搜档网
当前位置:搜档网 › 复杂地质结构的三维建模技术应用与研究(修改稿)

复杂地质结构的三维建模技术应用与研究(修改稿)

复杂地质结构的三维建模技术应用与研究

余军,胡燚,田永生,马麟

(黄河勘测规划设计有限公司信息中心,河南郑州450003)

摘要:建立工程区复杂地质结构的三维模型,可以形象直观地了解到工程地质条件的基础信息,解决传统二维设计中难以解决的众多问题,便于决策者采取相应应对措施,对工程设计方案做出科学合理的决策,人为地回避或减轻地质条件对工程设计的风险,极大提高工程设计的效率与水平,大大降低工程投资成本,有力提高了工程设计方案的准确性、科学性和前瞻性。文章针对河口村水库工程中的复杂地形地质条件,探讨了建立地质三维模型的方法,构建了河口村复杂的三维地质模型,开展了模型应用试验,工作成果为工程的设计起到有力的支撑作用。

关键词:河口村工程地质三维建模CATIA

1 研究背景

近十几年来,随着国家经济建设以及市场化的飞速发展,我国的水利水电工程越来越多,规模也越来越大,对时间的期望要求也越来越紧迫。然而大多数工程都处于地质构造复杂、地质信息众多的地区,现阶段我们的工程勘察部门能够提交的也只是局限在遥感数据、地形测绘数据、现场的一些勘察资料(断层、产状信息)、钻孔资料、探槽和平硐资料等勘察成果,种类繁多,内容翔实,但都是以表格、文字、图表、图纸等格式保存,无法集中统一,而且都是以二维形式来表达工程区的三维空间的信息,无法直观表达工程区的地形、地质情况。在现在市场竞争日益激烈的情况下,每每设计上提出需求时,需要地质人员立即予以反应,由于工作量大,考虑很可能不周全,为不同专业提交的成果图之间也有可能存在版本的不一致,导致各专业设计间在设计上出现矛盾等等之类的问题,这就地质专业提出了一个挑战:能否建立一个工程区的三维地质模型来最大限度的模拟真实的三维地质构造,在工程设计需要地质剖面时,可以随时随地、快速、任意地切出设计所需的剖面,而且所有的剖面都是从同一个三维地质模型中切出,以保证剖面图的一致性。

2 河口村复杂地质结构的三维建模技术研究

2.1三维建模思路

地质结构建模的大致思路如下:首先,根据CAD地形图生成工程区的地表面模型;其次,将钻孔数据以及平硐数据、覆盖层和地质分层的地表出露线以及产状导入CATIA中;第三,结合覆盖层出露线信息和钻孔、平硐数据以及地质人员的经验,建立工程区的覆盖层模型(包括河道和山体的覆盖层);第四,根据工程区的断层情况,将工程区划分为不同的地质区域;第五,针对每个地质区域块,按高程由高到低逐层建立地质分层面,并根据地质分块与地质分层面建立每块的地质分层体,最后组装成整个工程区的地质体。

2.2建模技术难点

在应用三维设计技术建立三维地质模型过程中会遇到一些难点如:如何准确表达特殊地形(如陡坎、无高程信息的边坡、狭长山谷中的河流)以及二维CAD地形信息如何转换为三维地表模型;如何在三维空间中表达二维地质数据(钻孔、出露线、产状等) ;如何在少量信息环境下建立三维的覆盖层模型;如何利用三维地质数据更为近似地建立断层面和地质分层面等等技术难点,都需要我们进行认真探索研究。

2.2.1地形的生成

(1)地形图的处理。在CA TIA软件中,生成地形表面模型需要地形点云文件(文件为地形的离散点的x、y、z坐标值),通过曲面命令才能将点云文件生成地表曲面模型。而一般工程提供的地形图为AutoCAD图纸文件(内容主要是等高线、高程点等),为此我们

专门开发出相应的程序功能模块将CAD的地形图文件转换成CATIA能够读取的点云文件。

(2)地形曲面的生成。在CA TIA的DSE模块中,导入点云文件,检查并删除明显不正确的高程点,然后使用相关命令即可生成地形表面模型。由于局部地表结构特殊(如陡崖、深沟等),生成的地表模型可能是错误的,需要专项检查生成的地表模型,编辑修改不正确的三角网格曲面,确保地表曲面无误后,最后生成预期的地形结构体,如图1所示。

图1 地形结构体

2.2.2 二维地质数据在三维环境中的表达

(1)钻孔数据的表达。将整理好的钻孔数据信息导入到CATIA中,并将钻孔以柱状图的形式显示出来。同时将地层重复或地层缺失以及明确表明是断层的数据点突出显示出来,这些突出的数据点是断层建模的基础依据。对于平硐数据的处理和钻孔数据类似,在此不再赘述,钻孔三维可视化的结果如图2所示。

图2 可视化钻孔信息

(2)地表出露线的表达。在CATIA中导入CAD地质分层出露线的平面图,将出露线的平面图投影到地表模型上,生成三维的出露线模型。

(3)产状的表达。根据产状影响的范围大小在实际位置添加产状线条,对于褶皱这种特殊产状,为了更好地表示出褶皱形状,可以根据钻孔信息和出露线人为地添加W形线条。

2.2.3覆盖层处理技术

对于一般山体覆盖层而言,首先从地表模型中抠出比覆盖层范围稍大一点的地形表面曲面,然后根据覆盖层出露线位置以及钻孔数据、平硐数据以及地质人员的经验人为添加一些控制点或控制线,强制刚刚抠出的地表曲面通过覆盖层出露线以及钻孔数据或者人为控制点,生成覆盖层的底面;对于河道覆盖层而言,可以用河道基岩等高线生成一个基础的mesh 面,强制刚生成的基础mesh面通过河道覆盖层出露线以及河道内钻孔数据,生成河道覆盖层的底面,结合覆盖层底面以及地形结构体抠出工程区的覆盖层模型如图3所示。

图3 河口村工程区覆盖层模型

2.2.4 断层以及地质区域分块处理技术

断层数据主要表现为断层出露线和断层倾角以及某些揭露出断层点的钻孔数据,地质断层大致分为整体性的大断层和区域性的小断层。对于大的断层可以根据断层出露线(实现方式与地质分层出露线思路一致)的大体走向以及断层的倾角,设计出大概的断层面,将断层面mesh化后强制该面通过断层出露线以及断层点。针对没有出露线,局部在某个小范围之类的小断层,可以调入该局部位置的钻孔柱状图,查看柱状图中的断层点、断层缺失点、断层重复点、结合地质人员的经验判断,最终绘制出合理的断层面。河口村工程整个区域的断层面如图4所示。将地形结构体剔除掉覆盖层后,再结合断层面可以将河口村工程区划分为

不同的地质分块,分块结果如图5所示。

图4 断层面结构图图5 地质区域分块

2.2.5 地质分层面技术

河口村工程整个工程区的岩层走向近于东西,向北缓倾,倾角3?~10?,基本上都是上

下结构,层层叠加,针对每一个产状而言,它代表了由此地层开始往下的每个地层在该区域

都是这样的产状结构,因此在制作地质分层面时需按照高程的高低从高往低的顺序建立每个

地质分层面,每一个地质分层面通过偏移后都可以作为下一层的基础。地质分层面制作方法

与断层面的方法类似,需要强行让每个地质分层面通过该块中的钻孔数据、产状数据和出露

线等地质信息。

在地质构造中,有些地层会出现地层渐灭的情况,针对这种情况,可以根据该区域的钻

孔信息以及地质人员的经验人为添加一些控制线,控制地层渐灭的位置。针对断层渐灭的情

况,需要将相邻的两个地质分块的同一个地质分层面在断层交线处强行保持一致即可,结合

地质分层面与之前的地质分块可以分割出各地质分层体。

2.3 工程区地质模型组装

在各地质分层模型建立完成后,需要将各地质块的地质分层体以及覆盖层组装到一个

product中,河口村坝区地质模型最终的效果如图6所示。

模型组装完成后,可以利用装配模块中的“切割”命令对整个工程区的地质情况进行切剖查看,效果如图7所示。局部的褶皱、地层渐灭、断层错综复杂的详图如图8、9所示。

图6 工程区地质模型

图7地质剖面图

图8 褶皱与地层渐灭处的剖面图图9 断层错综复杂处的剖面

3 成果应用与技术前景

河口村工程区地质三维模型的建立,实现了坝址工程区地质条件的三维可视化,为工程区坝址选址方案的最终确定以及工程初步设计提供了强有力的技术支撑。目前该地质模型已经成功地应用于大坝、溢洪道、泄洪洞等工程建筑物的设计中,有效地解决了泄洪洞进出口开挖设计,大坝与溢洪道交叉部分的设计。溢洪道开挖后的效果以及开挖量如图10所示。

利用CATIA的高效统计工具,快捷方便地解决了各类工程量的统计,大大提高了生产

效率,取得较好的社会经济效益。

图10 溢洪道开挖后效果图

建立复杂三维地质模型,可以形象直观地了解到工程地质条件信息,为工程设计提供快速、系统、全面、准确的信息与基础,为工程方案的可视化提供了技术支持。解决了工程设计人员对工程复杂地质条件的理解,设计人员可以非常清楚地了解到自己设计的相关工程所面临的地质条件,便于决策者从而采取相应应对措施,对工程设计方案做出科学合理的选择,利用或避免因地质因素对工程施工过程中带来的影响,人为地回避或减轻地质条件对工程设计的风险,大大降低工程投资成本,并且有力地提高了工程设计方案的准确性、科学性和前瞻性。采用三维建模的方式建立工程区的三维地质模型,可以解决传统二维设计中难以解决的众多问题,极大提高工程设计的效率与水平,因此在今后的水利水电工程设计中,应用前景十分广阔。

4 结束语

本文主要是总结针对在河口村复杂的地质条件下建立三维地质模型过程中的一些心得体会,我们在建模过程当中也遇到很多没想到的问题和困难,经过多次反复后才最终建成,文中提到的一些技术难点解决方案,希望为大家起到抛砖引玉的作用。由于水利水电工程所涉及的地质条件各不相同,很可能会遇到本文未涉及到的技术难点,希望通过大家的共同努力,相互学习,相互交流,取长补短,解决在地质建模中遇到的难题。

参考文献:

[1] 黄河勘测规划设计有限公司河口村水库工程可研报告2007

[2] 唐大雄,刘佑荣工程岩土学地质出版社,1999

[3] 张萌CATIA机械机构设计机械工业出版社,2006

[4] 王致明杨旭平海涛知识工程及专家系统化学工业出版社,2006

[5] 王霄刘会霞CA TIA逆向工程应用教程化学工业出版社,2006

作者简介:余军(1982- ),男,汉族,江苏如皋人,工程师,主要从事CAD与工程仿真研究工作。

投稿日期:2010-7-7

写作背景:水利部“948”计划项目,编号:200903

联系方式:地址:河南省郑州市金水路109号黄河勘测规划设计有限公司信息中心邮编:450003

电话:0371-********(办公室)、139********(手机)

E-Mail:yujun821005@https://www.sodocs.net/doc/0e11571241.html,

相关主题