賈新會，王小兵，張春峰，李 浩

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065;2.依泰斯卡(武漢)咨詢有限公司，武漢 430205)

基于DSI插值的復雜地質體流程化建模技術在工程中的應用

賈新會1，王小兵1，張春峰1，李 浩2

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065;2.依泰斯卡(武漢)咨詢有限公司，武漢 430205)

介紹了當前國際領先的三維地質曲面建模技術，對比分析了算法的優(yōu)越性，將算法引入到復雜地質體建模當中，結合工程地質工作流程與習慣，開發(fā)了流程化建模工具。巴塘水電站的成功應用證明，DSI算法適合非連續(xù)、非線性和具有二元結構的地質體三維建模。結合工程地質數(shù)據(jù)庫，運用流程化工具建立復雜地質體三維模型，提高了工作效率，工作過程體現(xiàn)了地質工程師對地質體的認知過程，模型成果客觀反映了地質對象的空間關系。關鍵詞：DSI；復雜地質體；地質數(shù)據(jù)庫；三維地質模型；流程化建模；巴塘水電站

0 前 言

隨著計算機硬件性能的提高、三維可視化軟件技術的進步[1-2]以及行業(yè)需求的發(fā)展，中國相關部門將地質內業(yè)工作方式從傳統(tǒng)的二維轉向了三維已成為常態(tài)化，如何利用地質勘探和空間分析獲取的一系列空間離散數(shù)據(jù)來快速高效客觀地反映地質構造的空間展布情況，成為復雜地質體三維建模的關鍵問題。因此，實現(xiàn)工程地質資料的數(shù)字化，建立工程地質數(shù)據(jù)庫，選用最優(yōu)插值算法——離散光滑插值算法(Discrete Smooth Interpolation，以下簡稱為DSI)模擬復雜地質體，建模過程方便靈活地融入地質工程師的判斷意圖，并流程化定制建模過程，實現(xiàn)地質資料的管理、分析、顯示、傳輸和共享，對于及時、實用和有效地獲得相關地質信息至關重要[3-5]。本文針對地質體建模的特殊性對比分析了離散光滑插值算法，結合西北勘測設計研究院工程地質三維工作開展狀況，闡述了工程地質信息有效管理與應用、復雜地質體快速建模的實現(xiàn)方法，并在巴塘水電站做了實踐應用。

1 DSI建模技術

DSI技術在20世紀20年代開始得到發(fā)展和應用，在20世紀90年代法國科學家Mallet[6-7]提出一個迭代算法并進一步總結形成了一套專門針對地質體建模及分析的理論，并在GoCAD中植入該方法，廣泛應用于采礦、石油等領域進行三維地質建模與分析。

1.1 DSI基本原理

如果將地質界面視為離散化的不連續(xù)界面，地質點及地質勘探揭示的鉆孔平硐等數(shù)據(jù)作為約束條件，DSI則是通過在這些約束條件下求解目標函數(shù)——全局粗糙度函數(shù)的最優(yōu)解來得到符合約束條件的最優(yōu)化地質界面。

定義三維地質離散模型Mn(Ω,N,φ,C)，其中，Ω是構成模型的所有節(jié)點;N是每個節(jié)點的領域點集;φ是每個節(jié)點的n階矢量屬性函數(shù);C為每個節(jié)點的約束。

定義全局粗糙度函數(shù)：

(1)

(2)

其中:

(3)

式中：v,η∈N;α,β∈Ω;c∈C

根據(jù)實際約束條件可以得到不同條件下的約束系數(shù)，進而通過公式(2)迭代求解最優(yōu)化的φ值。實際的約束條件包括鉆孔揭示的界面位置、產(chǎn)狀、斷層斷距及錯動方向等，其中的約束可以分為硬約束和軟約束。硬約束必須100%精確擬合，比如鉆孔揭示的層面位置；有些是軟約束，比如斷層錯動方向、推測的斷距以及一些物探解譯得到的界面位置等。這些可以根據(jù)具體勘探或物探的可信度賦予權重因子來進行擬合。根據(jù)鉆孔資料應用DSI插值計算生成地質界面見圖1所示。

圖1 根據(jù)鉆孔資料應用DSI插值計算生成地質界面圖

1.2 DSI與克里金插值法的比較

克里金插值法[8]在地學里被廣泛應用，中國的三維地質建模軟件大部分基于該方法，與克里金插值法相比較，DSI具有如下優(yōu)勢：

(1) 可以非常容易地構建復雜模型，比如多值的透鏡體、溶洞以及覆蓋層等模型，克里金插值法則難以處理多值模型。

(2) 應用DSI技術的建模是一個不斷完善和修正的過程，與地質體的勘探和認識過程完全一致，而一次性“死”網(wǎng)格的建模方式無法滿足這一要求，如圖2所示。

圖2 DSI的建模是一個不斷完善和修正的過程圖

(3) 可以構建非連續(xù)模型，比如斷層模型，如圖3所示。DSI法可以很方便完成這類建模，克里金插值法則很難處理這類問題。

圖3 采用DSI方法構建斷層界面的非連續(xù)性模型圖

(4) DSI的約束條件可以多種多樣，并且可以在同一位置出現(xiàn)多個相同類型的約束；DSI技術還可以根據(jù)相同類型約束的不同權重因子來綜合擬合該點的位置，比如在物探建模中，可以根據(jù)不同的物探方法解譯得到的數(shù)據(jù)以及該物探方法的可信度權重因子來進行綜合建模。

2 工程地質信息可視化管理平臺簡介

工程地質信息可視化管理平臺是由中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司聯(lián)合依泰斯卡(武漢)咨詢有限公司共同開發(fā)推出的實用地質三維設計產(chǎn)品，簡稱ItasCAD，該平臺包括了工程地質數(shù)據(jù)庫、工程地質三維建模、工程地質應用等基本模塊。

2.1 工程地質數(shù)據(jù)庫

地質數(shù)據(jù)庫結構和功能設計以工作需要為出發(fā)點，采用樹形層次結構來組織地質數(shù)據(jù)，既體現(xiàn)了工程需要，也考慮了工作流程的方便應用。涵蓋地質、勘探、物探和試驗等資料。地質數(shù)據(jù)既可以滿足三維建模和鉆孔柱狀圖、節(jié)理玫瑰花圖等統(tǒng)計圖表輸出的工作需要，也可以提供水電、BQ、RMR三種巖體質量分級方法所需要的單指標數(shù)據(jù)，是一個全功能工程地質數(shù)據(jù)庫，即可以“一庫多用”。

2.2 工程地質三維建模

ItasCAD是中國首款利用DSI技術作為地質建模內核的三維地質建模與分析軟件，與國際領先的地質建模軟件GoCAD相比，ItasCAD具有操作簡單、實用的特點，特別是ItasCAD將工程地質中常見的幾種建模分別開發(fā)為相應的建模流程，包括單一層面建模流程、透鏡體建模流程、覆蓋層建模流程、斷層錯動建模流程、二維工作面校核流程、物探建模流程等模塊，使得一般地質工程師很容易上手操作。

2.3 模型成果輸出

ItasCAD中開發(fā)了二維圖件輸出模塊，可以在三維模型基礎上快速輸出地質平面圖、剖面圖、平切圖等圖件，解決了傳統(tǒng)的手工作業(yè)效率低下的問題，且避免了采用二維視角描述三維地質體存在的一些局限性。

同時，ItasCAD還開發(fā)了多種數(shù)據(jù)接口，可以與其他軟件(比如AutoCAD、Mircostation、Catia、GoCAD等)進行數(shù)據(jù)交換，方便和滿足多行業(yè)的工程應用需求。

3 應用實例

3.1 工程簡介

巴塘水電站為金沙江上游河段13級開發(fā)的第9級水電站，電站裝機容量為750 MW，多年平均發(fā)電量33.93億kWh(聯(lián)合)，水庫正常蓄水位2 545.00 m，死水位2 541.00 m，總庫容1.58億m3，屬Ⅱ等大(2)型工程。壩址區(qū)河床覆蓋層深厚，顆粒組成以砂卵礫石為主，間夾含泥礫中粗砂、含泥礫中細砂透鏡體。壩基巖體卸荷、松動，地形凸起，巖體破碎，F(xiàn)50斷層破碎帶寬15 m左右，F(xiàn)11為雄松-蘇洼龍斷裂的分支斷層，陡傾岸外發(fā)育。

3.2 工程地質數(shù)據(jù)管理

針對不同工程階段、不同工程部位分別錄入鉆孔、平硐以及物探和試驗等基本信息，建立了巴塘水電站地質數(shù)據(jù)庫，利用“導入至ItasCAD”功能，實現(xiàn)鉆孔和平硐的三維可視化顯示及勘探數(shù)據(jù)的入庫檢驗，并運用到三維地質建模過程中。

3.3 工程地質建模

(1) 單一巖層建模

將數(shù)據(jù)庫中鉆孔、平硐、地質點等數(shù)據(jù)導入ItasCAD，結合地形測繪資料定義建模范圍并創(chuàng)建勘探資料的中值面，以測繪數(shù)據(jù)為模糊約束、勘探點數(shù)據(jù)為精確約束進行離散光滑插值運算(DSI)構建如地層、風化、地下水等地質界面的基本形態(tài)，對比參考面進行局部修改并裁剪處理建立單一界面。

(2) 覆蓋層建模

首先根據(jù)已知資料選擇覆蓋層參考面或導入勘測的覆蓋層露頭線，將鉆孔揭露界限作為精確約束，同時根據(jù)地質人員推測覆蓋層深度定義最大、最小厚度值作為模糊約束建立覆蓋層界面，執(zhí)行離散光滑插值(DSI)運算構建覆蓋層面模型。建模過程除充分利用已知勘探資料外，還可以人工干預。

(3) 結構面建模

將二維平面圖中結構面跡線導入至ItasCAD并投影到覆蓋層下底面，若該區(qū)域沒有覆蓋層可直接將斷層跡線投影到地形面，在面對象中選擇“線與產(chǎn)狀”命令，根據(jù)產(chǎn)狀信息創(chuàng)建結構面模型。結構面模型如圖4所示。

圖4 壩址區(qū)斷層模型圖

(4) 透鏡體建模

從數(shù)據(jù)庫導入透鏡體勘探控制點，選擇要建立的透鏡體對象→生成中間面→加密中間面→勾畫要建立透鏡體的范圍界限，對邊界線進行適當移動、插入節(jié)點、加密邊界、光滑邊界線等操作，點擊下一步

生成初始透鏡體，通過網(wǎng)格加密調整網(wǎng)格密度，輸入迭代步數(shù)，將勘探點設置為精確約束，然后進行擬合計算，逐漸加密細化，生成透鏡體，建模過程既遵從勘探資料又符合地質認識過程。

(5) 模型局部修改(二維工作面)

此項工作主要是針對模型校審，根據(jù)校審人員的認識，實現(xiàn)對勘探點之間模型進行動態(tài)修改，修改結果自動反映在三維空間，適用于對模型小幅度調整。基本流程為：任意定義二維工作面位置→定義二維工作面影響范圍→在剖面上移動任意部分節(jié)點進行模型調整。調整過程中將勘探點設置為精確約束，避免修改時影響到勘探點部位的精度。二維剖面驅動三維面模型，方便了審驗和校核，很好地保證了三維模型的實時更新和模型的精確度。

3.4 二維圖件輸出

根據(jù)不同設計方案中二維剖面線布置圖，輸入或者導入剖面端點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維地質模型任意剖切，批量輸出符合地質出圖規(guī)范的二維地質圖，包括地質剖面圖、平切圖、平面圖以及等值線圖等不同類型圖件。二維出圖時可以根據(jù)規(guī)范要求對每一個對象屬性進行定義或將數(shù)據(jù)庫中屬性更新至二維剖面，然后導出DXF格式文件。巴塘水電站壩軸線工程地質剖面見圖5。

圖5 壩軸線工程地質剖面圖

4 結 語

(1) DSI插值算法作為目前國際上領先的三維地質體建模技術，不同于中國常用的克里金插值法，特別適合非連續(xù)、非線性和具有二元結構的地質體三維建模。建模過程也能夠體現(xiàn)地質工程師對地質體的認識過程，即，隨著地質勘探數(shù)據(jù)的增多，地質模型能局部調整并逐步完善。

(2) DSI插值算法被應用到專業(yè)地質三維建模軟件I中小型工程項目急性高原病防治體系的建立tasCAD中，設計成各種建模流程，配合定制的工程地質數(shù)據(jù)庫、二維校核與出圖模塊，提供給地質工程師，使得勘探數(shù)據(jù)的利用、工程地質三維建模、二維圖件制作等工作變得快速高效。

(3) 巴塘水電站的成功應用證明，ItasCAD平臺適用于水電工程地質領域三維建模及地質分析，具有極高的推廣價值。

(4) ItasCAD已經(jīng)具備了地質體幾何建模方面的幾乎全部功能，后續(xù)開發(fā)的基于三維地質體模型的分析應用功能，如巖體質量分級、卸荷帶定量劃分、硐室和邊坡工程的穩(wěn)定性計算、水電施工與運行期監(jiān)測預警等模塊將極大地拓展平臺的應用范圍，提升地質勘探數(shù)據(jù)及模型的應用價值。

[1] 朱良峰,吳信才,劉修國.基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地層模型的構建[J].地理與地理信息科學, 2004 (03):28-29.

[2] 石勇,楊鵬,呂文生.一種新的斷層構造三維建模技術[J].礦業(yè)工程,2006(04):53-55.

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[4] 張春峰,王小兵,賈新會.水電工程地質信息管理系統(tǒng)研究[J].西北水電,2016(01):14-17.

[5] 張春峰,周小娟,賈新會等.水電工程地質信息三維可視化研究及應用[J].資源環(huán)境與工程,2015(05):726-130.

[6] Mallet,J.L.Discrete Smooth Interpolation in Geometric Modeling[J].Computer-Aided Design,1992,24(04):177-191.

[7] Mallet,J.L.Geomodeling[M].New York:Oxford University Press, 2002:600.

[8] 王靖波,潘懋,張緒定.基于Kriging方法的空間散亂點插值[J].計算機輔助設計與圖形學學報,1999,11(06):525-529.

Application of DSI Interpolation Based Flow Modeling Technology for Complicated Geological Mass in Engineering

JIA Xinhui1, WANG Xiaobing1, ZHANG Chunfeng1, LI Hao2

(1.Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China; 2. Itasca (Wuhan) Consulting Co., Ltd., Wuhan 430205,China)

The world advanced modeling technology for 3D geological curved surface is introduced and the method advantage is analyzed as well. This method is introduced to the modeling of the complicated geological mass. The flow modeling tools are developed in combination of the engineering geological flow and habits. The successful application of the technology in Batang Hydropower Project proves that DSI method is applicable to the 3D modeling of the discontinuous, nonlinear and dualistic structural geological mass. In Combination with the engineering geological database, the work efficiency is improved by application of the flow tools to establish the 3D model of the complicated geological mass. The work process displays the recognization of geologist to the geological mass. The modeling accomplishment reflects the spatial relationship of the geological objects.Key words:DSI; complicated geological mass; geological database; 3D geological model; flow modeling; Batang Hydropower Project

1006—2610(2016)06—0090—04

2016-08-25

賈新會(1979- )，男，甘肅省寧縣人，工程師，從事工程數(shù)字化工作.

科研項目：地質三維設計及信息化管理研究(XBY-2012-003).

P642.4;TP391.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.023