江貴榮, 周燕紅, 廖坤炎, 王建軍

(1.廣東省地質(zhì)局 第一地質(zhì)大隊,廣東 珠海 519002; 2.南昌工程學(xué)院,江西 南昌 330099; 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430074)

GMS軟件在巖土工程勘察中的應(yīng)用

江貴榮1, 周燕紅2, 廖坤炎1, 王建軍3

(1.廣東省地質(zhì)局 第一地質(zhì)大隊,廣東 珠海 519002; 2.南昌工程學(xué)院,江西 南昌 330099; 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430074)

以珠海橫琴新區(qū)某勘察區(qū)為例,根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù),利用GMS中2D Scatter Point、 TINS和Solid模塊建立該區(qū)三維巖土層結(jié)構(gòu),與現(xiàn)用勘察軟件制作的成果圖相比,其生成的剖面更平滑,更客觀。

GMS;三維巖土層結(jié)構(gòu)模型;巖土工程勘察

在工程勘察中,成果圖件編制可以通過鉆孔柱狀圖及剖面圖反映地層分布,由于柱狀圖和剖面圖是離散的、不連續(xù)的,往往缺乏整體可視效果,因此巖土層結(jié)構(gòu)三維可視化研究成為熱點[1-5]。目前常用的三維可視化軟件有GOCAD、FLAC3D、ANSYS和GIS等[6-7],這些軟件功能強大,可以精細刻畫斷層、巖脈和礦體等特征,但繪制三維可視化模型工作量大,需要較為詳細的數(shù)據(jù)資料。GMS軟件是水文地質(zhì)模擬軟件,在水文地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,多用于數(shù)值模擬,刻畫三維含水層結(jié)構(gòu)功能服務(wù)于數(shù)值模擬[8]。把GMS應(yīng)用于工程勘察中,將整個勘察區(qū)巖土層分布特征進行三維可視化展示[9],可以方便工程技術(shù)人員使用勘察成果,并且在三維可視化時數(shù)據(jù)準(zhǔn)備處理較為簡單。

1 軟件簡介

GMS(Groundwater Modeling System)是一款綜合性地下水?dāng)?shù)值模擬軟件,由美國Brigham Young University的環(huán)境模型研究實驗室和美國軍隊排水工程試驗工作站研制開發(fā),其綜合了諸多已有地下水模型,比如MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D和NUFT等。GMS軟件操作界面友好,前、后處理功能強大,成果可視化程度高,目前已成為最常用地下水模擬軟件之一。

GMS軟件除了具有強大的地下水模擬功能外,對于三維地層刻畫也極為方便,涉及的主要模塊包括Borehole、2D Scatter Point、 TINS和Solid。

Borehole模塊對鉆孔資料進行管理并生成鉆孔柱狀圖,可自動或手動生成三維地層結(jié)構(gòu)模型。

2D Scatter Point模塊管理散點數(shù)據(jù),可以進行二維地質(zhì)統(tǒng)計(插值)分析,可以用于對各種類型像網(wǎng)格、柵格、TINS等進行插值。

TINS模塊的主要功能是將研究區(qū)三角剖分,并將插值計算出的等值線圖轉(zhuǎn)化為每個剖分節(jié)點上的具體高程值。此外,可以利用多個TIN,直接生成三維巖土層,相互疊加后就形成了整個勘察區(qū)完整的三維巖土層結(jié)構(gòu)模型。

Solid模塊用于構(gòu)造和管理地層三維實體模型。三維實體模型建立后,可根據(jù)需要在任意層、任意位置切割剖面,并查看剖面巖土層分布情況,也可以在空間任意旋轉(zhuǎn)角度上觀察模型的結(jié)構(gòu)。

2 GMS在工程勘察項目中的應(yīng)用

2.1 勘察區(qū)概況

勘察區(qū)位于珠海市橫琴新區(qū),年平均氣溫22.4 ℃,極端最低氣溫為2.5 ℃,極端最高氣溫為38.5 ℃;年降雨日為137.2天,年平均降雨量為1 993.70 mm,其中5—9月降水集中,其降雨量合計為年降雨量的77%。

2.2 建模方法

在GMS中,常用的建立地層三維實體模型的方法主要有兩種:一種是基于Borehole模塊,另一種是基于2D Scatter Point模塊。Borehole模塊構(gòu)建模型時,較為簡單,只要將鉆孔數(shù)據(jù)整理成GMS識別的相應(yīng)格式,導(dǎo)入后插值到由邊界生成的TIN中,執(zhí)行生成三維模型命令即可。2D Scatter Point模塊相對比較繁瑣,應(yīng)預(yù)先準(zhǔn)備好各地層的頂?shù)装鍞?shù)據(jù),再逐個導(dǎo)入,并將其插值到對應(yīng)TIN中,最后執(zhí)行命令生成三維地質(zhì)模型。若研究區(qū)巖土層條件簡單,不易出現(xiàn)竄層情況時,可采用第一種方法,反之宜采用第二種方法,并在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時進行數(shù)據(jù)修正。相對于其他三維可視化軟件,GMS具有數(shù)據(jù)格式簡單、建模方法可選、易于前后處理以及可視化功能突出等特點。

圖1 鉆孔布置圖Fig.1 Layout chart of drilling

2.3 建模過程

根據(jù)勘察鉆孔數(shù)據(jù),本區(qū)存在較多透鏡體,局部為互層,因此采用第二種方法進行三維地質(zhì)模型構(gòu)建。建模過程如下:

(1) 收集鉆孔數(shù)據(jù),并按層位將數(shù)據(jù)整理成(XYZ)格式。為避免在巖土層構(gòu)建時出現(xiàn)竄層,可預(yù)先采用Golden Software Surfer軟件將層位厚度數(shù)據(jù)按一定間距進行預(yù)先插值,并將插值結(jié)果厚度>0的數(shù)據(jù)修正為0。利用地表高程數(shù)據(jù)依次減去處理后巖土層厚度,即可得相應(yīng)層位的頂?shù)装甯叱虜?shù)據(jù),保存為(XYZ)格式。

表1 勘察區(qū)場地巖土單元(層)一覽表

(2) GMS中模型邊界可識別SHP格式,可采用MAPGIS將CAD文件轉(zhuǎn)換成SHP文件,完成后裝入GMS,利用TINS模塊對勘察區(qū)進行網(wǎng)格剖分。

(3) 將整理好的各巖土層高程散點數(shù)據(jù)通過2D Scatter Point模塊導(dǎo)入到GMS中,采用Inverse distance weighted插值法進行插值計算,并將結(jié)果插值到相應(yīng)的TIN上。

(4) 在TIN模塊中選擇horizons→solids命令,生成各巖土層實體結(jié)構(gòu)模型,從而建立整個勘察區(qū)三維巖土層結(jié)構(gòu)模型。

該三維巖土層結(jié)構(gòu)模型通過打開和關(guān)閉相應(yīng)層位進行整體或單層顯示,可從XYZ軸負方向進行剖面查看或三維空間任意角度查看。通過GMS中Solid模塊下的Create Cross Section命令切割三維巖土層結(jié)構(gòu)模型,切割位置既可以根據(jù)鉆孔連線,也可以隨機切割,生成該位置相應(yīng)剖面,通過開關(guān)斷面線顯示單剖面或多個剖面(圖2-圖4)?，F(xiàn)用的勘察軟件在刻畫剖面時一般選擇多個鉆孔連線,在處理透鏡體或互層時容易受主觀因素影響,但GMS軟件在三維巖土體刻畫時僅參照數(shù)據(jù)變化,尖滅服從插值數(shù)據(jù)分布,人為主觀因素修正較少,即透鏡體或互層尖滅時延相對平滑、客觀。

圖2 勘察區(qū)南北向剖面圖Fig.2 NS-trending profile in investigation area

圖3 勘察區(qū)東西向剖面圖Fig.3 EW-trending profile in investigation area

圖4 勘察區(qū)巖土層空間結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.4 Profile of spatial structure of rock-soil layer

通過GMS構(gòu)建的三維巖土層結(jié)構(gòu)模型,不光可查看正常巖土層分布,對于透鏡體或互層也有較好的刻畫。在該勘察區(qū)中,相對重要巖土層特征為:①塊石填土層(層號1-2)厚度在場地內(nèi)分布變化大,場地中南部分布較厚,北部、東部較薄;②吹填砂層(層號1-3)透鏡體分布不連續(xù),厚度分布不均,北西側(cè)、東側(cè)缺失,西側(cè)、中部局部較厚;③淤泥層(層號2-1)場地分布廣泛、連續(xù),厚度變化較大;④海陸交互相粉質(zhì)粘土層(層號2-5)和粗砂/礫砂層(層號2-6)出現(xiàn)了透鏡體或互層,厚度變化較大,在勘察軟件中將其處理為相對連續(xù)土層,但在GMS中由插值結(jié)果控制,多被處理成透鏡體或互層,具有一定平滑效應(yīng);⑤殘積層(層號3)僅局部出露,厚度較小,不連續(xù);⑥勘察區(qū)巖體為燕山三期侵入強風(fēng)化花崗巖(層號5)和中風(fēng)化花崗巖(層號6),分布較廣且連續(xù)。

3 結(jié)語

勘察區(qū)三維巖土層結(jié)構(gòu)模型是利用GMS軟件中的2D Scatter Point、 TINS和Solid模塊建立的。該三維巖土層結(jié)構(gòu)模型具有空間結(jié)構(gòu)可視化、剖面切割隨意化以及真實、準(zhǔn)確等特點,并可通過切割剖面建立起立體剖面圖。從該三維模型上可以清楚地看到巖土層的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系,方便工程技術(shù)人員整體把握勘察區(qū)巖土層厚度、分布和結(jié)構(gòu)的空間變化。

[1] 施木俊,熊毅明,甄云鵬.基于工程勘察鉆孔數(shù)據(jù)的三維地層模型的自動構(gòu)建[J].城市勘測,2006(5):62-64.

[2] 孫國慶,施木俊,雷永紅,等.三維工程地質(zhì)模型與可視化研究[J].工程勘察,2001(5):8-11.

[3] 郭甲騰,吳立新,楊宜舟,等.巖土工程勘察場地立體空間建模與可視化信息管理[J].東北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,35(1):122-125.

[4] 喬濤,李曉勇.采用MAPGIS 進行地層三維可視化的應(yīng)用[J].工程勘察,2008(增1):279-282.

[5] 翁正平.復(fù)雜地質(zhì)體三維模型快速構(gòu)建及更新技術(shù)研究[D].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),2013.

[6] 聶瓊.小南海壩基軟弱夾層發(fā)育規(guī)律及三維可視化[D].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),2014.

[7] 李莉.工程地質(zhì)信息三維可視化關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津:天津城市建設(shè)學(xué)院,2008.

[8] 賈瑞亮,周金龍,劉延鋒,等.應(yīng)用GMS軟件構(gòu)建三維含水層結(jié)構(gòu)模型[J].節(jié)水灌溉,2014(1):57-59.

[9] 楊軍杰.GMS三維地質(zhì)模型在鐵路地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2014,58(11):24-27.

[10] GB50021—2001(2009版),巖土工程勘察規(guī)范[S].

(責(zé)任編輯：陳文寶)

The Application of GMS in Geotechnical Investigation

JIANG Guirong1, ZHOU Yanhong2, LIAO Kunyan1, WANG Jianjun3

(1.FirstBrigadeofGuangdongGeologicalBureau,Zhuhai,Guangdong519002; 2.NanchangInstituteofTechnology,Nanchang,Jiangxi330099; 3.SchoolofEnvironmentalScience,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074)

Taking the investigated area of Hengqin town in Zhuhai city as example,the three-dimensional structure of rock-soil layers is established by assigning formation with 2D Scatter Point,TINS and Solid modules of GMS according to borehole data and elevation data.The profile compared to the investigation results is smoother and more objective which is established by GMS.

GMS Software; three-dimensional structure of rock-soil layers; geotechnical investigation

2015-03-18;改回日期:2015-04-01

江貴榮(1986-),男,助理工程師,碩士研究生,地下水科學(xué)與工程專業(yè)，從事地質(zhì)災(zāi)害勘察設(shè)計與工程勘察工作。E-mail:123jiangguirong123@163.com

TP319; TU4

A

1671-1211(2015)03-0347-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503024

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150422.1104.017.html 數(shù)字出版日期:2015-04-22 11:04