三维地质建模技术在地下厂房中的应用

赵文超 王国岗 陈建辉 王春晓

三维地质模型作为地质信息三维可视化的重要载体，为三维协同设计起到了地质空间决策的支撑性作用。利用三维地质模型可将地质体的空间分布及对工程的影响清楚地表达出来，为地质、水工等专业快速解读地质条件提供极大便利，提高了工程设计的质量与进度。

某水电站由拦河坝、溢洪道、进水口、引水隧洞、调压井、压力管道、地下厂房及尾水隧洞等主要建筑物组成。地下厂房系统包括调压井、压力钢管、地下厂房、尾水洞、交通洞、GIL出线洞和地面开关站等。其中，地下厂房埋深约430 m，底部高程约1 306 m，厂房轴向为近SN向，岩性以Panjal组的变质含砾岩屑石英砂岩（MPLQS）和变质砂质砾岩（MSB）、变质玄武岩（MB）为主，局部含炭质片岩（C.Sch）夹层。厂址区区域性断裂带，Ⅱ级、Ⅲ级断层和小背斜均有发育，对地下厂房的围岩岩体变形、稳定影响较大。

为全面分析地下厂房所处地质条件的空间展布情况，利用中电集团华东院研发的GeoStation软件建立了地下厂房区的三维地质模型。工作内容包括工程地质数据库的完善、地质界面及地质异形体的建立，为地下厂房的设计提供了形象直观的地质依据。

1 关键技术说明

三维地质建模的概念最早由Houlding在1994年提出，并在此后的几十年不断完善发展，形成了较为完整的三维地质建模体系。三维地质建模方法的选择、地质界面的快速模拟是三维地质建模过程中重要的环节，关系到建模工作进展的顺利程度。

1.1 建模方法

常见的三维地质建模方法有基于层面数据三维地质建模法、基于剖面数据三维地质建模法、基于钻孔数据三维地质建模法及基于多源数据三维地质建模法等。前3种建模方法主要基于单一数据来源进行三维地质建模工作，对利用多种勘察手段获取的地质资料的利用率较低。多源数据三维地质建模方法可耦合地质测绘及地质勘探的多种异构地质数据，提高建模精度。

多源异构数据标准信息化是多源数据三维地质建模方法的重要组成部分，是进行地质信息三维可视化的工作基础。多途径获取的地质数据导致了地质成果出现多种地质数据格式及不同地质数据结构，通过地质数据分类分析、建立数据统一标准、数据拓扑一致性检查、数据坐标转化、地质要素数据提取、地质属性添加等过程实现地质成果的标准信息化，以此解决建模过程中涉及的多源数据整理、转换、集成等问题。在地下厂房工作区三维地质建模中，采取了此三维地质建模方法。

1.2 地质界面的模拟

在三维地质建模过程中，将地层分界面、岩体质量分界面、风化面、卸荷面、断层面等地质界面进行三维空间形态模拟是一项核心工作。常见的地质界面模拟方法有多项式曲面、样条曲面、散乱数据插值曲面模拟等。其中，散乱数据插值曲面模拟对地质界面曲面复杂性模拟效果较好，推广应用领域较多。

散乱数据插值曲面模拟通过插值运算来实现，其过程主要是：先在参考平面上剖分投影的地质界面，成三角形或四边形网格；再利用原始采样点数据进行插值运算，计算出网格结点的三维坐标，从而形成空间地质界面。常用的插值算法有克里金法（Kriging）方法、离散光滑插值（DSI）方法、反距离权方法（IDW）等。Kriging插值方法建立在变差函数或协方差函数空间分析基础上对区域变形进行无偏最优估计，能够最大程度地保证地质界面精度；DSI方法是一种基于拓扑网格的插值方法，对多值地质界面的模拟效果良好。对MPLQS+MSB的模拟是运用DSI方法，快速生成了形态合理的地质异形体，其他岩性和地质界面的插值模拟主要用Kriging方法。

1.3 建模软件

GeoStation是中建集团华东院依托美国Bentley公司的MicroStation平台研制开发的工程地质（岩土）三维勘察设计系统，融合了多种三维地质建模方法和地质界面模拟算法，能够很好地满足工程三维地质建模、三维分析、二维出图、项目数据管理、勘察信息化、标准化、程序化的需求。软件按功能模块主要分为6部分：数据管理子系统、三维建模与分析子系统、辅助绘图子系统、查询统计子系统、计算分析子系统和外业系统。本项目在此软件平台上开展工作。

2 三维地质建模过程

2.1 完善工程地质数据库

针对某一工程的地勘资料建立完善的工程地质数据库，是实现三维地质建模后续相关工作的前提，也是对地质外业工作数字化集中存储与管理的重要基础工作，主要包括以下4部分内容：（1）在数据库端进行项目管理，包括新建项目、定义项目属性、新建工程区、定义工程区属性、指定项目成员并分配不同工作权限；（2）进行本工程的基本地质定义，包括地层、岩性、地产界面、地质构造等；（3）进行勘探布置，包括勘探线布置、钻孔布置、平洞布置、坑槽布置等；（4）导入地质测绘数据、勘探数据、试验数据，其中地质测绘数据包括测绘点、实测剖面等；勘探数据包括钻孔、平洞、探坑、探槽等；试验数据包括土工试验、物探试验等。

工程地质数据库中，在“岩性层”完成了变质含砾岩屑石英砂岩（MPLQS）、变质砂质砾岩（MSB）、大理岩（Mbl）、变质玄武岩（MB）、炭质片岩（C.Sch）5种岩性定义，在“地质构造”完善了F25-1断层及f20断层的信息，在“钻孔”共计完成4个钻孔数据信息的录入。

2.2 建立三维地质模型

三维地质建模一般情况下主要包括地形面、勘探线及地质剖面导入、基覆界面、风化卸荷面、结构面（断层、裂隙等）、地层岩性界面、地质异形体（如透镜体）等内容的建模工作。以下重点介绍地质剖面的导入与断层建模。

2.2.1 地质剖面的导入

用勘探剖面图结合钻孔与其他资料进行地质模型三维重建是三维地质建模的重要方法。其中勘探剖面图从二维坐标系向三维坐标系的转换是三维建模的一个重要环节。

勘探剖面导入工具将二维地质剖面成果导入到三维空间中，使其按照勘探线的延伸方向延伸，并以二维图中的y值作为高程。导入的剖面线将保留原始数据的线型、颜色等信息。这样就由原始二维地质剖面成果形成了三维剖面线，为下一步的三维建模提供了基础。

2.2.2 断层建模

本项目主要建立F25-1断层及f20断层。其中，断层F25-1，位于地下厂房北侧贯穿厂址区，宽120～260 m，延伸长度大于2 km，断层产状为NE80º/NW∠30º～70º，断层以陡倾角为主，地表出露宽度40～120 m；断层f20延伸长度大于2 km，为逆断层，断层整体走向为NE向，与断层F25-1相交，产状NE30º～60º/NW∠55º，断层带及影响带宽度20～30 m。

断层建模的思路为：断层线框架―断层面模型―断层体模型。断层的线框架中的线条主要来源为断层地表初露迹线、地质剖面中的断层线、辅助剖面中的断层线等。利用断层线框架及GeoStation的网格建模工具可生成断层面模型，利用断层面型对地质体做布尔运算得到断层体模型，如图1所示。

图1 断层线框-面-体模型

3 模型分析

3.1 地下厂房地质环境分析

最终建立的三维地质模型包括：覆盖层、风化分层、断层、地层岩性分层等。将地下厂房建筑物BIM模型叠加至三维地质模型中，可清晰地看出地下厂房所处的地质条件，即地下厂房主要位于微风化层，岩性主要以变质含砾岩屑石英砂岩（MPLQS）和变质砂质砾岩（MSB）为主，如图2所示。

图2 地下厂房所处地质条件展示

3.2 地层岩性分析

地下厂房位于微风化层中，根据工程地质关注的问题将微风化层进行了岩性分层，各岩性地质块体的形态如图3所示。从图中可看出地质体的空间分布形态、空间相对位置关系及块体体积大小等，形象直观地再现了地下厂房所处部位的地质环境，有利于各专业对地质资料的快速理解。

图3 不同岩性地质块体

3.3 二维图纸的快速抽取

在地下厂房三维地质模型建立完成后，可快速生成二维地质剖面图，极大地提高地质出图效率。所出地质剖面图图幅图框、标题、图例及说明、图签和图面信息完整，地质线条样式及属性信息明确，很好地满足了设计生产需求。

3.4 地下厂房稳定性分析

CAD/CAE一体化是三维地质模型重要的应用方向之一。对已建三维地质模型进行网格面及空间拓扑关系的优化后，生成三维地质数值仿真计算模型，导入MIDAS、ANSYS、FLAC3D等数值分析软件中进行数值计算，为工程设计提供辅助支撑。在本项目中，为满足施工图阶段设计要求，对地下厂房各工况下地下厂房结构进行整体有限元计算分析，如图4所示。在地下厂房数值仿真中，充分考虑了地质环境对地下厂房应力应变及稳定性的影响，建立了地质-地下厂房计算模型，确保了计算结果的合理性。

图4 基于三维地质模型的数值仿真分析

4 结语

将三维地质建模技术运用于地下厂房区的地质三维可视化工作，一方面解决了二维图纸对地质条件表达有局限，另一方面三维地质模型辅助了地质及水工等其他专业的地质空间解读。另外，基于三维地质模型进行了二维地质图纸快速抽取及CAD/CAE一体化分析，取得了较好的成果。

三维地质建模技术融合了地质专业知识、三维地质建模理论、数学、计算机语言等多学科的知识点。在本文中仅仅分析了三维地质建模方法、地质界面模拟插值算法，除此之外的地质数据库的建立、快速建模技术的总结等内容需进一步研究，以拓宽三维建模技术在工程上的应用深度和广度。