姚鵬君，曹宏濤，史少維

(北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)

1 引言

地下水封洞庫一般是在穩(wěn)定的地下水位線以下一定的深度，通過人工在地下巖石中開挖出一定容積的洞室，利用穩(wěn)定的地下水的水封作用存儲洞室內的原油或液化天然氣［1］。地下水封洞庫因其安全性能高、環(huán)保、投資小、占地少、運營管理費用低等優(yōu)勢，已成為近年來大規(guī)模存儲原油和液化天然氣的發(fā)展方向。

在地下水封洞庫的建設中對工程地質條件和水文條件的監(jiān)測與控制顯得尤為重要［2］。三維數(shù)字洞庫系統(tǒng)利用GIS技術與實際的洞庫建設相結合，按照一定的程序和準則對地質信息、水文信息、支護信息和監(jiān)測信息進行全過程的管理與監(jiān)控。作為一種空間的數(shù)據(jù)處理、存儲、分析的技術，本系統(tǒng)可以提升地下水封洞庫的可視化表達能力和綜合信息分析能力。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)采用 B/S 架構，基于．NET Framework［3］框架;運用Visual Studio 2010為開發(fā)工具，C#、JavaScript為主要開發(fā)語言。系統(tǒng)以skyline三維平臺為基礎，前端技術采用Ext．NET組件庫。系統(tǒng)后臺 SqlSever 2008數(shù)據(jù)庫，運用面向．NET環(huán)境的對象/關系數(shù)據(jù)庫映射工具(NHibernate［4］)，將對象映射基于 SQL 的關系模型數(shù)據(jù)結構中。后臺采用三層架構將整個業(yè)務應用分為表現(xiàn)層(UI)、業(yè)務邏輯層(BLL)、數(shù)據(jù)訪問層(DAL)，三層架構分工更明確，有利于后期的系統(tǒng)維護和升級。系統(tǒng)的整體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構

2.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

(1)洞庫地質信息模塊

洞庫建設需工程地質條件好，巖石整體性好，裂隙少，并具有弱透水性［5］。依據(jù)洞庫開挖獲得的勘察資料，深入全面認識和掌握工程地質信息，并將地質信息實現(xiàn)入庫管理。對開挖后的圍巖進行地質素描工作的地質信息成果內容包括:

①按圍巖地質素描結果編制巷道、豎井、洞庫的地質展示圖和洞庫頂基巖地質圖及洞庫圍巖富水程度圖等。洞室不同部位或洞段的巖性變化及其巖體間的接觸關系，重點是巖脈的分布。巖石全、強、中、微、未風化劃分，如表1所示;②地質構造:斷層的性質、產狀、破碎帶寬度、特征;③標出掉塊、塌方等發(fā)生處結構面組合性狀與規(guī)模，并說明發(fā)生原因，必要時附素描圖和照片;④利用Q系統(tǒng)法進行圍巖分區(qū)定級，Q系統(tǒng)法是應用巖石參數(shù)的一個系統(tǒng)來評價巖體質量和洞庫開挖的巖體條件，并對洞室采取合理巖石支護的一種方法。它主要考慮了巖體質量指標RQD、節(jié)理組數(shù)Jn、節(jié)理面粗糙度Jr、節(jié)理蝕變程度Ja、裂隙水影響因素Jw以及地應力影響因素SRF等6項指標。其計算公式為系統(tǒng)圍巖質量評估表，如表2所示。

巖石風化程度的劃分［7］ 表1

Q圍巖質量評估 表2

(2)水文信息模塊

在地下洞庫的建設中，由于采用了水封原理，水文地質條件及其變化的監(jiān)測與控制就為其建設的重要因素。地下水動態(tài)監(jiān)測網應在初勘階段建立，以水文觀測井為主，并在施工期進行水位監(jiān)測。洞庫施工中地下水出露主要分為:濕潤、滲水、滴水、流水4種。對水文信息的監(jiān)測內容包括:

①水文觀測井的編號、位置、監(jiān)測日期、天氣、水位;②洞庫圍巖富水程度，標出含水裂隙帶分布與寬度;③洞庫中出水點的位置及出流狀態(tài);④存儲各出水點的水量與封堵情況;

(3)支護信息模塊

洞室圍巖一般地段采用砂漿錨桿和噴射混凝土方式進行支護;破碎帶區(qū)域采用砂漿錨桿、鋼筋網、噴射混凝土支護。支護信息包括:

①支護的位置與類型;②支護部位的巖石描述;③支護具體設計，包括系統(tǒng)錨桿的長度與數(shù)量，噴混凝土掛網的類型和厚度［8］。

(4)監(jiān)測信息模塊

洞庫施工過程中，在洞庫圍巖部署圍巖收斂(反光片)、接觸應力、錨桿應力、裂縫開合度、多點位移觀測、鋼筋應力、水位變化等監(jiān)測項目，如表3所示。通過這些監(jiān)測設備對施工期間洞庫的工程地質、水文地質狀況進行監(jiān)測，為動態(tài)施工設計和質量管理提供依據(jù)。監(jiān)測和掌握洞室圍巖的變形趨勢，建立洞室失穩(wěn)預警機制，及時對其穩(wěn)定性和安全做出評估和預警，同時掌握地下水變化情況，使其處于安全可控狀態(tài)。

①按上述監(jiān)控量測項目可以實現(xiàn)對安裝信息，量測數(shù)據(jù)及斷面信息的存儲;②方便地實現(xiàn)從量測值到應力值、位移值的轉換;③能夠對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)實現(xiàn)編輯、修改、添加新的量測項目及數(shù)據(jù)等操作，對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)可實現(xiàn)導出Excel報表。④自動生成監(jiān)控量測對象的時態(tài)曲線，并設有預警閥值，監(jiān)控圍巖和支護結構的穩(wěn)定性，反饋到施工和設計中。

監(jiān)控量測內容與目的 表3

3 關鍵技術

3.1 洞庫三維地質建模建立

為滿足三維建模與分析要求需要對洞庫地質素描圖進行處理。結合實際洞庫開挖的地質情況，對鉆孔和洞庫地質編錄所分析的地質情況進一步解譯，獲得更符合實際的地質解釋。洞庫初步數(shù)字模型是在洞庫設計圖紙基礎上，利用3ds Max軟件進行數(shù)字建模［9］。在整個建模過程中嚴格按照設計圖及設計變更文件進行 1∶1建模。根據(jù)地質素描展開圖與編錄劃分不同巖性區(qū)域，在區(qū)域中貼上相應地質紋理。以掌子面為基礎將洞庫分為左壁、左拱頂、拱頂、右拱頂、右壁5部分，如圖2所示。沿洞室走向將地質紋理也分為相應5部分，如圖3所示，并貼于數(shù)字洞庫相應位置上，再現(xiàn)整個洞庫的地質情況。

地質信息以 GIS數(shù)據(jù)結構中的 Polygon(多重面)［10］存儲。按照既定的劃分原則提取區(qū)域邊界并根據(jù)實際坐標轉化為三維空間圖形，數(shù)據(jù)源采用Shape格式。洞庫的地質建模流程如圖4所示。

圖2 洞室掌子面分區(qū)

圖3 沿洞室走向紋理分區(qū)

圖4 洞庫地質建模流程圖

洞庫地質信息查詢步驟:①獲取目標點，判斷是否點選中表示巖石的曲面;②若選中則獲取目標點處的曲面信息;③若未選中則在目標點處生成一個立體圖形;④用立體圖形與曲面相交得出目標點處的曲面;⑤顯示曲面的巖石屬性;洞庫支護信息采用的方法類似。

3.2 監(jiān)測信息

監(jiān)控量測信息以開源工具NHibernate實現(xiàn)了業(yè)務類與數(shù)據(jù)庫之間的持久層，通過實體映射與關系映射，使對數(shù)據(jù)庫的操作就直接轉換為對這些實體的操作［11］。以裂縫開合度監(jiān)測項目為例來說明。數(shù)據(jù)源中既有監(jiān)測設備(測縫計)的安裝信息，也有測縫計的常規(guī)監(jiān)測信息，而測縫計的安裝位置是以洞庫里程來說明的，如交通巷道 1 010 m里程處，同一里程處可能安裝多個設備。因此在數(shù)據(jù)庫中建立3個表，DCFJ_Section代表里程距離和該里程的掌子面的相關信息，DCFJ_Device代表設備的具體安裝信息和初始數(shù)據(jù)信息，以SectionId作為外鍵與里程面表關聯(lián)。DCFJ_Record記錄設備監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息，以DeviceId作為外鍵與測縫計表關聯(lián)。3個表之間建立關聯(lián)(如圖5所示)。其他的監(jiān)控量測項目如圍巖收斂、接觸應力等均可以類似形式設計。

系統(tǒng)使用Nhibernate后，由于對數(shù)據(jù)的操作都是通過實體對象來進行，因此采用泛型技術，使用一個數(shù)據(jù)訪問類來處理實體類的數(shù)據(jù)操作。監(jiān)測數(shù)據(jù)以查詢模型點的方式實現(xiàn)。監(jiān)控量測項目查詢數(shù)據(jù)與形成統(tǒng)計圖，如圖6、圖7所示。

圖5 裂縫開合度監(jiān)測表關聯(lián)

圖6 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)查詢

圖7 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

4 結語

將傳統(tǒng)的二維GIS的研究成果拓展到三維空間，并結合Internet使用戶真正突破空間的限制，共享和分析地球空間的各種信息，已經成為GIS工作人員亟待解決的問題［12］。三維數(shù)字洞庫系統(tǒng)貫穿于地下水封洞庫建設的全過程，從地質勘察到施工期的洞庫監(jiān)測甚至可以拓展到生產運營的監(jiān)控方面。當?shù)叵露磶旆舛峦度胧褂煤?，系統(tǒng)可以真實再現(xiàn)整個洞庫的信息，以達到信息完全共享和動態(tài)聯(lián)動，為地下洞庫建設提供新的技術平臺。

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