三维地质建模方式及运用分析

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本文作者：贾新会、王小兵、曹文广 单位：中国水电顾问集团西北勘测设计研究院工程地质分院

0前言

近年来，计算机软硬件技术的发展为地质三维设计的发展创造了条件，在地质领域中，岩体的三维可视化模拟已成为人们广泛关注的热点。目前，中国国内工程勘察设计行业的三维地质建模技术已经由探索阶段逐渐走向生产应用阶段。国际上广泛应用的GoCAD软件在地质建模方面有着独到之处，它不但具有核心的地质几何形态建模功能，可以实现结构特征与地质属性的统一表达，还具备强大的可视化功能和属性分析功能。本文将结合乌托水电站的三维设计详细阐述GoCAD软件在水电工程地质中的应用。

1GoCAD平台及其建模思想

1．1GoCAD简介

GoCAD(GeologicalObjectComputerAidedDesign)是由法国ENSGNancy地质学院(Mallet，1989)研制的地质造型软件，是专门针对地质专业的三维模型建造、属性分析软件。软件主要包含PointSet、Curve、Surface、solid、Voxet、Sgrid、Well、Group、Channel、2D－Grid、X－Section、Frame、Model3d等对象类型。GoCAD软件最大特点是延续了与人工地质制图传统习惯相同的思想，即利用少数已知控制点推测空间分布形态，反映地质体的空间不确定性和模拟这种不确定性的技术思路。因此，GoCAD模型可以100%保证勘探控制点处的精度，而勘探点以外部分则合理利用地质传统习惯的推测方法进行模拟。

1．2GoCAD数学处理方法

GoCAD软件是采用离散平滑内插算法(Dis-creteSmoothInterpolation，简称DSI)作为核心技术。DSI方法用一系列具有物体几何和物理特性的相互连结的节点来模拟地质体。用DSI方法模拟几何和物理特性时，已知节点和地质学中的典型信息将被转化为线形约束，引入到模型生成的过程中。该方法基于图形拓扑，它适用于构建复杂模型和处理模型表面不连续的情况。DSI算法具有一定优点，如可自由选择和自动调整格网模型，实时交互操作，能够处理一些不确定的数据等。这些优点决定了DSI在地质建模和可视化中的重要位置。

1．3GoCAD建模思路

三维地质建模的思想是利用各种地质勘测资料，借助GoCAD内部的DSI算法，将离散数据转化为连续曲面，进而建立岩体的三维模型，处理岩层界面与结构面的组合关系，逼真地反映地质体的全貌。具体思路如图1所示，建立一个曲(平)面，对该曲(平)面进行相应的约束后，将这个面拟合到由钻孔、平硐确定的该层的离散点位置，得到一个曲面，该曲面在宏观形态上与出露线、产状数据一致，在局部与钻孔确定的层面位置一致，如果其展布情况与地质规律不矛盾，则可认为该曲面可以模拟该地层面［1－2］。

2GoCAD三维地质建模方法

2．1地形面

(1)将选定的研究区域的地形等高线直接导入GoCAD软件，在PointsSet模块中将所有等高线离散成点;(2)建立一个与研究区域范围相符的平面，对平面进行分裂(Split)，即增加网格密度;(3)约束(Constraints)待变形面的边界，确保其边界(Border)只能沿Z方向进行变形，并约束待变形面，使离散点集成为待变形面的软约束控制点(ControlPoints);(4)对设置好各种约束的待变形面进行多次的插值积分(Interpolation)，根据实际情况判断变形后的曲面是否满足要求，若达到要求，停止积分操作，若需要局部修改，使用Region命令进行局部范围的划定，然后执行相应的分裂与积分操作即可。

2．2钻孔与平硐

在GoCAD中，钻孔是以钻井(Well)的形式表示的，Well作为GoCAD的基本对象之一，包含有位置信息(WellPath)和属性信息(WellLogs)。GoCAD中提供了多种数据录入接口，建模中基本采用文本文件方式录入钻孔及相关数据。数据读入GoCAD后，可在Well的Marker项修改各层的信息并加入各层的产状信息。在GoCAD平台中没有专门用于建立平硐模型的模块，平硐可以视作水平方向的钻孔，其位置信息(WellPath)表示的是平硐轴线的几何信息，其它信息与钻孔模型相似，区别在于平硐中有更多的结构面的特征信息，包括结构面的产状、填充等信息。2．3地质分界面地质分界面主要包括地层面、风化面、地下水位面、卸荷带等。由于地质分界面存在于地表以下，无法直接观察到，因而存在很大的未知性。三维地质建模的任务就是将这些无法完整观察到的未知面进行重构，包括它们的几何形态、相互间的位置关系等。地质分界面具体建模过程与方法如下。(1)建立一个与研究区域范围相符的平面作为待变形面，对平面进行分裂(Split)，将网格加密，或者复制地形面并降低高程作为待变形面。(2)对待变形曲面添加约束(Constraints)，主要有3种约束需要添加:1)设置待变形曲面厚度范围约束(SetRangeThicknessConstraint)，控制待变形曲面与其上层已完成曲面之间的深度范围;2)对待变形曲面添加出露迹线、已探明迹线、勘探点信息等控制点的硬约束(ControlNodes)，确保待变形曲面100%通过已知信息点;3)约束待变形曲面区域外轮廓，确保其边界(Border)只能沿Z方向进行变形。需要注意的是，实际测绘地表出露迹线时只能得到有限的点信息，测绘点连接后形成的地表出露迹线需要进行加密(Densify)处理并投影(Project)至地形面。(3)对设置好各种约束的待变形曲面进行多次的插值积分(Interpolation)，根据实际情况判断变形后的曲面，如果其展布情况与地质规律不矛盾，则可认为该曲面可以模拟该地层面。随着勘探工作的加深，不断新增勘探点数据，将新增信息添加到待变形曲面，设置为新的硬约束，确定该勘探点的影响范围，建立region，再次积分，完成对模型的修订。

2．4结构面三维地质建模过程中需要关注的结构面主要有断层、裂隙、岩层分界面等不连续的开裂面，其具体建模过程与方法如下，(1)建立出露线，方法有2种:①在AutoCAD平台中根据地质测绘点描绘出结构面的地表出露线，然后导入到GoCAD中;②直接在GoCAD中根据地质测绘点建立地表出露线。通过上述方法，在GoCAD中得到1个Curve对象，对Curve对象根据需要进行相应的加密、投影处理。(2)根据结构面产状与预测延伸长度计算得到结构面的法向增量。(3)将Curve对象沿该法向量拉伸一定距离得到1个面对象(Surface)，即为该结构面的宏观形态，该面与地表出露线及产状数据相一致。再将这个面拟合到由钻孔、平硐确定的该层的离散点位置，得到1个曲面，该曲面在宏观形态上与出露线和产状数据一致，在局部与钻孔确定的层面位置一致，如果其展布情况与地质规律不矛盾，则可认为该曲面可以模拟该结构面［3］。

3应用实例———乌托水电站下坝址区三维地质模型

3．1工程概况

乌托水电站工程是伊洛瓦底江密支那以上流域水电资源开发规划中的东源恩梅开江5级开发方案中的第4座梯级电站，位于中缅山脉北部的克钦山区。地势总体上具有北高南低、东高西低的特点。

3．2技术路线

乌托水电站三维地质模型建立的技术路线如图2所示，具体过程为:①以地形等高线数据为基础建立三维地形模型;②以钻孔、平硐等勘探数据为基础建立钻孔、平硐三维模型;③以测绘数据为基础，结合三维地形模型以及钻孔、平硐三维模型建立结构面模型;④以钻孔、平硐三维模型及三维地形模型为基础，结合虚拟钻孔模型及结构面模型建立地层界面模型;⑤整合所有完成的模型得到地质面模型;⑥以地质面模型为基础进行实际工程应用。

3．3建模过程

乌托水电站地质三维模型中各个对象建立的方法及过程如下。

3．3．1地形面

加载地形等高线到GoCAD中，离散等高线建立点集，以离散点集为基础建立地面模型。三维地形面模型如图3所示。

3．3．2钻孔平硐

对钻孔与平硐数据进行预处理，使之成为Go-CAD软件能够利用的格式，然后分别建立钻孔与平硐三维模型。钻孔与平硐的三维模型如图4，5所示。在勘探点稀少的区域建立虚拟钻孔，同样建立钻孔三维模型。虚拟钻孔是由地质人员根据经验和其它勘探手段获取的结果做出的推断，它对地层模型具有和真实钻孔一样的约束。事实表明，通过虚拟钻孔的辅助控制建立的三维地质模型比只用实际钻孔数据建立的三维地质模型具有更高的精度和可信度［4－6］。

3．3．3覆盖层

研究区覆盖层主要为第四系全新统(Q4)冲积、崩坡积、洪积物等。具体建模过程是:从勘探资料及地质测绘资料中获取覆盖层深度及边界信息，这里主要是指从实际钻孔模型中提取marker信息得到覆盖层深度信息，从平面图中获取覆盖层边界线，即尖灭处，然后进行积分插值，建立三维界面模型。在缺少勘探的区域及模型不合理的区域建立虚拟钻孔，控制覆盖层的形变，多次积分，最终完成覆盖层三维模型的建立。研究区覆盖层三维模型如图6所示，图7所示为覆盖层中透镜体三维模型。

3．3．4断层

研究区无区域性断层通过，地表测绘两岸岩体中共发育23条断层，规模均较小，以陡倾角断层为主，缓倾角断层不发育。研究区中断层模型的建立过程具体为:从地质测绘资料中得到断层在地表出露迹线的位置，由产状及推测延伸长度计算出对应的法向增量。将地表出露线拉伸得到断层基本表达面，根据勘探信息对断层面进行适当平滑处理，若模型结果与自然规律相符，则完成模型的建立。研究区断层三维模型如图8所示。

3．3．5地层

研究区分布的地层主要为中元古界(Pt2)，其岩性为花岗片麻岩、片麻岩，地层相对较为单一。因此，建立地层模型的主要任务是完成风化界面、卸荷面、地下水位面等的拟合。研究区中岩体的强风化、卸荷面不连通，在地表有尖灭。弱风化、地下水位面都是连通曲面。地下层面的建模方法相同，都是从钻孔与平硐模型中提取相应的marker信息，设置为硬约束，在数据缺少区域建立虚拟钻孔，然后进行积分插值。不同的是对不连通曲面模型的建立需要根据地质测绘数据先确立其在地表面的尖灭线，并将尖灭线设置为硬约束。研究区地层三维模型如图9所示。总的来说，曲面模型构造属于基础建模，它主要采用线、面模型，重在模拟对象的形态及其相互之间的位置关系，但是缺少各层面的属性信息［7－8］。

3．4成果校验

为了检验本次研究中三维地质模型的精度与实用性，在已有AutoCAD图件中提取了若干条剖面线的端点，在GoCAD中以端点数据建立Curve对象。以三维地质面模型为基础，在GoCAD中利用Cross－Section模块里面的FromCurveandVector命令切出多幅剖面图，并与原有的地质剖面图进行比较。校验的第一步是将新切图输出为．dxf文件，并与原图置于同一文件中，进行直观对比，对比结果如图10所示。校验的第二步是由工程经验丰富的地质人员来判断地质图件的合理性与实用性，进一步确定三维地质模型的可信度。校验的结果是:从三维地质面模型中切出的二维剖面图与原始剖面图基本一样，完全符合工程精度要求，三维地质模型在工程实践中可信、实用。

4结语

(1)研究与应用表明，基于GoCAD平台的三维地质建模克服了复杂地形面准确模拟的难点，能精确建立完善的三维可视化模型，同时也突破了地下不可见区域地质信息迅速方便三维表达的限制，三维地质模型在质量上满足了实际要求。

(2)模型的建立为工程地质岩体的认知表达提供了新的技术途径，为地质人员的分析判断提供综合信息，使得地质人员跳出了传统二维推测的局限，基于三维模型的地质推测更趋合理，也使得后续勘探点的增加布置更为科学。

(3)建模结果提供了精确的地质可视化模型，为工程以后的三维设计应用推广做好了铺垫，为工程的设计、施工、勘探布置以及数值模拟分析等提供模型资料，为设计人员的分析和设计提供可视化参考。三维模型服务于实际生产应用，改变了传统工作模式与思路，提高了生产效率与精度。

(4)虽然基于GoCAD平台的三维建模技术在水电工程中的应用取得了一定的成功，但是对于三维地质模型更深层次的应用，如地质属性赋值与分析，工程计算分析与应用等仍有待继续深入研究。