地质三维建模技术及其在抽水蓄能电站的应用_刘殿海.pdf

15刘殿海等：地质三维建模技术及其在抽水蓄能电站的应用0引言20 世纪 80 90 年代，国际上针对石油、矿山行业先后诞生了一些地质数据处理和三维建模软件。石油、矿山领域的地质建模软件虽具备强大的建模和数据处理能力，但与国内工程地质领域，如水利水电等行业的工作模式、行业习惯差异较大，且在勘察数据的管理、行业定制性的建模功能方面较为欠缺，不能很好地适应国内行业勘察设计工作流程与习惯以及勘察数字化管理的需求。基于这一认识，国内水利水电行业经历了从最初直接引进海外地质建模技术，到逐步转变为面向行业特点的自主研发。本文系统研究国内外地质三维建模技术发展历程及地质建模核心算法 DSI 的特点，总结基于 DSI 插值算法的三维地质建模软件 CnGIM 在桐城抽水蓄能电站工程的应用经验，在此基础上，分析探讨 CnGIM 在抽水蓄能电站的深化应用前景。1地质三维建模技术1.1国内外发展概述20 世纪 70 年代中期至 80 年代初，在设备制造、建筑结构等行业先后诞生了如 Unigraphics、Catia、MicroStation 等三维建模软件1-3。在地学领域，石油行业在 20 世纪 70 年代开发出了地球物理勘探数据的三维处理技术，实现场数据的处理和可视化4。1981 年，为满足矿山设计而诞生的Geovia Surpac 采用基于离散数学的克里金插值方法创建三维模型，主要针对矿山开采设计，不属于专门的地质三维建模软件。1989 年，Mallet 教授在其发表的Discrete smooth interpolation in geometric modelling一文中，首次提出了基于离散数学的光滑插值方法（DSI）在地质建模领域的应用5。在 20 世纪 90 年代后期和 21 世纪初的约 10 年时间内，面向石油和矿山行业先后诞生了 Petrel、FCM、IRMS、GoCAD、Vulcan、MAPTEK、MVS 等软件 6-10，其中，GoCAD 在矿山、水利水电行业应用较为广泛11。国内水电行业率先引进了基于 DSI 插值方法的地质三维地质三维建模技术及其在抽水蓄能电站的应用刘殿海1，柴建峰1，朱焕春2，郭福钟2，陈浩21国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院，北京市100761；2加华地学（武汉）数字技术有限公司，湖北省武汉市430205摘要：地质三维建模是实现地质工作数字化的关键环节，地质三维建模技术的优劣直接影响地质三维成果质量和工程应用深度。本文系统研究国内外地质三维建模技术发展历程及地质建模核心算法 DSI 的特点，总结基于 DSI 插值算法的三维地质建模软件 CnGIM 在桐城抽水蓄能电站工程的应用经验。在此基础上，分析探讨 CnGIM 在抽水蓄能电站的深化应用前景。结论为：DSI 插值算法是最适合地质三维建模的底层算法，能够真正实现任意复杂地质体建模；CnGIM 软件具备复杂地质条件下的三维建模能力，并可用于电站围岩质量分级和块体稳定性评价等工作，提升电站勘察设计阶段数字化应用水平；施工期，采用云、互联网等技术，快速完成新揭露地质信息的编录、传输和处理，在地质三维模型平台上快速实现勘察数据更新和再加工，以此开展施工期围岩动态失稳预测，有助于提高施工期地下工程块体稳定性分析的可靠性和准确性，减少施工期安全事故。关键词：抽水蓄能电站；DSI 插值算法；三维地质建模；岩体质量分级；块体稳定性分析中图分类号：P628文献标识码：A学科代码：410.30DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.02.003基金项目：国网新源控股有限公司科技项目“勘察数字化成果与工程精细化管理应用研究”（GXYKJ-2021-054）。16水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023建模软件 GoCAD。贾新会等基于 GoCAD 构建了乌托水电站三维地质模型12。杨红应用 GoCAD 完成了云南某水库坝址区三维地质建模13。詹莉等将 GoCAD 应用于乌东德水电站三维地质建模14。国内水利、水电、建筑等行业也曾尝试在三维结构平台上开发适合地质专业的模块15。但深入研究后发现均不具有现实可行性，结构三维软件的核心算法是基于连续数学，而地质体具有典型的非连续、不确定性特征，用连续数学函数拟合地质体存在天然的不适宜性，从技术上讲，两者兼容难度较大。水电行业的实践经验表明，GoCAD 虽具备强大的地质建模和数据处理能力，但与国内水电工程地质领域的工作模式、行业习惯差异较大。基于这一认识，国内水电行业逐步转变为寻求面向行业特点的自主研发。进入 21 世纪，国内少数机构经过十余年的自主研发积累，基本掌握了 DSI插值技术，实现了地质三维建模技术的本土化。CnGIM（前身为 ItasCAD）的核心建模底层采用 DSI 插值算法，在勘察数据管理、含属性三维地质建模、岩土工程分析与应用等关键技术环节取得了一系列技术突破和应用成果16。侯清波、齐菊梅等利用 ItasCAD 实现从勘察数据采集、整理、导入到三维地质建模，实现三维地质几何模型和属性模型的创建与应用17。徐肖峰等基于 ItasCAD 平台实现勘察数据入库管理、构建场址区地表曲面、沉积物层面、透镜体外壳形态及基岩强、弱风化界面等，实现地质体的三维可视化18。1.2地质建模主流算法介绍DSI 插值（Discrete Smooth Interpolation 离散光滑插值）和克里金插值（Kriging 空间局部插值法）是基于离散数学理论的两款主流建模算法，基本原理相似，都是通过少数已知点来“推测”对象的空间轮廓形态 5-7。但克里金插值法在应用中存在各种约束和限制，使得克里金更像是 DSI 的特例解。因为克里金插值用于三维地质建模时，是利用已知点的平面（x，y）坐标、按照一定的间隔插入平面坐标点；然后根据已知点的 Z 坐标一次性把所有点的 Z 坐标调整到位。这个过程只是一个纯粹的数学过程，没有体现地质对象固有属性对建模过程的约束作用。从原理上讲，这一方法只适用于产状平缓的非封闭地质面建模，对于陡立的情形缺乏足够的适应性，不适合于褶曲、透镜体等一个平面坐标对应多个 Z 坐标的复杂情形。另外，地质体（地层、断层）的厚度决定了上下两个界面只可能尖灭、不可能出现穿插。克里金插值算法不能直接体现厚度的约束，因此当地质体厚度较小时，分别创建两个界面时不能体现厚度的约束作用，很容易出现上下界面的穿插，即厚度为负的错误情形。为解决这一问题，基于克里金算法进行软件开发时，往往要求添加辅助剖面（地质成果），不仅严重影响效率，而且在流程上有“倒模”之嫌。而 DSI 插值算法不仅弥补了克里金算法的上述所有不足，而且针对地质体固有的地质属性提出了精确约束和模糊约束的概念，比如 100%通过已知数据；模糊约束则往往代表地质基本规律和人工赋予的约束，前者如产状、厚度，后者指人工推测。约束条件使得建模不再是纯粹的数学过程，而是可以服从地质规律使得模型赋予地质属性（如正常或倒转层序关系、断层性质等），乃至在建模过程通过人机交互体现地质工程师的地质认识，如图 1 所示，采用 DSI 方法构建断层错动地层的非连续性模型，错动断距及错动方向的表达充分考虑了地质工程师的认识。除此之外，DSI 技术几乎可以利用任何类型的资料（几何和数值）、用最基本的表达方式（点的坐标及其在该点处的相关属性如产状和数值大小）创建模型，建模过程引用“约束”方便地实现地质判断和推测，弥补勘探资料少的天然不足。从应用层级，与克里金方法相比，DSI 插值算法具有全面的优势：（1）精度方面能保证勘探点等可靠部位 100%精度。（2）在已知点之间通过模糊约束乃至人工干预体现地质合理性。（3）无需添加“辅助剖面”等半成品资料，直接从数据到模型。（4）实现勘探、物探、图形等多种数据的混合建模和适用于包括褶皱、断层等在内的复杂地质条件。1.3CnGIM 软件介绍CnGIM 是在 ItasCAD 基础上集成的产品，定位于水利水电、土建、国土资源行业地质勘察与岩土资料采集与管理、地质三维建模、岩土工程分析和设计的三维集成化计算机工作平台，并提供与 Autodesk、Catia、MicroStation 等结构三维设计软件之间的图形数据交互接口，主要特点有：（1）基于 DSI 建模技术，具有任意复杂地质体快速建模的功能。（2）同时适用于岩体、土体和透镜体建模，能快速完成一般地质条件的三维建模。（3）强大的空间网格技术，不仅实现基于物探、土工试验等结果的属性建模方式，能够快捷完成土层分类、岩体质量分级、挖填方量计算、矿山资源评估等复杂工作。（4）为 FLAC、UDEC、3DEC 等通用岩土工程数值计算软件预留接口，有利于开展岩土体计算分析。17刘殿海等：地质三维建模技术及其在抽水蓄能电站的应用2CnGIM 在桐城抽水蓄能电站的应用安徽桐城抽水蓄能电站位于安徽省安庆市桐城市境内，地处大别山区，距合肥市直线距离约 80km、安庆市约 40km、桐城市约 25km。电站枢纽由上水库（坝）、输水系统及地下厂房和下水库（坝）等主要建筑物组成。桐城抽水蓄能电站地层分布有复杂树杈状侵入岩脉，建模难度大，对地质三维建模技术提出了较高的要求，工程前期的建模实践表明，基于克里金算法的建模产品无法有效处理这类复杂地质体的三维建模。本次采用 CnGIM 建模，精准再现了侵入岩脉，在精准化建模的基础上，围绕地下厂房开展了围岩质量分级和评价工作，并拓展了三维地质模型的应用19-20。由于覆盖层分布对深埋地下厂房的稳定性影响甚微，以下主要介绍岩体和侵入岩脉的三维地质建模。2.1侵入岩脉建模电站工程区岩脉发育，代表性的侵入岩有闪长岩（1-21）、燕山晚期闪长岩脉（53）。侵入岩脉空间形态复杂，呈脉状、树杈状形态，基于克里金插值算法的建模软件无法适应该电站的三维地质建模要求。图 2 为采用 CnGIM 构建的代表性侵入岩脉的三维地质模型成果，如图 2（右）所示树杈状岩脉存在多次分叉，建模成果一方面需要表达形态特征，更重要的，需要保证勘探点揭露位置 100%精确约束，即图 2（右）岩脉模型面网格节点精确通过钻孔揭露界面（图 2 右钻孔圆盘代表地质界面）。2.2地下厂房围岩质量分级抽水蓄能电站地下厂房围岩质量分级是勘察设计、施工非常关心的问题之一。CnGIM 软件可提供 RMR、水电规范、BQ 三种方法的岩体质量分级功能，可同时满足国内和海外工被切割前的地质界面断层面错动交切图 1采用 DSI 方法构建断层在界面的非连续性模型Figure 1A discontinuity model of faults at the interface based on DSI method图 2代表性侵入岩脉三维模型Figure 2A representative three-dimensional model of an intrusive rock vein18水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023程的需要。CnGIM 软件实现岩体质量分级的基础数据包括 RQD、岩石抗压强度、岩体纵波波速、节理密度、节理面状态、地下水条件等，主要来源于钻孔“岩芯编录表”和平洞“节理编录表”。依据上述基础数据，软件能够开展岩体质量分级等工作。图 3 为地下厂房区岩体质量分级结果，图 4 为侵入岩区域岩体质量分级结果，对比可知：侵入岩区域的岩体质量显著低于接触围岩二长片麻岩的分级结果，直观地展示了岩性差异对岩体质量分级结果的影响。图 4侵入岩脉对岩体质量分级的影响Figure 4Effects of intrusive veins on mass grading of rock masses图 3地下厂