三维地质建模及其工程应用

三维地质建模及其工程应用

方海东1

,刘义怀2

,施　斌3

,吴振君1

,王宝军

1

(1.南京大学地球环境计算工程研究所,南京　210093;2.江苏省交通规划设计院,南京　210005)

摘要:本文从三维地质建模的概念出发,探讨了其一般过程,包括地质变量预测、地质特征解译、空间分析等,并介绍了三维地质建模的体视化方法,最后以润扬长江公路大桥工程为例,运用切片级重建方法,建立地质模型,并进行了三维地质分析。实践表明,三维地质建模技术是认识复杂地质体的空间关系和特征的强有力的工具,具有广阔的应用前景。关键词:三维地质建模;地质变量;地质特征;空间分析;体视化

中图分类号:P642 文献标识码:A 文章编号:1000-3665(2002)03-0052-03

3D geoscience modeling and its engineering appication

FANG Hai -dong 1

,LIU Yi -huai 2

,SHI Bin 1

,WU Zhen -jun 1

,W ANG Bao -jun

1

(1.Advanced Co mputational Engineering Institute for Earth Envir onment o f Nanjing Univer sity ,Nanjing 210093,China ;

2.Jiangsu Institute fo r Traffic Planning and D es ign ,Nanjing 210005,China )

A bstract :The paper discusses the general process of 3D Deoscience Modeling from its concept ,including prediction of geological vari -ables ,interpretation of geological characteristics and spatial analysis etc .and it introduces the method of Volume Vis ulization in 3D Geo -science Modeling .Then a project example of Run y ang Chan gjian g River Road Brid ge is given to explain this modeling process .The practice s hows that 3D Geoscience Modeling technique is a powerful tool to analyse complex geological objects and has a wide applied perspective .

Key words :3D geoscience modeling ;geological variables ;geological charaterstics ;spatial analysis ;volume visualization ;volume Data

收稿日期:2001-07-05;修订日期:2001-10-23

基金项目:教育部青年骨干教师资助项目和回国人员基金资助项目

作者简介:方海东(1977-),男,硕士生,主要从事GIS 、C AD 等在

环境岩土工程中的应用方面的研究。

1　引言

所谓三维地质建模(3D Geoscience Modeling ),就是运用计算机技术,在三维环境下,将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来,并用于地质分析的技术[1]

。这一概念最早是由加拿大Simon W .Houlding 于1993年提出的。这方面的研究在国外开展得较早,到目前,已经形成了相当的规模,像Maptek 公司的Vulcan ,Ge mcom Software Inter national 公司的Gemcom ,Kirkham Geosystems 公司的MicroLynx 等等,而国内在这方面的研究进行得较晚,很多工作才刚刚起步,亟待发展。

2　三维地质建模的一般过程

三维地质建模的方法很多,每个部门根据自身工

作对象的特点所使用的方法也不尽相同。为了不失一般性,本文只探讨三维地质建模的一般过程(图1)。

现场调查

资料提取

地质特征　解译特征描述构造和地 层学

地质控制变量描述空间变化

空间分析地质变量　预测图1　三维地质建模的一般过程

Fig .1　The general process of 3D Geoscience Modeling 2.1　地质变量预测

三维地质建模的主要目的之一是预测一个或多个地质变量的空间变化。在地质工程中,往往是地层、裂隙、断层等的空间展布特征及其物理力学参数。对某一研究的相关地质变量由于不可能进行连续的量测,因此往往取一些有代表性的点,作为采样点。然后,再运用各种不同的预测技术,来推测出整个研究区的该地质变量的空间变化规律。常用的预测技术有:地学

统计预测、反向距离插值、直接体预测和条件模拟等

[2]

。

2.2　地质特征解译

对地质特征的解译,一般包括条件化和离散化两个方面,即是以岩性或岩土类型等控制特征为条件,将地质信息进行离散化,从而确定地质边界和相关特征描述。

3　切片级重建的体视化方法

3.1　体视化简介

体视化(Volume Visulization )技术是在吸收计算图形学、图象处理和计算机视觉等相关学科知识基础上发展起来的一门研究体数据(Volume Data )的交叉学科[3]

。体数据则是以矢量为基础,代表复杂、不规则3D 物体并与指定特征值相关的数据结构形式

[2]

。体

视化技术与传统计算图形学有很大的不同,后者以面和边等边界来表示物体,不包含内部信息,而前者则是以三维体素来描述物体,包含物体内外的全部信息。如前面所述,三维地质建模的最终目的是预测地质变量和地质特征的空间变化,因此,需要建立相关的地质模型,而建立地质模型又离不开体视化这一关键的环节(图2)

。

图2　三维地质建模体视化过程Fig .2　The process of Volume Visulization in

3D Geoscience Modeling 3.2　切片级重建的体视化方法

该方法又称地质交互式解译法[4]

,它是根据地质钻孔和地震勘探剖面等资料,交互式解译形成地质剖面图,再以剖面图为基础,采用人工定义和计算机内插计算的方式,连接各剖面来重构这些剖面的曲面,从而形成三维地质模型。切片级重建输入的是一组平行平面,要实现重建必须解决轮廓对应、拼接、分叉、曲面拟合等问题。目前,构建剖面曲面的方法有最近邻优先法[5]、线性Coons 曲面法[6]、交互式手工编辑法等。事

实上,单独使用一种方法,往往难以适应地质对象的复

杂性,通常将两种或多种方法结合使用以提高其适应能力,如最近邻优先法结合交互式手工编辑法等,详见后面的实例分析。

4　实例

应用三维地质建模技术,以Kir hham Geosystems 公司研发的Micr oLynx 三维分析软件为工具,我们对润扬长江公路大桥南汊悬索桥的北锚碇地基进行了三维地质分析,以查明该锚碇下各地质单元的空间展布及其相互关系,为勘察、设计和施工提供依据。4.1　工程地质概况

该区位于下扬子板块前陆冲断区宁镇断带,构造运动多次迭加,断裂构造和裂隙发育,岩浆沿古老构造分期多相侵入。区域构造断裂按性质分为4组(见图3):近东西向的夹江断裂F1,北西向的世业洲断裂F2,北东东向的F3、F4断裂,北东向的F5断裂。其中,F2、F5影响较大,尤其是经过锚区的F5断裂。这次三维地质分析的重点就是要摸清F5的空间展布特征。

图3　区域地质构造图

F ig .3　Regional m ap of gedogical structure 锚区上覆第四系总厚为45.5～49.2m ,岩性自上而下分别为灰色亚粘土、淤泥质亚粘土、亚粘土和薄层粉砂互层、夹薄层亚粘土的粉细砂、含砾中粗砂、含砾中细砂和粉细砂。下伏基岩为燕山期侵入岩,其顶板标高为-41.89～-45.49m ,主要是花岗闪长岩,按风化程度可分为强、弱、微三个等级,为主要持力层。4.2　数据来源

(1)32个钻孔综合柱状图包括:孔号、钻孔世界坐标(N ,E )、孔口高程、孔深、倾角(竖直为90°)以及分层描述等。

(2)钻孔平面布置图。(3)有关工程地质剖面图。

其中①为三维建模的主要数据,需要建立数据库,缺之不可;②③为辅助数据,提供参考。

4.3　切片级重建过程

采样数据录入　主要是钻孔资料的建库工作,可以在Microsoft Access 中完成。

剖面线选取　根据钻孔的平面分布,选取一组剖面线(如图4)

。

图4　剖面线的选取

Fig .4　Selection of the sections 该环节需注意:

①剖面线应尽量相互平行;②剖面线应尽可能多,以提高建模的精度;③剖面线应尽量经过较多的钻孔,

以减少钻孔到视面(viewplane )的投影误差;④剖面线的方位应尽可能与主要地质构造垂直,以更好的反映其空间展布。

体数据生成　将剖面线经过的钻孔作为背景信息,根据钻孔所反映的地质分层情况,构建地质边界等前景信息,从而生成体数据(如图5所示)

。

图5　体数据生成

Fig .5　The creating of volume data

地质模型构建　运用计算机的内插算法,将不同剖面间的相同地质单元的界线连接,从而构成三维模型。但需注意以下2点:

①由于算法的局限,该软件完成此环节时,采用最近邻优先法线性插值,有时不能满足复杂的地质要求,需根据实际情况进行交互式编辑修改;②构建后的模型不允许有空隙,即未定义空间。4.4　空间分析预测

通过较为复杂的三维地质建模过程,得到了北锚碇下地质体的三维地质模型。从模型上,可以直观的看到各个地质单元的空间展布及其相互关系,既验证了已做的勘察工作,又为后续的勘察、设计乃至施工工作提供了强有力的依据。具体表现为以下几个方面:

(1)揭示了断层带的空间展布和特征　如图6所示,断层带的走向为NE ,25°近直线伸展,上部倾角70

°

图6　基岩的空间展布

Fig .6　The spatial distribution of bedrock 左右,向深部呈陡立趋势,达80°。根据其错动岩脉及地层的情况可以分析得出,其NW 盘向NNE 俯冲,SE 盘向SSW 仰冲,应为一右旋平移逆断层。

(2)揭示了岩脉的空间分布　本区岩脉穿插剧烈,

且形态各异,分布规律难以掌握。而从三维模型上,可以清晰的看到岩脉主要集中在锚碇的北端和NNE 段,且被断层带锚动。

(3)在模型上可以任意切割地质剖面　在已构建的三维模型上,可以任意切割地质剖面,从而获得所需要的地质信息,十分方便、快捷。

5　结语

(1)三维地质建模作为一种处理地质对象的新技术,与传统方法相比,具有很强的优越性,符合现代工程设计、施工和管理的需要。具体表现为:①逼真的三

维动态显示效果,使不熟悉地质结构和构造复杂性的人对地质空间关系有一个十分直观的认识;②强大的可视化功能,可提高对难以想象的复杂地质条件的理

解和判别,为勘察、试验工作提供验证和解释;③强有力的数据统计和空间变化交互式分析工具,使地质分析功能加强,灵活性提高;④先进的任意切割剖面分析及空间预测技术,减少了工作量,增强了预知空间不确定性的能力。

(2)三维地质建模是一项复杂的系统工程。建模前,需要运用有关地质知识,对资料进行筛选分析;建模中,需联系地质地层、构造及工程等有关知识,对数据进行比较,对地质构造进行推测分析;建模后,仍需根据实际情况进行核实,运用交互式编辑工具进行完善。

(3)体视化技术的出现和发展为三维地质建模提供了有力的理论依据和良好的可视化途径,但有关算法还存在一定的不足,需要进一步的研究改进。参考文献:

[1]　Simon W.Houldin g.3D Geoscience Modelin g[M].

Hong Kong:Springer,1994.1-3.

[2]　Simon W.Houlding.Practical Geostatistic[M].Germany:

Springer,2000.27-113.

[3]　管伟光.体视化技术及其应用[M].北京:电子工业

出版社,1998.3-5.

[4]　胡金星,吴立新,高卫贞,等.三维地学模拟体视化

技术的应用研究[J].煤炭学报,1998,24(4):346-

347.

[5]　张剑秋,张福炎,李敏.用地震解释结果重构地质界

面或地质体[J].石油物探,1999,38(1):69-75. [6]　王洵,张青山,吴韵楠.一种三维地层模型的表示和

生成方法[J].计算机工程与应用,2000,9:169-

173.

编辑:吴霞芬

(上接第48页)

表2　桩侧阻力发挥值

Table2　Lateral friction of pile

层号桩侧摩阻力发挥值

(kN)

桩侧摩阻力规范值

(kN)

12185.62543.4

2274.6282.6

3546.53073.3

4274.31324.7

522.9384.7

6380.4588.8

7177.31365.9

814.33622.8

9214.6329.7

10737.9459.2

113046.099.3

加,位移不断增大,各层土摩阻力逐渐发挥;当荷载达到10000kN后,孔底较坚硬的强风化黑云斜长变粒岩又阻止相对位移的产生。因此,在静载荷试验中桩顶总沉降只有13.79mm(其中桩底沉降7.25m m,桩身压缩6.54mm)的条件下,各土层的摩阻力无法充分发挥。另外,孔壁的变化情况也严重影响摩阻力的发挥。成孔检测资料表明,13m以下孔壁变化复杂,尤其是9层,在该层厚度内,孔壁上窄下宽,呈喇叭形,十分不利于摩阻力的发挥(该层摩阻力几乎完全丧失)。与9层情况相反,轴力到达11层基岩后迅速衰减,减少量达3000kN,“摩阻力”又过于偏高,根据成孔检测与钻探资料,高程-8.60m处是圆砾土与强风化黑云斜长变粒岩的分界位置,由于变粒岩较坚硬,钻进困难,钻头在界面处发生偏移,从而在该处形成一台阶状陡坎,造成桩在此处被“卡”住,使轴力锐减。

4　结语

钻孔灌注桩侧摩阻力的发挥需要一定的相对位移,位移过小不利于摩阻力的发挥;孔壁形状使侧摩阻力的发挥发生变异,“八”字形孔壁不利于摩阻力的发挥,而凸出的陡坎又会引起摩阻力的剧增;成孔过程中产生的泥皮不利于摩阻力的发挥,而成孔后长时间的搁置导致孔壁松弛,人为增加了摩阻力充分发挥所需的位移。

参考文献:

[1]　费鸿庆,王燕.黄土地基中超长钻孔灌注桩工程性

状研究[J].岩土工程学报,2000,(5):576-580. [2]　《桩基工程手册》编写委员会.桩基工程手册[M].

北京:中国建筑工业出版社,1995.

[3]　注册岩土工程师必备规范规程汇编(缩印本)[M].

北京:中国建筑工业出版社,1999.

编辑:李善峰