三维地质建模技术在水利水电工程中的应用

李东弘，袁彦超，王春晓

（1.甘肃省水务投资有限责任公司，兰州730030；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）

以往， 地质工作者通常用二维图件来表达地质信息，如平面图、剖面图、钻孔柱状图等。而大中型水利水电工程多位于复杂地形地质环境， 传统二维图件很难直观、 完整地展示出地层的空间分布形态和地质构造的相互关系［1］，并且难以被其他基于地质信息进行工程设计的专业人员理解。 三维可视化地质建模技术融合了地质学、数学、计算机图形学等多种学科， 在处理地层信息和复杂构造方面展现出极大优势，提高了地质信息表达的直观性、完整性和准确度［2-5］，对于专业间信息传递也大有裨益，已经成为地质工作者分析复杂工程地质条件和发现工程地质规律的一种新兴研究方法［6］。 三维可视化地质建模技术已成为水利水电工程地质工作的热点， 并向纵深发展。

本文使用基于MicroStation 平台开发的GeoStation软件，依托于某大型水库工程，针对三维可视化建模技术在坝址区复杂地质环境下的工程应用展开介绍。

1 工程概况

某水库工程以工业和生活供水为主， 设计最大坝高90m，正常蓄水位909m，总库容1.04亿m3，为大（2）型水库。坝址河谷为深切“V”字型横向河谷，坝址区及上下游主要出露奥陶系大湾组（O1d）、志留系翁项组（S2w）及第四系全新统（Q4）地层。 坝区和近坝库段都处在某背斜东翼、向北倾伏的部位，地层展布由南北向逐渐向北西弯转。 除坝址区下游发育的区域性断裂F10外，坝址区主要发育Ⅳ、Ⅴ级结构面，在勘察过程中未发现其他Ⅰ、Ⅱ级结构面。Ⅲ级结构面有规模相对较大的断层f25，f26，f27，f29，其中与大坝相关的主要为f26，f29，一般断层产状倾角较陡，呈舒缓波状。 两岸及河床部位顺层发育的层间剪切破碎带CJZ01～18，CJY01～13等Ⅳ级结构面。

2 建模基本流程

三维地质模型建立的要素主要为点、线、面、体四类。 点状要素主要为地质测绘点和钻孔、平洞等，线状要素主要为地表地质测绘界线及剖面内各类地质界线， 面状要素主要为各类地质界面， 包括结构面、地层界面、风化界面及地下水位面等，体状要素主要为地质体，包括地层、地质构造体等。 这四类地质要素参与了模型建立和信息表达的全过程。

三维可视化地质建模的基本流程大致为： 建立地形、数据入库、导入剖面、建立模型及分析模型等。根据等高线等地形数据建立地形面，将钻孔、平洞等数据录入数据库， 然后将平面图及剖面图数据导入三维空间中，并赋予对应的地质属性。利用空间中的点状和线状要素建立相应属性的地质界面， 包括地层界面、风化界面、结构面等。 根据面状要素可建立体状要素，得到相应属性的地质体单元。最后对三维地质模型进行分析、计算，也可对其进行剖切生成二维图件。

3 工程应用

3.1 风化特性研究

根据钻孔、 平洞及剖面信息， 建立风化带模型，如图1。 可知坝轴线位置岩体风化带厚度分布，如表1。

图1 风化带模型

表1 坝址区坝轴线岩体风化带厚度统计

由此可见，两岸风化带厚层差异较为明显，且整体风化厚度比河床部位较厚。 为满足混凝土重力坝要求， 需挖除第四系全新统松散层以及完整性较差的岩体，如图2，开挖至完整性较好的弱风化层作为坝基持力层。

图2 风化带开挖情况

3.2 地层岩性研究

对地层单元模型进行开挖设计，如图3，坝基坐落于志留系翁向组1段中上部（S2w1-5、S2w1-4）：薄～中厚层状砂质灰岩，角砾岩夹角砾状灰岩、泥灰岩，弱风化状～微新岩体，灰色，裂隙不发育，弱～微透水性，岩溶不发育，多属中硬～坚硬岩。 两岸坝肩地层为志留系翁向组2段（S2w2）中厚层砂岩及砂质灰岩或互层状，为中硬岩；薄～中厚层状泥质粉砂岩、砂岩互层状，为软质岩类；下部为砂岩及石英砂岩夹泥灰岩，属中硬岩。 坝基岩层主要为中硬岩，可作为坝基持力层。

图3 地层开挖情况

3.3 地质构造研究

坝址区已发现断层汇总如表2。坝址下游约530m处发育有区域性断层F10。坝轴线与黑塘桥之间发育有斜穿鱼梁江断层f26，在坝址左岸下游侧冲沟旁消失，延伸长度大于700m。

表2 断层汇总

如图4，由模型可见，除区域性断层F10外，对坝基可能存在影响的断层有f26，f29，f15和f16。 对其进行工程地质评价，认为断层对坝基影响不大。

图4 断层与坝体空间关系

3.4 层间剪切带研究

坝基岩体本身层面胶结较好， 岩性变化部位接触面稍差，坝基下发育层间剪切破碎带，如图5，高程在835.6～803.7m之间，层间剪切带发育间距多在0.8～2.4m之间，下部发育间距为4.1～7.6m，多位于岩性变化部位；倾向与坝轴线近垂直倾向下游，且倾角较平缓（17°～24°），带宽0.5～12cm，其物质组成以碎块为主，夹岩屑、岩屑泥，其中岩屑泥多呈团块状，锈黄色，有溶蚀现象，延展性好，性状差，对坝基抗滑稳定不利。

图5 层间剪切带与坝体空间关系

3.5 抗滑稳定研究

本工程坝轴线方向为NE86°， 坝基岩层产状为NE70°～82°NW∠17°～24°，倾向下游略偏左岸，岩层倾向与坝轴线近垂直。 坝基基岩所属岩组为S2w1-5下部砂岩与角砾岩互层状， 下部为S2w1-4砂质灰岩夹泥灰岩，底部为角砾状灰岩，多属为中硬岩～硬岩，局部夹软质岩类。 坝基下游河床地形较平缓， 无深坑分布，不存在临空面。 坝基岩体本身层面胶结较好，岩性变化部位接触面稍差， 坝基下发育的层间剪切破碎带对坝基抗滑稳定不利。

根据河床坝基各种结构面组合和强度特征，就溢流坝段坝基滑动边界条件及稳定性予以分析：由于坝基下软弱结构面走向均为倾向下游， 溢流坝段下游消能方式为底流消能，消力池后无较深冲刷坑，结构面在坝后无出露， 因此单滑面不成为控制滑动面。 双斜面滑动形式为坝体连带部分基础沿软弱结构面滑动，在坝趾部位切断上覆岩体滑出，如图6。经计算， 各种工况下坝段深层抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

图6 溢流坝段深层抗滑稳定示意图

3.6 土石方量计算

对模型进行开挖设计， 根据模型可直接得出开挖土石方量，如图7，挖除部分土为12.5万m3，岩石为63.5万m3。 设计专业通过计算得到开挖土石方量：土方开挖9.84万m3，石方开挖63.87万m3，可知，通过建立三维地质模型得到的开挖土石方量数据较为可靠，能够为设计专业提供数据支撑。

图7 土石开挖情况

3.7 抽取二维图件

目前， 水利工程的主要工作模式依然延用传统的二维图件，应用三维地质模型，可实现快速抽取二维图纸，得到设计专业所需的各类基础图件，如钻孔柱状图、地质平面图及剖面图等，极大提高了专业间协同作业程度。

4 结语

该工程三维可视化地质模型取得了较好的应用效果，其优势在于：

（1）直观地展示地质体在空间的分布，便于地质工作者快速准确表达地质认识。

（2）清晰立体地表达地质体对工程的影响。

（3） 相对于二维图纸， 三维地质模型可读性增强，便于设计人员快速理解和应用。

（4）快速抽取二维图纸，极大提高工作效率。

（5）不仅限于坝址区，其他重点关注的工程部位，特别是与设计专业协同作业的部分，均可推广三维地质应用，如长输水线路、地下厂房区等，在模型应用的深度和广度上都有较大潜力。

未来，随着三维设计的影响力逐渐扩大，相应的规范标准逐渐完善， 三维可视化地质模型将在水利水电工程勘察设计中发挥更加重要的作用。