基于数字地形模型的水利工程地质勘察及施工

王 琛 金 凯

（青州水建工程建设有限公司，山东 青州 262500）

0 引言

在开展水利工程项目前，首先需要完成对其所在区域范围内地质情况的勘察，并在得到准确勘察资料的基础上，开展各项针对性的施工任务。因此，对于水利工程建设质量而言，其地质勘察的精准度起到决定性的作用[1]。水利工程地质勘察的主要内容是对地形、地层、断层等进行勘察。这些勘察对象的模型构建通常是对其表面以及实体建模。因此，需要构建的模型是一个包含了表面和实体的混合型模型。通过对水利工程地形模型的建立能够将勘察得到的数字信息以更直观的方式展现，从而为后续水利工程施工方案的制定和实施提供重要基础[2]。除此之外，水利工程地质勘察工作还需要获取更多的数据资源，包括地形、物探等多种数据类型。针对不同的勘察数据类型还需要对其进行分类和整理，这一环节更需要一个符合勘察需要的模型作为支撑。当前，在水利工程地质勘察中应用现有模型构建方法，存在模型构建精度低、无法实现对海量数据资源的充分展现等问题，严重影响着地质勘察工作的质量，阻碍施工的进行[3]。针对这一问题，尝试引入数字地形模型，构建水利工程地质勘察及施工研究新体系。

1 基于数字地形模型构建水利工程地质勘察及施工研究新体系

1.1 水利工程地质信息空间解析及三维预处理

为实现对水利工程地质勘察数字地形模型的构建，首先需要对获取到的水利工程地质信息进行空间层面上的解析。根据地质点记录卡上的内容，可实现对水利工程各个阶段地质变化情况的详细掌握[4]。由于在勘察的过程中无法应用过多重型勘探设备，只好依靠各个地质点观察得到所需的数据信息。尽管水利工程地质点上的数据为点信息，但通过多个点信息的变化及差异能够实现对整个空间展布情况的描述。在获取各个勘察节点上的点信息后，根据对水利工程地质勘察的不同目的，选择相应的处理方法[5]。

（1）针对地层界线上的地质点，在对其进行处理时，需要将相同层次结构上的地质点按照其坐标以及产状，以“V”字型形式进行连接，并在平面图上标记出一条界线。

（2）针对断层上的地质点，需要按照上述处理方式获取到该地层的界线，并进一步根据地质点观察到的现象以及两侧岩层的具体情况，对断层的性质进行判断。

（3）针对泉点的处理，需要结合其具体出露的地理位置、性质以及周围水质分析断层的具体位置及是否存在滑坡等。

通过上述处理后，对各类地质勘察信息综合分析，并从客观角度获取空间构造剖面数据，以此为后续数字地形模型的建立提供重要的数据源。对于野外勘察工作获取到的地形数据，将其以栅格形式转换，利用半自动的扫描数字设备对地形信息进行数字化处理，并以此获取到二维地形等高线图[6]。再通过分批处理的方式对具有相同密度性质的等高线赋予对应属性值，完成三维化处理。

1.2 基于数字地形模型建立水利工程地质三维几何模型

数字地形模型通常可以选择三种建立形式，分别为等高线形式、规则格网形式和不规则三角网形式。在完成对水利工程地质信息的三维预处理后，得到了等高线图。因此，在构建水利工程地质三维几何模型时，采用等高线形式的数字地形模型[7]。图1为基于数字地形模型的水利工程地质建模总体结构图。

图1 基于数字地形模型的水利工程地质建模总体结构图

在该结构中集合建模是其核心部分，以地质对象建模作为主线，分别从地形模型构建和地质结构面模型构建两个路径完成对子模型的构建，并在最后通过映射形成地质体模型。基于上述获取的地形等高线图，将其代入到TIN地形模型当中，并利用NURBS实现对其简化，从而得到整体地形轮廓的提升。将所有可以利用的原始地质数据导入到二维地质解析图中，针对地质面中的NURBS构造按照标准划分类型，最后再对地质曲面整合完成对地质结构面模型的构建。在建模的过程中，原始地质勘察数据分布范围较广，且不均匀，因此无法直接采用插值法或逼近法确定模型数据点。针对这一问题，采用将二者结合的方式实现对模型中各个数据点的确定。假设在水利工程施工区域内某一地质曲面的原始数据集合为D，则分布均匀的子集为D′，剩余分布不均匀的子集为D′′。按照插值法完成对构造曲面的建立，该曲面可用如下公式表示：

式中：

A——水利工程建设区域内地质构造的曲面数学地形模型；

X——在曲面结构上的某一未知矢量数据；

B——均匀曲面子集合D′以及边界条件形成的已知的标准矢量数据。

在确定曲面的数学模型后，再利用逼近法，根据给定的精度和控制点数据运用NURBS函数对其进行逼近拟合，以此得到精度符合数字地形模型精度标准且充分逼近不均匀分布的子集合D′′的拟合曲面，由两种曲面构成水利工程地质三维几何模型。

1.3 水利工程地质勘察与施工一体化流程设计

在构建的水利工程地质三维几何模型基础上，结合大量工程实践，对水利工程地质勘察与施工一体化流程进行设计。在该流程运行过程中，以水利工程地质三维几何模型作为中心，将地质勘探、地质解析、地质剖面出图等内容关联，为后续施工提供依据。在上述基础上，建立水利工程周围地质中岩体质量的分级模型，并在该模型中完成对基面开挖、基础勘察信息处理、填挖量确定等工作。在完成上述工作后，对其进行进一步校核、优化以及修改，以此为后续施工提供更直观的信息和真实的三维地质施工环境。图2为水利工程地质勘察与施工一体化流程示意图。

图2 水利工程地质勘察与施工一体化流程示意图

按照图2所示的内容完成整个水利工程地质勘察与施工一体化流程。在实际应用这一流程时，为了进一步提高施工的稳定性、可靠性，需要对水利工程地质三维几何模型与稳定数值计算进行耦合分析，并以此为三维地质模型提供条件，确保稳定计算的边界条件能够更符合实际水利工程的地质情况。

1.4 基于地质勘察结果的地基建设与防渗施工

为了进一步提高水利工程施工的质量和安全性，结合勘察过程中得到的勘察结果完成对施工现场的地基建设以及防渗处理。在水利工程建设项目中，地基的建设十分关键。在勘察结果的基础上，能够查明项目所在区域内地层结构以及埋藏的具体分布，以此作为基础资料。在开展地基建设时需要完成相应的技术处理工作，并严格按照水利工程建设项目的规划及要求，按照水利工程地质三维几何模型中表明的地脚线以及渠道连接线完成施工建设。在这一过程中，还需要严格配合其他各项工程以及运行中的机械设备，配合完成对地基的挖掘施工。在水利工程地质三维几何模型的支撑下，地基中的土层内部结构能够在最大限度上保证稳定，从而确保土层当中的水分能够始终处于自然风干的状态，确保地基的稳定。在施工过程中还需要完成对混凝土等施工材料的配制和混合工作，严格按照模型分析得出的比例对施工材料进行合理配比，并选择符合建设要求的混凝土翻拌技术，以此促进施工密实度的进一步提升，避免施工后出现渗漏问题，确保水利工程施工项目整体质量和安全。

2 对比实验

为了进一步验证本文提出的引入数字地形模型的水利工程地质勘察与施工方法的实际应用效果，分别从勘察和具体施工角度对其应用性能进行分析。选择以某地区正在开展的水利工程建设项目为例，已知该水利工程整体项目范围涉及三个城市以及下属的三个县，并且该水库已经完成对灌溉闸的修建。整个水利工程项目输水线路从东至西总长度为112.36km，采用明渠输水的形式灌溉。将该地区以往获取到的地质勘察资料作为依据，分别利用本文提出的勘察方法和传统基于DEM的建模勘察方法对该水利工程项目的勘察模型进行构建。对比两个模型与真实地质勘察资料之间的相似性，以此实现对模型精度的检验。假设本文勘察方法得到的模型为实验组，基于DEM得到的模型为对照组。选择以原始5m等高线数据作为基准，结合检查点的验证思路，针对两组勘察模型的精度进行检验，通过模型的精度能够间接反应勘察结果的精度。模型的精度以如下公示表示：

式中：

σ——模型的精度；

n——模型中包含的检查点个数；

Rk——某一检查点k位置上的原始高程数据；

Zk——某一检查点k位置上的模型高程数据。

将上述公式作为依据，从两组勘察模型中随机选取5个检查点，并按照上述公式计算出其精度，其结果如表1所示。

表1 实验组与对照组勘察模型精度对比

结合水利工程地质勘察的需要，其勘察模型的精度应当在2.0~2.5标准范围内，从表1中得出的数据可以看出，实验组模型上5个检查点的精度均在标准范围内，而对照组模型上5个检查点的精度均小于标准范围的最小限值。因此通过上述实验结果能够证明，本文提出的地质勘察与施工方法在勘察方面能够具备更高精度的勘察条件。在上述实验基础上，对施工方面的应用效果进行验证，仍然选择以上述水利工程建设项目为例，利用本文提出的施工方法对该工程项目进行施工，并选择将防渗效果作为评价指标，对完成施工后水利工程水库堤坝的渗流量进行记录，并对比施工前与施工后的渗流量，其计算公式为：

式中：

W——水库堤坝上的渗流量；

s——水库堤坝缝隙中流出的水量；

t——记录的时间范围。

针对施工前后该水利工程中四个水库量水堰的渗流量进行记录，并绘制成如图3所示的实验结果对比图。

从图3两条渗流量变化曲线可以看出，施工前各个量水堰的渗流量均超过1.4L/s，施工后各个量水堰的渗流量均小于或等于0.8L/s，各个量水堰渗流量均明显减少。因此，通过上述得出的施工结果可以看出，应用本文构建模型下的施工思路完成对该水利工程建设项目的施工能够确保渗流量得到有效降低，提高施工整体质量。综合上述实验证明，本文提出的基于数字地形模型的勘察及施工方法在实际应用中能够有效提高地质勘察工作的精度，并促进后续施工质量的提升，实现对渗流量的有效控制，确保水利工程整体建设项目的安全。

图3 施工前后水库量水堰渗流量变化图

3 结束语

水利工程与其他工程项目相比，所处地理位置的地质结构更加复杂，且形态多变，因此无论是勘察还是施工难度都明显提升，针对水利工程施工区域开展地质勘察具有十分重要的意义。基于此，本文通过引入数字地形模型技术，提出了一种全新的水利工程地质勘察及施工方法，并通过实验的方式验证了该方法的可行性和应用优势。在研究过程中发现，引入数字地形模型构建思路后，实现了对地质勘察模型的简化，并实现了对更多的控制勘察数据的可视化显示，满足了多方面的要求，同时也为施工方案的设计和具体实施提供了重要的依据。