三維地質(zhì)建模在大型引調(diào)水工程中的應(yīng)用

曹泰瑞 左霖 駱桂英

摘 要：華北平原大型引調(diào)水工程具有跨越地層單元廣、工程數(shù)量多、工期集中等特點。本文結(jié)合GeoStation軟件的自動建模、半自動建模及分區(qū)塊建模功能，建立了一套大型線型水利工程的建模流程方法;將工程劃分為獨立單元進行分區(qū)建模，解決了建模操作面單一的困難，兼顧了模型質(zhì)量與建模效率的平衡;介紹了建模過程中的實際經(jīng)驗和模型應(yīng)用情況，為大型線型水利工程的三維建模和模型應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：引調(diào)水工程;三維地質(zhì)建模;GeoStation

中圖分類號：TV221.2文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）09-0078-04

Abstract： The large-scale water diversion project in the North China Plain has the characteristics of a wide range of strata units， a large number of projects， and a concentrated construction period. In this paper， combined with the automatic modeling， semi-automatic modeling and block modeling functions of GeoStation software， a set of modeling process methods for large-scale linear water conservancy projects had been established; the project planning was divided into independent units for partition modeling， which solved the difficulty of a single modeling operation surface and took into account the balance of model quality and modeling efficiency; the actual experience and model application in the modeling process were introduced， which provided a reference for the three-dimensional modeling and model application of large-scale linear water conservancy projects.

Keywords： water diversion engineering;three-dimensional geological modeling;GeoStation

我國是水資源短缺的國家。特別對于華北平原而言，水資源時空分布不均、水環(huán)境惡化、生活工業(yè)用水供需緊張已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟快速發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。興建大型跨區(qū)域引調(diào)水工程在加強可利用水資源管理、保障居民生活用水質(zhì)量、促進受水區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展方面有難以替代的作用，是提升區(qū)域水資源承載力的有效途徑[2]。僅河南省已投入運行及在建的大型平原區(qū)引調(diào)水項目有：南水北調(diào)中線及其配套工程、引江濟淮（河南段）工程、趙口灌區(qū)工程、小浪底北岸灌區(qū)工程、西霞院水利樞紐灌區(qū)工程等。

隨著地學(xué)信息化的發(fā)展，數(shù)學(xué)地質(zhì)正向“數(shù)字地質(zhì)”發(fā)展[3-4]，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）為巖土數(shù)字化工作帶來了契機與挑戰(zhàn)[5]。相對于工業(yè)民用建筑行業(yè)已日趨成熟的BIM技術(shù)水平，水利水電行業(yè)以涉及專業(yè)多、建設(shè)周期長、建設(shè)內(nèi)容繁雜等特點在BIM領(lǐng)域仍處于初級發(fā)展階段。尤其是在大型線型引調(diào)水工程上，目前處于起步探索階段，缺乏針對該類項目的一套完整作業(yè)流程及標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)前，發(fā)達國家主流的三維地質(zhì)建模軟件有法國達索公司的CATIA、英國Data Mine公司的Data Mine Studio、美國PST油藏技術(shù)公司的GOCAD和Autodesk公司的Revit、澳大利亞Micromine公司的Micromine軟件等[6-7]。從國內(nèi)來看，深圳秉睦科技有限公司的BM_GeoModeler、南京庫倫公司的EVS和華東勘測設(shè)計研究院的GeoStation等近年都在巖土建模領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用效果[8-9]。本文以華東勘測設(shè)計研究院依托MicroStation軟件平臺開發(fā)的地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(tǒng)GeoStation為例，介紹平原區(qū)大型引調(diào)水工程的建模經(jīng)驗。

1 Geostation建模流程

GeoStation是華東勘測設(shè)計研究院依托Bentley公司的MicroStation軟件平臺開發(fā)的地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(tǒng)。主要建模流程為地形面建?！獢?shù)據(jù)入庫—地質(zhì)界面建?！刭|(zhì)體建模，如圖1所示。

1.1 地形面建模

在實際建模工作中，地形數(shù)據(jù)主要來源于兩方面：一是基于測繪專業(yè)的DEM數(shù)字高程模型生成的TIN三角網(wǎng)格（下稱方式一）;二是基于dwg格式地形圖中的等高線及高程點生成的地形mesh面（下稱方式二）。在Smooth（光滑）顯示模式和Wireframe（網(wǎng)格）顯示模式下，同一場地基于DEM和等高線兩種不同數(shù)據(jù)生成的地形面對比如圖2所示。由此可以看出，方式一生成的地形面在精細度和準(zhǔn)確度方面相較方式二具有明顯優(yōu)勢，但其成本較高;方式二基于dwg格式等高線生成地形面，具備操作簡單、數(shù)據(jù)量小、修改靈活等優(yōu)點。

（a） Smooth模式下地形面對比

（b） Wireframe模式下地形面對比

在處理地形數(shù)據(jù)時，為了避免其與后期工程數(shù)據(jù)不匹配，人們應(yīng)注意以下兩點：使用dwg文件轉(zhuǎn)入GeoStation生成地形面之前，要將圖形單位設(shè)置為米（m）;前期地形數(shù)據(jù)和后期地質(zhì)要素、建筑物位置信息應(yīng)統(tǒng)一在相同的坐標(biāo)系中。

1.2 數(shù)據(jù)入庫

建模人員可通過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（GeoData Manage）對項目各種屬性數(shù)據(jù)進行錄入，包括項目階段、區(qū)域、地質(zhì)測繪、勘探、試驗和物探數(shù)據(jù)等，也可以在建模軟件中對繪制元素進行屬性定義，再導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。

1.3 地質(zhì)界面建模

地質(zhì)界面元素的建模工作按幾何特征要素可分為兩類：即規(guī)則面元素建模和不規(guī)則面元素建模。規(guī)則面元素適用于產(chǎn)狀穩(wěn)定的地質(zhì)要素，如沉積巖巖性界面和簡單構(gòu)造。地質(zhì)人員僅指定面產(chǎn)狀和出露點即可完成面元素的建模，簡潔高效，后續(xù)剪切亦不易報錯。不規(guī)則面元素建模適用于無明顯展布規(guī)律的地質(zhì)要素，如覆蓋層、變質(zhì)巖巖性界面、大型褶皺等復(fù)雜構(gòu)造。建模人員需要繪制必要的輔助線網(wǎng)格，對面元素的幾何形狀進行控制。

1.4 地質(zhì)體建模

地質(zhì)體主要建模方式有拉伸成體再剪切和圍合成體等。建模人員可將面元素拉伸至指定高程或厚度成體，再用面截切體得到符合要求的幾何體形狀。此建模方式邏輯簡單直白，困難在于面剪切體過程中軟件運行時間長，報錯率高。

圍合成體需要定義地質(zhì)體的頂、底面，圍合范圍為頂、底面在垂直方向上的最小相交面積。實際操作中，此建模方式軟件運行成功率高，但圍合前需要對斜面進行多次剪切圍合，避免地質(zhì)體之間存在空腔。

值得注意的是，地質(zhì)體建模階段，各種點、線、面、體元素交錯，空間位置相互堆疊，有必要及時對新生成的面和體模型進行屬性定義，方便對各元素的模塊化管理。

2 工程區(qū)單元劃分

大型引調(diào)水工程一般由取水樞紐、輸水建筑物、控制建筑物、交叉建筑物、調(diào)蓄水庫以及末端配套工程組成，空間上一般分為調(diào)出區(qū)、輸水線路區(qū)和受水區(qū)。其具有跨越地層單元廣、單項工程數(shù)量多、工期集中等特點。為了兼顧建模效率及模型質(zhì)量，有必要提前對項目進行分區(qū)塊切割，依據(jù)在空間、功能、復(fù)雜程度等方面的不同將工程劃分為多個獨立單元，針對各單元特征采取與之相適應(yīng)的建模方法。

地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(tǒng)GeoStation按照行業(yè)領(lǐng)域分為多個軟件產(chǎn)品，包括水利水電工程地質(zhì)三維系統(tǒng)（GeoStation for Geology）和城市巖土工程地質(zhì)三維系統(tǒng)（GeoStation for City）等。雖然二者的產(chǎn)品遵循各自的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但其所生成的dgn模型可以相互通用，為引調(diào)水工程模型的單元切割和整合提供了便利。下面以河南省某大型灌區(qū)為例，簡要介紹工程區(qū)單元劃分的經(jīng)驗與體會。

一是對于位于地勢平坦區(qū)域、地層結(jié)構(gòu)簡單的節(jié)制閘等控制建筑物、中小型末端配套建筑物等，可類比普通工業(yè)民用建筑物建模方法，利用GeoStation for City中的自動建模技術(shù)。地質(zhì)人員只需要錄入鉆孔數(shù)據(jù)，設(shè)定網(wǎng)格間距，程序便可自動實現(xiàn)地層劃分。軟件自動建模可以顯著提升建模效率，滿足簡單建筑物“量多”的需求。

二是對于倒虹吸、穿河隧洞、渡槽等大型交叉建筑物或局部地質(zhì)條件復(fù)雜的工程單元，可采用半自動建模技術(shù)。地質(zhì)人員需要劃定建模邊界，設(shè)置參數(shù)生成初始地質(zhì)體，然后對局部重要地塊進行修正。半自動建模方法在保障模型重點區(qū)域準(zhǔn)確的同時縮短了建模周期，在一定程度上達成了模型質(zhì)量和建模效率的平衡。

三是對于丘陵、峽谷區(qū)地貌的取水樞紐、調(diào)蓄水庫等大型建筑物，涉及斷層、褶皺、透鏡體等復(fù)雜地質(zhì)要素的工程單元，應(yīng)建立大量虛擬鉆孔和垂直輔助剖面，根據(jù)項目進度對模型進行多期次、逐步精細化的修正，地質(zhì)人員需要根據(jù)自己豐富的專業(yè)經(jīng)驗繪制輔助線網(wǎng)來達到精準(zhǔn)控制地質(zhì)要素的目的。

3 模型應(yīng)用

三維地質(zhì)模型是BIM三維模型的重要組成部分，其根本應(yīng)用是數(shù)字化交付，以協(xié)同上、下游專業(yè)的信息交互，保障項目成果的連續(xù)性和累積性，解決信息孤島，為項目全生命周期的建設(shè)運行提供高效率、高質(zhì)量的基礎(chǔ)條件?，F(xiàn)階段，三維地質(zhì)模型在地質(zhì)專業(yè)中還有批量出圖、開挖量估算、可視化分析及成果驗證、數(shù)值分析等應(yīng)用。

3.1 批量繪制圖表

三維地質(zhì)模型完成后，專業(yè)人員可以對模型進行任意剖切，設(shè)置相關(guān)出圖細節(jié)，計算機會依據(jù)數(shù)據(jù)庫信息、模型屬性等批量打印各種表格，繪制剖面圖、平切圖、鉆孔柱狀圖等。在遇到設(shè)計變更時，應(yīng)用三維地質(zhì)模型批量繪制圖表，能有效緩解工作量煩瑣、重復(fù)勞動多、校核難度大等困難。

3.2 開挖方量估算

三維地質(zhì)模型可以清晰地展示各地層的空間展布情況，并根據(jù)施工開挖參數(shù)進行動態(tài)虛擬開挖設(shè)計，方便、快捷得到各巖性層的開挖方量和回填方量（見圖3），為土石方工程造價預(yù)算提供參考，從而達到降低人力預(yù)算及物資消耗的目的。

3.3 可視化分析及成果驗證

大型引調(diào)水工程線路長，勘察期次多，地質(zhì)條件復(fù)雜。對于穿越復(fù)雜地質(zhì)條件區(qū)域的線型項目，傳統(tǒng)二維圖件難以完整、直觀地傳遞工程區(qū)內(nèi)的地下空間構(gòu)造和地層分布變化。三維地質(zhì)模型有助于地質(zhì)人員從多維度、多視角豐富空間想象，及時捕捉二維空間中不易獲取的信息，提高對工程區(qū)內(nèi)地學(xué)規(guī)律的認識和判斷水平，為勘測設(shè)計提供更充分的解釋和驗證。

大型引調(diào)水工程勘察過程中會出現(xiàn)多期次成果不整合、各鉆孔內(nèi)地層劃分不一致等現(xiàn)象，直接導(dǎo)致后期人員校核數(shù)據(jù)和修改圖件費時費力。三維地質(zhì)建模的過程會倒逼地質(zhì)人員對所有鉆孔數(shù)據(jù)進行梳理、概化，在校核原始數(shù)據(jù)的同時，便于地質(zhì)建模人員更深刻地思考、認識區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)成因及規(guī)律。此外，展布于同一三維空間中的試驗、物探、鉆探等數(shù)據(jù)組成了一幅立體的數(shù)據(jù)云圖像，既能分析、印證各種地質(zhì)資料間的相互關(guān)系，又易于向非專業(yè)人員展示勘測成果。

3.4 數(shù)值計算

隨著計算機運算能力的普遍提升，數(shù)值分析計算冗繁的問題顯著緩解，而在求解復(fù)雜問題時以其廣泛的適用性受到越來越多專業(yè)人員的青睞。鑒于FLAC3D、Abaqus、Modflow等數(shù)值計算軟件在前處理功能上的缺憾，將三維地質(zhì)模型轉(zhuǎn)化為可計算網(wǎng)格開展數(shù)值分析的需求日趨強烈。許多學(xué)者都發(fā)掘了各樣基于三維地質(zhì)模型生成可計算網(wǎng)格模型的途徑，以補足數(shù)值軟件在構(gòu)建不規(guī)則三維地質(zhì)體時的短板，這些嘗試為三維地質(zhì)模型在工程項目中的應(yīng)用帶來了欣欣向榮的生命力。

4 結(jié)論

大型引調(diào)水工程是解決我國華北平原水資源緊張的有效途徑。建立一套完整的三維模型作業(yè)流程及標(biāo)準(zhǔn)可為完善大型引調(diào)水工程BIM建設(shè)體系、緩解地區(qū)用水矛盾、促進生態(tài)和諧提供技術(shù)支撐。針對大型引調(diào)水工程空間分布、建筑類別、地質(zhì)條件等特征，將其劃分為不同獨立單元，并結(jié)合GeoStation軟件的自動及半自動建模功能，可實現(xiàn)建模效率與模型質(zhì)量的平衡，有效降低工程跨越地層單元廣、建筑物數(shù)量多、工期集中等因素帶來的建模困難?，F(xiàn)階段，三維地質(zhì)模型的主要應(yīng)用集中于可視化、開挖量估算、地質(zhì)構(gòu)造定性分析等，模型整體利用率還存在很大的挖掘空間。將三維地質(zhì)模型與數(shù)值模型相結(jié)合進行定量分析，將極大地拓寬三維地質(zhì)建模在水利水電工程中的應(yīng)用市場。

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