彭鑫龍 PENG Xin-long；楊華舒 YANG Hua-shu；王學(xué)鵬 WANG Xue-peng；蒲應(yīng)舉 PU Ying-ju

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650051）

（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051，China）

0 引言

在運(yùn)用傳統(tǒng)的地質(zhì)信息模擬方法時(shí)最主要的手段是利用平面圖和剖面圖。其實(shí)質(zhì)是通過將三維空間下的地貌、地層、構(gòu)造以及其他地質(zhì)現(xiàn)象往某一平面進(jìn)行投影。但是在實(shí)際操作中就會(huì)暴露出一些缺陷，比如空間信息會(huì)損失或失真、繪圖過程變得復(fù)雜繁瑣、參數(shù)修改變得困難等。

近年來，計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)值分析已然躋身巖土工程分析方法的前列。由美國Itasca Consulting Goup lnc開發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序FLAC-3D(Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua)就是其中一種應(yīng)用較為廣泛的軟件。該程序能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。但是，F(xiàn)LAC 3D軟件在建立復(fù)雜三維地質(zhì)模型以及網(wǎng)格的劃分實(shí)現(xiàn)等前處理過程中存在很大不足：①FLAC 3D軟件的操作全部采用命令流，不能使用交互式操作，建立模型不能直觀顯示；②當(dāng)需要建立的地質(zhì)模型表面變化復(fù)雜，地層變化多樣時(shí)，需要對各個(gè)邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，命令數(shù)量大，出錯(cuò)不易查出；③建立復(fù)雜模型時(shí)要花費(fèi)大量時(shí)間才能是模型與實(shí)際較吻合。

因此，文章提出了基于GoCAD與Surfer平臺的復(fù)雜三維地質(zhì)建模和網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)體模型的快速、直觀建模。通過實(shí)際工程實(shí)例，也驗(yàn)證了此種建模方法是可行的、有效的。

1 GoCAD與Surfer軟件介紹

GoCAD（Geological Object Computer Aided Design）軟件是一款功能強(qiáng)大的三維地質(zhì)建模軟件，在工程地質(zhì)、地球物理勘探、礦業(yè)開發(fā)、石油工程、水利工程中有廣泛的應(yīng)用。GoCAD軟件具有強(qiáng)大的三維建模、可視化、地質(zhì)解釋和分析的功能。它既可以進(jìn)行表面建模，又可以進(jìn)行實(shí)體建模；既可以設(shè)計(jì)空間幾何對象，也可以表現(xiàn)空間屬性分布。并且，該軟件的空間分析功能強(qiáng)大，信息表現(xiàn)方式靈活多樣。一般來講，要建模的地質(zhì)目標(biāo)，千姿百態(tài)，既要描述其幾何形態(tài)，也要描述其所包含的地質(zhì)屬性特征。但是無論多么復(fù)雜的地質(zhì)體，歸納起來都可以用點(diǎn)、線、面、體等四種類型的數(shù)據(jù)來描述。在GoCAD中描述地質(zhì)目標(biāo)的數(shù)據(jù)主要有一下四種定義：①點(diǎn)集：描述離散點(diǎn)數(shù)據(jù)；②線集：描述斷層線、鉆孔軌跡、測井曲線和河道等線狀數(shù)據(jù)；③面集：描述層面、斷面等面狀數(shù)據(jù)；④體集：地震數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、地層網(wǎng)格、封閉體等數(shù)據(jù)體。

Surfer是一款畫三維圖的軟件，是美國Golden Software公司的系列繪圖軟件之一。Surfer的主要功能是繪制等值線圖（contour map），是具有插值功能的繪圖軟件，在這里主要用到的就是該軟件內(nèi)置的克里金（Kriging）插值功能?？死锝鸩逯捣ㄓ址Q空間自協(xié)方差最佳插值法，它是以法國D.G.Krige的名字命名的一種最優(yōu)內(nèi)插法。它首先考慮的是空間屬性在空間位置上的變異分布，確定對一個(gè)待插值點(diǎn)有影響的距離范圍，然后用此范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)來估計(jì)待插值點(diǎn)的屬性值。該方法在數(shù)學(xué)上可對所研究的對象提供一種最佳線性無偏估計(jì)（某點(diǎn)處的確定值）的方法。它是考慮了信息樣品的形狀、大小及與待估計(jì)塊段相互間的空間位置等幾何特征以及品位的空間結(jié)構(gòu)之后，為達(dá)到線性、無偏和最小估計(jì)方差的估計(jì)，而對每一個(gè)樣品賦與一定的系數(shù)，最后進(jìn)行加權(quán)平均來估計(jì)塊段值的方法。但它仍是一種光滑的內(nèi)插方法。在數(shù)據(jù)點(diǎn)多時(shí)，其內(nèi)插的結(jié)果可信度較高。

2 三維地質(zhì)建模方法

一般情況下，我們獲取的工程地質(zhì)信息都是通過地形等高線圖反映的，因此，我們的出發(fā)點(diǎn)還是從最原始的AutoCAD圖形著手。使用GoCAD構(gòu)建三維地質(zhì)模型一般包括以下四個(gè)步驟：

2.1 提取地形圖信息 GoCAD可以導(dǎo)入多種數(shù)據(jù)類型，在此，我們將整理后的地形等高線圖另存為*.DXF格式，保存文件時(shí)確保沒有中文名稱和中文路徑。然后導(dǎo)入GoCAD：選擇File——Import Object——CrossSections——DFX導(dǎo)入等高線數(shù)據(jù)，導(dǎo)入的數(shù)據(jù)都為線數(shù)據(jù)，GoCAD中叫做Curve（即線文件），刪除不必要的數(shù)據(jù)，只保留等高線數(shù)據(jù)。此時(shí)形成的線并不平滑，因此要將整理好的線文件導(dǎo)出插值，選擇File——Export Objects——Curve——Export properties to Excel。

2.2 Surfer進(jìn)行插值 選擇導(dǎo)出的坐標(biāo)值，全選并復(fù)制，運(yùn)行Surfer，在軟件的圖形模式下新建列表，將復(fù)制的坐標(biāo)值粘貼到列表內(nèi)并另存為*.dat文件。選擇菜單“網(wǎng)格——數(shù)據(jù)”，打開剛才保存的*.dat數(shù)據(jù)，彈出圖1所示的對話框，只用設(shè)置最小、最大、間距數(shù)據(jù)、插值方法，單擊確認(rèn)即可產(chǎn)生格網(wǎng)數(shù)據(jù)，打開產(chǎn)生的格網(wǎng)數(shù)據(jù)*.grd文件，效果圖如圖2所示。保存*.grd數(shù)據(jù)為ASCII XYZ(*.dat)文件，接著導(dǎo)入到GoCAD。

圖1 Surfer進(jìn)行插值

圖2 插值后的格網(wǎng)數(shù)據(jù)

2.3 鉆孔數(shù)據(jù)分析及導(dǎo)入 對于多地層的模型，還需要借助已有的鉆孔揭露地層數(shù)據(jù)。將鉆孔制作成.txt文本，直接可以一次性導(dǎo)入。鉆孔導(dǎo)入方法：File——Import Object——Welldata——(Path)LocationsfromColumnbased File。然后同樣的方法再導(dǎo)入分層數(shù)據(jù)，鉆孔數(shù)據(jù)文本和分層標(biāo)記文本格式如表1所示。

表1 鉆孔數(shù)據(jù)與分層標(biāo)記文本格式

過程如下：File——Import Object——Well data——(Markers)Column-based File，數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入后，建立Group，右鍵Group——New Group——Add to Group添加所有鉆孔數(shù)據(jù)，成功導(dǎo)入數(shù)據(jù)后生成如圖3效果。

圖3 導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)生成標(biāo)記

2.4 建立模型并劃分網(wǎng)格 當(dāng)分層的標(biāo)記做好以后便開始由點(diǎn)生成面。對于表面，可以直接由從CAD提取的等高線插值點(diǎn)信息生成，過程如下：Surface——New——（From Points Sets）Point Set，選擇對應(yīng)的 Point Set對象。對于借助鉆孔數(shù)據(jù)生成面的過程有所不同：Surface——New——（From Surface）From Others——Well Markers。分別選擇前面步驟做好的兩種鉆孔標(biāo)記名稱各生成對應(yīng)的層面。但是由于鉆孔數(shù)據(jù)有限，生成的面顯得平整，不符合實(shí)際。因此還需按照步驟二對表面插值的方法分別對兩個(gè)層面進(jìn)行插值修改，得到較接近實(shí)際的層面。然后將三個(gè)面疊加，對于交叉的部分采剪切再合并。

完成了表面和中間的層面，還需添加一個(gè)底面。底面添加相對簡單，過程如下：右鍵表面名稱——copy——重命名（bottom）——Surface——compute——（Apply Script）On Object，選擇 bottom 對象，將主腳本中輸入“Z=N；”（N為低于表面最小高程的任意值）。效果如圖4所示。

進(jìn)一步將由面組成的三維地形圖生成劃分網(wǎng)格的實(shí)體。使用SGrid對象下的New命令，選擇From Object Box，命名創(chuàng)建的第一個(gè)實(shí)體，選擇生成該實(shí)體的兩個(gè)面（表面與第一個(gè)層面），在 Nu、Nv、Nw中分別設(shè)置 X、Y、Z 三個(gè)方向上的網(wǎng)格數(shù)，然后使用Tools命令下的Proportionally Between Top and Bottom，選擇前述的兩個(gè)面進(jìn)行分割，確定生成第一個(gè)劃分網(wǎng)格的實(shí)體。采用相同的步驟，分別生成第二個(gè)、第三個(gè)地層。關(guān)閉輔助的點(diǎn)、線、面對象，對生成的圖形進(jìn)行必要的修正，完成最終的三維地質(zhì)模型與網(wǎng)格劃分，最終效果如圖5所示。

圖4 GoCAD中生成三維模型

圖5 GoCAD中建立實(shí)體和劃分網(wǎng)格

3 結(jié)論

GoCAD是標(biāo)準(zhǔn)三維地質(zhì)建模軟件，通過結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例，運(yùn)用GoCAD建立了基本符合現(xiàn)實(shí)情況的復(fù)雜三維地質(zhì)模型，為工作者提供了直觀演示，同時(shí)也大大簡化了應(yīng)用FLAC 3D的繁瑣前處理過程，提高了工作效率。

在建立地質(zhì)模型的過程中，若能獲得更多的鉆孔輔助數(shù)據(jù)，建立更為詳細(xì)的well group，則將得到更為接近真實(shí)地層信息的模型，在后續(xù)的計(jì)算分析中也能夠使結(jié)果更加精確。

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