GMS在岩土工程勘察中三维地层建模与可视化应用

朱和保

（安徽工程勘察院，安徽 合肥 230011）

GMS（groundwater modeling system）是 由 美 国Brigham Young University环境模型研究实验室和美国军队排水工程试 验 工 作 站 在 综 合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有地下水模拟软件的基础上开发的用于地下水模拟的综合性图形界面软件。其图形界面由下拉菜单、编辑条、常用模块、工具栏、快捷键和帮助条6个部分组成，使用便捷。由于GMS软件具有良好的使用界面，强大的前处理、后处理功能及优良的三维可视效果，目前已成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件[1]。

1 GMS软件的选择

GMS软件功能模块非常多,涵括了地下水流、溶质运移拟、反应运移多种模拟组件，同时在钻孔数据管理、空间地质数据统计等方面也具有很好操作性、便携性。采用GMS软件建立模型的方法一般有网格法、solids法及概念模型法。概念模型法除常用方式之外，根据需要，还能够先采用特征体（包括点、曲线和多边形）来表示模型的边界或不同的参数区域生成网格，再通过模型转换将特征体上的所有数据一次性转换到网格相应的单元和结点上。相对于要求对每个单元进行编辑网格化方式，概念化方式可以对实体直接编辑，并且以文件形式来输入、处理大部分数据更加方便迅速[2]。和概念模型法、网格法相比较，solids建模方法具有的优势在于描述地层宏观上相对复杂的地层结构时，具有更好的准确性。

2 三维工程地质地层可视化模型建立

2.1 项目区地质概况

项目区地处沿江丘陵平原，区域地势起伏较大，高程变化36.54～48.83之间。微地貌类型主要为河漫滩和岗坡地。项目区处于扬子准地台下扬子台坳沿江拱断褶带之安庆凹断褶带内，三叠纪末的印支运动导致盖层全面褶皱，并有燕山期新生北东向和南北向断裂。根据勘察资料，项目区分布的地层主要有填土、粉质黏土、粉质粘土夹砂砾等，岩石岩性主要为紫红、棕红色厚层砂岩、粗粒砂岩、细粒砂岩互层，夹灰白色薄层长石砂岩等。

2.2 资料收集

本次工作收集的材料包括项目区内钻孔柱状图、各类地质报告及地质图、剖面图等资料，为建立模型提供基础资料。

首先，按照GMS软件可识别的数据格式，将整理好的钻孔资料汇总处理。首先根据地层特征，对照钻孔野外记录表，准确地将各个地层划分出来，统计出每一个钻孔分层标高值，然后对相应地层按序编号。每个钻孔需要统计的地层信息包括：钻孔孔号、岩性编号和层序编号、X坐标、Y坐标、高程Z值。

2.3 模型建立

把项目区AutoCAD格式的地质底图导入到GMS中，进行相应处理，形成边界，然后把前面处理优化后的地层格式数据，按相应步骤导入到GMS软件模块中，GMS软件根据导入的数据生成Borehole Data模块，同时相应坐标系会根据边界条件建立起来（图1）。

图1 钻孔平面位置图

在软件中菜单栏中选择Edit→Materials，根据实际地层层数，建立4个Material层，每个Material层与实际地层每一层的岩性相对应，每一种颜色代表一种岩性，a红代表杂填土，b蓝代表淤泥质粉质粘土，c黄代表粉质粘土，d绿代表粉质黏土夹卵砾石（图2）。

在导入底图后MAP模块中确定项目区边界，再通过这些这些定位边界，生成TINs，然后在菜单栏Borehole模块中选择Horizons->Solid命令，利用钻孔数据，软件会采用相应方法进行插值，生成相应的地质实体，此时三维地质结构模型会逐步被建立起来（见图3）。与此同时，我们还可以根据需要，利用Solid模块来分离和组合不同的地质层，还能通过旋转、建立剖面线，查看各剖面上地层的分布情况，从不同角度、不同部位查看地层分布情况（见图4）。

建立好项目区的地质三维可视化模型后，为了提高模型的准确度，我们需要进一步对模型进行验证，使得模型与实际地层更加的相符一致，让其在实际勘察项目中起到更好的指导作用。钻孔DK10未作为基础数据参与模型建立，此次便利用DK10孔实际钻探数据，同钻孔相同位置的模拟数据进行比较，加以验证。首先点击菜单栏Plan View按钮，该视图下在模型中使用工具栏按钮Create Borehole，根据钻孔坐标确定DK10孔在模型中的位置。在Solid状态下，模型将自动生成钻孔，同时还会赋予钻孔相应岩性，进行分层。利用菜单栏SelectBorehole，找到DK10钻孔所处位置，查看模型中DK10钻孔的分层属性，并和钻孔实际的钻探分层结果相比较，对比结果见表1，由此可以看出实际钻孔钻探分层结果与预测模型钻孔分层结果相符度。

由表1可以看出实际钻孔钻探分层结果与预测模型钻孔分层结果相符度较高，在实际工作中能起到很好参照和预测作用。

图2 钻孔柱状显示图

图3 钻孔柱状显示图

图4 三维地层模型纵剖面图

表1 实际钻孔分层与预测模型钻孔分层对比表

2.4 三维地层可视化模型预测结果分析

从上至下，项目区的地层主要分布有较厚松散-稍密杂填土、软塑或流塑状态的淤泥质粉质黏土、硬塑状态的黏土及粉质黏土夹砾石。从图3、图4中可以看出，整个场地地形呈现西部高、东部偏低走势，各土层分布较为均匀，主要是中压缩性、高压缩性土。

其中杂填土、淤泥质粉质黏土工程性质较差，不宜作为地基持力层，粉质黏土、粉质黏土夹砾石层呈现工程性质良好，可作为地基持力层，适宜进行工程建设。

由于本项目存在地下污水处理设施，考虑到对地下水环境的影响，所以对于污水处理设施选址尤为关键。项目区主要赋存2层地下水，即填土与淤泥质粉质黏土中潜水含水层与粉质黏土夹砾石层中的弱承压水含水层。结合图3、图可见，粉质黏土层为潜水含水与弱承压水含水层之间良好相对隔水层，分布较为连续，但呈现东厚西薄趋势。正常情况下潜水含水层与下层承压水含水层无水力联系。但是项目区西部粉质黏土相对较薄，存在两层地下水相互产生水力联系的风险，因此地下水污水处理设施宜选址于项目区东部。

3 结语

（1）地质三维可视化建模技术在工程地质勘察中的有效应用，以钻孔数据为基础可以构建出三维地质模型，使得项目区的地层分布更为直观和形象，不仅可以满足项目工程设计、施工和管理的需要，还可以根据项目需要以任何角度查看地层延展、发育情况，还能对任何地方进行切割，形成剖面，查看该处剖面地层分布情况。因此构建三维地质模型，对地层构成、发育会有更清晰的认识和判断，为后面的工程设计施工具有积极参考意义。

（2）从建立的三维地层可视化模型中可以看出，实际钻孔钻探分层结果与预测模型钻孔分层结果相符度较高，粉质黏土层为潜水含水与弱承压水含水层之间良好相对隔水层，呈现东厚西薄趋势，分布较为连续，由于项目区西部粉质黏土相对较薄，存在两层地下水相互产生水力联系的风险，因此地下水污水处理设施宜选址于项目区东部。

（3）模型的准确度和所使用的钻孔数据多少、分布情况有很大关联，如果利用较多且分布较为均匀的钻孔数据，将会使建立的三维可视化模型更加符合实际地层，相反使用钻孔数据过少，且分布不均匀，那么模型自动插值计算的精准度会大大降低，造成模型与实际地层存在较大误差。