岩土工程勘察数字化技术与实现

武宜

（湖北省核工业地质局，湖北 孝感 432000）

1 引言

地形地貌、地层界面、地下水位、岩土体参数等岩土勘察数据是工程设计和施工的基础数据。如果岩土勘察数据错误或不合理，可能导致工程建设方案错误，给工程的建设和运营带来巨大的安全隐患，甚至引发严重安全事故，导致巨大的人员伤亡和经济损失。传统的岩土工程资料分析是基于二维平面图纸，直观性较差，难以有效解释岩土体的空间分布规律。鉴于此，越来越多的岩土工程勘察项目开始使用可视化好、稳定性好、精度高、易于集成的数字技术。但是，数字技术起步较晚，相关理论不完善，未形成统一理论来指导岩土工程勘察[1]。因此，进一步研究数字技术在岩土工程勘察中的应用具有重要的工程价值。

2 场地模型数字化——三维地质模型建立

随着计算机技术的发展，越来越多的岩土工程勘察项目开始利用三维建模技术将岩土工程场地进行数字化处理，主要包括数据处理、地形建模、地层建模、构筑物建模等内容[2]。

2.1 三维地质建模前期处理

2.1.1 数据处理

用于岩土工程场地建模的数据大多源于钻探数据、地形图、剖面图、勘察报告等勘察成果，数据量繁杂，且大部分数据是存贮在AutoCAD 图纸中的。然而，岩土工程勘察成果所涉及的专业人员众多，不同人员的绘图标准不统一。在建立三维模型前，需对图件进行预处理，处理内容如下：（1）图层管理。对CAD 图纸中的全部线条按图层分类存储，将等高线全部放置于同一个图层上，以免建模时相互干扰。（2）等高线处理。工程地质标准虽然对等高线线型进行了规定，但勘察单位却不严格遵循。在数据处理期间，需要将等高线统一转换为多段线，并赋予其高程属性。（3）坐标转换。在地质勘察成果中，钻孔坐标与等高线一般不再同一图纸上，可能使用相对坐标或绝对坐标，此时，应将等高线整体平移，使等高线和钻孔坐标处在同一平面内。（4）补充数据。在实际勘察工程中，采集的地质数据可能有缺失，如等高线缺失，钻孔数据缺失等，可通过增加虚拟钻孔等手段增加建模数据量。

2.1.2 勘察数据网格化

网格化是三维地质建模的基础，主要是因为：岩土工程地质勘察数据一般是以点或线的形式存在，不符合地质三维建模要求，故应当对其进行网格化，形成曲面模型。

勘察数据网格化的形式有规则格网和不规则三角网。其中规则格网是把地质空间划分成规则的矩形或方形网格来模拟地面实体，以高斯直角坐标系作为投影平台，任意一点坐标可根据存储在DE 模型中的数据插值计算。规则格网便于计算机的识别、读取、计算，但是对地形地貌的拟合效果差，易产生不连续，主要适用于平坦地形中；不规则三角网是把地质数据点连成三角网格，能较好地适应复杂地形和不规则地物，既能用于地形起伏大的山地丘陵区，也能用于地势平坦的平原区。三角网构建的最经典算法是Delaunay 三角剖分法，具体步骤为：在地质数据中选取任一点作为起始点→根据“距离最短”原则另外选择两个点构建三角网→以第三点作为起始点，重复上述步骤→地质模型三角网构建完成，如图1 所示。

图1 不规则三角网模型构建

2.2 三维地质建模重点问题分析

2.2.1 虚拟钻孔

钻孔是岩土工程三维地质建模中的关键数据，但考虑到钻探成本、难易程度等，并不是所有地层位置都布置有钻孔。仅依靠有限的钻孔资料，技术人员难以想象出地质体内部的空间特征。为了实现建模的精准性，需根据地质剖面图、勘察报告等成果推断钻孔数据，补充虚拟钻孔，以提高建模精确度，缩短地层面拟合计算时间。在建模期间，虚拟钻孔和实际钻孔的本质上无区别，但虚拟钻孔能够设置在地表任意平面位置，从而更准确地拟合地形地貌[3]。

2.2.2 地层尖灭和透镜体

对于不连续岩层，在建模时需考虑地层尖灭。该方法能够充分考虑地层产状信息与地质剖面数据，确保尖灭形态的准确。此外，复杂地质条件下的土层可能含透镜体。透镜体建模要应确定模型范围和区域边界，然后以钻孔上、下地层界面作为约束，生成透镜体三角网模型。

2.2.3 空间插值拟合

空间插值技术是三维地质建模的关键，可将点数据转化为面数据。岩土工程地质建模常用的空间插值方法包括薄板样条插值、克里金插值、离散光插值法（DSI）等。

薄板样条插值法是利用总曲率最小的数学表达式来估计未知点的数据，并形成穿过已知点的光滑曲面，计算工作量大，不适用于数据量庞大的岩土工程项目；克里金插值法是对有限区域内的空间数据进行加权平均，得到任意点的数据。该方法计算速度慢，适用于变量存在相关性的地质建模；离散光插值法是基于离散原理来模拟岩土体的几何、物理特性，计算速度快，且可以对不连续曲面进行插值。

3 基于数字化技术的岩土工程数据库搭建

传统的岩土工程勘察，一般是以二维CAD 平面图来展示勘察成果，直观性较差，不利于信息存储和各专业之间的沟通。基于数字化技术，可以高效整合岩土工程勘察项目中的各项零散数据，大幅提升数据共享效率，为岩土工程设计提供依据[4]。本文依托地理信息系统（Geographical Information System，GIS）建立岩土工程勘察数据库。

3.1 岩土工程勘察数据库组成

基于GIS 的岩土工程勘察数据库体系由数据获取层、数据存储层、数据访问层组成，在计算机系统内对应的数据类型分别为用户输入原始数据、系统生产的中间数据、最终输出数据。

3.1.1 原始数据

原始数据包括测点数据和基础地理数据两部分组成，其中测点数据又包括测点几何属性数据（测点编号、X 坐标、Y坐标、测点高程等）和测点信息属性数据（饱和度、孔隙比、密度、压缩模量、黏聚力、内摩擦角、端阻力、侧阻力、地基承载力等）；基础地理数据包括各类GIS 图层和属性表，具体内容如表1 所示。

表1 岩土工程勘察中的基础地理数据

3.1.2 中间数据

岩土工程勘察数据库的中间数据是根据原始数据所自动生成的地层层面等值线模型、三维表面模型、剖面模型等。地层层面等值线模型的属性包括ID（等值线编号）、Name（等值线名称）、Value（等值线数量），对应的数据类型分别为整形、字符串型、单精度型[5]。

3.1.3 最终输出数据

岩土工程勘察数据库的最终数据是根据中间数据输出的。用户可根据需求不同，有选择性地输出柱状图、剖面图等、地质勘察报告等。

4 岩土工程勘察数据库的具体应用

4.1 工程概况

本文以某山区公路滑坡治理工程为研究对象，探讨数字化技术的应用。该边坡为路堑高边坡，最大高度32.6 m，边坡共4 级，其中一级、二级边坡坡高10 m，坡率1∶0.75；三级边坡坡高10 m，坡率1∶1.0；四级边坡坡高2.6 m，坡率1∶1.25。同时，相邻两级边坡之间设置2 m 宽的平台。由于边坡所处区域为亚热带季风气候区，夏季高温多雨。边坡修建完成后，由于连续降雨，边坡表面局部出现滑塌。为了避免滑坡体进一步扩展，对项目进行现场勘察，获取了其地层从自上而下分别为粉质黏土、全风化砂岩、强风化砂岩和中风化花岗岩。

4.2 三维模型建立

利用航空摄影测量技术对地面连续摄取像片，采集地形数据，绘制边坡所处区域的地形图，利用ITASCAD 软件建立了三维地质模型。

地表建模：将航空摄影测量技术所获取的地形数据导入ITASCAD 软件中创建等高线，并利用软件直接提取所有钻孔的孔口高程点，作为平面控制点，同时，边坡坡面较陡，坡面没有设置钻孔，建模时根据坡顶线、坡脚线及岩层产状对坡面进行插值拟合。

地层建模：根据勘探资料，依次建立地层。以第1 层粉质黏土为例，建模时只勾选其上包含的钻孔，利用反复加密网格（不规则三角网）和离散光插值法，创建出地层界面。需注意，三角网尺寸不宜过于稀疏或过于密集。网格过于稀疏，则尺寸太大，模型拟合精度差。反之，网格尺寸过小，会大幅降低计算效率[6]。粉质黏土层拟合结束后，对合理区域进行修正调整，成果如图2 所示。

图2 滑坡粉质黏土层建模

地质体建模：参考粉质黏土层的建模方法，依次建立全风化砂岩、强风化砂岩、中风化花岗岩的模型。同时，为了增加模型立体感，坡面和地层用不同颜色进行渲染。

4.3 勘察数据库工程

滑坡三维地质模型和勘察数据库建立之后，可导出任意断面的地质柱状图、剖面图，并根据插值法计算出土层任意一个物理力学性能指标的等值线图和等值面图，为滑坡稳定性分析和加固设计提供参数依据。

5 结语

在岩土工程勘察数字化的背景下，本文分析了岩土工程三维地质建模方法，并基于GIS 系统建立了勘察数据库，主要得到以下几个结论：（1）在建立三维地质模型前，从图层管理、等高线处理、坐标转换等方面对勘察基础资料进行处理；（2）岩土工程地质三维建模重点要解决虚拟钻孔、地层尖灭和透镜体、空间插值拟合等问题；（3）基于GIS 系统所建立的岩土工程勘察数据库包含原始数据、中间数据、输出数据等内容，建库完成后可根据需求导出各种勘察成果文件。