某水電站復(fù)雜地質(zhì)體空間展布三維分析與應(yīng)用

曲海珠，姚鵬程

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

某水電站復(fù)雜地質(zhì)體空間展布三維分析與應(yīng)用

曲海珠，姚鵬程

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

將自然地質(zhì)體的空間分布，運(yùn)用合適的方式予以表達(dá)是地質(zhì)工程師的重要工作之一，本文通過典型工程案例，敘述了在大量出露復(fù)雜地質(zhì)體的情況下，采用傳統(tǒng)二維圖紙的表達(dá)方式所存在的局限，著重介紹了以GOCAD為軟件平臺，以地質(zhì)勘查為基礎(chǔ)，采用合適的方法進(jìn)行三維地質(zhì)建模，從而達(dá)到更準(zhǔn)確、完整的表達(dá)地質(zhì)工程師對復(fù)雜地質(zhì)體的空間展布分析與認(rèn)識。

復(fù)雜地質(zhì)體；三維地質(zhì)建模；GOCAD

0 前 言

某水電站位于西藏昌都境內(nèi)，目前處于前期研究階段，初擬大壩高度近100 m，裝機(jī)容量約700 MW，該工程地處印度板塊與亞歐大陸碰撞構(gòu)造變形強(qiáng)烈的藏東構(gòu)造結(jié)附近，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，區(qū)內(nèi)地層巖性復(fù)雜多樣。

根據(jù)初步勘察成果，對于工程壩址區(qū)而言，具有區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造發(fā)育；巖性多樣，空間展布及接觸關(guān)系復(fù)雜；多個大型堆積體分布等工程地質(zhì)特點(diǎn)，受其影響與控制，造成場址區(qū)存在大量空間展布相對復(fù)雜的工程地質(zhì)體。在本階段，地質(zhì)工程師通過現(xiàn)場調(diào)查、勘探揭示等工作，對復(fù)雜地質(zhì)體已有基本的分析與認(rèn)識，采用合適的方法手段，將地質(zhì)工程師對工程區(qū)復(fù)雜地質(zhì)體的分析認(rèn)識進(jìn)行表達(dá)，并利于實(shí)際應(yīng)用，是本工程本階段重要工作內(nèi)容之一。

三維地質(zhì)建模是指采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中建立能反映地質(zhì)體的形態(tài)和各要素之間關(guān)系以及地質(zhì)體物理、化學(xué)屬性空間分布等地質(zhì)特征的數(shù)學(xué)模型。國內(nèi)從20世紀(jì)90年代開始就不斷地有人研究三維地質(zhì)建模軟件的核心理論與技術(shù)，進(jìn)入本世紀(jì)，包括中國電建成都院在內(nèi)的眾多生產(chǎn)、科研單位，以實(shí)際需要為基礎(chǔ)，對三維地質(zhì)建模技術(shù)更是進(jìn)行了深入研究及二次開發(fā)。

1 復(fù)雜地質(zhì)體基本特征

1.1 地層巖性發(fā)育特征

根據(jù)地質(zhì)勘察，壩址區(qū)巖性復(fù)雜，成因多樣，經(jīng)工程地質(zhì)分析，劃分基巖巖組14個，覆蓋層6組。基巖地層由不同時代、不同性質(zhì)、不同成因的構(gòu)造巖片拼合而成，地層接觸關(guān)系中，整合接觸、假整合接觸、角度不整合接觸關(guān)系均有出露(見圖1)。

圖1 巖性分布及接觸關(guān)系簡圖

壩址區(qū)第四紀(jì)沉積物成因多樣，沖積、洪積、崩坡積、泥石流堆積等均有出露，且互相堆疊、夾雜，形態(tài)多樣(見圖2)。

圖2 第四紀(jì)堆積物局部堆疊

1.2 構(gòu)造發(fā)育特征

場區(qū)地處岡瓦納大陸與泛華夏大陸的接合部位，經(jīng)歷了自新元古代以來長期的沉積—構(gòu)造演變，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，褶皺、大型斷裂(層)在壩址區(qū)均較發(fā)育，其中，中小尺度褶皺尤為發(fā)育，造成地表地層產(chǎn)狀稍顯凌亂，規(guī)則性差，但就大尺度上而言，褶皺現(xiàn)象并不發(fā)育(見圖3)。

圖3 典型中小尺度范圍上的褶皺現(xiàn)象

1.3 大型堆積體發(fā)育特征

壩址區(qū)右岸呈近順向坡，加之巖性軟弱相間，形成并出露多處大型堆積體，其表部經(jīng)后期侵蝕，溝槽發(fā)育，地形較為凌亂，其基覆界面形態(tài)起伏也較大(見圖4)。

圖4 壩址上游右岸堆積體形態(tài)

2 傳統(tǒng)地質(zhì)表達(dá)方法的局限

針對上述復(fù)雜的地質(zhì)體，采用傳統(tǒng)二維平面圖及骨架剖面的表達(dá)方法，雖也可表達(dá)出地質(zhì)工程師的認(rèn)識，但在實(shí)際應(yīng)用時存在一定的局限，這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法在表達(dá)時僅是對局部進(jìn)行了圖紙描述，即骨架剖面部位(或控制剖面)。對于一般工程而言，地質(zhì)工程師通過骨架剖面進(jìn)而對其他部位進(jìn)行地質(zhì)分析，是能夠滿足分析認(rèn)識需要的，但對于本工程所及的復(fù)雜地質(zhì)體，因其局部變化較大，若不是對本工程極為了解的地質(zhì)工程師，僅根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，容易在認(rèn)識上發(fā)生錯誤，這導(dǎo)致在應(yīng)用傳統(tǒng)方法時，既不利于多人配合，也容易因疏忽導(dǎo)致錯誤。以下列舉幾例。

(1)問題一表現(xiàn)為：以地層在地表出露的局部產(chǎn)狀繪圖，導(dǎo)致地層厚度變化較大，與地質(zhì)分析不符。原因分析：對本工程的地層內(nèi)“中小尺度褶曲發(fā)育，大尺度上總體平順”的特點(diǎn)了解不夠深入(見圖5)。

圖5 實(shí)際工作中問題之一(剖面示意)

(2)問題二表現(xiàn)為：在無勘探控制下，基覆界面局部下凹。原因分析：控制剖面繪制時，以厚度為控制因素，未注意堆積體表部地形凌亂的特點(diǎn)(見圖6)。

圖6 實(shí)際工作中問題之二(剖面示意)

(3)問題三表現(xiàn)為：階地部位，老地層壓覆于新地層之上。原因分析：無骨架剖面控制部位，對工程特點(diǎn)了解不夠深入(見圖7)。

圖7 實(shí)際工作中問題之三(剖面示意)

針對工作中以上及類似的實(shí)際問題，成都院積極尋求解決辦法，通過分析后，決定對復(fù)雜地質(zhì)體采用三維建模的方式進(jìn)行表達(dá)。

3 復(fù)雜地質(zhì)體三維模型構(gòu)建

本工程在進(jìn)行復(fù)雜地質(zhì)體三維模型構(gòu)建時，采用成都院重點(diǎn)研究、應(yīng)用的以GOCAD為平臺的三維建模軟件。

3.1 地質(zhì)信息的采集應(yīng)用分析

同傳統(tǒng)工作方法相一致，地質(zhì)信息的采集，是三維模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，包括通過地質(zhì)測繪對地表的巖層產(chǎn)狀信息、 地層層序關(guān)系與厚度、 褶皺形態(tài)、 斷層性質(zhì)及其位移以及地質(zhì)剖面現(xiàn)象等。通過鉆探、洞探、物探等勘察手段，對地質(zhì)體的深部延展情況予以探查。

對地質(zhì)信息的分析，是地質(zhì)工程師在本階段的重要工作，通過對上述采集的地質(zhì)信息，地質(zhì)工程師應(yīng)對工程區(qū)地質(zhì)體的空間展布予以充分認(rèn)識，應(yīng)當(dāng)明確，無論傳統(tǒng)的二維圖紙或三維模型，都是地質(zhì)工程師對地質(zhì)體已有認(rèn)識的表達(dá)。當(dāng)然，在分析認(rèn)識過程中，通過有效繪制圖紙輔助地質(zhì)工程師進(jìn)行深入分析與認(rèn)識，也是必要的工作。

3.2 選擇合適方法進(jìn)行模型構(gòu)建

根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，在三維地質(zhì)模型構(gòu)建時，一般采用以下兩種方法：

(1)利用原始地質(zhì)信息，包括地質(zhì)點(diǎn)、巖層產(chǎn)狀、勘探揭示等，直接進(jìn)行模型構(gòu)建；

(2)根據(jù)已有勘探信息，先行繪制部分二維平剖面圖，再利用該部分平剖面圖進(jìn)行模型構(gòu)建。

本工程采用的即為第二種方式，其原因，首先如前所述，在進(jìn)行模型構(gòu)建前，本工程已完成了部分二維平剖面圖繪制工作。其次，前期所繪制的平剖面圖較好地體現(xiàn)了地質(zhì)工程師對本工程地質(zhì)條件的認(rèn)識。最后，對于如本工程這樣具有大量復(fù)雜地質(zhì)體的區(qū)域而言，若采用較少的控制點(diǎn)，在建模時勢必需要大量的調(diào)整、修正。

模型構(gòu)建過程如下：

(1)利用地形測量數(shù)據(jù)生成三維地形的同時，整理二維圖紙，將剖面、平切面二維線條轉(zhuǎn)換為GOCAD中的三維線條。

(2)利用已有二維剖面(對于復(fù)雜地質(zhì)體，局部需適當(dāng)補(bǔ)充輔助地質(zhì)剖面)生成地質(zhì)體。首先是將剖面線條生成初始面，其次將生成面上所有的點(diǎn)都設(shè)為控制節(jié)點(diǎn)的同時，將面向外延伸至合適范圍。再次，對面進(jìn)行撕分、擬合、美化，以面的空間展布既符合地質(zhì)判斷又符合美觀合適為止。最后，根據(jù)地質(zhì)界面之間的相互關(guān)系，進(jìn)行切割、調(diào)整等工作。

(3)控制點(diǎn)鎖定。對于地質(zhì)體的重要控制點(diǎn)，包括地表調(diào)查的地質(zhì)點(diǎn)，鉆孔、平硐內(nèi)揭示的地質(zhì)體分界點(diǎn)等，應(yīng)予以鎖定，形成控制點(diǎn)，避免在模型后期修改時，因不當(dāng)操作，而對相應(yīng)部位形成修改(見圖8、9)。

4 結(jié) 論

圖8 本工程三維模型局部構(gòu)建

圖9 本工程下壩址三維地質(zhì)模型

該模型已應(yīng)用于本工程復(fù)雜地質(zhì)體空間展布三維分析、三維匯報(bào)展示、三維模型輔助二維地質(zhì)剖面繪制等方面。從應(yīng)用情況看，其能夠更準(zhǔn)確、完整地表達(dá)地質(zhì)工程師對復(fù)雜地質(zhì)體的空間展布分析；模型構(gòu)建過程即地質(zhì)深入分析過程；一次構(gòu)建，隨工作深度調(diào)整，全階段連續(xù)應(yīng)用；一套模型，全體應(yīng)用，利于全員參與。

(1)對于大量存在復(fù)雜地質(zhì)體的工程而言，采用傳統(tǒng)的繪圖方式，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限，而三維地質(zhì)建模是解決此類局限的有效措施。

(2)采用以GOCAD軟件為平臺，以地質(zhì)勘查為基礎(chǔ)，以合適的方法進(jìn)行三維地質(zhì)建模是可行的，而且也是便于工程應(yīng)用的。

(3)三維地質(zhì)建模能夠更準(zhǔn)確、完整地表達(dá)地質(zhì)工程師對復(fù)雜地質(zhì)體的空間展布分析，能夠有效提高工作效率，體現(xiàn)了三維地質(zhì)建模的優(yōu)勢。

[1] 王國燦,徐義賢,等. 基于地表地質(zhì)調(diào)查剖面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的復(fù)雜造山帶三維地質(zhì)調(diào)查與建模方法 [J].地球科學(xué)-中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2015,40(3): 397-406.

[2] 吳志春,郭福生,姜勇彪,羅建群,侯曼青.基于地質(zhì)剖面構(gòu)建三維地質(zhì)模型的方法研究 [J].地質(zhì)與勘察,2016,52(2):363-375.

[3] 李青元,張麗云,魏占營,孫黎明. 三維地質(zhì)建模軟件發(fā)展現(xiàn)狀及問題探討 [J]. 地質(zhì)學(xué)刊, 2013, 37(4):554-561.

[4] 彭土標(biāo),等.水利發(fā)電工程地質(zhì)手冊[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2011.

2017-02-06

曲海珠(1981-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，高級工程師，從事水利水電地質(zhì)工程研究。

TV221.2

B

1003-9805(2017)02-0030-03