虚拟钻孔技术在水利水电三维地质建模中应用

201420146第11卷第32014年6

JournalofＲailwayScienceand

Volume11NumberJune虚拟钻孔技术在水利水电三维地质建模中的应用(中南大学土 湖南长沙摘要:为修正三维地质建模的结果与实际分布情况的差别在A软件基础上开发的水利水电三维地质建模平台上引进虚拟钻孔技术修正三维地质模型。系统分析三维地质模型误差的主要来源包括建模初始资料与地质建模方法;介绍虚拟钻孔技术在水利水电三维地质模型中的适用范围并提出虚拟钻孔技术修正三维地质模型的方法;以某大型水利工程为例结合虚拟钻孔技术在三维地质建模平台上的建模流程系统阐述其在三维地质建模平台上修正地质模型的过程计算结果达到了修正的目的。研究结果表明:虚拟钻孔技术的引进能一定程度提高三维地质模型的精度该技术可以为其它的三维建模与可视化借鉴。:三维地质建模;虚拟钻孔;曲面拟合;水利水号: 文献标志码: 文章:16727029(2014)030123Theapplicationofvirtualdrillingtechnologyinthethree geologicalmodelingofwaterresourcesandhydropower(SchoolofCivilEngineering，CentralSouthUniversity，ChangshaterresourcesandhydropowerbasedonCATIAsoftwareforthepurposeofnarrowingthegapbetweensimulationresultsandtheeaty．Themainsourcesoferrorinthethree－dimensionalgeologicalmodelweresystematicallyd．virtualdrillingtechnologywasintroducedinthethree－dimensionalgeologicalmodelingofwaterresourcesandhydropowerandthemethodofusingvirtualdrillingtechnologytoamendthree－dimensionalgeologicalmodelwasd．detailbycombiningwiththemodelingprocessofusingvirtualdrillingtechnologyinthree－dimensionalgeolog-icalmodelingaom．Agoodtestingexpectationwasalsoreachedinthiseae．Theresultsshowthatthea-doptionofvirtualdrillingtechnologycangreatlyimprovetheaccuracyofthree－dimensionalgeologicalmodelandhassomereferenceforotherstudyofthree－dimensionalmodelingandiaaion．:3Dgeologicalmodel;virtualdrilling;surfacefitting;waterresourcesand水利水电三维地质模型作为一种新型的研究工程地质分析的有效工具愈来愈受到项目规划设计以及施工单位的重视。国内外三维地质建模的研究主要是体现在构模方法和可视化分析技］还缺乏深入的认识和了解由于地

质现象的复杂性和采样数据的稀疏性2－］地层建模的结果与实际地层分布情况差别较大，而且很难作相应的修正要提高三维地层建模的可靠性就必须建立起一套能够完整的误差检测误差分析和误差修改的机制4－］尽量减少数据误收稿日期201310基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2011CB710601);湖南省科技厅社会发展支撑计划项目(通讯作者:(1975)，男山东莒南人教授博士从事岩土工程数值仿真方面研究工作;Email:qiaoshifan@3．差修正模型中的错误和提高模型精度这样才能常用的地理信息系统(S)主要表达二维地表地物的图形和属性信息要扩展到真三维包含地下地质结构的地质信息系统还有差距］而且在误差修正方面具有较大的局限性。因此本文引进一款通用的大型机械设计软件CA它具有强大的绘图出图三维可视化功能以及丰富的软件接术在水利水电设计院中得到了广泛的应7－］本文在CA软件上开发了水利水电三维地质建模平台该平台具有能快速处理大量数据快速成图虚拟钻孔三维剖切出图等功能极大的方便水利水电三维地质建模的操作与应用尤其是引进的虚拟钻孔技术很大程度上提高了水利水电三维地质模型的建模精度。作为一种数学模型水利水电三维地质模型是一个通过插值拟合来进行数学模拟的过程建立三维地质模型的主要目的是能利用计算机技术将有限的地质钻孔资料转换成人类能理解的虚拟三维地为后续的勘察设计施工服务。由于受工程造价的影响工程地质钻孔一般数目稀少分布也不均匀而且大部分在一些特定的工程区域，比如大坝周围;各个钻孔之间并无实际的联系每个钻孔出来的岩层关系的有效范围是有限的，通过一些这样的原始资料去建立一个精准完整的三维地质模型显然是比较的。同时在建立三维地质模型中运用到的数学算法如插值拟合运算通过对地层的参数进行适当的内插外推推算地层在空间的发展规律由于在建模过程中计算机无法识别地层分布的多样性与建模区域的特定任何一种算法都是对地层属性的一种估计而且都有一定的适用范围。并不能解决所有地区的不同特性地层的模拟与构建更无法保证模型建立后的精度］。因此三维地质模型的误差来源主要有以下2个方面:(1)建模初始资料。主要包括原始资料的误差人为的误差的误差以及地质钻孔资1－］。前3种误差属于可控误差应采用管理上的方法进行处理将这些误差控制在一个合理的范围内;后一种误差应通过增加钻孔去修正尤其是遇到复杂地层层与层之间的关系不明

朗时更应该增加钻孔数目以保证建模的精准性()地质建模方法。原始资料的不足导致建模必须采用一些插值拟合运算功能建立三维地质模型选择合适的建模方法能够减少模型的误差比如建模中用到的插值拟合方法不同的运算方法带来的曲面拟合结果是不同的;其次计算机技术与人的大脑思维不同它不能自动识别不合理的地层现象在建模时采用原始数据拟合时会存在一些不合理的地层分布这就需要人工干预去协调原始资料与合理地层规律的这也是导致地质建模误差的来源。由上节可知受工程造价的限制地质钻孔的数目不多孔与孔的间距比较大建模过程中需要用到大量的插值拟合运算这些运算只能控制小范围的地质模型精度模型在没有钻孔资料的地方出现误差。因此解决的方法是在相应的地方增加钻孔或者添加虚拟钻孔减小孔间距从而减小数值运算的范围提高建模精度。显然添加大量的实际钻孔是不现实的这会大大提高工程造价因此只有采用虚拟钻孔的方式在特定的位置添加一个或多个具有岩层性质的虚拟孔孔的深度与数目可虚拟钻孔一旦建成对地层模型具有和真实钻孔一样的约束无需增加工程成本使建模的结果更加精确与合理。此外针对已建好的三维地质模型为了解某一点位的地层状况可以通过在该位置虚拟一个钻孔通过钻孔出来的岩层芯样判断该位置的地质建模是否准确如果不符合工程地质资料则需要对虚拟钻孔的地质资料进行修改然后更新原有的三维地质模型。虚拟钻孔具体添加的位置要依据实际工程来确定。当需要获得某一点位的详细地层信息点的实测数据资料又比较少时就可以通过插值的方法生成新的数据点以这些数据为基础建立虚拟钻孔对模型的岩层参数进行调整。3 33等201420146柱面来模拟x0，y0)及其半径Ｒ，圆柱面方程为: (x－x)2+(y－y)2=Ｒ ( 建好的三维地质模型中获取的虚拟钻孔过与地层面相交求交线来获取］直接求取虚拟钻孔的地层界限比较复杂本文采用棱柱面来近通过控制棱柱面棱的数目来控制虚拟钻孔的精度给定精度m采用内接正棱柱面来拟合生成圆柱面m条竖直棱边的方程为:iil:x=x+Ｒcos y=y+Ｒsinii

2地层面空间曲线的构g．2Spacecurveconstructofgeologicalu=(x－x1)2+(y－y1) ( (i=0，1，…，m－ (然后将这m条边与各地层面求交得到虚拟

且在xOy平面内u的取值只能沿直线进行。1钻孔的地层分布为了表现其地层的分布情况采用不同颜色表示不同的地层区域1。1

(x－x1)(y3－y1)y= x－x

+ (由式(7)和(8)x－ u=x－x(x3－x1 +(y3－y1 DABvD'u坐标系下的值代入式(3)得系数a，b和c2的值依次3 2131 21 3121a=zx2131 21 3121 xx(x2+y221 zx2–z (b 21 32 1虚拟钻孔示意

x g．1Schematicdiagramofvirtual c=

32槡

+3. 到原始地层中去因此需要通过构造空间曲线拟钻孔的地层点与同一地层中的钻孔信息串联起来然后通过曲面拟合形成新的三维地质模型。

23ab和c的值代入式3)得到空间曲线的zxx－zx2+z21z=2131 21 2131(x－x)1x21zx2－zx构造空间曲线的方法有很多如三次样条曲线 +21 3221(x－x)+ (x物线或Kriging插值法等。考虑到构造三次样条曲有可能出现错误［14－17］，因此本文选用二次曲线(抛物线)作为空间曲线进行插值计算如图

所示现在要通过点Dxyz)，Bxyz) 1 2DAxOy，通过DD'A'建立局部坐标系vDu设在vD'u下曲线方程为:v=au2+bu+ (式中:abc为待定系数。

本文以某大型水利水电工程的地质模型为例详述在CATIA软件在水利水电三维地上如何用虚拟钻模型进行修工程区域范围7100000m2工程地质钻孔一共159个研究区内实际钻孔分布很不均衡大部分分布在大坝的周围离大坝较远的或不重要的区域仅在特征变换位置有钻孔分布而且钻孔深度较浅。因此需要4. 建模前所有的工程地质钻孔资料都存贮在三维地质建模数据库中。在构建三维地层模型时首先需要从数据库中提取各个钻孔的地层分层信息，结合人工添加的虚拟钻孔信息(如图4所示)水文地质信息覆盖层信息和断层信息等然后采用特定的模型构建技术生成一个初始的三维模型。建完模型后可以采用三维模型切割虚拟钻孔等方法对模型的精确性进行全面的观察与检验如果发现某处模型存在不合理之处则可以在该处进行新增虚拟钻孔调整虚拟孔的地层分层信息将调整后的虚拟钻孔资料约束到整个模型之中并重新构建三维地质模型再进行模型检验工作。通过不断的重复这一工作流程直至生成一个合理满意的三维地质模型。3虚拟钻孔地质建模流g．3Geologicalmodelingprocessofvirtual4 42 提取钻孔数据信在三维地质建模数据库中钻孔数据结构采用来相应的变量对象进行标识若该钻孔为虚拟孔，则可对其进行编辑修改操作实际钻孔数据不允许随意更改。提取钻孔信息到三维建模平台后(如图4)通过相关命令将同一地层的地质分界点自动集合到同一文件夹内便于后续的三维地质建模操作。

4虚拟钻孔信息录g．4Importofvisualhole5虚拟钻孔三维显g．53Ddisplayofvirtual42 构建三维地质选取位于同一地层的钻孔信息点为了提高曲面拟合后的精度Visualcnet编程构建三曲线然后利用该曲线进行曲面拟合操作构建生成三维地质曲面6所示。6三维地质面的生g．6Generationof3Dgeological42 生成三维生成三维地质面以后需要根据工程地质经验对地层属性进行预判断尤其是地层分界处地层的属性然后通过曲面拉伸布尔运算等操作构建三维地生成三维地如图7所示。图7三维 的生成(修改前g．7Generationof3Dgeological(before42 检测并修改三维地质模虚拟钻孔的树形结构和实际钻孔是一样的。若发现虚拟钻孔数据不理想可以在虚拟钻孔界面修改相应数据再单击提交数据库和CA中的钻孔信息则同时得到修改如图8所示。CA中虚拟钻孔信息如图4所示:经验证发现图4中的模型在研究区的区域与实际地层分布情况差别较大(主要是由于该区域钻孔相对稀疏且深度较浅)。按照工程要求由工程勘测根据需要添加了3个虚拟孔(图5并根据场地实际情况以及在该区虚拟孔与实际钻孔结合重新生成三维地层模型(图6)。8增加虚拟g．8Addingvirtual9增加虚拟钻孔后的三维地质模型修改后g．93Dgeologicalmodelofaddingvirtualhole(after

比较图7与图9可发现两图在第二地层交界处有明显的区别这是由于加入的虚拟相应地层产生了较大影响。经过验证发现添加虚拟孔后重新生成了新三维地层模型．新生成的地对岩层产状和岩层厚度进行了重新调整。图7中的岩层产状规则岩层厚度均匀依据该地区以往工程地质资料显示如此规则的岩层是不真实的，加入虚拟钻孔重新生成的地如图9所示岩层产状成折线形岩层厚度也不均匀。新地更准确地反映了研究区地层的实际分布情况对该工程今后的设计和施工产生一定的指导作用。(1)简要分析了三维地质建模的误差来源介绍了虚拟钻孔技术修正模型的使用范围与方法并在水利水电三维一地质建模平台上利用虚拟钻孔技术对三维地质模型进行修正实践表明虚拟钻孔技术的引进能极大的提高三维地质模型的精度。(2)虚拟钻孔方法考虑了地质数据现状已往地质工作中处理方法及空间插值和外推时适用条件从理论和实际上都具有一定意义可以为其他(3)引入虚拟孔构建三维地层模型具有很强的直观性实用性和可操作性在一定程度上节约［1］．边界虚拟钻孔在复杂地3维建模中的引入与确定J．测绘学报，2007，364)4685WANGＲunhuai，LIogu．Introductionanddeterminationofborderlinevirtualboreholesin3DmodelingofcomplicatedgeologicalbodiesJ．ActaGeodaeticaetCartographicaSinica2007，36(4):4685．［2］．地质空间三维动态建模研D．:华技大学2008HEenn．3Ddynamicspacekeytechnologyresearchmodelin．ofScienceandTechology2008．［3］．基于虚拟钻孔的工程地质三维剖切的实J．:4LIANGn．3DsectioningrealizationofengineeringgeologybasedonvirtualboreholeJ．informationScience，2010，26(1):11［4］王文科．基于钻孔数据的地层三维建模与可J．3ZHANGWeijun，WANGee．3DmodelingandvisualizationofgeologicallayersbasedonboreholedataJ．Metallogenia2003［5］徐．基于钻孔数据的滑坡三维地质建模研究J．东华理工大学学报(自然科学版2008，31(2):1270．SHENJian，XUDawei，CAIogxiag．3Dgeologicalmodelingoflandslidebasedonboreholedat．JournalofEastChinaInstituteofTechnology(NaturalScienceEdition)，2008，31(2):1270．［6］才等．城市三维地层建模中虚拟孔的引入与实现J．地理与地理信息科学，2004，20(6):263043．ZHULiangfeng，WUXinCai，LIUXiuguo，etl．Introductionandimplementationofvirtualboreholeintheconstructionofurban3Dstratamodel．GeographyandGeoinformationScience，2004，20(6):263043．［7］乔等．基于DEM三维地层建模及一J．QIAOJinhai，PanMao，JINYi，etl．3Dstratamodelingandintegrativevisualizationbasedonde．GeographyandGeoinformationScience，2011，27(2):347．［8］．基于地质和钻孔数据的三维地层建模J．岩土力学，200930Z1):2670ZHUFaHua，HEain．3Dstratummodelingbasedongroundpenetratingradarandboreholedat．ＲockandSoilMechanics2009，30Z1):2670．［9］于向博．基于地质钻孔数据的地层三维可视化研究D．青岛:山东科技大学2010．YUiago．3Dvisualizationofthestratabasedongeologicalholedat．Qindao:ShUniversityofScienceandTechnology2010．［10］才．三维地层模型误差修正机制及其实现技术J．岩土力学，2006，272)2681n

implementationoferrorcorneetoonfor3DstrataJ．ＲockandSoilMechanics，2006，27(2):2681［11］．基于稀疏钻孔点的地层建模及可视化J．测绘信息与工程，2008331):180WANGYuanni，GEFei，LIg．3Dmodelingandvisualizationofgeologicallayersbasedonsparseboreholedat．JournalofGeomatics，2008，33(1):180［12］．基于钻孔数据的三维数字地层可视化系统研究D．大连: