趙 越，李軍輝

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

三維地質(zhì)模型在門頭溝新城建設(shè)規(guī)劃地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

趙 越，李軍輝

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

三維地質(zhì)模型具有直觀、準(zhǔn)確、可分析、可利用等特點(diǎn)，可以為城市規(guī)劃及土地利用提供科學(xué)依據(jù)。本文介紹了三維地質(zhì)模型，在門頭溝新城建設(shè)規(guī)劃地質(zhì)勘查中的應(yīng)用。

三維地質(zhì)模型；空間結(jié)構(gòu)；可視化；新城建設(shè)規(guī)劃

隨著國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，全國(guó)各地都在進(jìn)行城市化建設(shè)規(guī)劃。為了給城市規(guī)劃提供科學(xué)地質(zhì)依據(jù)，應(yīng)對(duì)規(guī)劃區(qū)進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)勘查工作。傳統(tǒng)的城市地質(zhì)勘查手段，主要是基于點(diǎn)、線、面等二維平臺(tái)下，開展地面調(diào)查、遙感解譯、工程鉆探等工作。傳統(tǒng)的二維地質(zhì)工作解釋僅僅是出現(xiàn)在有限的幾條剖面和平面上，剖面之間或平面之間是不連續(xù)的。因此，采用三維地質(zhì)模型直接展示地質(zhì)體的空間分布情況，可滿足城市建設(shè)規(guī)劃有關(guān)專家的需要。本文介紹三維地質(zhì)模型，在門頭溝新城建設(shè)的需要。

1 三維地質(zhì)模型概念和特點(diǎn)

（1）三維地質(zhì)模型概念

三維地質(zhì)模型是指使用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在計(jì)算機(jī)中建立起能反映地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)、各構(gòu)造要素之間的關(guān)系以及地質(zhì)體空間物性分布等地質(zhì)特征的數(shù)學(xué)模型。三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，可以把空間分布不均勻、不連續(xù)、散亂的地質(zhì)信息，通過數(shù)學(xué)擬合及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的方法變成可視的、連續(xù)的和形象直觀的3D地質(zhì)圖形。

（2）三維地質(zhì)建模軟件

本次建模采用的軟件是《北京市城市地質(zhì)數(shù)據(jù)管理與服務(wù)系統(tǒng)》（圖1），該系統(tǒng)是2007年由北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局基于VC++語言平臺(tái)上開發(fā)的。系統(tǒng)運(yùn)行于圖形工作站，能滿足三維地質(zhì)空間信息獲取、管理、分析和可視化的基礎(chǔ)軟件平臺(tái)。系統(tǒng)可以使用多種類型的數(shù)據(jù)源生成三維數(shù)據(jù)，并提供多種三維數(shù)據(jù)的生成方法。系統(tǒng)主要功能，有數(shù)據(jù)管理、可視化功能、三維結(jié)構(gòu)建模和三維屬性建模等。

圖1 北京市城市地質(zhì)數(shù)據(jù)管道與服務(wù)系統(tǒng)界面

（3）三維地質(zhì)模型意義

三維地質(zhì)模型通過處理巖層界面與結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系，力求真實(shí)地反映地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)全貌，將地質(zhì)體及其形態(tài)結(jié)構(gòu)直觀、形象地展現(xiàn)在分析者面前，能夠最大限度地增強(qiáng)地質(zhì)分析的直觀性和準(zhǔn)確性，做出符合地質(zhì)現(xiàn)象分布變化規(guī)律的工程設(shè)計(jì)與施工方案。

三維地質(zhì)模型的特點(diǎn)，除了具有確定性、可視性及可修改性之外，更重要的是能夠利用已有模型數(shù)據(jù)進(jìn)行有關(guān)分析和推測(cè)。例如：通過分析三維地質(zhì)模型的結(jié)構(gòu)，可以計(jì)算有關(guān)地質(zhì)體的體積與儲(chǔ)量，在地球物理探測(cè)領(lǐng)域，還可以分析推測(cè)地質(zhì)體所引起物探異常的原因。分析研究三維地層結(jié)構(gòu)，深刻認(rèn)識(shí)工程地質(zhì)環(huán)境特征，確定工程建設(shè)層巖土力學(xué)參數(shù)的空間分布特征，為合理確定土地利用和城市規(guī)劃奠定了地質(zhì)基礎(chǔ)。

2 三維地質(zhì)模型在門頭溝新城地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

（1）模型建立

北京門頭溝規(guī)劃新城三維地質(zhì)模型 基本上覆蓋了門頭溝新城建設(shè)規(guī)劃的功能區(qū)，根據(jù)野外施工鉆孔和資料收集鉆孔的特點(diǎn)，按照 取點(diǎn) 連線 建面成體 的工作路線建立地質(zhì)模型。首先，在平面上完成鉆孔點(diǎn)的合理選取，以控制工作區(qū)范圍，并滿足成果精度要求。在鉆孔點(diǎn)選取完成后，在平面上進(jìn)行剖面線布置，并對(duì)布置好的剖面線進(jìn)行鉆孔地層間的連線，建立二維地質(zhì)剖面。然后將二維地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為三維地質(zhì)剖面，對(duì)三維地質(zhì)剖面進(jìn)行計(jì)算機(jī)拓?fù)洌罱K建成三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。其詳細(xì)路線描述見表1，建模過程分別見圖2、圖3、圖4、圖5、圖6。

表1 三維地質(zhì)建模技術(shù)路線表

圖2 在工作區(qū)內(nèi)選取鉆孔

圖3 在工作區(qū)內(nèi)合理布置剖面

圖4 對(duì)每條剖面進(jìn)行地層連接

圖5 將二維剖面轉(zhuǎn)換為三維剖面

圖6 通過計(jì)算機(jī)拓?fù)渫瓿扇S模型的建立

（2）地層分布

門頭溝三維地質(zhì)模型工作區(qū)，位于低山區(qū)到永定河沖洪積平原的過渡地帶，地勢(shì)總體西北高東南低。三維地質(zhì)模型直觀地展現(xiàn)出地下巖土體結(jié)構(gòu)。工作區(qū)地層巖性，主要以粘性土、粉土、砂土、碎石、角礫、卵石及砂巖為主，地表主要為人工填土層，分布厚度不均勻，總體上說東南部厚度大于西北部。工作區(qū)具有典型的多層巖土體結(jié)構(gòu)。

從三維地質(zhì)模型的柵欄圖中可以很容易了解到，工作區(qū)西部埋深20m以上的地層主要以碎石、角礫及粘性土互層為主，20m以下基本為砂巖；而工作區(qū)東南部受永定河沖積扇影響，地層的上部主要以粘性土、砂土、粉土互層為主，厚度一般為1～5m，下部為較厚的卵石層，厚度可達(dá)30m以上，由西向東逐漸增厚，見圖7、圖8。

圖7 門頭溝新城三維地質(zhì)模型

圖8 門頭溝新城三維柵欄圖

（3）切面分析

建設(shè)工程基礎(chǔ)直接坐落在地基土上，當(dāng)基礎(chǔ)坐落在兩個(gè)不同的工程地質(zhì)單元或不同巖性且?guī)r土的物理力學(xué)特性相差較大的情況下，這樣的地基一般稱之為不均勻地基，應(yīng)進(jìn)行變形驗(yàn)算，并采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和地基處理措施。地基土土質(zhì)的水平和垂向分布直接關(guān)系到建筑地基基礎(chǔ)的選型和工程造價(jià)，甚至影響上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

通過對(duì)三維地質(zhì)模型作切面分析，便可以得到不同深度同一平面內(nèi)地基土的分布情況，對(duì)于1～6層不帶地下室或帶0.5層地下室的建筑，基礎(chǔ)埋深一般不超過3m，因而對(duì)3m深度切面的地基土進(jìn)行分析；考慮帶1～2層地下室的6層以上多層建筑和高層建筑物，基礎(chǔ)的埋深一般在6m左右，因而對(duì)6m深度切面的地基土進(jìn)行分析；考慮到將來地下空間的開發(fā)利用及帶多層地下室的高層建筑物，宜對(duì)15m深度切面的地基土進(jìn)行分析。

從3m深度切面圖（圖9）來看，新城功能區(qū)范圍內(nèi)分布最廣的是回填土，其次為粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂，卵石、砂巖小范圍分布。

圖9 3m深度切面巖性分布圖

從6m深度切面圖（圖10）來看，新城功能區(qū)范圍內(nèi)，隨著地層深度增加雜填土分布面積大大減小，粉質(zhì)粘土分布面積有所擴(kuò)大，主要集中分布在山前洪坡積地帶；碎石、卵石、細(xì)中砂局部分布，其中碎石主要分布在門頭溝溝谷和山前地帶；卵石還是在永定河河漫灘局部分布；細(xì)中砂主要分布在濱河世紀(jì)廣場(chǎng)公園附近和老山附近山前地帶。

圖10 6m深度切面巖性分布圖

從15m深度切面圖（圖11）來看，隨著深度增加新城功能區(qū)內(nèi)卵石層分布范圍大范圍增加，除局部為碎石、粉質(zhì)粘土、回填土外，大部分地區(qū)為卵石層分布，主要集中分布在永定河西側(cè)河漫灘一帶。

圖11 15m深度切面巖性分布

（4）剖面分析

通過對(duì)三維地質(zhì)模型作剖面分析，根據(jù)需求可以得到任意剖面的地層信息。例如：在門頭溝規(guī)劃新城三維地質(zhì)模型中確定一條剖面路徑，即可沿路徑生成垂直剖面，從剖面中可以直觀的發(fā)現(xiàn)ZKO98號(hào)位置地層與周圍有明顯差異,鉆孔揭露的15m巖芯全部為人工回填土，而周圍地層人工填土厚度在1～3m，下部以卵石為主，如圖12。經(jīng)過野外調(diào)查驗(yàn)證，確定ZK098號(hào)位置原為沙石坑，坑深約20m，現(xiàn)已被人工回填。由此可見，三維地質(zhì)模型可以準(zhǔn)確、直觀的反應(yīng)地層信息，對(duì)有關(guān)工程規(guī)劃工作起到指導(dǎo)作用。

圖12 三維地質(zhì)模型剖面分析

（5）采空分析

北京門頭溝地下蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源，門頭溝新城勘查項(xiàng)目中采用鉆探、物探手段在門城鎮(zhèn)地區(qū)發(fā)現(xiàn)了多處采空區(qū)，結(jié)合以往的勘查資料，初步確定了該區(qū)地下采空的總體分布狀況。在對(duì)采空區(qū)進(jìn)行三維地質(zhì)模型建設(shè)時(shí)，為了能較準(zhǔn)確的反映采空區(qū)的空間分布特征，需要確定兩個(gè)因素，第一、通過分析煤層產(chǎn)狀確定采空區(qū)的空間延展方向；第二、結(jié)合鉆探、物探及以往勘查資料確定采空區(qū)的范圍。

以門頭溝新城勘查實(shí)例說明，ZK132號(hào)鉆孔顯示地表以下22.9m為采空，采空區(qū)厚度為0.3m。首先根據(jù)該處的煤層產(chǎn)狀及三維剖面走向，確定采空在各條剖面上的視傾角，即確定了采空區(qū)在各條剖面的展布方向；再通過物探、鉆探手段確定采空區(qū)在各條剖面上的長(zhǎng)度及厚度；然后用三維軟件按各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)設(shè)置采空區(qū)的結(jié)構(gòu)特征；最后通過三維軟件拓?fù)渖刹煽諈^(qū)的三維地質(zhì)模型，見表2、圖13、圖14。

表1 ZK132采空區(qū)特征參數(shù)一覽表

圖13 采空分布及三維剖面布置圖

3 結(jié)論

三維地質(zhì)建模在工程建設(shè)中應(yīng)用的意義不僅體現(xiàn)在提高制圖效果方面，更重要的是，能對(duì)工程地質(zhì)問題提供正確判斷及成因分析，為合理制定城市規(guī)劃、土地利用奠定基礎(chǔ)。三維地質(zhì)建模是一個(gè)重要的有效手段，具有很大的使用價(jià)值。

圖14 采空區(qū)三維模型示意圖

[1]王永立,雷磊,齊波.3D GIS支持下的城市地質(zhì)調(diào)查,城市地質(zhì),2008.

[2]朱良峰，吳信才，劉修國(guó)，尚建嘎.基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地層模型的構(gòu)建.地理與地理信息科學(xué),2004.

[3]鄭貴洲，申永利.地質(zhì)特征三維分析及三維地質(zhì)模擬現(xiàn)狀研究.地球科學(xué)進(jìn)展,2004.

The Application of the Three-Dimensional Geological Model in the Exploration of Mentougou New Town

ZHAO Yue, LI Junhui

(Beijing Institute of Geology, Beijing 100120)

With the characteristics of visualization, accuracy, analyzability and applicability, the threedimensional geological model can offer scientifc and effective construction bases for urban planning and land utilization. Based On the application cases of the three-dimensional geological model in the exploration of Mentougou New Town, this paper identifed and confrmed the theoretical meaning and utilization value of the three-dimensional geological model.

Three-dimensional geological model; Space structure; Visualization; Urban planning

TP399

A

1007-1903(2010)04-0040-05