（地质工程专业论文）地质体的三维建模及工程应用.pdf

摘要 自然地质现象极其复杂，传统的平面勘探图不能将它们很好地表达，不能满足应 用工程技术人员的要求。随着现代工程向高和大两方面的发展，工程地质现象越来越 复杂，地质体的三维建模变得越来越迫切。三维地质结构模拟可以表达复杂的地质构 造形态，反映构造要素之间的空问关系。对地质体的三维可视化模拟，使地质体的显 示更真实、形象、准确和清晰。随着科技人员对地质学研究的深入，以及计算机图形 应用水平的逐步提高和完善，使得地质体的三维建模成为可能。而近年来，计算机在 工程地质中的应用越来越普及，更是大大推动了三维地质建模的发展。地质结构三维 可视化是正确认识地质构造的重要手段，是现代地质工程应用的基石，其应用前景相 当广阔。 本文在地质图形的三维可视化建模与分析中使用i d l ( i n t e r a c t i v ed a t al a n g u a g e l 作为开发平台。根据工程应用的实际需求，用径向基函数神经网络对断层、层面和大 尺度节理等工程尺度的地质结构进行模拟，构造出三维地质模型图。能根据用户需求 对模拟出的三维地质模型图进行旋转和剖切显示。 在建立的三维地质模型图的基础上，对地下洞室围岩块体稳定性问题进行分析和 计算；对岩质边坡的最小抗剪强度滑裂面搜索并求解其稳定安全系数的问题进行分 析和计算。并对这两类常见的工程实践编制了相应的计算机程序。 本文利用块体理论对低应力下的地下洞室围岩中的半定位块体、定位块体和随机 块体作稳定性分析，求解洞室围岩中的关键块体，并对己设计的系统锚固措施作稳定 性校核，对不符合要求的部分提出了相应的处理意见供施工时参考，确保项目工程的 施工安全。 本文详细阐述了用模拟退火算法搜索节理裂隙发育的岩质边坡最小抗剪强度渭 裂面的方法，并用改进的s a r m a 算法对搜索出的最小抗剪强度滑裂面求解稳定安全系 数。 关键词：三维地质建模，科学可视化，径向基神经网络，块体理论，关键块体、模 拟退火算法 a b s t r a c t t h eg e o l o g i c a lp h e n o m e n ao fn a t u r ea r ee x t r e m e l yc o m p l i c a t e d ；t h et r a d i t i o n a lp l a n e e x p l o r a t i o nf i g u r ec a l l te x p r e s st h e mw e l l ，a n di s n tr e s p o n d i n gt ot h er e q u e s to fe n g i n e e r s a n dt e c h n i c i a n s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mp r o j e c tt o t h eh i g ha n d g r e a t ，t h e g e o l o g i c a lp h e n o m e n a o f p r o j e c t b e c o m em o r e a n dm o r e c o m p l i c a t e d ，s o t h e t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n go ft h eg e o l o g i c a lb o d yb e c o m e sm o i r ea n dm o r eu r g e n t t h e g e o l o g i c a l s t r u c t u r es i m u l a t i o no ft h et h r e e - d i m e n s i o nc a r l e x p r e s s t h e c o m p l i c a t e d g e o l o g i c a ls t r u c t u r a lc o n f i g u r a t i o n ，a n dr e f l e c tt h es p a t i a lr e l a t i o n s h i pa m o n g t h es t r u c t u r a l e l e m e n t s 1 1 l ev i s u a lt h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no f t h eg e o l o g i c a lb o d ym a k e st h ed i s p l a y o ft h eg e o l o g i c a lb o d yt r u e r , m o r ev i v i d 、m o r ea c c u r a t ea n dc l e a r e r w i t ht h ed e e p e n i n gt h a t s c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a lp e r s o n n e ls t u d ya b o u tg e o l o g y , w i t ht h eg r a d u a li m p r o v e m e n ta n d p e r f e c t i n go f t h ec o m p u t e rf i g u r ea p p l i c a t i o nl e v e l ，t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n go ft h e g e o l o g i c a lb o d y b e c o m e p o s s i b l e a n di nr e c e n ty e a r s ，p o p l l l a r i z eo fc o m p u t e ra p p l i c a t i o n i n g e o l o g i c a lp r o j e c t h a v e p r o m o t e d t h e d e v e l o p m e n to ft h r e e d i m e n s i o n a l g e o l o g y m o d e l i n gg r e a t l y e v e nm o r e v i s u a l i z a t i o no ft h e g e o l o g i c a l t h r e e d i m e n s i o ni sa n i m p o r t a n tm e a n s t oc o r r e c t l yk n o wt h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r et h a t ，i ti st h ef o u n d a t i o ns t o n e o f t h em o d e m g e o l o g i c a lp r o j e c ta p p l y i n g ，i t sa p p l i c a t i o np r o s p e c t i sq u i t ew i d e t 1 1 i st e x tu s e si d lr i n t e r a c t i v ed a t al a n g u a g e ) a st h ed e v e l o p i n g p l a t f o r m i nt h e m o d e l i n ga n da n a l y s i n go fv i s u a lt h r e e d i m e n s i o ng e o l o g i c a lf i g u r e a c c o r d i n g t ot h e a c t u a ld e m a n do fp r o j e c ta p p l i c a t i o n n l i st e x ti m i t a t es u c hg e o l o g i c a ls t r u c t u r eo fp r o j e c t y a r d s t i c k a s f a u l t ，b e d d i n gp l a n ea n dg r e a tj o i n t e t cw i t hr a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a l n e t w o r k a n dc o n s t r u c to u tt h e g e o l o g i c a l m o d e l f i g u r e o ft h et h r e e d i m e n s i o n t h e t h r e e d i m e n s i o ng e o l o g i c a tm o d e lf i g u r et h a ti si m i t a t e dc a ns h o wu n d e rr o t a t i n ga n d c u t t i n ga c c o r d i n g t ou s e r sn e e d s o nt h eb a s i so ft h r e e - d i m e n s i o ng e o l o g i c a lm o d e lf i g u r e t h a th a v es e tu p ，t h i st e x ta n a l y s e sa n dc a l c u l a t e st oap i e c eo f b o d ys t a b i l i t yq u e s t i o no f c o u n t r y r o c ko fu n d e r g r o u n dh o l er o o m ，a n a l y s e sa n dc a l c u l a t e st ot h e q u e s t i o no f s e a r c h i n gf o rt h es p l ks u r f a c ew h o s es h e a r i n gs 仃e n g t hi sm i n i m a l i nr o c ks l o p ea n d s o l v i n g s a f e t yt o e f f i c i e n to fs t a b i l i z i n gt ot h e s u r f a c eh a v i n gs e a r c h e d a n dt l l i st e x th a sw o r k e do u t t h ec o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rs o f t w a r et ot h e s et w ok i n d so f c o m m o n p r o j e c t s u t i l i z i n gb l o c kt h e o r y , t h i st e x tm a k e as t a b l ea n a l y s i st oo r i e n tb l o c k ，h a l fo r i e n tb l o c k a n dr a n d o mb l o c ki nc o u n t r yr o c ko f u n d e r g r o u n dh o l ei nl o ws t r e s s s o l v ek e yb l o c ki nt h e c o u n t r yr o c ko fh o l er o o m ，a n dd os t a b i l i t yc h e c kt ot h ef i r m i n gm e a s u r eo fs y s t e m a t i c a n c h o rt h a th a sa l r e a d yb e e nd e s i g n e d ，a n dh a v ep u tf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n gh a n d l i n g s u g g e s t i o n t ot h e u n q u a l i f i e dp a r t f o r c o n s u l t i n g w h i l e c o n s t r u c t i n g ，g u a r a n t e e i n g c o n s t r u c t i o no f t h ep r o j e e te n g i n e e r i n g ss e c u r i t y t l l i st e x te x p l m n sh o wt os e a r c hf o rt h e s p l i t s u r f a c ew h o s es h e a f i n g s t r e n g t hi s m i n i m a li nr o c ks l o p ej o i n t sa n dc m c k sg e n e r a t e d ，w i t hs i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ，i n d e t a i l ，a n dh o w t os o l v es a f e t yc o e f f i c i e n to f s t a b i l i z i n go f m i n i m u ms h e a r i n gs t r e n g t hs p l i t s u r f a c eh a v i n gs e a r c h e df o rw i t hi m p r o v e ds a r m a a l g o r i t h m k e y w o r d ：t h r e e d i m e n s i o n a lg e o l o g ym o d e l i n g ，s c i e n c ev i s u a l i z a t i o n ，r a d i a lb a s i sf u n c t i o n n e u r a ln e t w o r k ，b l o c kt h e o r y , k e yb l o c k ，s i m u l a t e da n n e a l i n g a l g o r i t h m 河海大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 在地质工程中，一直困扰着地质工程师的问题之一是地质结构的三维可视化。传 统的工程地质资料的分析和解释一般局限于二维、静态的表达方式，它简单描述空间 地质构造的起伏变化，使人们难以直接、完整、准确地理解和感受地下的地质构造情 况，不能满足工程设计人员对空间分析的需求，而地质现象的三维性或多维性更是阻 碍地质信息体视化和直观化的重要因素之。 在地质体中，赋存着层面、断层、褶皱、节理及其它复杂的岩体特征。地质勘探 是获取地下三维空间信息的重要方法，但工程勘探和实验分析得到的是一系列空间分 布不均的离散数据，工程技术人员不能很方便的了解它们。因此，如何用地质勘探和 实验分析得到的一系列空间分布不均豹离散数据来描述地质构造的空问展布情况，再 把这种空间描述变成计算机所能显示的三维图形，并在此基础上实现人机可视化的交 互分析与操作等问题，构成了当前地质学研究的重要课题。由于地质工作者、工程勘 察设计人员、城市规划人员等都迫切需要更加精确的了解地下各地质实体，从而需要 创建三维图形，用更接近实际的方式去描述它，从各个不同角度观察它。三维可视化就 是实现以上目标的有效手段。三维可视化技术不仅可以直观描述地下复杂的地质构造 情况，形象地表达地质构造的形态特征，逼真地显示构造要素的空间关系，最大限度 地增强地质分析的直观性和准确性，而且结合三维模型的空间分析功能，为快速、适 时地再现工程地质三维信息及其可视化综合分析开拓了一条有效的途径。 随着计算机图形技术和地学研究的不断发展，空问地质信息的三维建模及可视化 分析成为计算机在工程地质领域应用的一个必然趋势。工程地质信息的三维可视化就 是以适当的数据结构建立地质特征的数学模型，并采用计算机图形学技术将数学描述 以3 d 真实感图像的形式予以表现“12 ”。多年来，地质学家一直在关注地质体三维可视 化建模技术“1 。1 9 9 2 年国际勘探地球物理学家协会和欧洲勘探地球物理学家协会成立 了s e g e a e g3 d 建模委员会，开展t 3 d 建模工程( s e m ) 的研究“3 。1 9 9 6 1 9 9 9 年分别在英 国l e e d s 、新西兰o t a g o 、英国b r i s t o t 、美国弗吉尼亚州f r e d e r i c s b u r g 举行了4 次地 质计算机会议，内容包括地质建模、模拟和可视化“1 。1 9 9 7 年在巴赛罗那召开的国际数 学地质会议上，g r a e m eb o n h a mc a r t e r 等强调地质材料3 d 重建、建模及可视化的重要 性【7 3 0 1 2 三维地质模型开发的现状 1 2 1 三维地质模型建模技术的研究现状 科学可视化是2 0 世纪8 0 年代后期随着计算机图形学应用的拓广而发展起来的一 河海大学硕十学位论文 个新的研究分支，受其推动，工程地质信息的三维可视化成为2 0 世纪9 0 年代地学领域 的研究前缘。近年，国内外学者吸收科学可视化、计算机图形图像学中的体视化理论 与技术在三维地质建模”1 理论与方法方面进行了许多有益的探索；同时吸收3 dg i s 的 空间拓扑关系表达与描述方面的成果在地质体对象的空间拓扑关系表达与组织方面 进行了有益的尝试“1 。 地质构造的三维可视化技术包括空间数学建模和可视化显示两方面。过去十余年 中，共发展了2 0 多种空间建模理论，这些理论可分为表面模型、实体模型和混合模型 三种n 。3 。表面建模法是先构建出地质体表面的各组成平面及曲面形状，然后连接 这些表面的边界，从而构成一个在视觉上闭合的三维地质体，此时的三维模型实际不 是真三维地质模型，其内部是空的。基于表面模型的构模方法侧重于3 d 空间实体的表 面表示，如地形表面、地质表面、建筑物和地下工程的轮廓与空间框架等。t i n 法是 一种利用不规则三角形面片建立地质模型的方法，常采用d e l a u n a y 三角剖分。基于采 样点的t i n 模型。1 特点是将随机分布的控制点以某种相对合理的方式联系起来，建立形 态上较为完美和功能上较为完善的三角形网络。基于数据内插的g r i d 模型通常用于非 封闭表面模拟，而b r e p ( 边界表示法) 模型“2 3 和w i r ef r a m e 模型通常用于封闭表面或 外部轮廓模拟。s e c t i o ni n 混合模型及多层模型“。“1 通常用于地质建模，即对用_ t d e m 上面的方法模拟出的表面，按一定的规则将它们“缝合”，形成模型图。表面建模法 生成的地质体三维图形相对精细，计算机图形操作速度快，数据量相对较少，便于显 示和数据更新，缺点是没有拓扑描述和内部属性记录而难以进行3 d 空间查询和分析， 实现地质体剖面分析工作量大，边界搜索编程难度大。实体建模法则是用三维实体来 构造三维体，即应用三维单元实体( 如四面体或六面体等) 来组装整个地质三维体。体 模型基于3 d 空间的体元分割和真3 d 实体表达，体元的属性可以独立表达和存储，因而 可以进行3 d 空间操作和分析，可以根据体元的规整性分为规则体元和不规则体元。规 则体元包括c s g _ t r e e ( 计算几何实体法) 、v o x e l 、o c t r e e 、n e e d l e 和r e g u l a rb l o c k 共 五种模型，非规则体元包括t e n 、p y r a m i d 、t p 、g e o c e ll u a r 、i r r e g u l a rb l o c k 、s o li d 、 3 d - v o r o n o i 和g t p ( 广义三棱柱) 共8 种模型“。体模型中运用的较多的是g t p ，即将表 面模型中的控制点或内插点组成的网格之间填充其属性，以方便计算。通过对体的描 述实现3 d 目标的空间描述，优点是实现了地质体的真三维显示，易于进行空间操作和 分析，剖面分析方便；但存储空间大，计算工作量、数据量大，计算机图形操作速度 慢。此外，人们还提出了混合模型，其目的是综合表面模型和实体体模型的优点，取 长补短。但程序实现困难，仍是个有待完善的模型。 在三维地质信息可视化显示方面，除采用面向对象的方法进行图形显示系统分析 设计外，还可直接使用商品化高品质的3 d 图形a p i 予以实现。目前见到的大多数建模实 例都是用o p e n g l 从底层开发做起“4 ”1 。最近，一些图形显示的商用软件则将o p e n g l 封 2 河海大学硕士学位论文 装，使得开发人员不必关心图形显示的细节，而将精力放在图形的实现上，如m a t 】a b 、 i d l ( i n t e r a c t i v ed a t al a n g u a g e ) “7 等，大大方便了地质三维模型图的可视化。 1 2 2 国外应用程序的开发现状 在国外随着相应的理论基础的研究和深入，近些年来地质信息可视化模型和分析 系统研究发展较快，已经形成了相当的规模，并在市场上得到开发应用。而地质工作计 算机化要求的目益提高和勘探技术的迅猛发展，为三维地质模拟的研究和软件开发提 供了新的动力。 西方发达国家早在2 0 世纪7 0 年代初就将c a d 技术应用于地质和矿业领域。1 9 8 8 年 法国n a n c y 大学j l m a l l e t 教授推出的g o c a d ( 地质对象计算机辅助设计) “”是为了满足 地质、地球物理和油藏工程的三维模拟和辅助设计需要。美国 r e s e r v o i r c h a r a c t e r i z a t i o nr e s e a r c ha n dc o n s u l t i n g 公司集中了地质、地球物理、 油气藏工程和地质统计学等学科的众多专家，于1 9 9 8 年推出了3 de a r t hm o d e li n g 软 件”“”1 。该软件提供了油气领域世界一流的咨询、训练等软件工具。加拿大阿波罗科 技集团公司推出的三维建模与分析软件m i c r ol y n x9 “1 ，通过对离散点采样、钻探采样 和探槽采样等空间数据的处理，产生剖面、块和面等模型，确定矿藏分布和等级变化并 计算矿藏储量。加拿大g e m e o ms o f t w a r ei n t e r n a t i o n a ll n c 公司开发的g e m c o m 软件 o ”通过钻孔、点、多边形等数据，利用实用的图形编辑和生成工具，显示钻孔孔位分布， 运用不规则三角网建立表面和实体模型，运用多义线圈闭岩层和矿体边界进行储量和 品位分析，提供了交互操作功能并允许用户根据自己的经验和专家知识勾画地质模型 实现任意剖面切割任意角度观察和实体与实体或实体与表面的交切与布尔运算等。美 国k i n e t i x 公司开发的3 ds t u d i om a x 、a 1 i a s w a v e f r o n t 公司开发的m a y a 和微软公司 开发的s o f t i m a g e 等大众化的三维建模软件，在构建工业和建筑模型与动画制作方面 有其独到之处，但交互查询的功能较弱，与工程勘测数据库结合并应用于工程地质三 维建模方面还有较大距离。3 dm o v e 主要用于模拟断层运动、斜向剪切及伴生褶皱三 维模型。g e o s e c 不仅可以建立地质体的几何形态，而且还可以恢复年代历史，进行运 动学分析。o e ot o o l k i t 是3 d 地理信息系统的代表，但只能用于处理简单地质数据。 g e o f r a n c e3 d 是一种框架结构的软件工具，目的是提供对所有采集到或被处理的地质、 地球物理数据进行存储、评价和3 d 形体确定，创造一个观察地壳3 d 可视化的环境。 b a s i n 是一个模拟沉积盆地建造过程的三维系统o ”。 在国外一些比较著名的软件中，l y n x 、v u l c a n 、g e m e o m 、m in e s o f t 等是些典型 的矿山模拟与矿业应用软件系统；e a r t h c u b e 、g e o v i z 、v o v e l g e o 等是比较著名的地 球物理三维可视化应用软件；e a r t h w o r k s 、3 d s e i s 、s e i s v i r s i o n 、s e i s x 2 d 3 d 等 是典型的三维地震分析系统。 1 2 3 国内应用程序的开发现状 河海大学硕上学位论文 我国对三维地学可视化研究起步较晚，但做了大量的有益探索。近年来国家自然 科学基金委员会大力支持地学可视化研究，先后资助了“复杂地质体的三维建模和图 形显示研究”、“油储地球物理理论与三维地质图像成图方法”、“地学时空信息动 态建模及可视化研究与应用”等项目。 自计算机在地学中应用以来，由于受到硬件以及人才培养等客观因素的限制，地 质工程师大多从二维上对地质体进行分析和研究，并且研制了许多二维制图的应用软 件。但是这些软件不具备对地质结构的可视化描述功能，或者只是利用a u t o c a d 或其 它软件进行地质绘图而缺少灵活性。北京理正软件设计研究院开发的具有独立自主版 权的三维地质模拟软件“地理信息系统一地质专题”基于a u t o c a d 。张菊明等“5 对风 化带分布、多层地层等地质信息的可视化和断层错断岩层的表达和显示的算法进行了 较为深入的研究，并借助a u t o c a d 平台实现了复杂三维地质图形的显示。国内的灵图 v r m a p 地理信息系统软件有较强的地形模拟和地表地物的查询功能，但不是真三维的 地质建模工具。北京东方泰坦科技有限公司开发t i t a n = 维建模软件，基于框架建模的 思想，利用平行或基本平行的剖面数据，建立起三维空间复杂形状物体的真三维实体 模型，但目前只是初步的三维建模与图形处理的引擎，在面向具体专业时，需要添加或 扩充专业模块。石油大学开发的r d m s 、南京大学与胜利油田合作开发的s lg r a p h 都是 基于三维石油勘探数据可视化。中国地质大学开发的三维可视化地学信息系统 ( g e o v i e w ) 可实现真三维地学信息管理、处理、计算分析与评价。 国外软件主要是瞄准采矿工程，能够较好地满足采矿工程活动中的矿产资源勘探 和评价、地下矿井和露天矿坑设计和规划、矿产资源管理和采矿生产管理等需求，但 其费用和硬件要求高，图形环境和文件支持不能完全符合我国水利水电工程地质的实 际情况，在我国难以得到推广使用。 国内虽然有一些地质信息图视软件，但它们的主要功能集中在对地质体的构造显 示，与地质工程应用结合的少，与国外同类软件相比存在较大差距。 纵观国内外几种软件的研究与开发现状，它们为工程地质三维建模与可视化打下 了很好的技术基础，提供了很宝贵的开发经验。但是以上软件多针对油气田的开发，针 对岩土工程而建立的工程地质三维模拟软件少见：对工程地质专业的地质体建模与可 视化分析的针对性不强，不能够很好地满足工程地质生产与研究的专业功能需要。 1 3 三维地质建模在工程地质中的应用 在水利水电工程建设中存在着许多工程地质问题，包括区域稳定性问题、坝基的 稳定性问题、边坡稳定性问题、地下洞室围岩稳定性问题、岩溶及岩溶区的工程地质 问题、与地表水作用有关的工程地质问题等。本文主要涉及的是边坡稳定性问题和地 下洞室围岩稳定性问题。 在岩体内，经人工开挖形成的工程构筑物称为地下洞室。工程实践证明，由于岩 4 河海大学硕士学位论文 体在强度和结构方面的差异，在：【程力和地质力的作用下，往往在局部洞段上产生岩 体的变形与破坏，从而导致围岩的失稳。一般将围岩的变形与破坏形式分为：脆性破 坏、块体运动、弯曲折断、松动解脱、塑性变形【2 “。本文讨论的主要是低围岩压力下 的块体运动。裂隙块状岩体受贯穿结构面切割形成块状岩体，块状岩体有显著的软弱 结构面切割，表现为块体沿结构面拉开或滑动，向洞内位移，在顶拱一般为崩塌，在 洞壁为滑动。 边坡的失稳破坏常给工程建设带来巨大的危害，有时形成严重的自然灾害。边坡 的变形与破坏有各种不同的形式。各工程部门在实践中划分出的类型不尽相同。水利 水电工程中将边坡的变形与破坏分为松弛张裂、崩裂、滑坡、蠕动、倾倒、流动等基 本形式【2 6 】。滑坡是指边坡的一部分岩体以一定的加速度沿某一滑动面发生剪切滑动的 现象。本文讨论的主要是怎样确定滑坡中的最优滑裂面。 目前，我国水利水电工程正如火如荼地进行，如黄河小浪底工程、长江三峡工程 和南水北调工程等大型工程。这些工程为三维地质建模在水利水电工程的发展应用提 供了非常好的机遇。1 9 9 7 年底，三峡工地首次使用l y n x 进行了船闸区工程地质3 d 建模和开挖土石方测算；吴立新与沙从和研发的g e o m 0 3 d 在南水北调工程中得到应 用；钟登华、李明超和王刚研发的v i s u a l g e o 系统已在锦屏一级、溪洛渡、糯扎渡和 龙滩等大型水电工程设计中得到应用。三维地质模型图解决了施工中遇到的许多问 题，实时指导工程的施工与建设，对工程应用的意义重大，因此有必要对地质体三维 建模。 1 4 本文研究的技术路线和主要工作 地质对象是一种三维空间对象，建立地质体的三维模型在地质问题研究和资源勘 探与开发中具有十分重要的意义。本文主要作了以下几项工作： ( 1 ) 以i d l 语言为开发平台，构造三维地质模型。 ( 2 ) 根据研究区的勘探解析资料，利用径向基函数神经网络模拟空间地质体中的 层面、断层和结构面等地质体中工程尺度的地质结构面。 ( 3 ) 实现对三维地质模型图的显示和任意方位剖面的截取显示。 ( 4 ) 基于三维地质模型图，利用块体理论对地下洞室围岩块体进行稳定性分析， 并开发了相应的工程应用软件k e y b l o c k 。该软件能求解关键块体的体积、出露位置、 滑动力、深度等特征参数，并能在三维地质模型图中动态模拟显示关键块体。 ( 5 ) 基于三维地质模型图对节理裂隙发育的岩质边坡进行稳定性分析，开发了相 应的工程应用软件s l o p e c u t 。该程序首先利用模拟退火算法搜索边坡截取面中最小抗 剪强度滑裂面，再利用改进的岩质边坡s a r m a 法求该滑裂面的稳定安全系数。 ( 6 ) 运用本文开发的k e y b l o c k 程序，对西龙池抽水蓄能电站地下厂房主洞室围岩 半定位块体、定位块体和随机块体的稳定性进行研究，求解关键块体，并提出了相应 5 河海大学硕士学位论文 的加固方案，以此验证本程序计算结果的正确性和合理性。 ( 7 11 9 9 6 年3 月2 9 日天荒坪抽水蓄能电站。f 库左岸距大坝4 3 0 米处发生滑坡，该 滑坡对天荒坪抽水蓄能电站建设工期和工程造价都产生了一定的影响。运用本文开发 的s l o p e c u t 程序，对该滑坡体进行分析，搜索截取剖面的最小抗剪强度滑裂而，并 计算该滑裂面的稳定安全系数，检验本程序计算结果的正确性和合理性。 根据上面介绍的内容，结合作者的开发实践，有如下的研究流程图： 图1 1 研究流程图 6 河海大学硕士学位论文 第二章工程岩体结构的三维模拟 2 1工程尺度结构面模拟的方法 近年来，在三维地质数据模型1 2 7 , 2 8 ) 方面，不少学者进行了大量研究，目前，在地 质建模方面所采用的数据模型主要有基于体划分的三维栅格模型、线框模型、实体模 型和基于表面划分的不规则三角阿模型、格网模型等。 栅格模型的主要优点是便于栅格属性估值，缺点是不能精确表达地质体的形态。 线框模型通常能够较好地模拟地质体的边界，但不能表达地质体的内部属性。实体模 型是2 0 世纪g o 年代发展起来的一种新的三维数据模型，其典型代表为三维体元模型。 如基于三维矢量图形式化数渊( 3 d f d s ) t 2 9 j f n q 数据模型【3 0 ，基于四面体的 三维数据模型，基于八叉树和四面体格网的混合数据模型，适合地勘工程的矢量与栅 格集成的面向对象的混合数据模型，三棱柱模型【3 1 1 和类三棱柱模型【3 , 3 2 等。这种模型 以任意形态的三维体元来划分地质体，但是缺乏实体之间、体元之间以及体元几何要 素之间拓扑关系的表达，相邻边界需要重复数字化，空间查询和分析功能很弱，而且 操作繁琐。适于三维地质建模的数据模型仍然是当前值得深入探讨的问题。 不规则三角网模型用d e a u n a y 方法构造三角网，对简单地质结构的模拟方便快 速，但对复杂地质体的模拟困难。格网模型将研究空间剖分为多个规则的网格，然后 用相应的网格描述地质体。主要优点是模拟构造简单，不足之处是巨大的数据集和计 算工作量。 在三维地质结构面模拟方面，许多学者也进行了有益的探索。如侯遵泽等( 3 3 1 在随 机数据网格化方面提出了分条、分块的快速算法和定点映射算法。张菊明等口5 1 提出了 单地质属性面和多地质属性体的三维显示方法，建立了空间平面拟合函数、单值曲面 拟合函数、多值曲面拟合函数、地层层面拟合函数等。柴贺军等【3 4 1 在这些年的研究中， 提出了利用有限个测量点进行地质结构面三维扩展的数学模型。毛善军等【3 5 】提出了构 造( 包括断层) 所有已知地质信息的网格化模型。王磊、刘力等利用“网格化断层的 并行处理”新方法自动处理断层附近的等值线，该方法针对断层线在网格内组合情况， 将一个网格划分为几个互不相连的区域，对不同区域内的等值线作并行处理。上述方 法大都侧重于单层地质实体的研究，而对断层、褶皱等构造因素的研究少，尤其是对 断层的三维显示的算法不成熟。但这些理论和方法的研究和探讨，为三维可视化模型 的研制和开发奠定了基础。 本文在三维重构中使用基于表面划分的r b f 神经网络模型来模拟工程尺度的地 质结构面。所谓工程尺度的地质结构面是指与工程建设有关的，在工程布置区域内发 育的结构面，按工程规模等级主要指层面( 类层面) 、断层和i i i 级结构面等。目前工 7 河海大学硕士学位论文 程地质三维重构使用的方法，基本是基于空间曲面插值拟合方法来实现的，归纳起来 要注意两个方面： ( 1 ) 将己知边界( 实测资料) 离散化为空间某个曲面的边界点； ( 2 ) 对离散边界点建立曲面拟合方程，从而得到求解。 目前空间曲面插值拟合的方法主要有趋势面分析”“3 6 、删、克里金法。“1 、形函数法 和人工神经网络模拟法”等算法，下面作简单介绍： ( 1 ) 趋势面分析法 趋势面分析法是针对大量离散点信息，从整体插值角度出发，来进行趋势渐变特 征分析的最简单的方法。所谓趋势面，顾名思义只是从趋势上进行拟合的面，严格意 义说它是平滑函数。趋势面分析通常采取多项式进行回归分析，可以得到显式的数学 解答。回归方法采用最小二乘法原理，其本质就是对回归函数在某个区间上的极值求 解。 ( 2 ) 克里格法 克里格法是统计学的主要内容之一，从统计意义上说，是从变量相关性和变异性 出发，在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏、最优估计的一种方法；从插值角 度讲是对空间分布的数据求线性最优、无偏内插估计一种方法。克里格法的适用条件 是区域化变量存在空间相关性。 ( 3 ) 形函数法 形函数法是目前实体插值领域最重要的一种算法，是有限元分析的重要基础。 形函数法就是根据线段、平面多边形、空间多面体等的节点上的已知值来建立求 解线段、平面多边形、空间多面体等内部任意一点的值的插值函数。平面多边形中除 了平面三角形之外，基本可以应用等参单元法来求取形函数表达式；但是空间体中基 本只有八节点六面体以及其变体的形函数可以应用等参单元法。对于不能应用等参单 元求解形函数的平面多边形或空间多面体，可以采用面积法或体积法来推导插值形函 数。 ( 4 ) 人工神经网络模拟法 神经网络在本质上可看作是函数逼近器。只要在隐层中有足够数量的神经网络 元，我们就可以用这种网络来逼近几乎任何一个函数，当然可以用来模拟地质结构面。 2 2 地质体三维模拟 2 2 1 径向基函数神经网络模型 1 9 8 5 年，p o w e l l 4 3 】提出了多变量插值的( r a d i a lb a s i sf u n c t i o n a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ) 方法，1 9 8 8 年b r o o m h e a d 和l o r e 删首先将r b f 应用于神经网络设计，从而 构成了r b f 神经网络( 径向基函数神经网络) 。r b f 是一种三层前向式网络，由一个 输入层、一个隐含层和一个输出层组成，各层有多个神经元，相邻两层单元之间单方 8 河海大学硕士学位论文 向连接，结构见图21 。r b f 神经网络的输入到隐单元问的权值固定为1 ，而隐单元 到输出单元间的权值为可调，这样就大大加快了学习速度并避免局部极小问题。最常 用的径向基函数形式是高斯函数，它的可调参数有两个，即中心位置及方差( 函数的宽 度参数) ，用这类函数时整个网络的可调参。 数( 待训练的参数) 有三组，即各基函数的中 心位置、方差和输出单元的权值。 墨 对各r b f 的中心及方差的选择有以下 四种方式【4 5 5 1 】：h 根据经验选中心，自组织学习选取 r b f 中心，有监督的学习选取r b f 中心， 正交最小二乘法选取r b f 中心。 ( 占旷， 图2 1 径向基函数神经网络结构图 图2 1 中x k 为输入层的输入， v ，为隐含层的输出，q ，为输出层的输出。 c m = ( c ，1 ，c f 2 ，c ，) ，q ，分别表示隐含层单元基函数的中心和宽度；n 、l 、m 分 别表示输入单元、隐含层单元和输出单元的数量。n 和m 同实际问题的输入维数和 输出维数相一致，而l 的选择，一般可以用构造一个人工神经网络结构或对一个网络 结构进行修改，使之与一个具体问题相适应的方法来确定隐单元数。 若给定的输入模型式为，u = l ，p ( p 为输入模式数) ，则有隐含层单元的输出： r ? 吁2 = l ( 2 1 ) 硝 其中： 牛e ) 【p 卜s 氧警 2 陋z ， 输出层单元的输出： 钟= 叫哼 ( 2 3 ) 式2 - 1 和式2 - 3 中，彤，哼都是径向对称的非线性函数，称彤为g a u s s 型径向i n 数，v ：为归一化的径向基函数。 2 2 2 地质体结构的三维模拟及图形显示 2 2 2 1i d l 简介 i d l ( i n t e r a c t i v ed a t al a n g u a e ) 交互式数据语言是由k o d a k 公司的全资子公司 r s i ( r e s e a r c hs y s t e mi n c ) 开发并投向市场的、面向矩阵的且用于数据可视化研究与应 用开发的第四代计算机语言。 河海大学硕士学位沦文 i d l 交互式数据语言是进行二维及多维数据可视化分析及应用开发的理想软件工 具。作为面向矩阵、语法简单的第四代可视化语言，i d l 致力于科学数据的可视化和 分析，是跨平台应用开发的最佳选择。i d i ，语言面向矩阵的特性带来了快速分析超大 规模数据的能力，它所具有的高级图像处理能力、交互式二维和三维图形技术、面向 对象的编程方式、o p e n g l 图形加速功能、集成数学分析与统计软件包、完善的信号 处理和图像处理功能、灵活的数据输入输出方式、跨平台图形用户界面工具包、连接 o d b c 兼容数据库及多种外部程序连接工具使得该产品已经成为美国r s i 公司的旗舰 产品。i d l 为用户提供了可视化数据分析的解决方案，既可以让科学研究人员交互式 浏览和分析数据，又为程序员提供了快速程序原型开发并跨平台发布的高级编程工 具。i d l 使科学家无需写大量的传统程序就可直接研究数据。 2 2 2 2 地质构造模拟显示 由于岩石介质空间分布的不连续性、不均匀性和不确定性，地层之间相互交叉侵 蚀，地质实体之间的关系错综复杂。因此，地质勘探和实验分析得到的是一系列空间 分布不均的离散数据。如何将这些离散数据变成计算机所能显示的三维图是我们关注 的重点。 地质体根据构造几何学的特征可以分为面状构造、线状构造和体状构造。面状构 造主要有层理( 地层) 、节理面和断层( 断裂) 、工程开挖面、风化面等。线状构造为 空间上各种二维面体的组合，包括呈线状分布的构造以及各种面状构造的交线。面状 构造在平、剖面图上都可表现为各种线符及其组合体，如褶皱的枢纽和线理等。线符 可分为直线型和曲线型两大类，其中曲线型又可分为单值曲线型和多值曲线型，这些 线符在空间域内分别对应为平面、单值曲面和多值曲面型，它们都可通过建立不同的 拟合函数来反映。体状构造主要指层状地质体。地层是在一定地质时期所形成的层状 堆积物或岩石，相邻地层之间由地层界面加以区别，对于平面状的地层界面来讲，可 以用其走向、倾向和倾角产状数据来表示，但实际上地层界面往往不是稳定的平直面， 而是顺走向和倾向都会发生变形的曲面，为得到该曲面，通常采用钻孔资料、测井资 料和平硐资料相结合的方法来测定该曲面离散点的空间位置。断层与地层比较相似， 它将岩体分为上、下盘，且往往具有一定的宽度并与地表成一定的交角，其探测手段 和描述方法与地层界面一致。因此，不管是地表、地层、断裂还是层状地质体，层面 特征十分明显，都可以用上面所述的r b f 神经网络进行模拟。 ( 1 ) 地表面和层面的模拟