，同时还能进行剖面的校核，从而与原始地质勘察资料进行比对，及时发现不足或者错误并改正，将地质勘探失误率大大降低，同时减轻了工作人员工作量。最后，本文对三维地质建模技术在实际水电工程中的应用进行了介绍，表现了依靠三维建模技术，可以帮助快速、高效建立起工程区域地形剖面，得到三维地质剖面模型，并使用专业软件处理，最终得到设计模型图，更为快速、准确地获取到更为直观的工程区域建筑、地质条件等，为工程施工提供全面、准确的数据支持。