基于ItasCAD三维模型在块石料场储量计算中的应用

牛贝贝 姚振国 孙红义 刘贺

随着近年来互联网和云技术的飞速发展，地质工程内外业一体化和远程协同工作的方式越来越得到地质工作者们的广泛认可，也为地质工作者的工作提供了诸多便利。ItasCAD 软件便是基于互联网和云技术，通过数据库、三维地质建模与数据处理、应用与成果输出三大模块建立的针对岩土地质体的专业性BIM 平台。它可将外业工作中采集到的各类地质数据存储于平台的数据库中，以数据库为基础建立起不仅包含地质体空间几何形态特征，还包含岩土工程分析和设计所需信息的三维地质模型。通过三维地质模型的建立，可在平台中实现二维地质图件的生成、岩土体专题问题的分析、岩土工程设计等应用。而通过三维地质建模来计算天然建筑材料的储量在工程应用中有着准确、快捷、高效等优势。下面以某工程块石料场为例，具体介绍基于ItasCAD 三维地质建模在天然建筑材料储量计算中的应用及与传统计算方法的比较。

1 块石料场概况

某工程石料场位于库区左岸山体，紧邻公路，交通便利，距离坝址区直线距离约4 km。块石料场山体雄厚，地势沿山脊东南高西北低，山坡坡度一般为10°～30°。经现场地质调查，所选料场范围东西长约750 m，南北宽约500 m，面积约33万m2，地面高程240～420 m。

该块石料场地表多为第四系残坡积土层和碎石土覆盖，厚度0.8～6.9 m 不等；部分山坡和坡顶基岩裸露，基岩岩性主要为中新世至上新世的火山角砾岩和玄武岩。经室内试验成果分析，该块石料场的火山角砾岩与玄武岩在质量指标上存在较大差异，在储量计算过程中需对两种不同岩性的块石料分别进行计算，以用于不同工程部位的填筑。同时，考虑到不同位置岩性的分布情况及料场开挖的经济合理性，在储量计算过程中需明确开挖边界，料场四周按一定坡比放坡开挖，料场底部采用阶梯式开挖。

2 块石料场三维地质建模

2.1 地表面建模

地表面模型的建立基于地形线（等高线）。地表面模型的精度也取决于地形线（等高线）的测量精度。将所需格式的地形线（等高线）文件导入ItasCAD 软件，ItasCAD 软件可识别所有地形线（等高线）的坐标属性和高程属性，并可从地形线（等高线）中提取出若干等高点。将在ItasCAD 软件中新建的一个平面通过点集约束的方式约束至从地形线（等高线）中提取的等高点上，再通过若干次网格加密和离散光滑插值的运算便可完成地表面的建模。

2.2 剥离层底界面建模

剥离层底界面是在块石料场储量计算中分离剥离层和有用层的重要界面。与地表面模型的建立基于地形线（等高线）不同，剥离层底界面模型的建立需要基于块石料场地质剖面图中的剥离层底界线，剥离层地界面模型的精度取决于剥离层底界线的数量，数量越多，相对精度越高，数量越少，相对精度越低。在剥离层底界面建模之前，需先将料场地质剖面导入ItasCAD 软件中，然后将每个剖面所对应的料场地质剖面图文件导入ItasCAD 软件，通过选择对应的剖面线和输入剖面图起始点的坐标与高程信息可确定剖面图在三维地质模型中的位置。在剖面图导入ItasCAD 软件的过程中，剥离层底界线被同步导入，从剥离层底界线中提取出剥离层底界点，将在ItasCAD 软件中新建的一个平面通过点集约束的方式约束至从剥离层底界线中提取的点集上，再通过若干次网格加密和离散光滑插值的运算便可完成剥离层底界面的建模。

2.3 岩层底界面建模

由于该块石料场的火山角砾岩与玄武岩在质量指标上存在较大差异，故在料场储量计算过程中需将勘探范围内火山角砾岩与玄武岩的各岩层底界面进行建模。岩层底界面的建模与剥离层底界面的建模过程类似，即通过已导入ItasCAD 软件中的地质剖面图，从地质剖面图中的地质岩层底界线中提取出岩层底界面点，然后即可创建平面并采用点集约束的方式完成各岩层底界面的建模。建成后的岩层底界面的三维模型如图1 所示。

图1 某工程块石料场岩层底界面三维地质模型

2.4 四周开挖面建模

四周开挖面是在块石料场储量计算中确定料场开挖边界的重要分界面，四周开挖面模型的建立基于块石料场在地表的边界范围和四周开挖面的坡比。在四周开挖面建模之前，需先将包含料场边界范围的地质平面图导入ItasCAD 软件，由于地质平面图中的料场边界并不含有高程属性，故需在ItasCAD 软件中将料场边界竖直投影至地表面，这样就可得到块石料场在地表的边界范围，此边界范围根据不同方位和不同开挖方向分成四部分，利用ItasCAD 软件中的线和产状命令即可创建四周开挖面的地质模型。

2.5 开挖底界面建模

由于料场底部采用阶梯式开挖，开挖底界面不是一个某一高程的水平面，而是由不同高程的水平面和阶梯开挖坡面组成的阶梯面，这就增加了三维地质建模的难度，但是提高了块石料场开挖和储量计算的经济合理性。开挖底界面的建模也需基于之前导入ItasCAD 软件中的地质剖面图，根据地质剖面图中的开挖底界线的高程位置创建各个不同高程的阶梯水平面，根据地质剖面图中的阶梯开挖坡面线和各阶梯水平面之间的关系创建阶梯开挖坡面，再用面与面的裁剪命令裁剪掉各面中多余的部分即可。建成后的四周开挖面和开挖底界面的三维模型如图2 所示。

图2 某工程块石料场开挖面三维地质模型

2.6 开挖体建模

在所有块石料场开挖范围内的面全部建模完成后，可通过各面所包围成的区域采用面分割的方式创建立方网。在本块石料场中，立方网将被分割成剥离层区域、玄武岩有用层、火山角砾岩有用层等不同的区域。建成后的开挖体模型如图3 所示。

图3 某工程块石料场开挖体三维地质模型

3 三维地质模型储量计算

在已建成的块石料场三维地质模型中，通过查询不同立方网区域的相关属性即可得到剥离层和各有用层区域的体积，各区域的体积及相关数据可通过ItasCAD 软件导出为电子表格，便于数据的分析与整理。同时，通过三维地质模型的建立可更直观地查看各区域在块石料场范围内的分布情况，以便于结合块石料的质量指标对块石料场进行合理分区，进一步合理规划优先开采区域。另外，已建成的三维地质模型还可直接生成块石料场范围内任意剖面的剖面图，便于地质附图的整理与地址成果的输出。通过查询，该块石料场剥离层区域的体积约为90.03 万m3，料场有用层总储量约为1 972.35 万m3，其中玄武岩的储量约为978.67 万m3，火山角砾岩的储量约为993.68 万m3。

4 平行断面法储量计算

根据平行断面法计算该块石料场的储量，同样采用阶梯式开挖，与三维地质模型的开挖范围完全一致。与三维地质模型计算块石料场储量不同的是，采用平行断面法计算块石料场储量需在料场范围内平行的剖切若干剖面，对于剖面线上没有勘探点的剖面需根据勘探点投影或合理的推测来确定相关的界线，而储量计算的精度则取决于平行断面的间距与相关界线的推测合理度。对于该块石料场，采用50 m 的平行断面间距，通过计算，该块石料场剥离层区域的体积约为82.18 万m3，料场有用层总储量约为1 947.79 万m3（见表1），其中玄武岩体积约为949.61 万m3，火山角砾岩体积约为998.18 万m3。

表1 块石料场储量计算表（采用平行断面法）

5 结 语

通过分析三维地质模型和传统平行断面法分别计算同一块石料场储量的计算过程，得出以下结论：

（1）两种方法的计算原理基本相同，都以基本的勘探数据为基础，平行断面法是以若干平行断面中的断面面积平均后乘以断面间距后求和得到体积，而三维地质模型方法是以含有勘探点的剖面通过离散光滑插值运算得到三维地质模型后查询得到体积。相比较而言，三维地质模型的计算方式更为简便。

（2）两种方法计算所得储量相近，表明基于三维地质模型计算天然建筑材料的储量是可靠的和有效的，可用于对传统储量计算方法的辅助和校核。

（3）平行断面法在储量计算中有其局限性，每次所剖切的平行断面仅适用于固定的料场区域，一旦料场区域发生变化，平行断面需要重新进行剖切。而三维地质模型在区域改变时，仅需重新生成四周的开挖面即可，相比较而言，三维地质模型在料场区域调整时的计算更为简便。

（4）三维地质建模是未来地质工作发展的趋势与方向，借助于三维地质模型可大大促进地质工作的信息化、数字化和可视化，使得未来的地质工作更加高效、生动与便捷。