三維地質建模技術在水利水電工程中的應用

李東弘，袁彥超，王春曉

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

以往， 地質工作者通常用二維圖件來表達地質信息，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雜地形地質環境， 傳統二維圖件很難直觀、 完整地展示出地層的空間分布形態和地質構造的相互關系［1］，并且難以被其他基于地質信息進行工程設計的專業人員理解。 三維可視化地質建模技術融合了地質學、數學、計算機圖形學等多種學科， 在處理地層信息和復雜構造方面展現出極大優勢，提高了地質信息表達的直觀性、完整性和準確度［2-5］，對于專業間信息傳遞也大有裨益，已經成為地質工作者分析復雜工程地質條件和發現工程地質規律的一種新興研究方法［6］。 三維可視化地質建模技術已成為水利水電工程地質工作的熱點， 并向縱深發展。

本文使用基于MicroStation 平臺開發的GeoStation軟件，依托于某大型水庫工程，針對三維可視化建模技術在壩址區復雜地質環境下的工程應用展開介紹。

1 工程概況

某水庫工程以工業和生活供水為主， 設計最大壩高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（Q4）地層。 壩區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。 除壩址區下游發育的區域性斷裂F10外，壩址區主要發育Ⅳ、Ⅴ級結構面，在勘察過程中未發現其他Ⅰ、Ⅱ級結構面。Ⅲ級結構面有規模相對較大的斷層f25，f26，f27，f29，其中與大壩相關的主要為f26，f29，一般斷層產狀傾角較陡，呈舒緩波狀。 兩岸及河床部位順層發育的層間剪切破碎帶CJZ01～18，CJY01～13等Ⅳ級結構面。

2 建?；玖鞒?/h2>

三維地質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測繪點和鉆孔、平洞等，線狀要素主要為地表地質測繪界線及剖面內各類地質界線， 面狀要素主要為各類地質界面， 包括結構面、地層界面、風化界面及地下水位面等，體狀要素主要為地質體，包括地層、地質構造體等。 這四類地質要素參與了模型建立和信息表達的全過程。

三維可視化地質建模的基本流程大致為： 建立地形、數據入庫、導入剖面、建立模型及分析模型等。根據等高線等地形數據建立地形面，將鉆孔、平洞等數據錄入數據庫， 然后將平面圖及剖面圖數據導入三維空間中，并賦予對應的地質屬性。利用空間中的點狀和線狀要素建立相應屬性的地質界面， 包括地層界面、風化界面、結構面等。 根據面狀要素可建立體狀要素，得到相應屬性的地質體單元。最后對三維地質模型進行分析、計算，也可對其進行剖切生成二維圖件。

3 工程應用

3.1 風化特性研究

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

圖1 風化帶模型

表1 壩址區壩軸線巖體風化帶厚度統計

由此可見，兩岸風化帶厚層差異較為明顯，且整體風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化層作為壩基持力層。

圖2 風化帶開挖情況

3.2 地層巖性研究

對地層單元模型進行開挖設計，如圖3，壩基坐落于志留系翁向組1段中上部（S2w1-5、S2w1-4）：薄～中厚層狀砂質灰巖，角礫巖夾角礫狀灰巖、泥灰巖，弱風化狀～微新巖體，灰色，裂隙不發育，弱～微透水性，巖溶不發育，多屬中硬～堅硬巖。 兩岸壩肩地層為志留系翁向組2段（S2w2）中厚層砂巖及砂質灰巖或互層狀，為中硬巖；薄～中厚層狀泥質粉砂巖、砂巖互層狀，為軟質巖類；下部為砂巖及石英砂巖夾泥灰巖，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 地質構造研究

壩址區已發現斷層匯總如表2。壩址下游約530m處發育有區域性斷層F10。壩軸線與黑塘橋之間發育有斜穿魚梁江斷層f26，在壩址左岸下游側沖溝旁消失，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。 對其進行工程地質評價，認為斷層對壩基影響不大。

圖4 斷層與壩體空間關系

3.4 層間剪切帶研究

壩基巖體本身層面膠結較好， 巖性變化部位接觸面稍差，壩基下發育層間剪切破碎帶，如圖5，高程在835.6～803.7m之間，層間剪切帶發育間距多在0.8～2.4m之間，下部發育間距為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，其物質組成以碎塊為主，夾巖屑、巖屑泥，其中巖屑泥多呈團塊狀，銹黃色，有溶蝕現象，延展性好，性狀差，對壩基抗滑穩定不利。

圖5 層間剪切帶與壩體空間關系

3.5 抗滑穩定研究

本工程壩軸線方向為NE86°， 壩基巖層產狀為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砂質灰巖夾泥灰巖，底部為角礫狀灰巖，多屬為中硬巖～硬巖，局部夾軟質巖類。 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較好，巖性變化部位接觸面稍差， 壩基下發育的層間剪切破碎帶對壩基抗滑穩定不利。

根據河床壩基各種結構面組合和強度特征，就溢流壩段壩基滑動邊界條件及穩定性予以分析：由于壩基下軟弱結構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，結構面在壩后無出露， 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沿軟弱結構面滑動，在壩趾部位切斷上覆巖體滑出，如圖6。經計算， 各種工況下壩段深層抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。

圖6 溢流壩段深層抗滑穩定示意圖

3.6 土石方量計算

對模型進行開挖設計， 根據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。 設計專業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，通過建立三維地質模型得到的開挖土石方量數據較為可靠，能夠為設計專業提供數據支撐。

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的二維圖件，應用三維地質模型，可實現快速抽取二維圖紙，得到設計專業所需的各類基礎圖件，如鉆孔柱狀圖、地質平面圖及剖面圖等，極大提高了專業間協同作業程度。

4 結語

該工程三維可視化地質模型取得了較好的應用效果，其優勢在于：

（1）直觀地展示地質體在空間的分布，便于地質工作者快速準確表達地質認識。

（2）清晰立體地表達地質體對工程的影響。

（3） 相對于二維圖紙， 三維地質模型可讀性增強，便于設計人員快速理解和應用。

（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，其他重點關注的工程部位，特別是與設計專業協同作業的部分，均可推廣三維地質應用，如長輸水線路、地下廠房區等，在模型應用的深度和廣度上都有較大潛力。

未來，隨著三維設計的影響力逐漸擴大，相應的規范標準逐漸完善， 三維可視化地質模型將在水利水電工程勘察設計中發揮更加重要的作用。