李永勇

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

基于AutoCAD Civil 3D的水利工程地質(zhì)三維模型

李永勇

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

Civil 3D軟件包含了傳統(tǒng)CAD的全部功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了三維動態(tài)模型的設(shè)計(jì)。文中以某水庫工程地質(zhì)勘察的三維地質(zhì)建模過程為例，通過創(chuàng)建地形曲面、地層實(shí)體、壩基開挖曲面、生成施工結(jié)果等步驟來介紹Civil 3D的建模過程，為水利工程地質(zhì)勘察三維建模提供參考。

Civil 3D；地質(zhì)；三維模型

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維模型在設(shè)計(jì)行業(yè)得到日益廣泛的應(yīng)用。AutoCAD Civil 3D軟件包含了傳統(tǒng)CAD的全部功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了三維動態(tài)模型的設(shè)計(jì)。Civil 3D軟件廣泛應(yīng)用于規(guī)劃、交通、市政、水利等土木工程領(lǐng)域[1]。在傳統(tǒng)CAD工程地質(zhì)制圖的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型，更加直觀地觀察工程設(shè)計(jì)的施工結(jié)果，便于快速發(fā)現(xiàn)工程地質(zhì)制圖中存在的問題，同時(shí)對施工結(jié)果進(jìn)行模擬，大大提高勘察設(shè)計(jì)的工作效率。蘭立偉等運(yùn)用Civil 3D軟件在水工大壩壩體三維建模設(shè)計(jì)中，得到了較好的效果[2]。

1 主要思路

傳統(tǒng)的地質(zhì)建模思路主要是利用Civil 3D軟件中的曲面、路線、縱斷面之間同一對象不同視圖不同顯示的特性，各個(gè)視圖間對象修改具有動態(tài)關(guān)聯(lián)的特征，來生成地層曲面。主要利用了二維地形地質(zhì)圖與地質(zhì)剖面圖創(chuàng)建出三維地質(zhì)模型。

水庫工程多建于河谷型地貌，由于地層的出露、河谷切割等因素，繪制地層實(shí)體需多次裁減地層曲面，步驟較為繁瑣。本文利用Civil 3D軟件的創(chuàng)建實(shí)體功能，通過地層實(shí)體干涉，快速生成地層實(shí)體，使得河谷型地貌繪制地層實(shí)體更加快捷。具體建模過程為：①繪制原始地形三角網(wǎng)曲面；②利用鉆孔等勘探資料繪制各地層曲面；③根據(jù)剖面圖選定地層實(shí)體干涉步驟進(jìn)行干涉；④整理成圖。

2 工程實(shí)例

某水庫工程位于沖溝溝口，沖溝走向?yàn)镹80～85°W，無常流水。壩軸線走向N22°W，壩址區(qū)溝谷多為“U”型谷，溝谷寬約90 m，地面高程915～935 m，壩址處因溝內(nèi)修建淤積壩造地，地形呈臺階段。兩岸多為土質(zhì)坡，自然坡度30～70°，呈臺階段，多為耕地。山梁高程一般 990～1 050 m，相對高差 60～120 m，屬典型梁峁?fàn)铧S土地貌。

發(fā)育地層巖性主要為古生界奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）、石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）和新生界第四系松散堆積物。①奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）巖性主要為峰峰組上段灰、深灰、青灰色厚層灰?guī)r夾豹皮狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r。②石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）巖性為灰白色、灰黃色、灰色砂質(zhì)頁巖及灰色、淺灰色黏土質(zhì)頁巖、鋁土頁巖等。③第四系（Q4）松散堆積物主要為低液限粉土、低液限黏土夾鈣質(zhì)結(jié)核層。

根據(jù)勘察報(bào)告，得到壩軸線剖面簡圖與壩軸線橫剖面簡圖見圖1、圖2。

圖1 壩軸線剖面圖

圖2 壩軸線橫剖面圖

2.1 創(chuàng)建原始地形曲面

工程測量提供了比例尺1∶1 000平面圖，并不能利用Civil 3D軟件直接生成三維地形曲面。需對圖面數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，步驟如下：

1）隔離地形圖中的高程點(diǎn)，利用“提取數(shù)據(jù)”命令提取高程點(diǎn)數(shù)據(jù)形成外部高程點(diǎn)數(shù)據(jù)文件。對高程點(diǎn)數(shù)據(jù)文件內(nèi)容進(jìn)行整理，只保留坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2）新建空白Civil 3D文件，從高程點(diǎn)數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入坐標(biāo)點(diǎn)，需要按照高程點(diǎn)數(shù)據(jù)文件格式選擇點(diǎn)文件格式。

3）創(chuàng)建“原始地形”曲面，對曲面的點(diǎn)編組進(jìn)行定義，將剛導(dǎo)入的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)添加到點(diǎn)編組，利用“對象查看器”檢查原始地形曲面。刪除明顯錯(cuò)誤的高程點(diǎn)。

4）生成原始地形三角網(wǎng)曲面，結(jié)果見圖3。

2.2 創(chuàng)建地層曲面

整理外業(yè)得到的勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計(jì)出基巖面數(shù)據(jù)、C2b與O2f層面數(shù)據(jù)。鉆孔數(shù)據(jù)越多，得到的曲面越精確，本文只列出部分鉆孔數(shù)據(jù)，見表1。

圖3 原始地形三角網(wǎng)曲面

1）根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，分別生成基巖面高程點(diǎn)數(shù)據(jù)文件及C2b與O2f層面高程點(diǎn)數(shù)據(jù)文件。

2）按照原始地形曲面步驟生成基巖面曲面及C2b與O2f層面曲面。

3）利用“提取對象”命令，提對各地層曲面等高線數(shù)據(jù)，并對等高線圖進(jìn)行編輯，使曲面合理化。并將修改后的等高線添加到相應(yīng)的曲面定義中。

表1 鉆孔數(shù)據(jù)表

4）重新定義各地層曲面邊界，與原始地形曲面邊界一致。

2.3 提取各曲面實(shí)體

1）提取原始地形實(shí)體

提取原始地形曲面實(shí)體，向下提取深度為負(fù)值，深度宜大于最大勘探深度，本工程取-200 m，得到實(shí)體A。

2）提取基巖面實(shí)體

向上提取基巖面實(shí)體，本工程取100 m，得到實(shí)體B；

向下提取基巖面實(shí)體，本工程取-100 m，得到實(shí)體C。

3）提取C2b與O2f層面實(shí)體。

向上提取C2b與O2f層面實(shí)體，本工程取100 m，得到實(shí)體D；

向下提取C2b與O2f層面實(shí)體，提取至最大高程處，本工程取850 m，得到實(shí)體E。

2.4 干涉實(shí)體

干涉實(shí)體是將選定的兩個(gè)實(shí)體的公共部分提取出來。應(yīng)注意，此時(shí)的工作空間為“三維建?！?。

1）覆蓋層實(shí)體

干涉實(shí)體A和實(shí)體B，得到覆蓋層實(shí)體（黃色）。

2）C2b 地層實(shí)體

干涉實(shí)體A和實(shí)體C，得到實(shí)體F；

干涉實(shí)體F和實(shí)體D，得到C2b地層實(shí)體（粉色）。

3）O2f地層實(shí)體

干涉實(shí)體F和實(shí)體E，得到O2f地層實(shí)體（綠色）。

至此，各地層實(shí)體都已經(jīng)生成，刪除實(shí)體A～F，只保留各地層實(shí)體。通過“對象查看器”可觀察生成的三維地層模型。

2.5 施工結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)壩基開挖，利用“放坡創(chuàng)建工具”，可將壩基開挖進(jìn)行放坡，合并原始地形曲面和壩基開挖曲面，生成施工結(jié)果曲面。施工結(jié)果曲面實(shí)體與各地層實(shí)體進(jìn)行干涉，可得到最終的開挖結(jié)果模型，見圖4。

圖4 三維建模結(jié)果圖

3 模型分析

根據(jù)三維模型可以看出，壩基中段開挖未將覆蓋層全部清除，地基仍存在不均勻變形等工程地質(zhì)問題，對大壩安全存在隱患，建議進(jìn)一步進(jìn)行處理。

4 結(jié)論

通過工程實(shí)例分析，體現(xiàn)了Civil 3D軟件在建立三維地質(zhì)模型的直觀性、高效性。Civil 3D軟件在水利工程地質(zhì)建模中的優(yōu)勢主要有以下幾點(diǎn)：

1）Civil 3D軟件的曲面功能可以更加快速地提取測量數(shù)據(jù)，并形成數(shù)據(jù)庫，同時(shí)方便對測量成果進(jìn)行檢查。

2）利用實(shí)體干涉生成地層實(shí)體模型的方法較為高效，但需要準(zhǔn)確分析各實(shí)體干涉的先后步驟。

3）三維模型可以直觀地看出工程設(shè)計(jì)存在的問題。

4）對于構(gòu)造形跡較為復(fù)雜的地質(zhì)模型的建立，仍需進(jìn)一步研究。

［1］任 耀，秦 軍等，AutoCAD Civil 3D 2008實(shí)戰(zhàn)教程[M]，北京：人民交通出版社，2008.

［2］蘭立偉，嚴(yán) 杰，AutoCAD Civil 3D在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］，中國水運(yùn)，2009，12（9）：120-121.

Three Dimensional Modeling for Hydraulic Engineering Geological Investigation Based on AutoCAD Civil 3D

LI Yong-yong

Civil 3D software contains all the functions of traditional CAD software.At the same time，it realizes the design of 3D dynamic model.The 3D geological modeling process of geological investigation in a reservoir project was taken as an example，the Civil 3D modeling process was introduced by creating the terrain surface，the stratum entity，the excavation surface of the dam foundation and generating construction results.The results could provide reference for 3D modeling in hydraulic engineering geological investigation.

Civil 3D；geological；3D modeling

TV221.2

B

1006-8139（2017）02-032-03

2017-02-24

李永勇（1982-），男，2008年中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）碩士研究生畢業(yè)，工程師，主要從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)方面的研究。