三維地質(zhì)建模在工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

敖 錕

（江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，江西 南昌 330000）

工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)于工程建筑施工來(lái)講具有非同尋常的意義，一般在進(jìn)行建筑施工前應(yīng)該進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)，這樣才能夠確定是否應(yīng)該在該地質(zhì)中進(jìn)行相關(guān)建設(shè)工作，對(duì)建筑企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有非常重要的意義。而在進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)時(shí)，很多監(jiān)測(cè)手段都無(wú)法對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的全面判斷，而三維地質(zhì)模型能夠監(jiān)測(cè)和分析復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，利用監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形表達(dá)，具有更加直觀的感受，有利于為建筑工程做出正確的判斷。那么三維地質(zhì)建模在工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中具有哪些應(yīng)用呢，下面讓我們共同來(lái)進(jìn)行分析和探究。

1 三維地質(zhì)建模概述

（1）三維地質(zhì)建模概念。三維地質(zhì)模型指的是用來(lái)描述地質(zhì)相關(guān)信息的三維形態(tài)，包括一些幾何信息、物性、拓?fù)湫畔⒌葍?nèi)容。其中的幾何信息指的是構(gòu)成三維模型的點(diǎn)、線、面、交線等內(nèi)容，而物性指的是速度、孔隙度等，拓?fù)湫畔⒅傅木褪堑刭|(zhì)對(duì)象之間的一種關(guān)聯(lián)。三維地質(zhì)模型包涵了非常多的地質(zhì)信息內(nèi)容，可以通過(guò)各種信息相結(jié)合而構(gòu)成的一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的結(jié)合體，這種模型能夠利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)容通過(guò)數(shù)學(xué)模型的形式進(jìn)行展現(xiàn)，利用3D 圖形的形式更加直觀地讓工人人員對(duì)地質(zhì)環(huán)境因素進(jìn)行分析，從而可以進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)工作。三維地質(zhì)模型是由六層地層和一個(gè)斷層來(lái)構(gòu)成的，如圖1所示。

圖1 三維地質(zhì)模型

（2）三維地質(zhì)建模特征。三維地質(zhì)模型具有一定的確定性特征，模型是由實(shí)際的數(shù)據(jù)分析處理而得來(lái)的，能夠反映出一定的情況，通過(guò)模型的觀察能夠確定相關(guān)信息。三維地質(zhì)模型具有一定的可視性特點(diǎn)，通過(guò)一定的圖形工具能夠在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行不同形式的模型觀察，包括二維景觀方式、選擇顯示方式、透明顯示方式、切割顯示方式等形式進(jìn)行三維地質(zhì)模型的觀察。三維地質(zhì)模型形成后不是一成不變的，可以對(duì)其進(jìn)行編輯和修改，從而滿足人們的需要。與此同時(shí)，三維地質(zhì)模型還具有可分析性特點(diǎn)，能夠運(yùn)用已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析和預(yù)測(cè)[1]。

（3）三維地質(zhì)建模元素。構(gòu)成三維地質(zhì)模型的元素有很多種，包括點(diǎn)、線、曲面、交線、塊體、網(wǎng)絡(luò)、屬性等，下面讓我們具體進(jìn)行分析。

表1 三維地質(zhì)模型構(gòu)成元素

（4）三維地質(zhì)建模數(shù)據(jù)。三維地質(zhì)建模需要計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理才能夠形成一定的三維模型，那么相關(guān)的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)是都包涵哪些呢？首先，三維地質(zhì)模型需要等值線數(shù)據(jù)，而等值線數(shù)據(jù)又有構(gòu)造地層面和構(gòu)造斷面的區(qū)分，前者所蘊(yùn)含著地面上斷層線信息，后者蘊(yùn)藏著斷面邊界線信息。而離散點(diǎn)數(shù)據(jù)也可以分為地層面離散點(diǎn)數(shù)據(jù)和斷面離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，也是三維地質(zhì)建模過(guò)程中所需要的數(shù)據(jù)，能夠通過(guò)相關(guān)插值來(lái)確定相關(guān)的地層以及斷面的形態(tài)。在進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境情況監(jiān)測(cè)中，鉆孔是獲取地質(zhì)信息的主要方式，能夠通過(guò)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行三維地質(zhì)模型的建立。除此之外，還包括一定的修正數(shù)據(jù)，從而通過(guò)多方面數(shù)據(jù)進(jìn)行三維地質(zhì)模型的組建。

（5）三維地質(zhì)模型類(lèi)型。三維地質(zhì)模型大致可以分為四類(lèi)，其中構(gòu)造模型能夠?qū)ο鄳?yīng)的地層和斷層信息進(jìn)行展示；塊體模型主要是通過(guò)坐標(biāo)和邊界面方程來(lái)進(jìn)行點(diǎn)內(nèi)外的判斷，這種模型具有計(jì)算速度快的優(yōu)勢(shì)；光滑參數(shù)模型能夠利用函數(shù)對(duì)地質(zhì)參數(shù)變化進(jìn)行描述；四面體模型是前面三種模型的中介，能夠有效實(shí)現(xiàn)三種模型之間的互相轉(zhuǎn)換[2]。

2 三維地質(zhì)建模方法分析

在進(jìn)行三維地質(zhì)建模時(shí)一般使用GoCAD 軟件來(lái)進(jìn)行構(gòu)建，能夠?qū)Φ刭|(zhì)、物探、采礦等多個(gè)行業(yè)進(jìn)行三維模型的建立。GoCAD軟件能夠?qū)崿F(xiàn)三維模型可視化功能，能夠具有非常好的空間場(chǎng)景渲染能力，可以實(shí)時(shí)生產(chǎn)虛擬地質(zhì)構(gòu)造模型，從而可以有效提高工作人員對(duì)地質(zhì)環(huán)境的認(rèn)知和研究。與此同時(shí)，GoCAD軟件還能夠?qū)θS空間對(duì)象之間的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行具體分析，還能夠?qū)臻g實(shí)體進(jìn)行一定的編輯工作，可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行三維模型實(shí)體的增加、刪除、修改等工作內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)了工作人員的操作。GoCAD軟件會(huì)根據(jù)地質(zhì)建模的特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的插值計(jì)算，能夠根據(jù)空間實(shí)體的物理性質(zhì)和空間坐標(biāo)共同來(lái)進(jìn)行地質(zhì)信息結(jié)構(gòu)的三維模擬，有利于將地質(zhì)信息轉(zhuǎn)化為三維模型。在進(jìn)行建模時(shí)，首先需要對(duì)鉆孔和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，還需要對(duì)地質(zhì)剖面圖進(jìn)行矢量化處理，從而可以提高三維建模的精度。還需要根據(jù)相關(guān)參與進(jìn)行特定分析，這樣能夠讓參數(shù)模型變得更加合情合理。

圖2 由二維地質(zhì)剖面圖形成的三維連井剖面圖

彈簧需要將建立的三維地質(zhì)剖面與數(shù)據(jù)分析所得到的離散點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，并且能夠提取剖面與曲面不同的點(diǎn)，將此點(diǎn)作為控制點(diǎn)通過(guò)離散光滑插值來(lái)進(jìn)行曲面的擬合工作，從而不斷提高三維模型的精度。

3 三維地質(zhì)建模在工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

（1）工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方式分析。工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的方式有很多種，包括現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)、區(qū)域性評(píng)價(jià)、單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)、定量評(píng)價(jià)等多種方法，需要根據(jù)需求來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)方法的選擇。通過(guò)對(duì)相關(guān)要素的評(píng)價(jià)能夠利用信息系統(tǒng)分析、概率分析等方法進(jìn)行計(jì)算和分類(lèi)，能夠繪制出工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量區(qū)劃圖，從而為建筑工程施工提供一定的參考作用。工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)內(nèi)容包括構(gòu)造穩(wěn)定性、地面穩(wěn)定性以及地基穩(wěn)定，其中對(duì)構(gòu)造穩(wěn)定性造成影響的因素一般為地震、巖漿等地殼運(yùn)動(dòng)而造成的地殼升降。而地面穩(wěn)定性指的是巖溶、黃圖濕陷、坍塌等問(wèn)題。影響地基穩(wěn)定性的因素比較多，包括地下水、地形、巖土類(lèi)型、地層構(gòu)造等，都對(duì)地基的穩(wěn)定性造成一定的影響。而三維地質(zhì)模型能夠通過(guò)相關(guān)地質(zhì)信息的檢測(cè)而獲取一定的數(shù)據(jù)，并且通過(guò)數(shù)據(jù)分析和處理形成三維立體模型，可以對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)狀態(tài)、水文情況、地殼穩(wěn)定性等多種地質(zhì)情況進(jìn)行描述，有利于對(duì)工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)分析[3]。

（2）地層厚度和分布范圍分析。通過(guò)三維地質(zhì)模型能夠?qū)γ總€(gè)地層的厚度進(jìn)行觀察，工作人員能夠利用GoCAD 軟件將三維地質(zhì)模型中的填土層信息提取出來(lái)，從而通過(guò)一定的計(jì)算過(guò)程計(jì)算出填土厚度分區(qū)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)制作出厚度等值線圖如下。

圖3 人工填土厚度等值線圖

從圖中我們可以判斷中大部分區(qū)域的厚度是小于2m 的，大于4m 的區(qū)域部分具有很好的面積。如果所測(cè)地質(zhì)是普通的民用建筑區(qū)域，我們可以將填土厚度小于2m 的部分高強(qiáng)度土層作為天然地基，而厚度大于2m 的部分可以對(duì)其進(jìn)行一定的加入處理，然后利用其作為人工地基進(jìn)行使用。

（3）切面深度2m 地基土巖性分析。2m 切面深度圖如下。

圖4 2m 深度切面圖

從圖中可以看出，第（1）層位壓縮性土層，承載力特征值fak=105KPa，a1-2=0.327MPa-1，可以作為3 層～4 層建筑的天然地基。而（2）-1 層土承載力特征值fak=120KPa，（2）-2 層土承載力特征值fak=110KPa，可以作為淺基礎(chǔ)的天然地基。對(duì)于（3）-1 土層來(lái)講，應(yīng)該進(jìn)行地基淺埋，應(yīng)該進(jìn)行承載力的準(zhǔn)確計(jì)算；而（3）-2 的土層出露區(qū)的面積還是比較小，承載力只有70KPa，厚度比較大，不適合做天然地基，我們應(yīng)該采用摩擦型樁為地基基礎(chǔ)。對(duì)于（4）和（6）的土層都是黏土土質(zhì)，壓縮系數(shù)分別為0.213MPa-1 和0.206MPa-1，其中（4）土層承載力特征值fak=210KPa，而（6）土層承載力特征值fak=240KPa，能夠成為天然地基。然后我們需要根據(jù)建立的壓縮系數(shù)參數(shù)模型進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的提取，從而形成等值線圖如下所示。

圖5 2m 深度前面壓縮系數(shù)等值線圖

通過(guò)圖形分析我們可以看出大多數(shù)區(qū)域的壓縮系數(shù)都在0.1MPa-1～0.5MPa-1 之間，并且是以重型壓縮性土為主要部分，而高壓縮性土?xí)谝恍┲苓厖^(qū)域存在，對(duì)于地壓縮性土的范圍更是非常小[[]]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，三維地質(zhì)建模能夠?qū)⒌刭|(zhì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中所得到的數(shù)據(jù)通過(guò)一定的計(jì)算機(jī)軟件處理變成三維地質(zhì)模型和圖像，這種模型和圖像是可以進(jìn)行直觀分析的，具有一定的連續(xù)性，能夠清楚地展示出地質(zhì)記過(guò)和巖層之間的關(guān)系，能夠從多個(gè)角度來(lái)展示地質(zhì)結(jié)構(gòu)全貌，能夠有效進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分析。因此，應(yīng)用三維地質(zhì)建?？梢杂行岣叩刭|(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)質(zhì)量，可以在建筑施工前進(jìn)行相關(guān)地質(zhì)因素的檢測(cè)，從而能夠有效避免相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)建筑工程的影響，有利于建筑工程的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。