王長海，李 輝，許 國

（1.廣西電力工業(yè)勘察設計研究院，南寧 530023；2.中國地質大學，武漢 430074）

1994年加拿大學者S.W.Houlding提出了三維地學建模（3D Geoscience Modeling）的概念。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，三維地質建模技術越來越受到地學界的重視，并成為地學的熱點之一。國際三維地質建模軟件已經形成相當規(guī)模，法國、美國、加拿大、澳大利亞、英國等國家相繼推出多種代表性的軟件， 比較典型的有GOCAD、Earth Vision、Gemcom、Surpac Vision等。隨著軟件產品的豐富和完善，國外的三維地質模型應用已經非常普及，特別是石油、礦山等行業(yè)，三維應用已經完全深入到生產的各個環(huán)節(jié)。但在水電工程地質領域，至今還沒有發(fā)現專門的針對性開發(fā)的大型商業(yè)軟件系統(tǒng)。

近年來，國內水電設計企業(yè)針對地質建模進行了研究和嘗試，北京勘測設計研究院基于AutoCAD及其擴展版本CIVIL 3D的三維功能進行開發(fā)和擴展，華東勘測設計研究院與中國地質大學坤迪公司合作開發(fā)了GEOENGINE系統(tǒng)，成都勘測設計研究院與天津大學合作開發(fā)了VisualGeo系統(tǒng)。

由于水電工程地質領域具有地質條件表現復雜、地下結構不清楚、要求的建模精度高等特點，進行建模具有較大難度，很難建立滿足工程要求的三維地質模型，針對此類問題，在三維建模技術方面還需要進行深入研究。

以巖灘水電站擴建工程為例，在GOCAD平臺上，利用多種數據，基于自由曲面構建、DSI方法等技術，構造了三維地質模型及其地下洞室群結構模型，解決了建模數據量不足和鉆孔、地質圖等多種資料的綜合利用問題，建立了巖灘水電站的三維地質模型，反映了該地區(qū)地質構造特征及地下廠房布置，并為數值分析計算提供了可靠的六面體網格模型。

1 巖灘水電站擴建工程概況

巖灘水電站工程位于廣西的紅水河中游河段上，是紅水河十個梯級電站的第五級。距上游龍灘水電站166km，距下游大化水電站83km，至南寧市170km。巖灘水電站擴建工程為地下廠房方案，工程裝機容量為2×300MW，布置在右岸山體內，距一期地面廠房開挖邊線為60m。主體工程由進口引水明渠、進水口閘門、引水壓力隧洞、主廠房洞、主變室洞、尾水隧洞（支洞和主洞）、尾水閘門廊道、尾水主洞明挖回填段、尾水明渠、運輸洞和一、二期廠房交通洞等組成。此外還有施工洞、排風洞和防滲帷幕灌漿洞等臨時洞室，構成右岸地下廠房洞室群。

廠區(qū)洞室全為輝長輝綠巖和輝綠巖，總厚度為110～180m，以橫河走向F48陡立逆斷層為分界線，下盤（上游側）絕大部為Ⅱ類圍巖，深部低高程有Ⅰ類圍巖，上盤（下游側）為Ⅲ類圍巖。主要不利地質因素有：與主廠房縱軸線夾角較小的兩組陡傾角節(jié)理很發(fā)育，其中一組（北西西向）與縱軸線基本平行，另一組（北東東向）與壩軸線近于一致。

擴建工程引水發(fā)電系統(tǒng)位于大壩右岸山體內，上覆巖體厚度不大，其中地下廠房區(qū)為75～120m，圍巖為堅硬的輝綠巖，引水隧洞及地下廠房洞室群位于F48斷層下盤，巖體相對較完整，但地下廠房、主變洞及引水洞進口上部存在的石英脈和蝕變巖、廠區(qū)緩傾角裂隙及與洞室軸線小角度相交的陡傾角裂隙等，對洞室穩(wěn)定不利；廠區(qū)距水庫較近，施工期存在地下水的影響問題；尾水洞位于2個斷層之間，上覆巖體較薄，小斷層及裂隙發(fā)育，巖體破碎，成洞條件差；引水隧洞進口、尾水隧洞出口存在邊坡穩(wěn)定問題。通過三維地質建模直觀地把石英脈、蝕變巖的分布、厚度、斷層和擠壓破碎帶的分布和影響范圍等主要地質問題反映出來，有助于工程地質人員和設計人員的空間分析的需要。

2 三維地質建模關鍵技術

三維地質建模的主要難點：地質體本身是一個三維性、非均質性非常明顯的復雜體，而進行三維地質建模所需的邊界條件，即實測資料分布極不均勻和不全面，具有很強的個性特點，且主要為一維結果（如鉆孔）。因此，在三維地質建模過程中由一維邊界（或部分二維邊界）向三維整體所進行的推演具有很大的不確定性。所以，根據實際工程情況，進行三維地質建模過程中，需要具備諸如自由曲面構建、離散平滑內插、多種數據及相關地質對象的三維表達、與數值分析的結合等方面的關鍵技術。

2.1 關鍵技術功能

2.1.1 自由曲面構建功能

直接利用測量得到的地形數據點高效準確（滿足工程要求）的生成三維地形，并生成相應的等高線地形圖；利用地質平面測繪數據和地質鉆孔數據，生成地質分界面（如巖性分界面、斷層面等），直觀展示各地質單元間的空間關系和因果關系。

2.1.2 齊全的數據接口

提供了齊全的通用數據接口，支持自由文本數據，可以直接和AUTOCAD、EXCEL及多種GIS軟件、圖形軟件進行數據共享，生成的網格數據可導入ABAQUS、FLAC3D等數值分析軟件使用。

2.1.3 離散平滑內插方法（DSI）

相對基于連續(xù)多項式函數的經典CAD方法，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(jié)點來模擬地質體。用DSI方法模擬幾何和物理特性時，已知節(jié)點和地質學中的典型信息被轉化為線型約束，引入到模型生成的過程中。DSI方法具有一定的優(yōu)點，如自由選擇格網模型，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。DSI的這些優(yōu)點決定了它在地質建模和可視化中的重要位置。

2.2 不同地質對象的建立和數據表達

2.2.1 測量數據及地形對象

工程區(qū)域的工程測量是嚴格按工程精度要求進行，因此由測量得到的數據完全滿足建模的精度要求。

2.2.2 鉆孔數據及鉆孔對象

鉆孔數據是三維地質建模的基礎，鉆孔是以測井（Well）的形式表示的，Well作為基本對象之一，包含有位置信息（Well Path）和屬性信息（Well Logs），提供了多種國際通用的鉆孔錄入數據接口，但與目前流行的鉆孔數據有一定差別，建模中基本采用文本文件方式錄入鉆孔及相關數據。

2.2.3 巖層面、結構面的建模

巖層面和結構面的建模是三維地質建模最核心的部分，這些面存在于地質體內部空間，無法直觀地觀察到。在三維地質建模中，就是將這些無法完整觀察到的面重構出來，包括它們的幾何形態(tài)、相互間的位置關系等。

2.2.4 剖面的生成

任意切割剖面是現階段地質三維建模的重要目的之一。剖面圖仍是勘察設計的主要依據和成果，基于三維模型，可以快速高效地切割出勘察設計需要的剖面圖。

2.2.5 網格/實體模型的建立

面模型的建立確定了各地質要素間的基本關系，但它還不是真正的地質三維模型，因為它在面與面之間依然是不連續(xù)的，在模型中除了面以外的區(qū)域是不攜帶任何信息的。

2.3 與數值計算相結合的技術

隨著計算機技術和計算方法的發(fā)展，對于復雜的工程問題，在廣泛吸收現代數學、力學理論的基礎上，可以采用離散化的數值計算法并借助計算機得到滿足工程要求的數值解。

但在許多水電工程數值分析中，由于地質體的不規(guī)則和不確定，數值分析軟件需要構建大量的自由曲面和形狀復雜的單元集，使得數值分析人員花費大量的時間和精力用于構建地質體模型，嚴重影響了數值分析的效率和成本。

另外，由于當前的數值模擬軟件普遍利用六面體單元，但六面體剖分的實現具有一定困難，特別是對復雜的地質構造的六面體剖分，難度更大。因此，在三維地質建模技術的基礎上，研究六面體剖分方法，為數值模擬軟件提供盡可能真實地反映地質實際的計算模型，對提高計算結果的可靠性有重要意義。

地質三維建模與數值計算相結合的技術，能夠簡單快捷地建立復雜地質體的三維網格模型，剖分出形狀理想的六面體網格單元，為工程數值分析（邊坡穩(wěn)定分析、壩肩穩(wěn)定分析等）提供良好的網格前處理。

3 三維地質模型及應用

三維地質模型的建立，不但可以很好地解釋地質數據、反映地質構造，而且還為其他方面的應用提供了基礎數據，如地質剖面圖的自動成圖、地下廠房結構及數值計算模型等。

3.1 工程巖體三維地質建模及可視化分析

基于GOCAD建模的構造思路和方法，利用工程地質勘探所獲得地質信息（包括鉆孔、平硐、地形及地表露頭等信息）和專業(yè)地質人員交互解譯出的二維剖面圖（包括橫、縱剖面圖和不同高程的平切面圖），完成了巖灘水電站工程壩址區(qū)域三維巖體結構模型的構造，如圖1、2所示，其中包含了主要地形面、斷層、破碎帶、地下廠房相關建筑物等綜合信息。經過與已有鉆孔、平硐及二維剖面圖的對比檢驗，該模型精度較高，能夠滿足地質人員和設計人員的分析要求。

在重建的三維巖體結構模型基礎上，可作任意方向、任意地點和任意深度的三維剖切操作，進行相應的工程巖體結構可視化分析，主要包括地下建筑物的巖體結構分析、開挖方量計算分析、模擬數字鉆孔、結構面等值線圖自動繪制分析等，如圖3所示，為從整體模型中掏挖出的地下洞室三維地質模型，各部位顯示的巖性和斷層可為設計人員提供地質依據，如圖4所示。

3.2 與數值計算技術的結合

本項目研究中，利用投影技術解決了自由曲面建模的難題，利用拓樸技術解決了有限元網格多向掃略，進而徹底解決了純六面體地質網格的建模問題。

構建出來的巖灘純六面體有限元網格有83068個單元，89126個節(jié)點，全面反映了上述的地質特征和所有水工結構。單元形態(tài)好，數值計算收斂快，在地應力的反演中得到了很好的應用。巖灘純六面體網格解決了自由曲面生成、多相網格掃略、參數化建模和純六面體的高難度要求，如圖5、6所示。

數值分析模型的重點是地形、巖層面、斷層面、地下廠房等結構。以地質模型為基礎創(chuàng)建100×100×50節(jié)點的網格模型，對不同巖性的單元賦予不同的巖性屬性值。將三維模型中的數據文件通過數據接口導出為模型數據文件格式，然后導入ANSYS，得到的三維局部結構模型如圖7所示，對應的三維有限元模型如圖8所示。

4 結語

（1）針對水電工程的地質特點，基于GOCAD的三維地質建模技術突破了復雜地質體和地下結構三維建模表達的限制，提供了表達精確的地質模型及計算分析模型，在質量上達到了實際要求，并在應用中得到了推廣。

（2）針對水電工程中地質體結構的復雜性和不確定性，可以精確表達，并建立了完善的三維可視化模型，為水電工程的設計、施工、勘探布置及數值模擬分析等提供模型資料，為地質人員的分析判斷提供綜合信息，為設計人員提供可視化參考和數值分析。

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