徐文杰 曾樹元 徐慧雅 張 斌 王 瑞

(①清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084，中國(guó))

(②中國(guó)電建貴陽勘探設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550081，中國(guó))

(③中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083，中國(guó))

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)可視化及數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，建立在野外地質(zhì)調(diào)查資料分析基礎(chǔ)上的二維地質(zhì)模型(地質(zhì)圖)已經(jīng)不能滿足行業(yè)發(fā)展的需求?？焖贅?gòu)建地質(zhì)體的三維“概念模型”，從而更加真實(shí)、直觀地展示地下巖層、礦床及地質(zhì)構(gòu)造等的空間分布和定量化分析，并進(jìn)而深入揭示地質(zhì)體的演化機(jī)理，近幾年得到了飛速的發(fā)展。目前，三維地質(zhì)模型已經(jīng)成為地質(zhì)礦床資源開發(fā)(郭智等，2015；李金池等，2020)、地質(zhì)構(gòu)造(陳麒玉等，2020)及城市地下空間利用(劉欣等，2020)等重要的基礎(chǔ)性工作?？v觀目前地質(zhì)建模發(fā)展及應(yīng)用，主要集中在地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(如，巖層、地質(zhì)構(gòu)造等)及地質(zhì)屬性(巖性、電阻率、孔隙度等)的三維空間分布及可視化表達(dá)上；從數(shù)據(jù)模型上也主要是采用實(shí)體化單元的網(wǎng)格模型(吳立新等，2007；Kaufmann et al.，2008)，這將使得模型精度很大程度上依賴于所采用的網(wǎng)格大小，而且在進(jìn)行區(qū)域性地質(zhì)模型構(gòu)建時(shí)會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模的數(shù)據(jù)網(wǎng)格。而基于面的網(wǎng)格建模方法，可以輕便地實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的及大區(qū)域的三維地質(zhì)模型重構(gòu)(Varga et al.，2019)。

地質(zhì)模型也是大型工程建設(shè)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)。然而受現(xiàn)有三維地質(zhì)模型建模方法及數(shù)據(jù)格式的限制，目前的三維地質(zhì)模型很難直接用于工程的設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性計(jì)算分析，從而使得已有的三維地質(zhì)模型只能到達(dá)“可視”，而無法直接用于“可算”?；谀嫦蚬こ探＜夹g(shù)，徐文杰等(2007)，將其應(yīng)用于三維地質(zhì)體建模，實(shí)現(xiàn)了“可視”與“可算”的統(tǒng)一，為快速、精細(xì)化地質(zhì)建模提供了新的思路，同時(shí)為地質(zhì)體的穩(wěn)定性分析提供了模型基礎(chǔ)(鄧小龍等, 2017；高相波等, 2020)。

近幾年來建筑信息模型(BIM)作為一種具有極高效率的建筑設(shè)計(jì)施工新方法和建筑過程的數(shù)字化表達(dá)技術(shù)，融合了參數(shù)化技術(shù)和信息管理技術(shù)，極大地促進(jìn)了工程設(shè)計(jì)、施工服務(wù)以及設(shè)施項(xiàng)目管理的協(xié)同過程，已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)行業(yè)內(nèi)增長(zhǎng)最快的工具之一(Ku et al.，2010)。BIM提供的以三維模型為核心的系統(tǒng)不僅擁有立體全方位觀察模型，具有可視化建筑模型、相互關(guān)聯(lián)的模型設(shè)計(jì)、信息高度整合、跨階段和學(xué)科的協(xié)調(diào)性等優(yōu)勢(shì)(張建平等，2009)。而對(duì)于大壩、隧道、邊坡等工程而言，工程建筑結(jié)構(gòu)與地質(zhì)體是一個(gè)有機(jī)的整體，三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型是工程的設(shè)計(jì)、施工及穩(wěn)定性分析等的重要基礎(chǔ)。受模型數(shù)據(jù)格式的影響，使得目前常用的“三維地質(zhì)模型”與工程結(jié)構(gòu)的“BIM”無法融合。而且，由于地質(zhì)體具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間單元復(fù)雜等特征，使得模型在建立過程中工作繁瑣、甚至難于進(jìn)行，有的研究者為了建立一個(gè)合理的模型甚至要花費(fèi)幾周的時(shí)間。為此，國(guó)內(nèi)外在對(duì)工程地質(zhì)體的數(shù)值計(jì)算分析中往往不得不對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化，這在一定程度上影響了數(shù)值計(jì)算分析的效果。

構(gòu)建具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式的“三維地質(zhì)模型”和工程結(jié)構(gòu)“BIM”，一方面實(shí)現(xiàn)重大工程中“地質(zhì)-工程”的融合與信息化分析，另一方面實(shí)現(xiàn)模型的“可視-可測(cè)-可算”等功能的融合，對(duì)于重大工程的全生命周期運(yùn)行和管理無疑具有重要的意義。

1 三維信息模型重構(gòu)

重構(gòu)復(fù)雜地質(zhì)體的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)模型，是對(duì)地質(zhì)體穩(wěn)定性分析的前提，也是重大工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及全生命周期運(yùn)行和管理的關(guān)鍵問題。在三維地質(zhì)建模中常用的軟件有GoCAD、Petrel及ArcGIS等，但這是軟件在三維模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上或者是建立在自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)格式上、或者建立在GIS的三維數(shù)據(jù)格式上，而難以與目前通用的三維模型文件建立接口。目前工程中最常用的BIM軟件為Autodesk 公司的Revit軟件，雖然Revit軟件在工程結(jié)構(gòu)建模方面有著強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，但是難以用于建立復(fù)雜的三維地質(zhì)模型。因此，要解決“三維地質(zhì)模型”與工程結(jié)構(gòu)“BIM”的統(tǒng)一融合，需要建立在統(tǒng)一的通用三維模型數(shù)據(jù)格式基礎(chǔ)上。

隨著計(jì)算機(jī)硬件及軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，三維建模技術(shù)在各行各業(yè)取得了飛速的發(fā)展，尤其在制造業(yè)、電子業(yè)、鞋業(yè)、藝術(shù)業(yè)、醫(yī)學(xué)工程及產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，涌現(xiàn)出多款強(qiáng)大的CAD及CAM三維建模軟件。這類CAD及CAM三維建模軟件，一方面可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型的逆向工程建模及參數(shù)化建模；另一方面也可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何模型的布爾運(yùn)算(相交、相加及相減)，從而構(gòu)建更為復(fù)雜的模型。此外，它們大都建立在通用的三維模型數(shù)據(jù)文件基礎(chǔ)上(如*.stl、*.obj、*.igs等)，這也是目前主流三維建模程序所采用的數(shù)據(jù)文件格式，一方面可以非常方便地用于自主開發(fā)數(shù)值計(jì)算軟件的模型前處理；另一方面，可以直接導(dǎo)入一些常用數(shù)值計(jì)算軟件(如，Abaqus，ANSYS等)進(jìn)行網(wǎng)格劃分及數(shù)值計(jì)算。

法國(guó)達(dá)索公司開發(fā)的Catia作為目前主流的強(qiáng)大的三維CAD/CAE/CAM建模軟件之一，該軟件具有強(qiáng)大的三維模型構(gòu)建能力，在建模過程中可以通過CAD設(shè)計(jì)圖正向建立三維模型，也可以通過導(dǎo)入點(diǎn)云等方式逆向生成三維模型；此外還具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模和復(fù)雜曲面生成功能，并支持二次開發(fā)，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造行業(yè)(如飛機(jī)制造、汽車制造等)。Catia從建模思路上與三維地質(zhì)模型重構(gòu)及工程結(jié)構(gòu)三維建模具有一致性，因此近幾年來在三維地質(zhì)建模(徐文杰等，2007；王秋明等2011；馬丹璇等，2014；錢驊等，2014)及BIM(秦海洋等，2021)方面取得了一些應(yīng)用性的成果，并體現(xiàn)出其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。為此，本文將基于Catia開展三維信息模型重構(gòu)研究。

2 大型水電工程三維信息模型

我國(guó)西南大型水電工程中受區(qū)域強(qiáng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及全球極端氣象影響，庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害是影響電站全生命周期正常運(yùn)行的重要因素之一，尤其是隨著梯級(jí)水電工程的不斷建設(shè)，庫區(qū)重大地質(zhì)災(zāi)害將趨于鏈生災(zāi)害過程發(fā)展。因此，水電工程在設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行期，庫區(qū)地質(zhì)體穩(wěn)定性-庫壩工程建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)整體。對(duì)于水電工程而言，構(gòu)建庫壩區(qū)大型滑坡地質(zhì)體的三維精細(xì)化模型(LIM)及樞紐工程建筑信息模型(BIM)，實(shí)現(xiàn)庫區(qū)LIM-BIM的融合與統(tǒng)一，形成水電工程三維信息模型(HIM)(圖1)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)水電工程信息化管理、穩(wěn)定性分析、潛在災(zāi)害評(píng)估和預(yù)測(cè)等具有重要的意義。本節(jié)將以貴州省索風(fēng)營(yíng)水利工程為例進(jìn)行闡述。

2.1 滑坡信息模型(LIM)

堆積體滑坡水電工程中最常見、也是影響最大的一類滑坡體，其穩(wěn)定性演化受降雨、庫水位變動(dòng)等外部營(yíng)力因素影響較大，因此一直是水電工程建設(shè)中重點(diǎn)關(guān)注的庫區(qū)承災(zāi)體。同時(shí)，由于堆積體滑坡結(jié)構(gòu)通常結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其三維信息模型重構(gòu)方法也相對(duì)較為復(fù)雜。目前工程中對(duì)堆積滑坡的野外測(cè)繪及勘察成果通過包括工程地質(zhì)圖(含地質(zhì)圖)、鉆孔柱狀圖、工程地質(zhì)剖面等信息(圖2，表1)。LIM即是基于這些多源信息，實(shí)現(xiàn)滑坡體三維地質(zhì)模型的重構(gòu)和分析，即“逆向建?！?圖3)?；麦w的這些信息數(shù)據(jù)格式，一般為通用的文本文件或CAD文件。

表1 卞家寨堆積體部分鉆孔信息Table 1 Parts of borehole information of the Bianjiazhai Slope

對(duì)于滑坡區(qū)地形有時(shí)是采用三維激光掃描或傾斜攝影的方法獲取地形點(diǎn)云，需要?jiǎng)h除明顯高程有誤的點(diǎn)及去除地面樹木和建筑，從而得到表征地形信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。若地形信息為CAD格式的等高線、或數(shù)字高程(DEM)等，需要通過腳本將其轉(zhuǎn)換為地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)?；诘匦吸c(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過利用Catia中的“創(chuàng)建網(wǎng)格(Mesh Creation)”功能創(chuàng)建形成地形三角網(wǎng)，并進(jìn)而利用“表面重構(gòu)(Surface Reconstruction)”功能實(shí)現(xiàn)實(shí)體地形曲面逆向重構(gòu)建模(圖4)。

基于野外工程地質(zhì)勘察得到的堆積體邊界(圖2a)、地質(zhì)剖面(圖2b)、地質(zhì)鉆探(表1)等信息，并根據(jù)其空間位置，生成相應(yīng)的三維空間信息模型(圖5)。從圖5可以看出，各條已有的地質(zhì)勘探剖面并不平行，難以直接重構(gòu)生成相應(yīng)的滑動(dòng)面。為了生成合理的堆積體基覆面及內(nèi)部分界面的三維模型，采用Catia正向三維面建模方法，為此需要根據(jù)已有的剖面信息創(chuàng)建新的與堆積體(滑坡)主剖面線平行的剖面。如圖6所示，第8、第9、第10、第11 4條剖面線方向與堆積體主方向基本一致，這4條剖面線將直接用于堆積體基覆面及內(nèi)部分界面的重構(gòu)，其余剖面線作為參考并新的平行剖面線。新構(gòu)建的3D剖面曲線(圖6b)與8、9、10、11平行，且盡量穿越已有剖面線。生成的剖面線兩端需穿過滑坡范圍邊界線，一方面容易控制創(chuàng)建滑面范圍，另一方面能夠后續(xù)與地形面相互切割?；逻吔绶秶膬蓚?cè)無控制線，生成的滑坡面范圍與劃定的區(qū)域(滑坡范圍)不吻合，需在兩側(cè)添加邊界控制剖面(圖6c)。生成相應(yīng)的引導(dǎo)線(圖6c)，穿越所有平行剖面線，并基于Catia中的[多截面]功能生成堆積體基覆面(及其他分界面)的曲面模型(圖6d)。曲面生成后，可通過對(duì)平行剖面線調(diào)整，來調(diào)整曲面模型；并通過調(diào)整，使所建立得到的基覆面(及其他分界面)平滑合理。最后與地形面切割生成最終滑動(dòng)面以及滑體(圖7)。

2.2 工程建筑結(jié)構(gòu)信息模型(BIM)

對(duì)于工程建筑結(jié)構(gòu)信息模型(BIM)的構(gòu)建，在Catia中主要是采用其正向建模方法，根據(jù)大壩、引水隧洞等工程的2D設(shè)計(jì)圖紙(圖8)，構(gòu)建其三維模型(圖9)，實(shí)現(xiàn)工程模型的三維信息化及可視化管理，并為HIM提供信息和模型基礎(chǔ)。

3 HIM應(yīng)用

基于上述提出的水電工程信息模型，以貴州省烏江索風(fēng)營(yíng)電站為例開展相關(guān)應(yīng)用性研究。索風(fēng)營(yíng)電站位于貴州省中部烏江中游六廣河河段，是烏江梯級(jí)開發(fā)的第5級(jí)水電站。電站樞紐工程為大(Ⅱ)型，由碾壓混凝土重力壩、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)、左岸導(dǎo)流洞(渠)構(gòu)成。近壩庫區(qū)存在有4個(gè)大型堆積體，其穩(wěn)定性對(duì)于電站的安全運(yùn)行有潛在的影響。本文將依托索風(fēng)營(yíng)電站大壩及近壩庫區(qū)4個(gè)大型堆積體為依托開展HIM的應(yīng)用研究。工程模型包括卞家寨上游2km及下游5km(含大壩下游3.5km)的近壩庫區(qū)，圖10顯示了索風(fēng)營(yíng)電站的HIM全景。

基于所建立的HIM，可以實(shí)現(xiàn)：

(1)庫區(qū)內(nèi)堆積體的工程地質(zhì)信息三維可視化查詢、分析及參數(shù)管理。

由于所有模型基于Catia構(gòu)建，可以生成*.stl、*.obj 及*.igs等標(biāo)準(zhǔn)化三維模型文件，從而方便地用于不同場(chǎng)景的三維模型可視化、分析及后續(xù)數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格劃分等。

同時(shí)，也可以根據(jù)建立的地質(zhì)體的三維地質(zhì)模型，進(jìn)行定量分析。如本文中，一方面可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)堆積體的三維地質(zhì)模型可視化查詢、分析和參數(shù)特征賦值(表2)；另一方面，也可以準(zhǔn)確計(jì)算得到各個(gè)堆積體的體積(表3)，從而實(shí)現(xiàn)堆積體三維地質(zhì)信息的定量化表征。

表2 索風(fēng)營(yíng)電站庫區(qū)堆積體物理力學(xué)特性參數(shù)Table 2 The parameters of the deposits in the reservoir of Suofengying Hydropower Station

表3 索風(fēng)營(yíng)電站近壩庫區(qū)堆積體體積Table 3 The volume of the deposits in the reservoir of Suofengying Hydropower Station

(2)水庫蓄水與堆積體關(guān)系時(shí)空分析及監(jiān)測(cè)信息的三維空間管理與可視化分析

HIM 建立一個(gè)基礎(chǔ)性的水電工程、地質(zhì)模型框架平臺(tái)，提供準(zhǔn)確的水電工程結(jié)構(gòu)及地質(zhì)信息，可以作為水電站各種專用模型的一個(gè)共同基礎(chǔ)，以節(jié)省成本。圖11顯示了電站正常蓄水位狀態(tài)是庫區(qū)及堆積體的淹沒情況分析。

(3)基于LIM的滑坡數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)上述建立的卞家寨堆積體LIM，構(gòu)建滑坡三維有限元數(shù)值計(jì)算分析模型(圖12)。采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元，共584640個(gè)單元，6154265個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)滑坡體實(shí)際的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，數(shù)值計(jì)算模型將滑坡區(qū)劃分為3個(gè)分區(qū)：塊碎石區(qū)、層狀變位巖體區(qū)及基巖。其中塊碎石區(qū)構(gòu)成了堆積體的主體。

為了考慮“層狀變位巖體區(qū)”內(nèi)部含有較大的塊石，基于蒙特卡洛法根據(jù)空間位置隨機(jī)在生成模型時(shí)將構(gòu)成該部分15%的單元設(shè)置為“塊石”，以研究塊石對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響。從 圖12也可以看出“層狀變位巖體區(qū)”的隨機(jī)分布的“塊石”空間分布特征。

4 結(jié) 論

隨著信息化、三維模型及三維可視化技術(shù)的飛速發(fā)展，三維信息化模型對(duì)于重大工程的全生命周期運(yùn)維具有重要的意義。然而，結(jié)構(gòu)BIM、三維地質(zhì)模型在數(shù)據(jù)格式上的不統(tǒng)一，導(dǎo)致不同功能的三維“模型”難以融合，從而大大限制了模型的應(yīng)用。

本文基于三維建模技術(shù)提出了大型堆積體的三維精細(xì)化模型(LIM)及樞紐工程建筑信息模型(BIM)建模方法，并針對(duì)大型水電工程及庫區(qū)工程地質(zhì)特點(diǎn)提出水電工程三維信息模型(HIM)基本框架，實(shí)現(xiàn)庫區(qū)LIM-BIM的融合與統(tǒng)一。大型水電工程HIM建立了一個(gè)基礎(chǔ)性的水電工程、地質(zhì)模型框架平臺(tái)，提供準(zhǔn)確的水電工程結(jié)構(gòu)及地質(zhì)信息，可以作為水電站各種專用模型的一個(gè)共同基礎(chǔ)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)水電工程信息化管理、穩(wěn)定性分析、潛在災(zāi)害評(píng)估和預(yù)測(cè)等具有重要的意義，并且節(jié)省成本。

論文以索風(fēng)營(yíng)電站近壩庫區(qū)為例，實(shí)現(xiàn)了大壩精細(xì)化BIM及4個(gè)堆積體的精細(xì)化三維地質(zhì)模型(LIM)的融合，構(gòu)建了其HIM，為后續(xù)堆積體穩(wěn)定性分析及庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害鏈生動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。