ItasCAD三维地质模型在黄土塌岸预测中的应用

牛贝贝 戴 雪

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

近年来BIM越来越高频地出现在建筑工程行业与水利工程行业工作人员的视野，其为工程技术领域所提供的可视化、模拟性、可出图性等改变可以说是对工程技术行业的一次技术革新，随着BIM技术在建筑、水利工程行业的快速推广应用，BIM技术越来越得到业界的广泛认可，尤其是在水利工程勘察设计领域，该技术越来越多地被应用于勘察设计的全阶段中，力求为业主的高效决策和工程的合理优化提供基础依据。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[1-2]。ItasCAD软件可以外业地质工作中采集到的各类数据为基础，建立起既包含地质体空间几何形态特征，又包含岩土工程分析和设计所需信息属性的三维地质模型，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[3]。而通过三维地质建模对黄土塌岸这一水利工程中常遇到的专业问题进行分析预测，在实际应用中有着准确、快捷、高效等优势[4]。本文以甘肃省刘李河水库近坝库岸段右岸为例，具体介绍基于ItasCAD三维地质建模在库区黄土塌岸预测中的应用，以及与传统计算方法的比较。

1 工程概况

刘李河水库位于甘肃省泾川县境内的刘李河上(洪河一级支流，泾河二级支流)，坝址距离泾川县城约30km，位于泾川县与镇原县交界处。刘李河水库的开发任务为农村生活供水和灌溉。水库规划正常蓄水位1116.00m，规划总库容为329.8万m3，水库为Ⅳ等小(1)型工程。由于水库位于典型黄土高原沟壑区，水库蓄水后黄土岸坡将可能面临大量的黄土塌岸问题。

2 水库区基本地质条件

2.1 地形地貌

刘李河水库位于泾川县境内刘李河干流上，为典型黄土高原沟壑区，区内地形起伏，沟谷密布，岸坡倾斜近陡立。黄土塬、梁、峁等黄土地貌发育。刘李河河床宽20～50m，水面较窄，一般为1～5m不等，局部较宽。河谷由下部河槽、中部阶地和上部两侧谷坡组成，河道平均比降18‰，河谷切深达130多m。水库近坝库岸段回水位约为1117m，回水总长度约3.7km。河流总体流向由西向东，在庆阳市境内流入洪河。从地貌形态看，库区河谷主要呈不对称的“U”形，河床两侧不对称发育，有漫滩和Ⅰ、Ⅱ级阶地，见图1。

图1 刘李河水库库区地形地貌

河谷凸岸多发育河漫滩及阶地，地形平缓，谷坡坡度一般小于20°；河谷凹岸岸坡较陡，谷坡坡度一般大于30°。河谷两岸多为黄土覆盖，基岩多在河槽及沟谷深切地段出露，黄土岸坡高陡，地形起伏较大，岸坡受雨水冲刷侵蚀切割较强烈，完整性差，冲沟发育，高陡岸坡伴有基岩崩塌和黄土崩塌现象发生。

2.2 地层岩性

库区出露地层较简单，主要有白垩系泥岩、砂岩和第四系堆积层，现分述如下。

2.2.1 白垩系(K)

下白垩统志丹群泾川组(K1j)：该层为第四系地层的基底，岩性主要为紫红色、青灰色泥岩、砂质泥岩与灰黄色、橘红色、青灰色砂岩不等厚互层，近水平状产出，倾向差异较大，倾角一般为3°～15°。出露在河流中下游河槽及沟谷下部。

2.2.2 第四系(Q)

第四系地层在库区广泛分布，主要发育黄土，其次为河流冲积层，按其时代与成因对主要地层分述如下：

中更新统离石黄土(Q2l)：一般伏于Q3m马兰黄土层之下，浅黄、浅棕黄色，无层理，具柱状节理，稍有大孔，坚硬密实，含钙质结核，夹粗颗粒物质及岩石碎屑。该层底部发育一层砂砾石或砂层，在库区中下游阶地上部广泛出露。

上更新统马兰黄土(Q3m)：灰黄色、浅黄色为主。土质均匀，具大孔，垂直节理发育，具点状钙质结核，伴有植物根系、虫孔及盐斑。广泛覆盖于黄土塬梁峁及阶地顶部。

2.3 近坝库岸段岸坡类型

近坝库岸段为黄土—基岩库岸，即为黄土和基岩的双层结构，下部为基岩，多分布于河槽与深切沟谷的下部，上部为黄土，多分布于河槽顶部与河谷中上部。近坝库岸段岸坡基本呈陡立状，天然状态下岸坡稳定。水库蓄水后，近坝库岸段正常蓄水位高于基岩面，岸坡上部的黄土受库水位影响存在塌岸问题。

3 传统方法预测黄土塌岸

近坝库岸段右岸的正常蓄水位高于基岩面，岸坡均存在黄土塌岸问题，采用两段图解法(计算示意图见图2)对近坝库岸段右岸250m范围内的塌岸宽度和塌岸量进行计算和分析预测。

图2 刘李河水库两段法塌岸计算示意

水下浅滩坡角(α)的大小不仅与岩性有关，还与浪高有关。三门峡水库黏性土层水下浅滩坡角(α)实测值为4.5°～7.5°。刘李河库区近坝库岸段塌岸现象主要发生在少量Q2l离石黄土和大量Q3m马兰黄土库岸段，其土层较致密，质地较坚硬。本次塌岸预测参考三门峡水库取值，水下浅滩坡角α取7°，水上稳定坡角β取65°，以此确定塌岸宽度、塌岸范围及塌岸量。

采用平行断面法(断面间距为25m)对刘李河水库近坝库岸段右岸250m范围内的塌岸进行分析预测，结果显示该段塌岸宽度为64.12～141.95m，塌岸量约为13.54万m3。

4 三维地质建模预测黄土塌岸

4.1 三维地质建模

塌岸三维地质模型的建立主要基于地表面、回水面、水下浅滩坡面和水上稳定坡面。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。

回水面、水下浅滩坡面和水上稳定坡面的建立均采用线与产状的方式，例如：回水面须将回水线导入ItasCAD软件，再结合产状(倾向和倾角)便可生成回水面,回水面仅作为三维模型建立的辅助面；水下浅滩坡面则是依靠导入ItasCAD软件中的基岩覆盖层分界线结合产状生成；建立水上稳定坡面前，须先由回水面和水下浅滩坡面生成两个面的交线，水上稳定坡面就是依靠此交线结合产状生成。建成后的塌岸三维地质模型各主要面如图3所示。

图3 建成后的塌岸三维地质模型各主要面

在塌岸三维地质模型各主要面全部建模完成后，可通过对地表面、水下浅滩坡面和水上稳定坡面等3个主要面采用面分割的方式创建立方网，该立方网中地表面、水下浅滩坡面和水上稳定坡面等3个主要面所包围的区域即为黄土塌岸区域。建成后的三维塌岸模型如图4所示。

图4 建成后的塌岸三维地质模型

4.2 黄土塌岸预测

在已建成的塌岸三维地质模型中，可直接在三维地质模型上量测该段任意位置的塌岸宽度，较为直观地查看塌岸范围、塌岸区域等，通过查询立方网区域的相关属性可得到黄土塌岸区域的体积，区域的体积及相关数据通过ItasCAD软件导出为电子表格，便于数据的分析与整理。查询结果显示该段塌岸宽度为60.36～149.53m，塌岸量约为13.27万m3。结果与采用传统方法预测的塌岸宽度和塌岸量较为接近。另外，已建成的塌岸三维地质模型还可直接生成范围内任意剖面的剖面图，便于地质附图的整理与地质成果的输出。

5 结 语

通过采用三维地质模型和传统方法分别对同一库岸段黄土塌岸进行预测，可对比得出以下结论：

a.两种方法的计算原理基本相同，都以基本的地质勘察数据为基础，传统平行断面法以部分平行断面来预测塌岸范围具有一定的局限性，而三维地质模型方法相当于建立了连续的全部平行断面，通过对三维地质模型进行属性查询便可得到塌岸宽度、塌岸量，同时可直观查看塌岸区域。相比较而言，三维地质模型的预测方式更为简便、全面且高效。

b.两种方法对塌岸预测结果相近，表明基于三维地质模型对黄土塌岸的预测是可靠和有效的，可用于对传统方法预测的辅助和校核。

c.目前国内还没有利用ItasCAD软件进行三维地质建模来预测黄土塌岸的先例，该方法在黄土塌岸预测中的应用还需不断探索。

d.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。

e.本文采用三维地质建模的方法仅对近坝库岸段的黄土塌岸进行了分析预测，对于库区以至流域内的黄土塌岸预测还需进一步采用更加全面且系统的方法进行深入研究。