三维地质建模关键技术及其在水电工程中的应用

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1、三维地质建模关键技术及其在水电工程中的应用范孝锋 许国 王长海 陆瑞年 许正权（广西电力工业勘察设计研究院南宁530023）【摘要】在实践的基础上，探讨三维地质建模技术在水电工程中的作用和意义。利用GOCAD软件，准确构造地形面，进行岩层面、结构面建模，生成钻孔和剖面，并最终建立网格/实体模型，为水电工程地质分析和工程设计提供可视化参考。【关键词】三维建模实体模型地质水电工程GOCAD1引言在水利水电工程中，地质体的稳定性是工程设计关注的重点之一。在地质体稳定性分析系统中引入三维地质建模，可以提高综合分析效果。一个好的三维地质模型是进行力学分析的基础，它对工程决

2、策和工程建设具有重要意义。在虚拟的三维地质环境中，地质体的显示可以更为直观、清晰、准确，更有助于地质师深刻地认识和分析工程区地质体的形成、演变和发展；对于进一步揭示隐伏地质构造的几何形态，判断断层运动规律，弄清地层接触关系，深入研究地学规律，都有启发和帮助。特别地，三维地质模型还可以提高地质师的空间想象力；对于设计人员认识地质空间关系将更为直观，设计更为合理。GOCAD软件具有强大的三维建模、可视化、地质解译和分析的功能。它既可以进行表面建模，又可以进行实体建模；既可以设计空间几何对象，也可以表现空间属性分布。并且，该软件的空间分析功能强大，信息表现方式灵活多样

3、。因此，将GOCAD引入水电工程地质三维建模，符合水电工程实际。2三维地质建模关键技术所谓三维地质建模，是运用计算机技术，在虚拟的三维环境下，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的综合性技术，也是计算机技术在工程地质应用中的一个前沿课题。它将工程地质的分析由平面延伸到立体，由二维发展到三维的一个飞跃。三维地质模型的准确程度，对于工程分析、判断和决策影响极大。因此，需要应用成熟的三维建模软件，建立高精度的三维地质模型。2.1构造地形面工程区域的工程测量是严格按工程精度要求进行的，测量数据可以满足建模精度要求。

4、测量数据为三维坐标点文件，基本格式为：测点编号，x，y，z。图1基于point构造的地形面这样的数据文件可以直接读入GOCAD，成为一个点集对象，用于生成地形；当无测量原始数据点文件时，可由地形图提取等高线，以dxf文件导入GOCAD，得到一个曲线对象，按一定精度在这些等高线上提取数据点，生成点集，作为生成地形面的控制点。由点集生成一个曲线对象，作为地形面的边界。最后由点集和边界曲线离散平滑内插(DSI)生成地形曲面。GOCAD提供了由point和curve两种方式生成地形图，基于point生成的地形面，速度快，但精度较低；而基于curve生成的地形面则精度更高

5、，能够准确表达出坝址区诸如平台、马道等地形。基于point生成的地形面如图1所示，基于curve生成的地形面如图2所示。图2基于curve构造的地形面2.2岩层面、结构面建模岩层面和结构面的建模是三维地质建模最核心的部分，这些面存在于地质体内部，无法直观观察到。在三维地质建模中，就是将这些无法完整观察到的面重构出来，包括它们的几何形态、相互间的位置关系等。我们掌握的这些地质对象的资料包括地形数据（如根据平面测绘掌握的地层、断层出露“线”）和钻孔、平硐揭露的离散“点”数据（如面的产状）。相对于建模区域而言，由钻孔得到的地层分布数据及其极其有限，因此在建模中，钻孔数

6、据只作为层面的控制要素，而岩层出露线和岩层产状作为岩层的形态要素。首先将岩层的地表出露线从AUTOCAD导入GOCAD，得到一个curve对象，然后岩层产状换算为面的切向量，在GOCAD中，坐标与地质图坐标一致，正北为Y方向，正东为X方向，向上为Z方向，设岩层产状为“倾向∠倾角”（dd∠da，0≤dd≤360，0≤da≤90），则该层面的切向量为：x＝cos(da)sin(dd)y＝cos(da)cos(dd)z＝-sin(da)将地表curve对象沿该切向量拉伸一定距离得到一个面对象（surface），即为该地层面的宏观基本形态，该面为一直平面，与地表出露线及

7、产状数据相一致。再将这个面拟合到由钻孔、平硐确定的该层的离散点位置，得到一曲面，该曲面在宏观形态上与出露线和产状数据一致，在局部与钻孔确定的层面位置一致，如果其展布情况与地质规律不矛盾，则可认为该曲面可以模拟该地层面。重复以上过程，对每一个地层面、断层面分别建模，就得到整个建模区域的岩性、构造分布情况面模型，如图3所示。可见，钻孔、平硐数据的数量，直接影响曲面形状与真实地层面形状的接近程度，随着工程勘察工作的不断深入，模型将不断完善，同时也为下一步工程勘察重点和地质分析提供依据。图3GOCAD岩层面、结构面建模2.3钻孔的生成钻孔数据是三维地质建模的基础，在GO

8、CAD中，钻孔是以测井（