（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，昆明650051）

三維地質建模，就是運用計算機技術，在三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質解譯、空間分析和預測、地學統(tǒng)計、實體內容分析及圖形可視化等工具結合起來，用于地質研究的技術［1］。三維地質建模最初主要是為了解決礦業(yè)工程、油藏工程等地質模擬和輔助工程設計而提出的，隨著相關理論基礎的研究和深入，以及計算機技術的迅速發(fā)展，國外在相關領域出現(xiàn)了一些地質建?？梢暬浖鏓arthVision，GOCAD，3DGMS等。近年來，國內三維地質建模軟件系統(tǒng)的開發(fā)逐漸成為關注的熱點，一些單位及高校研究開發(fā)出了滿足不同要求的三維地質建模系統(tǒng)［2-5］。

土木工程三維地質系統(tǒng)（GeoBIM）是由中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司和中國地質大學（武漢）聯(lián)合開發(fā)的三維地質建模軟件，軟件功能涉及權限管理、數(shù)據(jù)維護、三維建模、數(shù)據(jù)分析、圖件編繪、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)查詢等，軟件已在數(shù)十個水利水電工程中得到應用，取得了大量的應用成果。

1 三維地質建模的基本流程

1.1 數(shù)據(jù)準備

三維地質建模以各種原始資料為基礎，用于建模的數(shù)據(jù)包括以下幾類。

（1）地形數(shù)據(jù)。包括點云數(shù)據(jù)、地形等高線、地形面等。

（2）物探數(shù)據(jù)。包括物探剖面成果、物理屬性界面等。

（3）勘探數(shù)據(jù)。包括鉆孔、平洞、探坑、探井、探槽等勘探成果資料。

（4）試驗數(shù)據(jù)。包括各種室內試驗及原位測試的成果資料。

（5）地質數(shù)據(jù)。包括遙感解譯成果、工程地質測繪資料。

根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型，分別進行整理和歸納。將各類地質點數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，將各類特征線和面直接導入軟件中作為原始數(shù)據(jù)，并從完整性、合規(guī)性、合理性等方面對數(shù)據(jù)進行全面的檢查和復核。

1.2 建?；玖鞒?/h3>

（1）將各類基礎地質資料錄入到地質數(shù)據(jù)庫中。

（2）直接導入測繪專業(yè)提供的地形面，將基礎地質資料轉換為空間點、線數(shù)據(jù)。

（3）以各類勘探點為節(jié)點繪制控制剖面，根據(jù)各類地質對象的特點繪制特征，輔助剖面對建模數(shù)據(jù)進行加密，得到各類地質對象的控制線模型，對同一屬性線條擬合得到相應地質對象的初步大面模型。

（4）通過剪切、合并等操作形成三維地質面模型。

（5）通過圍合操作得到三維地質圍合面模型，通過面與實體的分割操作得到三維地質體模型。

三維地質建模流程如圖1。

圖1 三維地質建模流程

2 工程地質對象建模

2.1 地表面模型及河流水面模型

地表面是地質建模的基礎表面，同時也是三維設計工作的基礎，在實際工作中，應有唯一的地形面才能保證使用數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。為保證地形面的精度，地形面的提供者應為測繪專業(yè)，且地形面模型應同時滿足地質建模軟件和設計專業(yè)軟件的需求。

2.1.1 地表面模型

模型的建立同時考慮水上地形數(shù)據(jù)和水下地形數(shù)據(jù)，一次性整體建模。河流水面模型應使用河流兩側及河流中的測繪點云數(shù)據(jù)進行建模，并通過與地表面模型的剪切操作得到河流水面模型。

2.1.2 地形面

需根據(jù)地質勘探點及物探測量點高程對地形面進行校核及更新，以保證地形面的精度。

2.2 覆蓋層建模

在建模過程中，應考慮覆蓋層堆積成因，根據(jù)底界面形態(tài)和已有數(shù)據(jù)選擇合適的建模方法。滑坡體的建模應關注滑坡的滑動面和滑坡中部堆積體厚度的變化情況；沖積層的建?？梢钥紤]河流的特點，采用橫截面剖面分段控制建模的方法來進行建模，如圖2。

圖2 工程區(qū)覆蓋層地質模型

2.3 地層及構造建模

地層及構造建模主要考慮產(chǎn)狀來建模，在分界點上給出反映該處對象變化情況的傾向線或小范圍面，綜合各個分界點的特征線或特征面擬合建模，既可保證面模型通過現(xiàn)有分界點，又可反映地層和構造的整體變化特點，如圖3。

圖3 地層界面、構造面模型

2.4 剖面線建模

風化面、卸荷面、水位面、透水率界限面等地質對象的建模相較于地層及構造的建模，缺少了產(chǎn)狀信息，且形態(tài)特征更加不規(guī)則，需要更多的數(shù)據(jù)來控制形態(tài)的變化。將現(xiàn)有的各類離散點，通過剖面的方式來連接各類散點，一方面可以增加數(shù)據(jù)量，另一方面可以給定擬合的方向，提高擬合成目標面的效率。

剖面線建模以現(xiàn)有的勘探點位為控制節(jié)點，形成三角化的剖面線網(wǎng)格控制研究區(qū)的建模，而對于缺少數(shù)據(jù)的部位可增加適量的輔助剖面來進行數(shù)據(jù)加密。

2.5 特殊對象建模

特殊對象考慮透鏡體及溶洞，這類對象的建模方式不同于其他地質對象。在建模過程中，重點構建地質對象的軸線和特征截面線，通過放樣的方式來建模。

3 建模成果

3.1 基礎圖件

通過對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)直接調用，可得到各類基礎圖件，如鉆孔柱狀圖、赤平投影圖、節(jié)理玫瑰圖等。

3.2 數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計

在建模的過程中直接從數(shù)據(jù)庫調用數(shù)據(jù)，在需要進行數(shù)據(jù)查詢時，可搜索各類相關信息并直接查看。同時，數(shù)據(jù)庫提供了數(shù)據(jù)統(tǒng)計的功能，可以根據(jù)不同的設置條件來統(tǒng)計各類數(shù)據(jù)。

3.3 模型分析

主要針對已建的三維地質模型進行分析，模型分析可以進行單截面分析、多截面分析、剖面分析、虛擬鉆孔、虛擬平洞等操作。在空間上、多角度反映地質對象的變化情況，為地質對象的空間分析提供了基礎，如圖4～圖5。

圖4 單截面分析

圖5 多截面分析

3.4 成果圖件編繪

三維地質圖在表達上更加形象，更具立體感，但是由于缺少三維地質圖的相關出圖標準，現(xiàn)階段的圖件編繪以二維圖件和三維圖件共存，可以直接從三維模型中抽取得到二維圖件；三維圖件在強調展示效果的同時注重信息的展示，既可達到美觀的效果，又可表達信息，為三維圖件的標準化提供了參考，如圖6～圖7。

圖6 二維剖面地質圖

圖7 三維地質剖面圖

3.5 CAE分析

隨著各種數(shù)值計算分析軟件的不斷發(fā)展，三維數(shù)值模擬分析在工程中得到了大量的應用，二維設計成果需要通過成果轉換得到三維模型。三維設計可以直接提供三維地質模型，經(jīng)過適當?shù)暮喕涂梢詰糜跀?shù)值模擬計算，如圖8和圖9。

圖8 模型剖分結果

圖9 模型分析結果

3.6 協(xié)同設計

設計專業(yè)使用的軟件與地質三維建模軟件不同，通過對地質模型進行轉換可得到直接導入設計軟件的地質模型，包括Inventor軟件和Civil 3D軟件。導入Inventor軟件的地質模型為實體模型，帶有地質相關信息，包括地質對象的巖性、風化、建議開挖坡比及相關的巖土力學參數(shù)。導入Civil 3D軟件的地質模型為面模型，帶有面的相關屬性，如地層分界面、風化程度、水位面等信息，如圖10和圖11。

圖10 導入Inventor地質模型

圖11 導入Civil 3D地質模型

4 工程實例

4.1 工程概況

某水電站位于雅礱江中游河段上，電站總裝機容量1500MW。樞紐由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。該電站位于高山峽谷區(qū)，兩岸地形陡峭，呈基本對稱的“V”型。壩址區(qū)基巖主要為花崗閃長巖、板巖夾砂巖、變質粉砂巖等。壩址區(qū)變質巖為單斜地層，斷層較發(fā)育，共發(fā)育3條Ⅱ級結構面，59條Ⅲ級結構面。

4.2 工程三維地質建模

本工程應用土木工程三維地質系統(tǒng)軟件（GeoBIM）進行三維地質建模，主要利用勘探所得的54個鉆孔成果，以鉆孔為節(jié)點繪制了控制性剖面共41條，結合初步曲面擬合成果有針對性地增加了輔助剖面，得到的全部剖面的空間線條如圖12。將具有同一屬性的空間線條進行曲面擬合，按照各曲面之間相互關系進行剪切后得到各種地質對象的面模型。本次建模完成了4個地層界面、62個斷層面、地下水面、強卸荷面、弱卸荷面、透水率1Lu面、弱風化上帶分界面、弱風化下帶分界面、微風化面等面模型。通過對建模范圍的側面及底面進行圍合，得到工程樞紐區(qū)三維地質模型，如圖13。

圖12 繪制剖面后得到的空間線條

圖13 樞紐區(qū)三維地質模型立視圖

4.3 三維地質建模成果應用

通過對三維地質模型進行剖切直接得到各種建筑物軸線的三維地質剖面模型，如圖14；將三維地質模型轉換后導入Inventor軟件，基于三維地質模型進行開挖面設計，得到壩基與水墊塘開挖邊坡設計模型，如圖15；使用開挖面對三維地質模型進行剪切得到開挖面三維地質模型，如圖16；將大壩及地下廠房等模型與地質模型結合后，直接進行剖切后可以了解建筑物所處的地質條件，圖17為某高程三維地質平切模型。

圖14 大壩壩軸線三維地質模型

圖15 壩基與水墊塘開挖邊坡設計模型

圖16 開挖面三維地質模型

圖17 三維地質平切模型

5 結語

三維地質建模技術依托三維地質建模軟件在水利水電工程中取得了較好的應用效果，解決了各類原始資料的整理和歸納，各種資料的快速查詢和統(tǒng)計，各類地質對象的快速建模，三維地質模型的快速分析，二維圖件批量出圖，三維圖件編繪，地質模型與建筑物模型結合CAE分析，地質專業(yè)與設計專業(yè)協(xié)同等問題，大大減少了二維設計中出現(xiàn)的錯誤，提高了工作效率，為整個工程的三維設計工作打下了堅實基礎。

參考文獻：

［1］Houlding S W.3D geo science modeling：computer techniques forgeologicalcharacterization［M］.Berlin：Springer-Verlag，1994.

［2］鐘登華，李明超，劉杰.水利水電工程地質三維統(tǒng)一建模方法研究［J］.中國科學，2007，38（3）：455-466.

［3］劉振平.工程地質三維建模與計算的可視化方法研究［D］.武漢：中國科學院武漢巖土力學研究所，2010.

［4］梁昌玉.水電工程地質體三維建模及可視化研究［D］.蘭州：蘭州大學，2010.

［5］王正.水利水電工程三維地質建?？梢暬夹g研究［D］.長沙：中南大學，2013.