余燦林 楊宏偉 吳宗宇 蘇 寧

三維可視化在壩基巖體單孔聲波測(cè)試數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用

余燦林 楊宏偉 吳宗宇 蘇 寧

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 云南昆明 650041）

水電站壩基巖體單孔聲波測(cè)試數(shù)據(jù)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間性，而基于用枯燥的數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)表格、波形圖或二維平面圖來(lái)表達(dá)壩基巖體波速在建基面以下空間分布的方式極為抽象。利用三維可視化軟件將空間內(nèi)離散的點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維成圖，即可將一個(gè)形象的物性參數(shù)空間分布模型展現(xiàn)出來(lái)。在立洲水電站壩基巖體質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用表明，將分散分布的單孔聲波測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維成圖后，直觀形象地表達(dá)了聲速在空間的分布，指導(dǎo)了工程實(shí)踐。

單孔聲波測(cè)試數(shù)據(jù) 三維可視化 應(yīng)用

1 前言

水電站壩基巖體單孔聲波測(cè)試是評(píng)價(jià)壩基巖體質(zhì)量、爆破影響及巖體卸荷松弛深度的重要檢測(cè)方法。在大型水電站的壩基巖體質(zhì)量檢測(cè)中，單孔聲波測(cè)試的數(shù)據(jù)點(diǎn)可達(dá)到數(shù)萬(wàn)個(gè)，各測(cè)試鉆孔內(nèi)離散的聲波測(cè)試數(shù)據(jù)反映了沿孔深方向孔壁周圍巖體的質(zhì)量。同時(shí)，在壩基范圍內(nèi)所有測(cè)試孔的聲速值表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的空間性。

在常規(guī)處理方式中，由各個(gè)鉆孔的單孔聲波測(cè)試數(shù)據(jù)可得到沿孔深方向的測(cè)試曲線圖，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，或利用SURFER軟件繪制平面等值線圖。但這些表達(dá)方式均有局限性，利用這些資料在三維空間中研究聲速分布時(shí)，其拓?fù)潢P(guān)系仍顯得復(fù)雜、抽象、模糊和不確定。因此，如何實(shí)現(xiàn)聲波測(cè)試數(shù)據(jù)空間分布的可視化顯示，使成果得到直觀與有效的展示，顯得十分必要。

三維可視化軟件解決了具有空間性且離散分布的點(diǎn)數(shù)據(jù)分析難題。本文結(jié)合立洲水電站壩基巖體聲波測(cè)試的工程實(shí)例，闡述三維可視化軟件在壩基聲波測(cè)試數(shù)據(jù)中的應(yīng)用。

2 數(shù)據(jù)可視化軟件GOCAD介紹

GOCAD由法國(guó)Nancy大學(xué)研發(fā)，集成了對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理、分析和可視化等功能。軟件基于體的建模方法實(shí)現(xiàn)三維可視化成圖，在模型中最小單元是體元（voxel），以一組規(guī)則尺寸的3D體素來(lái)組成需模擬的空間，模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔。軟件兼具專業(yè)性和通用性，主要用于鉆孔數(shù)據(jù)管理，可對(duì)鉆孔的點(diǎn)數(shù)據(jù)、段數(shù)據(jù)及各類地質(zhì)數(shù)據(jù)（如地層、巖性、水文及含水層、地球化學(xué)等）以實(shí)體模型、柱狀圖、柵欄圖、截面圖、剖面圖、平切圖等模式進(jìn)行平面和立體的展示（見(jiàn)圖1）。

2.1GOCAD的建模方法

GOCAD三維地質(zhì)建模主要包括2類：一類是構(gòu)造模型(structural modeling)建模，一類是三維儲(chǔ)層?xùn)鸥窠Y(jié)構(gòu)(3D Reservoir Grid Construction)建模。

（1）構(gòu)造模型(structural modeling)建模建立地質(zhì)體構(gòu)造模型具有非常重要的意義。通過(guò)建立構(gòu)造模型，能夠模擬地層面、斷層面的形態(tài)、位置和相互關(guān)系，結(jié)合反映地質(zhì)體的各種屬性模型的可視化圖形，還能夠用于輔助設(shè)計(jì)鉆井軌跡。此外，構(gòu)造模型還是地震勘探過(guò)程中地震反演的重要手段。

圖1 GOCAD 運(yùn)行界面圖

（2）三維儲(chǔ)層?xùn)鸥窠Y(jié)構(gòu)(3D Reservoir Grid Construction)建模根據(jù)建立的構(gòu)造模型，在3D Reservoir Grid Construction中可以建立其立體模型。同時(shí)，地質(zhì)體中含有多種反映巖層巖性、資源分布等特性的參數(shù)，如巖層的波速、變形模量等，可對(duì)這些物性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和綜合分析，進(jìn)而得到地質(zhì)體的物性參數(shù)模型。

2.2建模流程

（1）鉆孔、測(cè)井分布及數(shù)據(jù)分析。支持三維建模的數(shù)據(jù)主要為鉆孔和測(cè)井。由于對(duì)區(qū)域范圍和建立三維地質(zhì)建模的精度要求不同，對(duì)于所得到的鉆孔、測(cè)井的分布并根據(jù)所取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理十分必要。根據(jù)鉆孔、測(cè)井的分布范圍和稠密程度可以大致確定地層的分布界限，對(duì)鉆孔較少的區(qū)域采取補(bǔ)充鉆探或者采用其它方法進(jìn)行處理。

（2）參數(shù)分析。由鉆孔得到的地質(zhì)參數(shù)如巖體波速等，具有隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性。隨機(jī)性指參數(shù)在特定點(diǎn)上取值不確定，雜亂無(wú)章，但參數(shù)總體取值服從一定概率分布規(guī)律的一種現(xiàn)象；結(jié)構(gòu)性指參數(shù)在空間分布上確定的、有規(guī)律的一種表現(xiàn)特征。建立不同的參數(shù)模型時(shí)，要對(duì)所選擇的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使建立的參數(shù)模型更加合理。

（3）插值方法。離散平滑內(nèi)插方法(Discrete Smooth Interpolation，簡(jiǎn)稱DSI)是GOCAD地質(zhì)建模軟件的核心技術(shù)。相對(duì)基于連續(xù)多項(xiàng)式函數(shù)的經(jīng)典CAD方法，DSI方法用一系列具有物體幾何和物理特性的相互連結(jié)的節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬地質(zhì)體。用DSI方法模擬幾何和物理特性時(shí)，己知節(jié)點(diǎn)和地質(zhì)學(xué)中的典型信息被轉(zhuǎn)化為線型約束，引AN模型生成的過(guò)程中，DSI方法具有一定的優(yōu)點(diǎn)，如自由選擇格網(wǎng)模型，自動(dòng)調(diào)整格網(wǎng)模型，實(shí)時(shí)交互操作，能夠處理一些不確定的數(shù)據(jù)等。DSI的這些優(yōu)點(diǎn)決定了它在地質(zhì)建模和可視化中的重要位置。

3 GOCAD在單孔聲波測(cè)試數(shù)據(jù)三維可視化中的應(yīng)用研究

3.1工程概況

立洲水電站位于木里河中下游河段，大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高132m，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量355MW。大壩建基面原設(shè)計(jì)底面高程EL.1954m。因開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況較好，在EL.1970m面對(duì)大壩開(kāi)挖面以下壩基巖體質(zhì)量進(jìn)行了單孔聲波測(cè)試，為論證大壩建基面是否存在優(yōu)化的可能提供數(shù)據(jù)支撐。由于本工程對(duì)壩基礎(chǔ)要求較高，壩基中緩傾角裂隙和軟弱夾層對(duì)大壩安全影響較大，利用單孔聲波測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)探明壩基礎(chǔ)中緩傾角裂隙和軟弱夾層的分布范圍和規(guī)模是檢測(cè)的重點(diǎn)。大壩壩基均勻布置物探檢測(cè)孔17個(gè)，孔深均為24m。

3.2數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

對(duì)壩基各物探孔進(jìn)行單孔聲波測(cè)試后，可得到各測(cè)試孔沿孔深方向的巖體波速。由這些點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)直接描述壩基中不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分布位置和范圍，顯然十分復(fù)雜、抽象、模糊。而利用GOCAD軟件可以將各測(cè)試孔的巖體波速數(shù)據(jù)理解為鉆孔內(nèi)點(diǎn)數(shù)據(jù)（P-data），進(jìn)行實(shí)體三維建模，對(duì)成果進(jìn)行平面和立體的直觀展示。

在GOCAD中建立新的工程項(xiàng)目，選擇WELL模塊，輸入鉆孔的位置信息，并將大壩壩基巖體聲波測(cè)試數(shù)據(jù)作為點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入，更新工程項(xiàng)目的坐標(biāo)值，即建立了壩基巖體聲波測(cè)試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。此時(shí)，可利用GOCAD菜單項(xiàng)建立壩基巖體波速的可視化模型。建模參數(shù)可自定義，模型建立后，即完成了離散的聲波測(cè)試數(shù)據(jù)的三維可視化。在統(tǒng)一模型下，可利用GOCAD強(qiáng)大的繪圖功能繪制成果圖形。

本應(yīng)用實(shí)例的建模網(wǎng)格為1m×1m×0.2m，加入了邊界限制，并以各物探測(cè)試孔孔口高程限制模型的上表面。壩基巖體聲速三維模型如圖2所示，繪制選取高程面的平切圖集如圖3所示，沿壩軸線方向的截面圖集如圖4所示。

圖2 壩基巖體聲波測(cè)試數(shù)據(jù)的三維模型圖

圖3 平切圖集

圖4 截面圖集

由圖3、圖4可知，壩基河床壩基低波速區(qū)域隨高程降低而減少。平面上，小于4.6km/s波速的區(qū)域相對(duì)集中在左岸靠近拱壩中心線的區(qū)域及右岸靠近上游部位；深度方向上，低波速區(qū)域主要分布在EL.1964～EL.1965m高程上，EL.1964m高程下，未發(fā)現(xiàn)明顯連續(xù)的低波速帶。

4 結(jié)語(yǔ)

GOCAD軟件在壩基巖體單孔聲波測(cè)試數(shù)據(jù)三維可視化中的有益嘗試，將聲波測(cè)試獲取的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)得到了直觀、系統(tǒng)、全面的展示，為立洲水電站的建基面高程最終優(yōu)化到EL.1964m提供了可靠資料。

GOCAD軟件功能強(qiáng)大，兼具專業(yè)性和通用性。而其在三維可視化方面的優(yōu)異表現(xiàn)和通用性，可廣泛用于多種工程物探檢測(cè)方法的成果展示。但存在的不足是，由于GOCAD軟件采用體元的建模方式，若要提高三維地質(zhì)體空間位置的幾何精度，會(huì)使空間單元數(shù)目呈三次方增長(zhǎng)，不利于高精度大模型的建立。

1 楊東來(lái)等. 地質(zhì)體三維建模方法與技術(shù)指南[M]. 北京：地質(zhì)出版社. 2007.

2 徐文杰, 胡瑞林, 李厚恩, 李新華, 李壯舉. CAD軟件在工程地質(zhì)三維建模中的應(yīng)用[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007，15（2）：279-283.

3 Mallet JL. Discrete smooth interpolation in geometric modeling. Comput Aided Des 1992,24：178-191.

式中：E0為巖體變形模量，MPa；μ為泊松比，取0.25。

E4～E6試驗(yàn)點(diǎn)巖性為灰黑色中層-中厚層細(xì)晶大理巖（T2y5-1），微風(fēng)化；E20～E22試驗(yàn)點(diǎn)巖性為白色中厚層粗晶大理巖（T2y5-2），微風(fēng)化。

從表2可以看出，E4～E6試驗(yàn)點(diǎn)在6MPa壓力作用下的變形模量E0為5.26～8.10×103MPa，采用公式（2）計(jì)算的單位彈性抗力系數(shù)k0為37.2～64.8MPa/cm，平均值為48.0MPa/cm；E20～E22試驗(yàn)點(diǎn)在6MPa力作用下的變形模量E0為4.58～50.34×103MPa，采用公式（2）計(jì)算的單位彈性抗力系數(shù)k0為36.6～402.7MPa/cm，平均值為240.4MPa/cm。

柔性條形載荷板法試驗(yàn)成果與剛性承壓板變形試驗(yàn)計(jì)算成果相比，灰黑色中層-中厚層細(xì)晶大理巖（T2y5-1）中，XP2-1、XP2-2、XP2-3和XP5-1試驗(yàn)點(diǎn)（較完整）巖體的單位彈性抗力系數(shù)試驗(yàn)值與E4～E6試驗(yàn)點(diǎn)6MPa壓力作用下的單位彈性抗力系數(shù)試驗(yàn)計(jì)算值相近；白色中厚層粗晶大理巖（T2y5-2）中，SP6-1和SP6-2試驗(yàn)點(diǎn)（完整）巖體的單位彈性抗力系數(shù)試驗(yàn)值高于E20～E22試驗(yàn)點(diǎn)6MPa壓力作用下的單位彈性抗力系數(shù)試驗(yàn)計(jì)算值。

3 結(jié)語(yǔ)

“長(zhǎng)條載荷板法”圍巖彈性抗力系數(shù)試驗(yàn)研究結(jié)果能夠滿足工程需要。試驗(yàn)結(jié)果較真實(shí)地反映了高大洞室底板圍巖的巖體單位彈性抗力系數(shù)值大小，與現(xiàn)有的剛性承壓板變形試驗(yàn)成果相比，較完整巖體的單位彈性抗力系數(shù)試驗(yàn)值與其計(jì)算值相近，完整巖體的單位彈性抗力系數(shù)試驗(yàn)值要高于其計(jì)算值。

參考文獻(xiàn)

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3 GB50218—94工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) [S].

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.028

TV223.1

B

1672-2469（2014）02-0103-04

余燦林（1982年- ），男，工程師。