三维地质模型的精准度与水利工程适宜性研究

李锡均，张 钧，李少飞

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

1 三维地质模型

1.1 定义与概念

根据工程勘察设计要求，利用工程区一定范围内的地质勘察资料，按工程对象类别建立的具有图元属性和工程地质属性的三维模型，是地形模型、基础数模型、地质几何模型、地质属性模型的集合。

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，用于处理地质相关问题，得出所需的三维地质模型。

1.2 三维地质模型的精准度

三维地质模型的精准度也就是三维地质模型地址对应地质体的吻合程度，不同的三维地质建模软件的研究方向和所面对行业不同，研究的侧重点不同，要求体现的地质体属性也不同，针对水利工程而言，水利工程具有地质信息的不可见性、不规则性和数据庞大占用储存空间较大的特点，且勘察的各个阶段从野外获取的各种地质信息，包括地表地形、地层分界、断层和褶皱构造、地下水位、风化等地质资料的分析和解译均为二维和静态的地质信息数据，随着阶段的深入精度也随之提高，其描述空间地质构造的规律性及变化的直观性差，不能直接、完整、准确地反映地质体的空间变化规律与实际情况，难以满足水利工程的分析与计算要求，因此选择一款合宜三维地质建模软件创建与水利工程地质体吻合度较高的三维地质模型尤其重要。

1.3 三维地质建模软件

国外三维地质建模研究较早，20世纪70年代，许多科学家就提出了地质相关的三维模型和表达方式，在1993年Simon.W.Houlding论著阐明了其研究成果，正式提出了三维地质建模概念，在此基础之上国外陆续研制发布了三维地质建模软件，如澳大利亚的MicroMine软件，法国的Gerovia Surpav软件。

国内在三维地质建模方面研究方面的研究起步较晚，但近年来已有不少的研究与探索，取得了一定的成果，相继推出许多三维地质建模软件，如3D-Grid三维软件、BM_GeoModeler、理正三维地质建模软件。随着三维地质建模技术的日益成熟，三维地质建模应用于水利工程也日益推广，对于解决专项的地质问题具有一定实际和现实意义。

(1)BM_GeoModelerS三维地质建模软件

BM_GeoModeler是一款面向勘察、岩土专业的大型平台型软件，服务地质三维建模、分析和岩土工程辅助设计。

(2)EVS三维地质建模软件

EVS(EarthVolumetricStudio)是一款适用于地球科学领域的可视化3D建模分析软件，可实现真三维的地质体数据建模、分析及可视化；可与ArcGIS、Revit、Civil3D等实现无缝数据交换；可实现真三维模型动画展示。EVS建立的模型真实反映地质构造形态、构造关系及地质体内部属性变化规律；可对模型进行任意形式的切割，以便多角度观察；对于尖灭、透镜体、断层及溶洞有很好的处理能力。

(3)理正三维地质建模软件

理正勘察三维地质软件是结合三维地学研究理念和技术的最新进展，集三维地质模型创建、模型仿真展现、工程地质问题三维分析应用为一体的软件系统。根据钻孔、地质平面图、纵断面图、剖面图等多源数据创建生成包含多种地质要素(如地表地形、断层、褶皱岩层、溶洞等)的复杂三维工程地质模型。并可实现任意剖切；基坑、基桩、隧道、路堑刷坡等工程活动的模拟开挖；土方量估算等工作。可与理正工程地质勘测软件进行数据互通。

2 工程应用

2.1 工程概述

TY水库总库容为1.12亿m3，为大(2)型工程。工程由枢纽工程、引水工程、输水工程3部分组成，枢纽工程推荐为上坝址，大坝为粘土心墙坝，最大坝高68m，坝轴线长262m；输水工程HJC隧洞长15.26km，为直径3.8m无压圆形断面，设计输水流量20m3/s；引水工程MLQ隧洞长7.56km，为2.5m×3.0m无压城门洞型断面，设计引水流量4m3/s。

河流自NW流向NE，总体呈不规则舒缓状“S”型展布，拟建坝河道及岸坡均较顺直，为“U”型谷，两岸山体基本对称，属构造侵蚀剥蚀低中山河谷地貌。河床宽约35～75m，两岸地形陡峻，左岸下游和右岸上游各发育一条冲沟。

第四系河床冲洪积层、崩坡积层厚约1～6m，基岩出露良好，岩性为下第三系宝相寺组中-厚状长石石英细砂岩、长石砂岩、砂砾岩夹少量薄层状泥岩、泥质粉砂岩，以及沿层面侵入的喜山期煌斑岩。

上坝址区位于龙蟠-乔后断裂构造带西部(下盘)相对稳定的地块上，未见断层和褶皱构造发育，为单斜构造，岩层倾向左岸偏上游，倾角8°～16°，层间挤压破碎带、层间泥化夹层及陡倾节理较发育，煌斑岩脉接触带的岩石蚀变明显。

两岸地下水补给河水，但临河岸坡段的水力坡降均较平缓，桃源河为坝址区最低排泄基准面。

2.2 工程三维地质模型

利用上述三维地质建模软件和结合本工程的地质勘察数据创建的三维地质模型，如图1—6所示，所反映的地质体的属性侧重点不同，采用的插值方法不同导致的各地质体的精准度也不尽相同，其可视化表示方向也各不相同。

图1 BM_GeoModeler三维地质模型

所创建的三维地质模型，虽然采用的勘察地质数据相同，但由于采用的插值方法等技术及行业侧重点不同，在可视化表观上较为相似，但地质体的吻合度不尽相同，其赋值的地质属性也不尽相同，在剖面图中更能反映其地质属性特点。能否适宜水利工程要进一步探索与研究，对于专项地质体(滑坡、岩溶)等EVS能较快地建模和赋值地质属性(具有真三维的属性)。对于坝址区所要反映的地质体较为复杂、要求地质属性较多的情况下，BM_GeoModeler较快地建立所需的三维地质模型。对于洞室等要反映其围岩类别的地质体，理正三维地质建模软件能较快速建立三维地质模型并赋值其地质属性。

图2 BM_GeoModeler三维中的坝轴线剖面

图3 EVS三维地质模型

图4 EVS三维中坝轴线剖面

图5 理正三维地质模型

图6 理正三维地质模型坝轴线剖面

3 结语

随着国民经济的持续发展及数字中国、智慧水利理念的提出，利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力，基于地质体三维重构与可视化技术的发展，三维地质建模技术应用于水利工程是一个必然的趋势，但针对水利工程具有地质信息的不可见性、不规则性和数据庞大占用储存空间较大的特点，解决水利工程三维地质建模所面临如下困难：原始数据获取的艰难性；建筑物区工程地质属性的未知性与难以确定性；地下地质体的三维空间关系的复杂性；勘察工作量有限性决定其地质分析计算的局限性。

对于水利工程而言，其三维地质模型的精准度可以直接影响水利工程的分析计算，是水工设计提高生产率的关键。精准和可靠的三维地质模型可以为水工设计提供建筑物轴线选择所需的三维空间、可视化的地质信息数据，建筑物轴线的比选更加直观，为工程技术人员及专家论证提供可视化现场体验，其亲临感更加突出。三维地质模型的精准度也会影响水利工程的造价与工程投资，也是水利工程成败的关键。