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(kù)一般是在穩(wěn)定的地下水位線以下一定的深度，通過(guò)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(chǔ)洞室內(nèi)的原油或液化天然氣［1］。地下水封洞庫(kù)因其安全性能高、環(huán)保、投資小、占地少、運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，已成為近年來(lái)大規(guī)模存儲(chǔ)原油和液化天然氣的發(fā)展方向。

在地下水封洞庫(kù)的建設(shè)中對(duì)工程地質(zhì)條件和水文條件的監(jiān)測(cè)與控制顯得尤為重要［2］。三維數(shù)字洞庫(kù)系統(tǒng)利用GIS技術(shù)與實(shí)際的洞庫(kù)建設(shè)相結(jié)合，按照一定的程序和準(zhǔn)則對(duì)地質(zhì)信息、水文信息、支護(hù)信息和監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行全過(guò)程的管理與監(jiān)控。作為一種空間的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、分析的技術(shù)，本系統(tǒng)可以提升地下水封洞庫(kù)的可視化表達(dá)能力和綜合信息分析能力。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用 B/S 架構(gòu)，基于．NET Framework［3］框架;運(yùn)用Visual Studio 2010為開發(fā)工具，C#、JavaScript為主要開發(fā)語(yǔ)言。系統(tǒng)以skyline三維平臺(tái)為基礎(chǔ)，前端技術(shù)采用Ext．NET組件庫(kù)。系統(tǒng)后臺(tái) SqlSever 2008數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)用面向．NET環(huán)境的對(duì)象/關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)映射工具(NHibernate［4］)，將對(duì)象映射基于 SQL 的關(guān)系模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。后臺(tái)采用三層架構(gòu)將整個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用分為表現(xiàn)層(UI)、業(yè)務(wù)邏輯層(BLL)、數(shù)據(jù)訪問層(DAL)，三層架構(gòu)分工更明確，有利于后期的系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

(1)洞庫(kù)地質(zhì)信息模塊

洞庫(kù)建設(shè)需工程地質(zhì)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(kù)開挖獲得的勘察資料，深入全面認(rèn)識(shí)和掌握工程地質(zhì)信息，并將地質(zhì)信息實(shí)現(xiàn)入庫(kù)管理。對(duì)開挖后的圍巖進(jìn)行地質(zhì)素描工作的地質(zhì)信息成果內(nèi)容包括:

①按圍巖地質(zhì)素描結(jié)果編制巷道、豎井、洞庫(kù)的地質(zhì)展示圖和洞庫(kù)頂基巖地質(zhì)圖及洞庫(kù)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(guān)系，重點(diǎn)是巖脈的分布。巖石全、強(qiáng)、中、微、未風(fēng)化劃分，如表1所示;②地質(zhì)構(gòu)造:斷層的性質(zhì)、產(chǎn)狀、破碎帶寬度、特征;③標(biāo)出掉塊、塌方等發(fā)生處結(jié)構(gòu)面組合性狀與規(guī)模，并說(shuō)明發(fā)生原因，必要時(shí)附素描圖和照片;④利用Q系統(tǒng)法進(jìn)行圍巖分區(qū)定級(jí)，Q系統(tǒng)法是應(yīng)用巖石參數(shù)的一個(gè)系統(tǒng)來(lái)評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量和洞庫(kù)開挖的巖體條件，并對(duì)洞室采取合理巖石支護(hù)的一種方法。它主要考慮了巖體質(zhì)量指標(biāo)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(yīng)力影響因素SRF等6項(xiàng)指標(biāo)。其計(jì)算公式為系統(tǒng)圍巖質(zhì)量評(píng)估表，如表2所示。

巖石風(fēng)化程度的劃分［7］ 表1

Q圍巖質(zhì)量評(píng)估 表2

(2)水文信息模塊

在地下洞庫(kù)的建設(shè)中，由于采用了水封原理，水文地質(zhì)條件及其變化的監(jiān)測(cè)與控制就為其建設(shè)的重要因素。地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)應(yīng)在初勘階段建立，以水文觀測(cè)井為主，并在施工期進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)。洞庫(kù)施工中地下水出露主要分為:濕潤(rùn)、滲水、滴水、流水4種。對(duì)水文信息的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括:

①水文觀測(cè)井的編號(hào)、位置、監(jiān)測(cè)日期、天氣、水位;②洞庫(kù)圍巖富水程度，標(biāo)出含水裂隙帶分布與寬度;③洞庫(kù)中出水點(diǎn)的位置及出流狀態(tài);④存儲(chǔ)各出水點(diǎn)的水量與封堵情況;

(3)支護(hù)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(jìn)行支護(hù);破碎帶區(qū)域采用砂漿錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土支護(hù)。支護(hù)信息包括:

①支護(hù)的位置與類型;②支護(hù)部位的巖石描述;③支護(hù)具體設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)錨桿的長(zhǎng)度與數(shù)量，噴混凝土掛網(wǎng)的類型和厚度［8］。

(4)監(jiān)測(cè)信息模塊

洞庫(kù)施工過(guò)程中，在洞庫(kù)圍巖部署圍巖收斂(反光片)、接觸應(yīng)力、錨桿應(yīng)力、裂縫開合度、多點(diǎn)位移觀測(cè)、鋼筋應(yīng)力、水位變化等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，如表3所示。通過(guò)這些監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)施工期間洞庫(kù)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為動(dòng)態(tài)施工設(shè)計(jì)和質(zhì)量管理提供依據(jù)。監(jiān)測(cè)和掌握洞室圍巖的變形趨勢(shì)，建立洞室失穩(wěn)預(yù)警機(jī)制，及時(shí)對(duì)其穩(wěn)定性和安全做出評(píng)估和預(yù)警，同時(shí)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(cè)項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)對(duì)安裝信息，量測(cè)數(shù)據(jù)及斷面信息的存儲(chǔ);②方便地實(shí)現(xiàn)從量測(cè)值到應(yīng)力值、位移值的轉(zhuǎn)換;③能夠?qū)ΡO(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)編輯、修改、添加新的量測(cè)項(xiàng)目及數(shù)據(jù)等操作，對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)出Excel報(bào)表。④自動(dòng)生成監(jiān)控量測(cè)對(duì)象的時(shí)態(tài)曲線，并設(shè)有預(yù)警閥值，監(jiān)控圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，反饋到施工和設(shè)計(jì)中。

監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容與目的 表3

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 洞庫(kù)三維地質(zhì)建模建立

為滿足三維建模與分析要求需要對(duì)洞庫(kù)地質(zhì)素描圖進(jìn)行處理。結(jié)合實(shí)際洞庫(kù)開挖的地質(zhì)情況，對(duì)鉆孔和洞庫(kù)地質(zhì)編錄所分析的地質(zhì)情況進(jìn)一步解譯，獲得更符合實(shí)際的地質(zhì)解釋。洞庫(kù)初步數(shù)字模型是在洞庫(kù)設(shè)計(jì)圖紙基礎(chǔ)上，利用3ds Max軟件進(jìn)行數(shù)字建模［9］。在整個(gè)建模過(guò)程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖及設(shè)計(jì)變更文件進(jìn)行 1∶1建模。根據(jù)地質(zhì)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(yīng)地質(zhì)紋理。以掌子面為基礎(chǔ)將洞庫(kù)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?qū)⒌刭|(zhì)紋理也分為相應(yīng)5部分，如圖3所示，并貼于數(shù)字洞庫(kù)相應(yīng)位置上，再現(xiàn)整個(gè)洞庫(kù)的地質(zhì)情況。

地質(zhì)信息以 GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的 Polygon(多重面)［10］存儲(chǔ)。按照既定的劃分原則提取區(qū)域邊界并根據(jù)實(shí)際坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為三維空間圖形，數(shù)據(jù)源采用Shape格式。洞庫(kù)的地質(zhì)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(kù)地質(zhì)建模流程圖

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

3.2 監(jiān)測(cè)信息

監(jiān)控量測(cè)信息以開源工具NHibernate實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)類與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的持久層，通過(guò)實(shí)體映射與關(guān)系映射，使對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作就直接轉(zhuǎn)換為對(duì)這些實(shí)體的操作［11］。以裂縫開合度監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例來(lái)說(shuō)明。數(shù)據(jù)源中既有監(jiān)測(cè)設(shè)備(測(cè)縫計(jì))的安裝信息，也有測(cè)縫計(jì)的常規(guī)監(jiān)測(cè)信息，而測(cè)縫計(jì)的安裝位置是以洞庫(kù)里程來(lái)說(shuō)明的，如交通巷道 1 010 m里程處，同一里程處可能安裝多個(gè)設(shè)備。因此在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立3個(gè)表，DCFJ_Section代表里程距離和該里程的掌子面的相關(guān)信息，DCFJ_Device代表設(shè)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(guān)聯(lián)。DCFJ_Record記錄設(shè)備監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，以DeviceId作為外鍵與測(cè)縫計(jì)表關(guān)聯(lián)。3個(gè)表之間建立關(guān)聯(lián)(如圖5所示)。其他的監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目如圍巖收斂、接觸應(yīng)力等均可以類似形式設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)使用Nhibernate后，由于對(duì)數(shù)據(jù)的操作都是通過(guò)實(shí)體對(duì)象來(lái)進(jìn)行，因此采用泛型技術(shù)，使用一個(gè)數(shù)據(jù)訪問類來(lái)處理實(shí)體類的數(shù)據(jù)操作。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以查詢模型點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目查詢數(shù)據(jù)與形成統(tǒng)計(jì)圖，如圖6、圖7所示。

圖5 裂縫開合度監(jiān)測(cè)表關(guān)聯(lián)

圖6 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)查詢

圖7 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

4 結(jié)語(yǔ)

將傳統(tǒng)的二維GIS的研究成果拓展到三維空間，并結(jié)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(jīng)成為GIS工作人員亟待解決的問題［12］。三維數(shù)字洞庫(kù)系統(tǒng)貫穿于地下水封洞庫(kù)建設(shè)的全過(guò)程，從地質(zhì)勘察到施工期的洞庫(kù)監(jiān)測(cè)甚至可以拓展到生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的監(jiān)控方面。當(dāng)?shù)叵露磶?kù)封堵投入使用后，系統(tǒng)可以真實(shí)再現(xiàn)整個(gè)洞庫(kù)的信息，以達(dá)到信息完全共享和動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)，為地下洞庫(kù)建設(shè)提供新的技術(shù)平臺(tái)。

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