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三维地质在岩土工程勘察项目中的应用研究

发表时间：2021/5/10 来源：《基层建设》2021年第1期作者：张伟丁海涛余建强

[导读] 摘要：随着城市化进程的不断加快,城市建筑规模也越来越大,越来越多的城市进行了大量超限高层和大型桥梁隧道的建设。

        云南建投第一勘察设计有限公司云南昆明 650102
        摘要：随着城市化进程的不断加快,城市建筑规模也越来越大,越来越多的城市进行了大量超限高层和大型桥梁隧道的建设。这些工程的科学建设和安全施工会受到地下水、地质结构、施工技术等诸多因素的影响,具有灾害事故后果严重、施工难度大、地质结构模糊度高、工程地质与水文地质条件复杂、安全风险突出等特点，多年以来，岩土工程勘察领域所产生的技术成果多以平面或二维的形式呈现，不够直观，也不能实现多角度、多视点的查看，场地地质体的内部构造也大多无法直观的查看，三维地质建模针对传统的地质信息模拟与表达方法的缺陷，借助计算机和科学计算可视化技术，直接从三维空间的角度去理解和表达地质体与地质环境。
        关键词：三维地质；岩土工程勘察；模型；解译
        三维地质建模已在区域地质调查、矿产资源勘查、数字矿山、城市地质、水文地质、工程地质、环境地质等诸多领域和行业得到应用。借助于三维地质建模工具，有利于提升这些行业解决复杂地质问题的能力。三维地质建模可真实构建三维立体场景，以此展现各种地质元素之间的三维空间关系，克服了传统二维环境下难以区分三维空间关系的问题。便于以形象、直观的方式向非地质专业的用户介绍地质的空间形态，大大提高了非地质专业的用户对地质资料以及地质模型的认知和理解能力，解决了一直困扰地质工程师与用户的交流、沟通问题。制作精良的三维地质模型用一种精准且易于理解的信息表达方式向地质专家以及外行的领导和用户表达地质数据，具有很好的实用价值。同时亦经常被利用于矿体储量和土方量的估算中。随着计算机技术的不断发展，三维地质建模技术日渐成熟，国内外多款建模软件层出不穷，应运而生，在各领域取得了一定的成果。
        本文依托具体的科研项目，旨在根据工程勘察行业所需求的三维地质模型的特点，在Matlab中进行二次开发，利用地形数据、钻探资料和物探数据进行三维地质建模，应用于土石方计算、滑坡面探测及岩溶区等工程项目，通过一种直观有效的展现手段，显著提升勘察数据的展现能力，提升企业的竞争力。
        一、技术方案及路线
        1.1技术方案
        本项目的核心问题就是实现三维地质模型的建立，市场上有许多建模软件，根据各软件的功能、难易程度、价格、建模效果等因素，我们选取了Matlab这一数学建模软件，其优点在于：
        (1) 高效的数值计算及符号计算功能；
        (2) 具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；
        (3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言；
        (4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) 。
        所以根据工程勘察行业所需求的三维地质模型的特点，在Matlab中进行二次开发，利用地形数据、钻探资料和物探数据进行三维地质建模。

图1 Matlab Surface模块三维成图效果

        图2 三维地质建模技术路线图
        1.2技术路线
        利用Matlab软件的三维立体模块搭建了三维地质模型实现流程（如图2所示），该方法主要运用了Matlab、Excel、CAD等软件。首先将地形数据进行网格化和插值形成地表模型，然后整理钻探、物探数据，从中提取地层信息数据和特殊地质体的数据，最后通过Matlab编写程序对网格化、插值后的数据进行地形改成并填加X，Y坐标，对数据进行三维插值，建立地质模型数据，实现三维地质模型的建模。
        1.3创新点
        针对传统的地质信息模拟与表达方法的缺陷，借助计算机和科学计算可视化技术，直接从三维空间的角度去理解和表达地质体与地质环境，真实构建三维立体场景，以此展现各种地质元素之间的三维空间关系，克服了传统二维环境下难以区分三维空间关系的问题。根据工程勘察行业所需求的三维地质模型的特点，在Matlab中进行二次开发，利用地形数据、钻探资料和物探数据进行三维地质建模，应用于土石方计算、滑坡面探测及岩溶区等工程项目显著提升勘察数据的展现能力，提升企业的竞争力。
        二、滑坡面应用案例
        受某单位委托，我单位承担了某加油站新建工程边坡勘察工作。针对场地北侧的滑坡松散体，我单位结合工作区地质条件和以往工作经验，对该拟建区域进行了工程钻探结合地球物理探测的方法来查明滑坡的覆盖层厚度以及滑坡面展布情况。
        2.1项目概况
        加油站位于山麓斜坡堆积地貌、总体地势北高、南低，自然地貌呈台阶状分布。

        图3 场地地貌（由南向北）
        场地勘探深度范围的岩土层分为三个大层：①人类近期活动形成的地层（耕土、素填土）；②第四系坡、残相（Qdl+el）地层（粉质黏土）；③强风化泥质砂岩、强风化砂岩、中风化砂岩。
        根据甲方的要求和现场实际情况，共布置6条测线，测线平面布置图如图4所示（图中黑线为测线）。南北向测线（A1、A2、A3），每条测线长300m，A1与A2线间距60m，A2与A3线间距40m；东西向测线（B1、B2、B3），每条测线长300m，测线间距30m。
        2.2 地球物理解译原则
        场地多年平均降雨量为966.4mm，一般每年5~10月为雨季，占全年降雨量的80%，据勘察资料，场地东、西侧冲沟内有季节性水流，其余地段无地表水体发育。该边坡区的地表水主要是大气降水（雨水），雨季时坡面的雨水一部分向下渗透补充给地下水，另一部分沿坡面形成面流。本次探测时间是7月份，探测前几日下中至大雨，雨量约200-300mm，实际探测时，天气晴朗、地表暴晒两天后进行的，地表土层略干，推测雨水沿地表裂隙下渗，在强风化砂岩层里短暂集中，因裂隙中含水，原本物性差异差别不大的砂岩与强风化砂岩，就发生了明显变化，为高密度电法探测提供物性差异的条件。

图4 物探测线布置示意图
为将工程钻探与物探剖面有更好的结合，将两者叠合在一起（如图5），从图中可以确定本测区的地层电性特征：覆盖层粉质粘土的电阻率最高；泥岩的强风化带的电阻率较低；全风化泥岩的电阻率最低，由于野外探测时间为雨季，推测局部低阻异常为雨水下渗导致。反映在高密度电法反演成果图上如下：上部为中高阻的耕土、粉质粘土，将其定性为覆盖层，下部为较低阻的强风化泥岩、砂岩，两者分界面为图中的红色虚线。图6为HK9号勘察钻孔芯样，砂岩层较破碎，从钻探岩芯资料揭露的破碎砂岩与电法剖面低电阻率一致，据此推测电法中的低电阻率值由破碎砂岩引起。

图5 物探剖面叠合工程钻探图

        图6 HK9号勘察钻孔实际芯样照
        图7为六条高密度电法剖面根据测线实际位置及地形改正后的立体图， A1、A2、A3剖面图上的低阻异常呈东西走向，范围较大，而B1、B2、B3剖面的低阻异常呈南北走向，范围较小，六条电法剖面低阻区域勾勒出了异常区域与勘察成果所揭露的强风化砂岩层一致。
        2.3 三维地质模型
        钻探和物探联合解译，确定土岩分界面后按照第三章所述的方法建立三维地质模型，结果如图8所示，图中红色图标表示植物层和粉质黏土，蓝色图标表示强风化砂岩。图9是从三维地质模型中提取的土岩分界面高程等值线分布图，图中红色虚线圈定的区域是推测的滑坡面。

图7 物探测线立体成图

图8 三维地质模型切片

        图9 土岩分界面高程等值线分布图
        三、应用前景分析
        随着经济和科技的不断发展，工程技术不断更新，三维地质建模已在区域地质调查、矿产资源勘查、数字矿山、城市地质、水文地质、工程地质、环境地质等诸多领域和行业得到应用。三维地质建模便于以形象、直观的方式向非地质专业的用户介绍地质的空间形态，大大提高了非地质专业的用户对地质资料以及地质模型的认知和理解能力，解决了一直困扰地质工程师与用户的交流、沟通问题。制作精良的三维地质模型用一种精准且易于理解的信息表达方式向地质专家以及外行的领导和用户表达地质数据，具有很好的实用价值。同时亦经常被利用于矿体储量和土方量的估算中。随着计算机技术的不断发展，三维地质建模技术日渐成熟，应用前景较为广阔。
        参考文献
        [1] 李开洋，唐正辉，刘先林，匡波. 三维地质建模在某边坡治理中的应用 [J]. 道路工程，2017（04）：117.
        [2] 王创业，杨进军. 三维地质模型在E区边坡治理中的应用[J]. 包钢科技，2018（1）：44.
        [3] 陈云生，孟繁贺.基于三维地质建模的高速公路边坡数值分析[J]. 路基工程，2018（1）：196.