三維地質(zhì)建模技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

李東弘，袁彥超，王春曉

（1.甘肅省水務(wù)投資有限責(zé)任公司，蘭州730030；2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津300222）

以往， 地質(zhì)工作者通常用二維圖件來表達(dá)地質(zhì)信息，如平面圖、剖面圖、鉆孔柱狀圖等。而大中型水利水電工程多位于復(fù)雜地形地質(zhì)環(huán)境， 傳統(tǒng)二維圖件很難直觀、 完整地展示出地層的空間分布形態(tài)和地質(zhì)構(gòu)造的相互關(guān)系［1］，并且難以被其他基于地質(zhì)信息進(jìn)行工程設(shè)計的專業(yè)人員理解。 三維可視化地質(zhì)建模技術(shù)融合了地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)等多種學(xué)科， 在處理地層信息和復(fù)雜構(gòu)造方面展現(xiàn)出極大優(yōu)勢，提高了地質(zhì)信息表達(dá)的直觀性、完整性和準(zhǔn)確度［2-5］，對于專業(yè)間信息傳遞也大有裨益，已經(jīng)成為地質(zhì)工作者分析復(fù)雜工程地質(zhì)條件和發(fā)現(xiàn)工程地質(zhì)規(guī)律的一種新興研究方法［6］。 三維可視化地質(zhì)建模技術(shù)已成為水利水電工程地質(zhì)工作的熱點， 并向縱深發(fā)展。

本文使用基于MicroStation 平臺開發(fā)的GeoStation軟件，依托于某大型水庫工程，針對三維可視化建模技術(shù)在壩址區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的工程應(yīng)用展開介紹。

1 工程概況

某水庫工程以工業(yè)和生活供水為主， 設(shè)計最大壩高90m，正常蓄水位909m，總庫容1.04億m3，為大（2）型水庫。壩址河谷為深切“V”字型橫向河谷，壩址區(qū)及上下游主要出露奧陶系大灣組（O1d）、志留系翁項組（S2w）及第四系全新統(tǒng)（Q4）地層。 壩區(qū)和近壩庫段都處在某背斜東翼、向北傾伏的部位，地層展布由南北向逐漸向北西彎轉(zhuǎn)。 除壩址區(qū)下游發(fā)育的區(qū)域性斷裂F10外，壩址區(qū)主要發(fā)育Ⅳ、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面，在勘察過程中未發(fā)現(xiàn)其他Ⅰ、Ⅱ級結(jié)構(gòu)面。Ⅲ級結(jié)構(gòu)面有規(guī)模相對較大的斷層f25，f26，f27，f29，其中與大壩相關(guān)的主要為f26，f29，一般斷層產(chǎn)狀傾角較陡，呈舒緩波狀。 兩岸及河床部位順層發(fā)育的層間剪切破碎帶CJZ01～18，CJY01～13等Ⅳ級結(jié)構(gòu)面。

2 建?；玖鞒?/h2>

三維地質(zhì)模型建立的要素主要為點、線、面、體四類。 點狀要素主要為地質(zhì)測繪點和鉆孔、平洞等，線狀要素主要為地表地質(zhì)測繪界線及剖面內(nèi)各類地質(zhì)界線， 面狀要素主要為各類地質(zhì)界面， 包括結(jié)構(gòu)面、地層界面、風(fēng)化界面及地下水位面等，體狀要素主要為地質(zhì)體，包括地層、地質(zhì)構(gòu)造體等。 這四類地質(zhì)要素參與了模型建立和信息表達(dá)的全過程。

三維可視化地質(zhì)建模的基本流程大致為： 建立地形、數(shù)據(jù)入庫、導(dǎo)入剖面、建立模型及分析模型等。根據(jù)等高線等地形數(shù)據(jù)建立地形面，將鉆孔、平洞等數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫， 然后將平面圖及剖面圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維空間中，并賦予對應(yīng)的地質(zhì)屬性。利用空間中的點狀和線狀要素建立相應(yīng)屬性的地質(zhì)界面， 包括地層界面、風(fēng)化界面、結(jié)構(gòu)面等。 根據(jù)面狀要素可建立體狀要素，得到相應(yīng)屬性的地質(zhì)體單元。最后對三維地質(zhì)模型進(jìn)行分析、計算，也可對其進(jìn)行剖切生成二維圖件。

3 工程應(yīng)用

3.1 風(fēng)化特性研究

根據(jù)鉆孔、 平洞及剖面信息， 建立風(fēng)化帶模型，如圖1。 可知壩軸線位置巖體風(fēng)化帶厚度分布，如表1。

圖1 風(fēng)化帶模型

表1 壩址區(qū)壩軸線巖體風(fēng)化帶厚度統(tǒng)計

由此可見，兩岸風(fēng)化帶厚層差異較為明顯，且整體風(fēng)化厚度比河床部位較厚。 為滿足混凝土重力壩要求， 需挖除第四系全新統(tǒng)松散層以及完整性較差的巖體，如圖2，開挖至完整性較好的弱風(fēng)化層作為壩基持力層。

圖2 風(fēng)化帶開挖情況

3.2 地層巖性研究

對地層單元模型進(jìn)行開挖設(shè)計，如圖3，壩基坐落于志留系翁向組1段中上部（S2w1-5、S2w1-4）：薄～中厚層狀砂質(zhì)灰?guī)r，角礫巖夾角礫狀灰?guī)r、泥灰?guī)r，弱風(fēng)化狀～微新巖體，灰色，裂隙不發(fā)育，弱～微透水性，巖溶不發(fā)育，多屬中硬～堅硬巖。 兩岸壩肩地層為志留系翁向組2段（S2w2）中厚層砂巖及砂質(zhì)灰?guī)r或互層狀，為中硬巖；薄～中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖、砂巖互層狀，為軟質(zhì)巖類；下部為砂巖及石英砂巖夾泥灰?guī)r，屬中硬巖。 壩基巖層主要為中硬巖，可作為壩基持力層。

圖3 地層開挖情況

3.3 地質(zhì)構(gòu)造研究

壩址區(qū)已發(fā)現(xiàn)斷層匯總?cè)绫?。壩址下游約530m處發(fā)育有區(qū)域性斷層F10。壩軸線與黑塘橋之間發(fā)育有斜穿魚梁江斷層f26，在壩址左岸下游側(cè)沖溝旁消失，延伸長度大于700m。

表2 斷層匯總

如圖4，由模型可見，除區(qū)域性斷層F10外，對壩基可能存在影響的斷層有f26，f29，f15和f16。 對其進(jìn)行工程地質(zhì)評價，認(rèn)為斷層對壩基影響不大。

圖4 斷層與壩體空間關(guān)系

3.4 層間剪切帶研究

壩基巖體本身層面膠結(jié)較好， 巖性變化部位接觸面稍差，壩基下發(fā)育層間剪切破碎帶，如圖5，高程在835.6～803.7m之間，層間剪切帶發(fā)育間距多在0.8～2.4m之間，下部發(fā)育間距為4.1～7.6m，多位于巖性變化部位；傾向與壩軸線近垂直傾向下游，且傾角較平緩（17°～24°），帶寬0.5～12cm，其物質(zhì)組成以碎塊為主，夾巖屑、巖屑泥，其中巖屑泥多呈團(tuán)塊狀，銹黃色，有溶蝕現(xiàn)象，延展性好，性狀差，對壩基抗滑穩(wěn)定不利。

圖5 層間剪切帶與壩體空間關(guān)系

3.5 抗滑穩(wěn)定研究

本工程壩軸線方向為NE86°， 壩基巖層產(chǎn)狀為NE70°～82°NW∠17°～24°，傾向下游略偏左岸，巖層傾向與壩軸線近垂直。 壩基基巖所屬巖組為S2w1-5下部砂巖與角礫巖互層狀， 下部為S2w1-4砂質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r，底部為角礫狀灰?guī)r，多屬為中硬巖～硬巖，局部夾軟質(zhì)巖類。 壩基下游河床地形較平緩， 無深坑分布，不存在臨空面。 壩基巖體本身層面膠結(jié)較好，巖性變化部位接觸面稍差， 壩基下發(fā)育的層間剪切破碎帶對壩基抗滑穩(wěn)定不利。

根據(jù)河床壩基各種結(jié)構(gòu)面組合和強(qiáng)度特征，就溢流壩段壩基滑動邊界條件及穩(wěn)定性予以分析：由于壩基下軟弱結(jié)構(gòu)面走向均為傾向下游， 溢流壩段下游消能方式為底流消能，消力池后無較深沖刷坑，結(jié)構(gòu)面在壩后無出露， 因此單滑面不成為控制滑動面。 雙斜面滑動形式為壩體連帶部分基礎(chǔ)沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動，在壩趾部位切斷上覆巖體滑出，如圖6。經(jīng)計算， 各種工況下壩段深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

圖6 溢流壩段深層抗滑穩(wěn)定示意圖

3.6 土石方量計算

對模型進(jìn)行開挖設(shè)計， 根據(jù)模型可直接得出開挖土石方量，如圖7，挖除部分土為12.5萬m3，巖石為63.5萬m3。 設(shè)計專業(yè)通過計算得到開挖土石方量：土方開挖9.84萬m3，石方開挖63.87萬m3，可知，通過建立三維地質(zhì)模型得到的開挖土石方量數(shù)據(jù)較為可靠，能夠為設(shè)計專業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐。

圖7 土石開挖情況

3.7 抽取二維圖件

目前， 水利工程的主要工作模式依然延用傳統(tǒng)的二維圖件，應(yīng)用三維地質(zhì)模型，可實現(xiàn)快速抽取二維圖紙，得到設(shè)計專業(yè)所需的各類基礎(chǔ)圖件，如鉆孔柱狀圖、地質(zhì)平面圖及剖面圖等，極大提高了專業(yè)間協(xié)同作業(yè)程度。

4 結(jié)語

該工程三維可視化地質(zhì)模型取得了較好的應(yīng)用效果，其優(yōu)勢在于：

（1）直觀地展示地質(zhì)體在空間的分布，便于地質(zhì)工作者快速準(zhǔn)確表達(dá)地質(zhì)認(rèn)識。

（2）清晰立體地表達(dá)地質(zhì)體對工程的影響。

（3） 相對于二維圖紙， 三維地質(zhì)模型可讀性增強(qiáng)，便于設(shè)計人員快速理解和應(yīng)用。

（4）快速抽取二維圖紙，極大提高工作效率。

（5）不僅限于壩址區(qū)，其他重點關(guān)注的工程部位，特別是與設(shè)計專業(yè)協(xié)同作業(yè)的部分，均可推廣三維地質(zhì)應(yīng)用，如長輸水線路、地下廠房區(qū)等，在模型應(yīng)用的深度和廣度上都有較大潛力。

未來，隨著三維設(shè)計的影響力逐漸擴(kuò)大，相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)逐漸完善， 三維可視化地質(zhì)模型將在水利水電工程勘察設(shè)計中發(fā)揮更加重要的作用。