余燦林 楊宏偉 吳宗宇 蘇 寧

三維可視化在壩基巖體單孔聲波測試數(shù)據(jù)分析中的應用

余燦林 楊宏偉 吳宗宇 蘇 寧

（中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院 云南昆明 650041）

水電站壩基巖體單孔聲波測試數(shù)據(jù)表現(xiàn)出強烈的空間性，而基于用枯燥的數(shù)據(jù)、統(tǒng)計表格、波形圖或二維平面圖來表達壩基巖體波速在建基面以下空間分布的方式極為抽象。利用三維可視化軟件將空間內(nèi)離散的點數(shù)據(jù)進行三維成圖，即可將一個形象的物性參數(shù)空間分布模型展現(xiàn)出來。在立洲水電站壩基巖體質(zhì)量檢測中的應用表明，將分散分布的單孔聲波測試點數(shù)據(jù)進行三維成圖后，直觀形象地表達了聲速在空間的分布，指導了工程實踐。

單孔聲波測試數(shù)據(jù) 三維可視化 應用

1 前言

水電站壩基巖體單孔聲波測試是評價壩基巖體質(zhì)量、爆破影響及巖體卸荷松弛深度的重要檢測方法。在大型水電站的壩基巖體質(zhì)量檢測中，單孔聲波測試的數(shù)據(jù)點可達到數(shù)萬個，各測試鉆孔內(nèi)離散的聲波測試數(shù)據(jù)反映了沿孔深方向孔壁周圍巖體的質(zhì)量。同時，在壩基范圍內(nèi)所有測試孔的聲速值表現(xiàn)出了強烈的空間性。

在常規(guī)處理方式中，由各個鉆孔的單孔聲波測試數(shù)據(jù)可得到沿孔深方向的測試曲線圖，對所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，或利用SURFER軟件繪制平面等值線圖。但這些表達方式均有局限性，利用這些資料在三維空間中研究聲速分布時，其拓撲關系仍顯得復雜、抽象、模糊和不確定。因此，如何實現(xiàn)聲波測試數(shù)據(jù)空間分布的可視化顯示，使成果得到直觀與有效的展示，顯得十分必要。

三維可視化軟件解決了具有空間性且離散分布的點數(shù)據(jù)分析難題。本文結合立洲水電站壩基巖體聲波測試的工程實例，闡述三維可視化軟件在壩基聲波測試數(shù)據(jù)中的應用。

2 數(shù)據(jù)可視化軟件GOCAD介紹

GOCAD由法國Nancy大學研發(fā)，集成了對地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理、分析和可視化等功能。軟件基于體的建模方法實現(xiàn)三維可視化成圖，在模型中最小單元是體元（voxel），以一組規(guī)則尺寸的3D體素來組成需模擬的空間，模型結構簡潔。軟件兼具專業(yè)性和通用性，主要用于鉆孔數(shù)據(jù)管理，可對鉆孔的點數(shù)據(jù)、段數(shù)據(jù)及各類地質(zhì)數(shù)據(jù)（如地層、巖性、水文及含水層、地球化學等）以實體模型、柱狀圖、柵欄圖、截面圖、剖面圖、平切圖等模式進行平面和立體的展示（見圖1）。

2.1GOCAD的建模方法

GOCAD三維地質(zhì)建模主要包括2類：一類是構造模型(structural modeling)建模，一類是三維儲層柵格結構(3D Reservoir Grid Construction)建模。

（1）構造模型(structural modeling)建模建立地質(zhì)體構造模型具有非常重要的意義。通過建立構造模型，能夠模擬地層面、斷層面的形態(tài)、位置和相互關系，結合反映地質(zhì)體的各種屬性模型的可視化圖形，還能夠用于輔助設計鉆井軌跡。此外，構造模型還是地震勘探過程中地震反演的重要手段。

圖1 GOCAD 運行界面圖

（2）三維儲層柵格結構(3D Reservoir Grid Construction)建模根據(jù)建立的構造模型，在3D Reservoir Grid Construction中可以建立其立體模型。同時，地質(zhì)體中含有多種反映巖層巖性、資源分布等特性的參數(shù)，如巖層的波速、變形模量等，可對這些物性參數(shù)進行計算和綜合分析，進而得到地質(zhì)體的物性參數(shù)模型。

2.2建模流程

（1）鉆孔、測井分布及數(shù)據(jù)分析。支持三維建模的數(shù)據(jù)主要為鉆孔和測井。由于對區(qū)域范圍和建立三維地質(zhì)建模的精度要求不同，對于所得到的鉆孔、測井的分布并根據(jù)所取得的數(shù)據(jù)進行分析和處理十分必要。根據(jù)鉆孔、測井的分布范圍和稠密程度可以大致確定地層的分布界限，對鉆孔較少的區(qū)域采取補充鉆探或者采用其它方法進行處理。

（2）參數(shù)分析。由鉆孔得到的地質(zhì)參數(shù)如巖體波速等，具有隨機性和結構性。隨機性指參數(shù)在特定點上取值不確定，雜亂無章，但參數(shù)總體取值服從一定概率分布規(guī)律的一種現(xiàn)象；結構性指參數(shù)在空間分布上確定的、有規(guī)律的一種表現(xiàn)特征。建立不同的參數(shù)模型時，要對所選擇的參數(shù)進行統(tǒng)計分析，使建立的參數(shù)模型更加合理。

（3）插值方法。離散平滑內(nèi)插方法(Discrete Smooth Interpolation，簡稱DSI)是GOCAD地質(zhì)建模軟件的核心技術。相對基于連續(xù)多項式函數(shù)的經(jīng)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(zhì)體。用DSI方法模擬幾何和物理特性時，己知節(jié)點和地質(zhì)學中的典型信息被轉化為線型約束，引AN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(wǎng)模型，自動調(diào)整格網(wǎng)模型，實時交互操作，能夠處理一些不確定的數(shù)據(jù)等。DSI的這些優(yōu)點決定了它在地質(zhì)建模和可視化中的重要位置。

3 GOCAD在單孔聲波測試數(shù)據(jù)三維可視化中的應用研究

3.1工程概況

立洲水電站位于木里河中下游河段，大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高132m，設計裝機容量355MW。大壩建基面原設計底面高程EL.1954m。因開挖揭露的地質(zhì)情況較好，在EL.1970m面對大壩開挖面以下壩基巖體質(zhì)量進行了單孔聲波測試，為論證大壩建基面是否存在優(yōu)化的可能提供數(shù)據(jù)支撐。由于本工程對壩基礎要求較高，壩基中緩傾角裂隙和軟弱夾層對大壩安全影響較大，利用單孔聲波測試的優(yōu)點探明壩基礎中緩傾角裂隙和軟弱夾層的分布范圍和規(guī)模是檢測的重點。大壩壩基均勻布置物探檢測孔17個，孔深均為24m。

3.2數(shù)據(jù)處理與結果分析

對壩基各物探孔進行單孔聲波測試后，可得到各測試孔沿孔深方向的巖體波速。由這些點數(shù)據(jù)來直接描述壩基中不利地質(zhì)結構的分布位置和范圍，顯然十分復雜、抽象、模糊。而利用GOCAD軟件可以將各測試孔的巖體波速數(shù)據(jù)理解為鉆孔內(nèi)點數(shù)據(jù)（P-data），進行實體三維建模，對成果進行平面和立體的直觀展示。

在GOCAD中建立新的工程項目，選擇WELL模塊，輸入鉆孔的位置信息，并將大壩壩基巖體聲波測試數(shù)據(jù)作為點數(shù)據(jù)輸入，更新工程項目的坐標值，即建立了壩基巖體聲波測試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。此時，可利用GOCAD菜單項建立壩基巖體波速的可視化模型。建模參數(shù)可自定義，模型建立后，即完成了離散的聲波測試數(shù)據(jù)的三維可視化。在統(tǒng)一模型下，可利用GOCAD強大的繪圖功能繪制成果圖形。

本應用實例的建模網(wǎng)格為1m×1m×0.2m，加入了邊界限制，并以各物探測試孔孔口高程限制模型的上表面。壩基巖體聲速三維模型如圖2所示，繪制選取高程面的平切圖集如圖3所示，沿壩軸線方向的截面圖集如圖4所示。

圖2 壩基巖體聲波測試數(shù)據(jù)的三維模型圖

圖3 平切圖集

圖4 截面圖集

由圖3、圖4可知，壩基河床壩基低波速區(qū)域隨高程降低而減少。平面上，小于4.6km/s波速的區(qū)域相對集中在左岸靠近拱壩中心線的區(qū)域及右岸靠近上游部位；深度方向上，低波速區(qū)域主要分布在EL.1964～EL.1965m高程上，EL.1964m高程下，未發(fā)現(xiàn)明顯連續(xù)的低波速帶。

4 結語

GOCAD軟件在壩基巖體單孔聲波測試數(shù)據(jù)三維可視化中的有益嘗試，將聲波測試獲取的離散點數(shù)據(jù)得到了直觀、系統(tǒng)、全面的展示，為立洲水電站的建基面高程最終優(yōu)化到EL.1964m提供了可靠資料。

GOCAD軟件功能強大，兼具專業(yè)性和通用性。而其在三維可視化方面的優(yōu)異表現(xiàn)和通用性，可廣泛用于多種工程物探檢測方法的成果展示。但存在的不足是，由于GOCAD軟件采用體元的建模方式，若要提高三維地質(zhì)體空間位置的幾何精度，會使空間單元數(shù)目呈三次方增長，不利于高精度大模型的建立。

1 楊東來等. 地質(zhì)體三維建模方法與技術指南[M]. 北京：地質(zhì)出版社. 2007.

2 徐文杰, 胡瑞林, 李厚恩, 李新華, 李壯舉. CAD軟件在工程地質(zhì)三維建模中的應用[J]. 工程地質(zhì)學報，2007，15（2）：279-283.

3 Mallet JL. Discrete smooth interpolation in geometric modeling. Comput Aided Des 1992,24：178-191.

式中：E0為巖體變形模量，MPa；μ為泊松比，取0.25。

E4～E6試驗點巖性為灰黑色中層-中厚層細晶大理巖（T2y5-1），微風化；E20～E22試驗點巖性為白色中厚層粗晶大理巖（T2y5-2），微風化。

從表2可以看出，E4～E6試驗點在6MPa壓力作用下的變形模量E0為5.26～8.10×103MPa，采用公式（2）計算的單位彈性抗力系數(shù)k0為37.2～64.8MPa/cm，平均值為48.0MPa/cm；E20～E22試驗點在6MPa力作用下的變形模量E0為4.58～50.34×103MPa，采用公式（2）計算的單位彈性抗力系數(shù)k0為36.6～402.7MPa/cm，平均值為240.4MPa/cm。

柔性條形載荷板法試驗成果與剛性承壓板變形試驗計算成果相比，灰黑色中層-中厚層細晶大理巖（T2y5-1）中，XP2-1、XP2-2、XP2-3和XP5-1試驗點（較完整）巖體的單位彈性抗力系數(shù)試驗值與E4～E6試驗點6MPa壓力作用下的單位彈性抗力系數(shù)試驗計算值相近；白色中厚層粗晶大理巖（T2y5-2）中，SP6-1和SP6-2試驗點（完整）巖體的單位彈性抗力系數(shù)試驗值高于E20～E22試驗點6MPa壓力作用下的單位彈性抗力系數(shù)試驗計算值。

3 結語

“長條載荷板法”圍巖彈性抗力系數(shù)試驗研究結果能夠滿足工程需要。試驗結果較真實地反映了高大洞室底板圍巖的巖體單位彈性抗力系數(shù)值大小，與現(xiàn)有的剛性承壓板變形試驗成果相比，較完整巖體的單位彈性抗力系數(shù)試驗值與其計算值相近，完整巖體的單位彈性抗力系數(shù)試驗值要高于其計算值。

參考文獻

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TV223.1

B

1672-2469（2014）02-0103-04

余燦林（1982年- ），男，工程師。