廣東省環(huán)境地質(zhì)勘查院 古銳開(kāi) 陳偉

廣東省水文地質(zhì)大隊(duì) 歐陽(yáng)春飛

引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，城市地面上的可利用空間不斷減少。城市發(fā)展空間呈現(xiàn)出明顯的自上而下的開(kāi)發(fā)態(tài)勢(shì)，地下空間已經(jīng)成為城市不斷拓展的重要資源。

地下空間的開(kāi)發(fā)利用與其所處的地質(zhì)環(huán)境條件，如地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)體等密切相關(guān)，由于地質(zhì)環(huán)境條件往往具有較大的各向異性以及復(fù)雜性，缺乏對(duì)地質(zhì)環(huán)境條件的深刻把控，極易出現(xiàn)地下（地面）空間建筑物及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的現(xiàn)象，而目前勘察測(cè)繪技術(shù)的數(shù)據(jù)成果，幾乎都是以二維空間的形式來(lái)展示，這種二維空間的信息資料繁多，且缺乏整體性以及連續(xù)性，很難直觀且科學(xué)地展示實(shí)際的地質(zhì)環(huán)境條件，這給城市地下空間的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)以及后期維護(hù)帶來(lái)了相當(dāng)大的難度。與傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)相比，精細(xì)化三維地質(zhì)建模技術(shù)在數(shù)據(jù)整理上更具全局性、相關(guān)連續(xù)性以及動(dòng)態(tài)性，在展示效果上更具直觀性、立體性以及細(xì)節(jié)性，可為國(guó)土、建設(shè)、水利水電、電力、交通、礦山等部門(mén)在地下空間開(kāi)發(fā)利用工作中提供良好的技術(shù)支撐。

1.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

三維地質(zhì)建模是礦山開(kāi)發(fā)、巖土工程、水利水電、石油勘探、地理信息系統(tǒng)、以及科學(xué)計(jì)算可視化等領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。三維地質(zhì)建模是在地質(zhì)信息、地理信息、空間分析技術(shù)、實(shí)體分析技術(shù)以及圖形可視化技術(shù)等工具的基礎(chǔ)上，在三維環(huán)境展示并用于地質(zhì)分析的技術(shù)。三維建模技術(shù)不僅可以精細(xì)地展示出從地表到設(shè)計(jì)深度范圍內(nèi)巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)、垂直向的層序、巖層相互沉積關(guān)系，地下水流向、地下水分布，巖層厚度、深度、高程、側(cè)向擴(kuò)展范圍等詳細(xì)數(shù)據(jù)，并且可以針對(duì)研究區(qū)域做整體或者切片分析，能夠更為真實(shí)和精細(xì)地表達(dá)實(shí)際的地質(zhì)環(huán)境條件。

三維地質(zhì)建模技術(shù)國(guó)外起步較早，最初應(yīng)用于礦山管理和采礦設(shè)計(jì)工作中[1]，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)外在理論、程序開(kāi)發(fā)以及實(shí)例應(yīng)用等方面均取得了大量的成果，也開(kāi)發(fā)出不少商業(yè)軟件，如EarthVision三維建模軟件。該三維可視化建模軟件可用于建立三維油藏構(gòu)造格架模型、參數(shù)模型形成三維數(shù)據(jù)體以及復(fù)雜斷塊的模型[2]；GOCAD是地質(zhì)建模專(zhuān)業(yè)軟件，優(yōu)勢(shì)在于突破了常規(guī)GIS工具的局限，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)建復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造包括褶皺、斷裂（包括斷層、節(jié)理）等的三維地質(zhì)模型[3]；PETREL 是目前應(yīng)用較廣的一款地質(zhì)建模軟件，它是建立在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，不僅可以構(gòu)建儲(chǔ)層的三維地質(zhì)框架，還可以利用確定性建模技術(shù)組建儲(chǔ)層物性模型對(duì)創(chuàng)建的屬性模型進(jìn)行網(wǎng)格抽稀處理，并進(jìn)一步根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，使其與實(shí)際的地質(zhì)情況更加匹配[4]；GeoModeller對(duì)于復(fù)雜的三維地質(zhì)模型，可以直接從固體三維地質(zhì)進(jìn)行正向和逆向建模，其功能較為強(qiáng)大，其中包括地質(zhì)編輯器、鉆孔和網(wǎng)格/網(wǎng)格管理、正向和反向地球物理模塊，用來(lái)管理和解釋整個(gè)地?zé)峄蚬こ炭碧巾?xiàng)目[5]。

國(guó)內(nèi)的三維地質(zhì)建模技術(shù)研究起步較晚，但也做了大量的有益探索，并取得了一定的成果。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)國(guó)土資源信息系統(tǒng)研究所開(kāi)發(fā)出了GeoView的可視化地學(xué)信息系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)具有多“S” (DBS、GIS、RS、GPS、CADS 和 ES等)的 結(jié)合與集成特征，開(kāi)發(fā)有三維動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字盆地、數(shù)字礦山、數(shù)字城市（地下部分）、數(shù)字煤田和水電工程等地質(zhì)過(guò)程的真三維動(dòng)態(tài)可視化模擬[6]。GeoEngine是我國(guó)自主研發(fā)水電工程地質(zhì)三維信息系統(tǒng)，針對(duì)水利水電工程地形地質(zhì)條件復(fù)雜和精度要求高等特點(diǎn)，提供了強(qiáng)大的三維建模、三維編輯、三維查詢(xún)統(tǒng)計(jì)和三維空間分析功能。中國(guó)石油大學(xué)開(kāi)發(fā)的 RDMS和南京大學(xué)開(kāi)發(fā)的 SLGRAPH，均可以通過(guò)三維信息圖形實(shí)現(xiàn)石油勘探數(shù)據(jù)的可視化[6-10]。

2.三維地質(zhì)建模流程及方法

三維地質(zhì)建?；咀裱牲c(diǎn)到面、面拓?fù)涑审w的流程。第一，數(shù)據(jù)處理。首先通過(guò)勘察測(cè)繪工作獲取鉆孔、地形資料，進(jìn)行數(shù)據(jù)解譯與數(shù)據(jù)處理，建立鉆孔數(shù)據(jù)屬性庫(kù)；第二，構(gòu)建面狀模型。利用一定的數(shù)學(xué)插值算法對(duì)離散型的原始鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)插值、空間擬合，構(gòu)建面狀模型，最終生成覆蓋全部鉆孔位置的規(guī)則網(wǎng)絡(luò)，地質(zhì)上常用的數(shù)學(xué)插值算法包括泰森多邊形法（最近鄰法）、反距離加權(quán)法、離散光滑插值法、克里金插值法等；第三，層序建模。根據(jù)層序?qū)W方面的理論，以地質(zhì)構(gòu)造和地層作為邊界條件，通過(guò)建立精度高的層序模型反映地層的剝蝕和尖滅等之間的不整合關(guān)系；第四，實(shí)體建模。根據(jù)層序拓?fù)潢P(guān)系，在面狀模型的基礎(chǔ)之上建立地質(zhì)真三維幾何模型；第五，屬性建模。針對(duì)所建立的地質(zhì)真三維幾何模型進(jìn)行內(nèi)部的屬性參數(shù)的建模，屬性參數(shù)包括巖土體的物理力學(xué)參數(shù)、孔隙度、滲透率等，最終實(shí)現(xiàn)在真三維空間中對(duì)地質(zhì)實(shí)體的幾何形體和地質(zhì)實(shí)體內(nèi)部屬性參數(shù)的建模。

3.實(shí)例分析

本文在精細(xì)化三維地質(zhì)建模理論的基礎(chǔ)上，選取了廣東省廣州市南沙區(qū)某地塊作為研究對(duì)象，對(duì)其地下空間開(kāi)發(fā)進(jìn)行精細(xì)化三維地質(zhì)建模分析。

3.1 地理位置

該地塊總用地面積約16505m2，位于珠江三角洲入海口的廣州市南沙區(qū)南沙街道大涌村，西北方向距離南沙區(qū)政府5.6km，西南側(cè)為蕉門(mén)河流域。該地塊巖土體類(lèi)型較多，埋深及厚度變化大，巖層層面起伏較大，地質(zhì)環(huán)境條件較復(fù)雜。

3.1.1 地形地貌條件

該地塊地勢(shì)平坦、開(kāi)闊，地形起伏小，場(chǎng)地現(xiàn)狀為荒地，正在平整。地面標(biāo)高在7.10m～7.60m之間，地面平坦，設(shè)計(jì)標(biāo)高為7.80m。

3.1.2 巖土體分類(lèi)及工程地質(zhì)特征

根據(jù)收集的48個(gè)勘察鉆孔資料，該地塊巖土體類(lèi)型較多，按成因類(lèi)型可劃分為人工填土層()、海陸交互相沉積層()、殘積層()和燕山三期花崗巖(γ52（3）)等4大成因?qū)樱杉?xì)分為11個(gè)亞層，如表1所示：

3.2 精細(xì)化三維地質(zhì)建模實(shí)例研究

在上述精細(xì)化三維地質(zhì)建模流程及方法的基礎(chǔ)上，采用三維地質(zhì)建模軟件，對(duì)該場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)例研究，場(chǎng)地共布置了51個(gè)鉆孔，其位置如圖1所示。

（1）層序面狀模型的建立

本研究利用克里金插值法算法對(duì)離散型的原始鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)插值，根據(jù)層序?qū)W方面的理論，空間擬合構(gòu)建出層序面狀模型，可以較好地反映出地層的剝蝕和尖滅等不整合的關(guān)系，如圖2所示。

（2）實(shí)體模型的建立

在巖土層分布圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)層序拓?fù)潢P(guān)系，建立地質(zhì)真三維幾何模型，并通過(guò)“剝離”技術(shù)，可以針對(duì)單獨(dú)的展示和分析，衍生出相關(guān)的系列圖件，包括：①巖土層層位的厚度分布圖（圖3），最大的巖層厚度約22m，為淤泥層，由于場(chǎng)地分布了多層淤泥，且厚度較大，因此，我們可以單獨(dú)抽取淤泥層進(jìn)行研究（圖4）；②巖土層深度分布圖（圖5），通過(guò)該圖件可以清晰明了地掌握每個(gè)層位所分布的深度信息；③巖層層位所處高程分布圖（圖6），受巖層起伏影響，因?yàn)槊總€(gè)巖土層分布的高程均不一樣，通過(guò)該圖件可以對(duì)每個(gè)層位所分布的高程信息有更為細(xì)致的了解，并且可以單獨(dú)考察某巖土層（持力層）的分布高程，為后期設(shè)計(jì)提供相關(guān)可靠的數(shù)據(jù)（圖7）。

表1 巖土體分類(lèi)及工程地質(zhì)特征

（3）精細(xì)化三維地質(zhì)模型的分析

當(dāng)精細(xì)化三維地質(zhì)模型建立以后，我們可以根據(jù)地下工程的建筑類(lèi)型以及方向等要求，根據(jù)特定的建筑工程（管道工程、地下洞室、地鐵線路等）展布的確切方向，針對(duì)建立的精細(xì)化三維地質(zhì)模型進(jìn)行切片分析，得出下覆巖土體的各項(xiàng)參數(shù)（深度、高程、厚度等），如圖8、圖9所示。

除了對(duì)三維地質(zhì)模型進(jìn)行切片分析外，針對(duì)開(kāi)挖基坑這一目前在城市地下空間開(kāi)發(fā)最廣泛的應(yīng)用，也可以通過(guò)精細(xì)化三維地質(zhì)模型進(jìn)行基坑開(kāi)挖后的模擬，對(duì)基坑的坑壁、坑底所涉及的巖土體進(jìn)行分析，為基坑支護(hù)以及工程建設(shè)提供科學(xué)的有利依據(jù)，建立的基坑開(kāi)挖模型，如圖10所示。

圖1 鉆孔位置圖

圖2 巖土層分布圖

圖3 巖土層層位厚度分布圖

圖4 淤泥層厚度分布圖

從圖10可以看出，在基坑開(kāi)挖后，基坑側(cè)壁從上至下分別為：<1> 人工填土、<2-1>淤泥以及<2-2>粉砂層，基坑底部大部分為<2-2>粉砂層，<2-1>淤泥層局部分布。

圖5 巖土層深度分布圖

圖6 巖土層層位所處高程分布圖

圖7 中風(fēng)化持力層層位所處高程分布圖

4.結(jié)論

本研究在精細(xì)化三維地質(zhì)建模流程及方法的基礎(chǔ)上，選取了廣東省廣州市南沙區(qū)某地塊作為研究對(duì)象，建立精細(xì)化的三維地質(zhì)模型，對(duì)各巖土層的厚度、深度、分布高程等因子進(jìn)行了精細(xì)刻畫(huà)，并采用“切片”及“開(kāi)挖”的形式，對(duì)三維地質(zhì)模型進(jìn)行了分析，為后期工程建設(shè)提供科學(xué)的依據(jù)；同時(shí)，本研究根據(jù)野外調(diào)查情況，并結(jié)合三維地質(zhì)建模研究，證明了精細(xì)化三維地質(zhì)建?？梢院芎玫乜坍?huà)城市地下空間開(kāi)發(fā)中所涉及的地質(zhì)環(huán)境條件，并具有較高的準(zhǔn)確性。本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)：與傳統(tǒng)的二維地質(zhì)成果相比，三維模型突破了用二維圖形描述三維巖土體的局限性，從三維空間上定量地表征了巖土體的非均質(zhì)性，從而有利于城市地下空間開(kāi)發(fā)工作者進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)管理，對(duì)城市地下空間開(kāi)發(fā)有著重要的意義。

圖8 任意方向的巖土層層厚切片分析圖

圖9 巖土層層位所處深度切片分析圖

圖10 基坑開(kāi)挖模型