三維地質建模方式及運用分析

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本文作者：賈新會、王小兵、曹文廣 單位：中國水電顧問集團西北勘測設計研究院工程地質分院

0前言

近年來，計算機軟硬件技術的發展為地質三維設計的發展創造了條件，在地質領域中，巖體的三維可視化模擬已成為人們廣泛關注的熱點。目前，中國國內工程勘察設計行業的三維地質建模技術已經由探索階段逐漸走向生產應用階段。國際上廣泛應用的GoCAD軟件在地質建模方面有著獨到之處，它不但具有核心的地質幾何形態建模功能，可以實現結構特征與地質屬性的統一表達，還具備強大的可視化功能和屬性分析功能。本文將結合烏托水電站的三維設計詳細闡述GoCAD軟件在水電工程地質中的應用。

1GoCAD平臺及其建模思想

1．1GoCAD簡介

GoCAD(GeologicalObjectComputerAidedDesign)是由法國ENSGNancy地質學院(Mallet，1989)研制的地質造型軟件，是專門針對地質專業的三維模型建造、屬性分析軟件。軟件主要包含PointSet、Curve、Surface、solid、Voxet、Sgrid、Well、Group、Channel、2D－Grid、X－Section、Frame、Model3d等對象類型。GoCAD軟件最大特點是延續了與人工地質制圖傳統習慣相同的思想，即利用少數已知控制點推測空間分布形態，反映地質體的空間不確定性和模擬這種不確定性的技術思路。因此，GoCAD模型可以100%保證勘探控制點處的精度，而勘探點以外部分則合理利用地質傳統習慣的推測方法進行模擬。

1．2GoCAD數學處理方法

GoCAD軟件是采用離散平滑內插算法(Dis-creteSmoothInterpolation，簡稱DSI)作為核心技術。DSI方法用一系列具有物體幾何和物理特性的相互連結的節點來模擬地質體。用DSI方法模擬幾何和物理特性時，已知節點和地質學中的典型信息將被轉化為線形約束，引入到模型生成的過程中。該方法基于圖形拓撲，它適用于構建復雜模型和處理模型表面不連續的情況。DSI算法具有一定優點，如可自由選擇和自動調整格網模型，實時交互操作，能夠處理一些不確定的數據等。這些優點決定了DSI在地質建模和可視化中的重要位置。

1．3GoCAD建模思路

三維地質建模的思想是利用各種地質勘測資料，借助GoCAD內部的DSI算法，將離散數據轉化為連續曲面，進而建立巖體的三維模型，處理巖層界面與結構面的組合關系，逼真地反映地質體的全貌。具體思路如圖1所示，建立一個曲(平)面，對該曲(平)面進行相應的約束后，將這個面擬合到由鉆孔、平硐確定的該層的離散點位置，得到一個曲面，該曲面在宏觀形態上與出露線、產狀數據一致，在局部與鉆孔確定的層面位置一致，如果其展布情況與地質規律不矛盾，則可認為該曲面可以模擬該地層面［1－2］。

2GoCAD三維地質建模方法

2．1地形面

(1)將選定的研究區域的地形等高線直接導入GoCAD軟件，在PointsSet模塊中將所有等高線離散成點;(2)建立一個與研究區域范圍相符的平面，對平面進行分裂(Split)，即增加網格密度;(3)約束(Constraints)待變形面的邊界，確保其邊界(Border)只能沿Z方向進行變形，并約束待變形面，使離散點集成為待變形面的軟約束控制點(ControlPoints);(4)對設置好各種約束的待變形面進行多次的插值積分(Interpolation)，根據實際情況判斷變形后的曲面是否滿足要求，若達到要求，停止積分操作，若需要局部修改，使用Region命令進行局部范圍的劃定，然后執行相應的分裂與積分操作即可。

2．2鉆孔與平硐

在GoCAD中，鉆孔是以鉆井(Well)的形式表示的，Well作為GoCAD的基本對象之一，包含有位置信息(WellPath)和屬性信息(WellLogs)。GoCAD中提供了多種數據錄入接口，建模中基本采用文本文件方式錄入鉆孔及相關數據。數據讀入GoCAD后，可在Well的Marker項修改各層的信息并加入各層的產狀信息。在GoCAD平臺中沒有專門用于建立平硐模型的模塊，平硐可以視作水平方向的鉆孔，其位置信息(WellPath)表示的是平硐軸線的幾何信息，其它信息與鉆孔模型相似，區別在于平硐中有更多的結構面的特征信息，包括結構面的產狀、填充等信息。2．3地質分界面地質分界面主要包括地層面、風化面、地下水位面、卸荷帶等。由于地質分界面存在于地表以下，無法直接觀察到，因而存在很大的未知性。三維地質建模的任務就是將這些無法完整觀察到的未知面進行重構，包括它們的幾何形態、相互間的位置關系等。地質分界面具體建模過程與方法如下。(1)建立一個與研究區域范圍相符的平面作為待變形面，對平面進行分裂(Split)，將網格加密，或者復制地形面并降低高程作為待變形面。(2)對待變形曲面添加約束(Constraints)，主要有3種約束需要添加:1)設置待變形曲面厚度范圍約束(SetRangeThicknessConstraint)，控制待變形曲面與其上層已完成曲面之間的深度范圍;2)對待變形曲面添加出露跡線、已探明跡線、勘探點信息等控制點的硬約束(ControlNodes)，確保待變形曲面100%通過已知信息點;3)約束待變形曲面區域外輪廓，確保其邊界(Border)只能沿Z方向進行變形。需要注意的是，實際測繪地表出露跡線時只能得到有限的點信息，測繪點連接后形成的地表出露跡線需要進行加密(Densify)處理并投影(Project)至地形面。(3)對設置好各種約束的待變形曲面進行多次的插值積分(Interpolation)，根據實際情況判斷變形后的曲面，如果其展布情況與地質規律不矛盾，則可認為該曲面可以模擬該地層面。隨著勘探工作的加深，不斷新增勘探點數據，將新增信息添加到待變形曲面，設置為新的硬約束，確定該勘探點的影響范圍，建立region，再次積分，完成對模型的修訂。

2．4結構面三維地質建模過程中需要關注的結構面主要有斷層、裂隙、巖層分界面等不連續的開裂面，其具體建模過程與方法如下，(1)建立出露線，方法有2種:①在AutoCAD平臺中根據地質測繪點描繪出結構面的地表出露線，然后導入到GoCAD中;②直接在GoCAD中根據地質測繪點建立地表出露線。通過上述方法，在GoCAD中得到1個Curve對象，對Curve對象根據需要進行相應的加密、投影處理。(2)根據結構面產狀與預測延伸長度計算得到結構面的法向增量。(3)將Curve對象沿該法向量拉伸一定距離得到1個面對象(Surface)，即為該結構面的宏觀形態，該面與地表出露線及產狀數據相一致。再將這個面擬合到由鉆孔、平硐確定的該層的離散點位置，得到1個曲面，該曲面在宏觀形態上與出露線和產狀數據一致，在局部與鉆孔確定的層面位置一致，如果其展布情況與地質規律不矛盾，則可認為該曲面可以模擬該結構面［3］。

3應用實例———烏托水電站下壩址區三維地質模型

3．1工程概況

烏托水電站工程是伊洛瓦底江密支那以上流域水電資源開發規劃中的東源恩梅開江5級開發方案中的第4座梯級電站，位于中緬山脈北部的克欽山區。地勢總體上具有北高南低、東高西低的特點。

3．2技術路線

烏托水電站三維地質模型建立的技術路線如圖2所示，具體過程為:①以地形等高線數據為基礎建立三維地形模型;②以鉆孔、平硐等勘探數據為基礎建立鉆孔、平硐三維模型;③以測繪數據為基礎，結合三維地形模型以及鉆孔、平硐三維模型建立結構面模型;④以鉆孔、平硐三維模型及三維地形模型為基礎，結合虛擬鉆孔模型及結構面模型建立地層界面模型;⑤整合所有完成的模型得到地質面模型;⑥以地質面模型為基礎進行實際工程應用。

3．3建模過程

烏托水電站地質三維模型中各個對象建立的方法及過程如下。

3．3．1地形面

加載地形等高線到GoCAD中，離散等高線建立點集，以離散點集為基礎建立地面模型。三維地形面模型如圖3所示。

3．3．2鉆孔平硐

對鉆孔與平硐數據進行預處理，使之成為Go-CAD軟件能夠利用的格式，然后分別建立鉆孔與平硐三維模型。鉆孔與平硐的三維模型如圖4，5所示。在勘探點稀少的區域建立虛擬鉆孔，同樣建立鉆孔三維模型。虛擬鉆孔是由地質人員根據經驗和其它勘探手段獲取的結果做出的推斷，它對地層模型具有和真實鉆孔一樣的約束。事實表明，通過虛擬鉆孔的輔助控制建立的三維地質模型比只用實際鉆孔數據建立的三維地質模型具有更高的精度和可信度［4－6］。

3．3．3覆蓋層

研究區覆蓋層主要為第四系全新統(Q4)沖積、崩坡積、洪積物等。具體建模過程是:從勘探資料及地質測繪資料中獲取覆蓋層深度及邊界信息，這里主要是指從實際鉆孔模型中提取marker信息得到覆蓋層深度信息，從平面圖中獲取覆蓋層邊界線，即尖滅處，然后進行積分插值，建立三維界面模型。在缺少勘探的區域及模型不合理的區域建立虛擬鉆孔，控制覆蓋層的形變，多次積分，最終完成覆蓋層三維模型的建立。研究區覆蓋層三維模型如圖6所示，圖7所示為覆蓋層中透鏡體三維模型。

3．3．4斷層

研究區無區域性斷層通過，地表測繪兩岸巖體中共發育23條斷層，規模均較小，以陡傾角斷層為主，緩傾角斷層不發育。研究區中斷層模型的建立過程具體為:從地質測繪資料中得到斷層在地表出露跡線的位置，由產狀及推測延伸長度計算出對應的法向增量。將地表出露線拉伸得到斷層基本表達面，根據勘探信息對斷層面進行適當平滑處理，若模型結果與自然規律相符，則完成模型的建立。研究區斷層三維模型如圖8所示。

3．3．5地層

研究區分布的地層主要為中元古界(Pt2)，其巖性為花崗片麻巖、片麻巖，地層相對較為單一。因此，建立地層模型的主要任務是完成風化界面、卸荷面、地下水位面等的擬合。研究區中巖體的強風化、卸荷面不連通，在地表有尖滅。弱風化、地下水位面都是連通曲面。地下層面的建模方法相同，都是從鉆孔與平硐模型中提取相應的marker信息，設置為硬約束，在數據缺少區域建立虛擬鉆孔，然后進行積分插值。不同的是對不連通曲面模型的建立需要根據地質測繪數據先確立其在地表面的尖滅線，并將尖滅線設置為硬約束。研究區地層三維模型如圖9所示?？偟膩碚f，曲面模型構造屬于基礎建模，它主要采用線、面模型，重在模擬對象的形態及其相互之間的位置關系，但是缺少各層面的屬性信息［7－8］。

3．4成果校驗

為了檢驗本次研究中三維地質模型的精度與實用性，在已有AutoCAD圖件中提取了若干條剖面線的端點，在GoCAD中以端點數據建立Curve對象。以三維地質面模型為基礎，在GoCAD中利用Cross－Section模塊里面的FromCurveandVector命令切出多幅剖面圖，并與原有的地質剖面圖進行比較。校驗的第一步是將新切圖輸出為．dxf文件，并與原圖置于同一文件中，進行直觀對比，對比結果如圖10所示。校驗的第二步是由工程經驗豐富的地質人員來判斷地質圖件的合理性與實用性，進一步確定三維地質模型的可信度。校驗的結果是:從三維地質面模型中切出的二維剖面圖與原始剖面圖基本一樣，完全符合工程精度要求，三維地質模型在工程實踐中可信、實用。

4結語

(1)研究與應用表明，基于GoCAD平臺的三維地質建模克服了復雜地形面準確模擬的難點，能精確建立完善的三維可視化模型，同時也突破了地下不可見區域地質信息迅速方便三維表達的限制，三維地質模型在質量上滿足了實際要求。

(2)模型的建立為工程地質巖體的認知表達提供了新的技術途徑，為地質人員的分析判斷提供綜合信息，使得地質人員跳出了傳統二維推測的局限，基于三維模型的地質推測更趨合理，也使得后續勘探點的增加布置更為科學。

(3)建模結果提供了精確的地質可視化模型，為工程以后的三維設計應用推廣做好了鋪墊，為工程的設計、施工、勘探布置以及數值模擬分析等提供模型資料，為設計人員的分析和設計提供可視化參考。三維模型服務于實際生產應用，改變了傳統工作模式與思路，提高了生產效率與精度。

(4)雖然基于GoCAD平臺的三維建模技術在水電工程中的應用取得了一定的成功，但是對于三維地質模型更深層次的應用，如地質屬性賦值與分析，工程計算分析與應用等仍有待繼續深入研究。