6.6.1　公用三维地质模型的需求

随着技术的进步和各种机械设备的发展,目前的水利水电工程面临着更为复杂的条件,其中复杂的地表地形条件(高山、峡谷、高边坡等)和地质构造(褶皱、断层、软弱带等)给工程勘测、设计和施工管理带来了较大的困难。水利水电工程不同专业队伍之间的工作方式是流水线式,即地质勘测→地质分析→水工设计→施工设计→施工管理。这种工作方式虽然使各专业部门的职能非常明确,但不利于专业之间的信息交叉与反馈,往往产生地质与水工、施工相脱节的现象,大量地质资料得不到充分利用;同时,当有新的地质资料加入或者设计方案发生更改时,各专业人员都需花费很多的时间和精力重新开展工作,这个过程不仅存在着大量的重复性劳动,而且不同专业之间的数据难以有效地协调,使得工程设计的水平和效率降低,从而影响工程施工建设的顺利进行。

因此,随着计算机辅助设计/计算机辅助工程(CAD/CAE)在水利水电工程建设中的深入应用,人们提出了水利水电工程三维一体化设计的设想,即以三维数字化地质模型为基础,建立各专业完整的共享数据库,地质、水工和施工等不同专业的工程人员能够很容易地进行数据采集、分析处理、设计并优化方案以及施工决策管理等,实现专业间的交叉循环。这意味着水利水电工程设计现存工作方式的彻底改变,而建立公用的三维地质模型是实现这个过程各环节的纽带,起到至关重要的作用。

在实际应用中,对公用三维地质模型的需求主要体现在以下几个方面:

(1)地质勘测方面。地质勘测是水利水电工程建设非常重要的基础工作,其中钻孔和平硐勘探是其重要组成部分,是能直接获取地下信息的最重要手段。目前一般使用二维横切面和成图工具来规划布置钻孔、平硐目标,由于在多个独立图件上各目标的相互关系很难建立,往往使得勘探布置得不到优化,造成浪费。例如,虽然当前大型水利水电工程勘探工作量总平均数有明显的下降趋势,但平均值仍处在1万～1.5万米左右。如果在不同的勘探阶段有不同精度的三维地质模型支持,直接在模型上进行钻孔和平硐布置,并进行相应的数字勘探模拟,可以很方便地对勘探布置进行有效的优化,得到更好的预测结果,为提高勘探质量、减少勘探工作量和降低费用提供了一项新的技术手段。

(2)地质数据处理与制图方面。水利水电工程地质测绘、勘探和试验成果数据量很大,传统二维、静态的处理方式使得这些数据没有在地质解释中得到充分的利用。耦合多源地质数据构建的三维地质模型不仅充分利用了所有获得的原始数据,而且在保证不同来源的数据可靠一致性方面有着更大的优越性。在地质制图方面,基于三维地质模型自动生成符合规范的二维地质剖面图,能够极大地提高制图效率。例如,按照传统的制图方法,一个熟练的地质工程师制作一幅横剖面图需要5个工作日,而利用三维模型生成后,经过少量修改加工,仅需0.5个工作日,工作效率提高了10倍,使地质人员从繁琐的地质制图工作中解脱出来,去解决更专业的地质问题。

(3)水工/施工设计及其优化方面。复杂的地质条件对工程建筑物影响很大,给设计人员带来较大的麻烦,一旦遇到不明地质问题或者方案修改,须提交申请给地质工程师进行新的地质分析,往往需要较长的反馈时间,导致设计周期拖长。公用三维地质模型的建立,以及在此基础上实现的岩体质量三维分级模型,为地质专业与水工、施工设计之间搭起了一座沟通的桥梁,大大方便了设计人员充分运用地质资料、制定合理的设计方案并进行优化修改,如大坝工程中的建基面开挖与方案调整、基础处理分析,地下工程中的地下洞室开挖模拟及其布置方案优化等。

(4)施工管理决策方面。目前,大部分决策的制定是基于平面图、剖面图和电子表格的,施工管理人员难以对工程整体施工环境和过程形成完整统一的认识,一些地质缺陷引起的突发事件使得施工决策滞后于新的施工条件变化,影响了施工进度。三维地质模型不仅能够从整体上为决策者提供方便的观察和评价手段,而且能够提供多方面的地质分析信息,能够辅助决策人员及时采取有效措施安全通过不良地质区域,缩短施工工期,取得可观的效益。