河道治理工程中分區(qū)段地質(zhì)三維建模的過程及應(yīng)用

王英豪

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 基本概念

GeoStation是華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院數(shù)字工程中心依托美國(guó)Bentley軟件平臺(tái)獨(dú)立研發(fā)的地質(zhì)三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其主要目的是利用軟件建立地質(zhì)三維實(shí)體模型，立體展示工程地質(zhì)條件并可在三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種三維分析計(jì)算。

在眾多的建模方法中，對(duì)于水利工程中長(zhǎng)線型河道治理工程來說，運(yùn)用GeoStation中的分區(qū)段進(jìn)行地質(zhì)建模，是非常合適和合理的。

2 分區(qū)段三維建模

2.1 建模理念

在水利長(zhǎng)線型河道治理工程中，由于治理工程區(qū)的特殊地形，地質(zhì)勘察的重點(diǎn)區(qū)域基本上為長(zhǎng)線型，沿河堤線狀方向及兩側(cè)治理范圍為重點(diǎn)部位，所以有區(qū)別于面塊狀模型，宜運(yùn)用長(zhǎng)線型的分區(qū)段模型。

2.2 建?；A(chǔ)地質(zhì)資料及成果輸出

建?；A(chǔ)地質(zhì)資料涵蓋基本地質(zhì)數(shù)據(jù)諸如工程區(qū)的地形地貌、地層巖性、水位地質(zhì)條件、物理地質(zhì)現(xiàn)象等。

建模的基本定義主要有標(biāo)準(zhǔn)地層的定義、勘探線布置及定義、鉆孔定義等。其中，鉆孔數(shù)據(jù)包括鉆孔概況、孔徑結(jié)構(gòu)、地層巖性和界面、完整程度、風(fēng)化程度、鉆遇構(gòu)造、節(jié)理統(tǒng)計(jì)、水文試驗(yàn)、試樣取樣、綜合測(cè)井、孔內(nèi)試驗(yàn)、孔內(nèi)觀測(cè)。

建模的試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要有取樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)、原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)、地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)鉆孔抽水、注水試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

建模的后期模型輸出主要有二維圖紙（包括平面、剖面、平切、柱狀圖），查詢統(tǒng)計(jì)（包括地質(zhì)數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)、工作量、常規(guī)統(tǒng)計(jì)、巖土計(jì)算、工程結(jié)算）和屬性文件（包括鉆孔屬性、勘探線屬性、試驗(yàn)取樣點(diǎn)屬性、原位試驗(yàn)點(diǎn)屬性）。

3 工程實(shí)例（雄安新區(qū)南拒馬河防洪治理工程容城段地質(zhì)三維建模）

3.1 地質(zhì)概況

3.1.1 地勢(shì)地貌

工程區(qū)在地貌單元上大部分屬河北平原區(qū)，西部少部分為太行山山前傾斜平原，地勢(shì)西高東低。工程區(qū)范圍內(nèi)南拒馬河總體流向?yàn)槲鞅敝翓|南方向。

3.1.2 地層巖性

工程區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q）地層，局部零星夾雜有沼澤堆積地層。巖性主要有粉細(xì)砂、粉土、砂壤土、壤土及黏土等。自上而下分述如下。

（1）第四系全新統(tǒng)上段沖洪積層（Q43alp）。巖性主要有壤土、砂壤土、粉細(xì)砂等。壤土、砂壤土一般為黃褐—褐黃色，稍濕—濕，可塑。粉細(xì)砂多呈灰黃色、灰白色，濕—飽和，松散—稍密，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石等。

（2）第四系全新統(tǒng)中段沖洪積層（Q42alp）。巖性主要為壤土、砂壤土及少量黏土，黑灰—黃灰色，濕，可塑，土質(zhì)不均一。

3.1.3 水文地質(zhì)條件

勘察期間，取地表水樣1組進(jìn)行了水質(zhì)簡(jiǎn)分析試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)成果，河道內(nèi)的地表水對(duì)混凝土不具腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱腐蝕性。

3.1.4 物理地質(zhì)現(xiàn)象

工程區(qū)最大凍土深度0.60～0.67cm，無其他不良物理地質(zhì)現(xiàn)象。

3.2 土巖數(shù)據(jù)

3.2.1 地質(zhì)定義（標(biāo)準(zhǔn)地層）

地質(zhì)定義（標(biāo)準(zhǔn)地層），如圖1所示。

圖1 地質(zhì)定義（標(biāo)準(zhǔn)地層）

3.2.2 勘探布置（勘探線布置）

勘探布置（勘探線布置），如圖2所示。

圖2 勘探布置（勘探線布置）

其中，KTX-0為河堤軸線勘探剖面，KTX-1—KTX-8為垂直河堤軸線的勘探剖面。

3.2.3 地質(zhì)勘探（鉆孔）

地質(zhì)勘探（鉆孔）包括鉆孔概況、孔徑結(jié)構(gòu)、地層巖性和界面、完整程度、風(fēng)化程度、鉆遇構(gòu)造、節(jié)理統(tǒng)計(jì)、水文試驗(yàn)、試樣取樣、綜合測(cè)井、孔內(nèi)試驗(yàn)、孔內(nèi)觀測(cè)。

3.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括取樣試驗(yàn)、原位試驗(yàn)、地面試驗(yàn)。工程涉及的原位試驗(yàn)有標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)鉆孔注水試驗(yàn)。

3.3 參考引用

DWG文件的參考，核心包括工程地質(zhì)平面圖的參考、工程地質(zhì)剖面圖的參考和設(shè)計(jì)邊界條件和范圍內(nèi)容參考。DGN文件的參考，核心包括地形面Mesh參考，最終設(shè)計(jì)邊界、范圍、結(jié)構(gòu)等參考。DWG文件的引用，核心包括工程地質(zhì)平面圖的重要邊界、范圍的引用；工程地質(zhì)剖面圖中重要部位地層巖性邊界條件和范圍的引用。DGN文件的引用，核心包括地形面引用，最終設(shè)計(jì)邊界、范圍、結(jié)構(gòu)等引用。

3.4 分段建模

3.4.1 建模方式

雄安新區(qū)南拒馬河防洪治理工程（容城段）屬于河道治理工程，結(jié)合工程地質(zhì)情況，需要建模的范圍屬于線狀模型。結(jié)合地質(zhì)三維軟件GeoStation For City采用地層建模中的分段建模。本工程共計(jì)分13個(gè)區(qū)段，如圖3所示。

圖3 13個(gè)分區(qū)段

3.4.2 初始Mesh體創(chuàng)建

（1）參數(shù)設(shè)置。頂面高程默認(rèn)為0，若有地形，程序會(huì)自動(dòng)獲取地形的最高高程。建模厚度要求建模的初始地質(zhì)體包含最大的鉆孔深度范圍。在進(jìn)行初始地質(zhì)體創(chuàng)建之前，需要?jiǎng)澏ń＿吔?，該邊界包含鉆孔且在地形范圍內(nèi)，如圖4所示。

圖4 初始地質(zhì)體邊界

（2）參數(shù)設(shè)置好后，選擇Shape或者Complex Shape面元素，再生成初始地質(zhì)體，如圖5所示。

圖5 初始地質(zhì)體線框模型

3.4.3 Mesh體細(xì)分及分割

（1）選中Mesh體，執(zhí)行Mesh體分割功能，如圖6—7所示。

圖6 Mesh體細(xì)分效果

圖7 Mesh體分割界面

（2）可以指定勘察階段、工程區(qū)、勘探線、工程位置，左側(cè)列表框中會(huì)顯示所有在指定條件下的鉆孔編號(hào)。用戶只需將需要建模的鉆孔數(shù)據(jù)添加到右側(cè)列表框中即可。設(shè)定網(wǎng)格間距參數(shù)，包括X和Y方向上的網(wǎng)格間距。

（3）設(shè)置完成后，左鍵單擊即可完成觸發(fā)Mesh體功能，所劃分地層將被賦予地層單元地質(zhì)屬性，如圖8所示。

圖8 經(jīng)劃分后的地層三維模型

3.5 成果輸出

雄安新區(qū)南拒馬河防洪治理工程（容城段）河堤軸線剖面和15 m高程工程地質(zhì)平切，分別如圖9—10所示。

圖9 雄安新區(qū)南拒馬河防洪治理工程（容城段）河堤軸線剖面

圖10 雄安新區(qū)南拒馬河防洪治理工程（容城段）15 m高程工程地質(zhì)平切

4 結(jié)語

工程實(shí)踐表明，不同的建模方法適用于不同的地質(zhì)模型，對(duì)于長(zhǎng)線型的河道治理工程而言，這種分區(qū)段的建模方法可以在很大程度上節(jié)約資源、提高建模成功率和模型精度，并很好地適應(yīng)建模完成后期的工程施工、工程監(jiān)管等工程要求。