结束语
工程地质是不同行业工程建设的基础,占有十分重要的地位。而水利水电工程建设的特殊性和复杂性,使得水利水电工程地质研究是所有不同行业的工程地质研究中涉及面最广、任务最复杂且最艰巨的一项工作。处于高山峡谷中的水利水电工程区域往往地质条件恶劣、地质构造复杂、地质信息众多,给工程勘测、设计与施工建设等各方面带来极大的困难。利用传统的二维、静态方式来处理工程地质资料、分析工程地质问题,不能使人们直接、完整、准确地理解和感受地下的地质情况,难以满足工程地质师、设计人员地质空间分析的实际需求。因此,在为水利水电工程建设服务的前提下,针对多源地质数据的耦合分析、地质体的复杂性、信息量大、分析要求高、地质构造的动态性、模型的可靠性及其快速更新修改等难点,融合水利水电工程科学、工程地质学、数学地质学和计算机科学等多个交叉学科的先进理论技术,提出了实现水利水电工程地质三维建模与分析的理论方法,这是一项提高水利水电工程勘测、设计和施工水平的基础性课题。通过深入研究,本书主要展示了以下4项研究成果:
1.研究并提出了面向水利水电工程地质的NURBS混合数据结构
地质数据的表达方式即数据结构是三维地质建模的基础,水利水电工程地质构造复杂、信息量大、分析要求高,研究合适的三维数据结构极为关键,这是水利水电工程地质三维建模面临的最大困难之一。
通过分析、总结国内外所提出的各种三维数据结构及其在地质建模中的应用,主要归纳了基于曲面表示和基于体元表示两大类数据结构的特点,并讨论了面、体混合结构的可行性,表明以曲面表示为主的数据结构是有效表达三维地质对象的主要方式。
针对水利水电工程地质的自身特点和分析要求,提出了以NURBS结构为主、结合TIN模型和BRep结构3种基于面表示的混合数据结构,并在此基础上设计了点、曲线、NURBS曲线、NURBS曲面、三角形、Mesh、BRep实体等7种基本几何元素的数据结构。该数据结构针对水利水电工程地质的特殊性和复杂性而专门设计,适应水利水电工程地质三维建模与分析的需要,不仅能有效地表达地质对象的复杂几何形态和拓扑空间关系,而且便于将相关的地质属性信息与几何模型关联起来。为解决地质体复杂、模型数据量大与地质分析要求高之间的矛盾提供了重要的基础支持。
2.研究并提出了耦合多源数据的水利水电工程地质三维统一模型的构建方法
这是实现水利水电工程地质建模与分析系统的核心,主要包含四个方面的内容:
(1)耦合多源数据的地质空间解析方法。对各种来源、精度、分辨率不同的地质数据进行耦合解译分析,保证了所有有效数据成为建模可利用的、可靠的信息。
水利水电工程地质解译分析方法的研究主要是在处理过的原始勘测数据(如数字化地形等高线、钻孔、平硐数据等)和解析得到的各种地质结构空间构造数据的基础上,通过耦合多源数据的剖面解析和平衡剖面技术,获得保持所有数据一致的二维CAD剖面图(横、纵剖面、轴切剖面和平切面等),进而进行分层三维集成处理。这些多源数据构成了水利水电工程地质建模的基础数据,必须准确、可靠,因此该部分基础性工作不仅需要地质工程师丰富的专业知识和实践经验,而且庞大的信息量需要进行自动化和智能化处理,能够同时满足地质构造规律和三维地质建模的数据需要。
(2)工程地质对象的分类建模方法。以面向对象的分类思想,基于混合数据结构实现了地形类、地层类、断层类、界限类4类地质对象的趋势拟合构造与几何建模,以及大坝、地下洞室等人工对象的建模,提供可供选择的建模机制,解决了倒转褶皱、复杂断层等建模难点。
在面向对象的地质分类技术、地质结构单元实体NURBS构造技术、结合ANN的改进趋势面技术以及三维几何对象的布尔集合算法等先进理论技术的指导下,提出了不同的方法,实现了各类地质对象、人工对象的构造分析和几何建模。
1)三维数字地形的NURBS简化建模。提出了以TIN模型为基础的数字地形NURBS简化建模方法。地表地形是地质形态中最直接、最基本的部分,三维数字地形是整个地质模型建立过程中所有运算操作的受体,必须满足存储量小、精确度高且易于图形操作运算的要求,这是水利水电工程地质建模难以实用的一个制约性问题。传统的GRID和TIN模型均无法同时满足这多方面的要求,而通过实践和精度检验表明,基于TIN模型的NURBS简化方法能为三维地质建模提供完全达到上述要求的地形轮廓体。
2)地层类地质结构建模。提出了成层构造地层的裁剪—叠加建模方法和多值褶皱构造地层的典型轮廓线拟合建模方法。裁剪—叠加方法成功地实现了不同接触空间关系地层间的精确吻合、匹配建模,典型轮廓线方法则为解决多值褶皱构造地层如倒转褶皱的三维几何建模问题提供了完备的途径。
3)断层类地质结构建模。提出了面向历史构造的复杂相交断层网络建模方法。断层处理是三维地质建模中的一个难点,在水利水电工程地质构造复杂的区域,除了准确拟合构造单个断层外,还要正确处理两个或更多相交断层的错动问题。本方法在引入On Tsurf约束和Vec Link约束条件下,首先对于单个断层与地层相交、两两断层相交按错断位移的大小不同采取了不同的方法进行建模;然后以一个存在7条相互交错关系的断层网络为例,根据拓扑排序算法和断层构造特征分析,得到按历史构造先后顺序排列的断层网络AOV模型拓扑序列;最后基于两两相交断层的建模原理,依据其构造顺序分别进行拟合构模,获得完整的断层网络模型。该方法不仅解决了连接剖面之间断层轨迹线的多解性问题,以及缺乏对断层变形和对其进行三维外推的丰富信息情况下的断层趋势拟合问题,而且实现了考虑断层历史构造形成过程的复杂相交断层网络模型的构建,真实客观地再现了在历史形成条件下的断层空间关系。该方法同样适用于断层与地层相交的复杂情况。
4)界限类地质对象建模。针对采样数据数量和质量的不同提出了相应的处理方法,即对采样数据充足、精度高的区域,直接进行NURBS拟合;对采样数据不足的区域,利用地形相似法进行补充、调整,尽可能减小误差,符合其分布不连续的特点。
5)人工对象建模。主要包括大坝、建基面、地下引水发电系统、泄洪洞、导流洞等与地质条件密切相关的水工建筑物以及钻孔、平硐等勘探对象。采用NURBS技术进行参数化建模。
(3)模型的可靠性分析方法。从几何性、地质结构合理性、原始数据的精度和反馈信息4个方面对模型进行可靠性分析与检验,确保模型解释符合真实情况。
在整个建模过程中,模型的可靠性分析是一项重要的工作,受到人们的普遍关注。无论在建模初期或中间阶段,还是在模型建立之后,相关的检查与检验都必不可少。本书提出了一套较完整的可靠性分析技术手段,分别从4个不同的方面对其展开全面的检查与检验,即三维对象的几何性检查、地质结构合理性的检查、原始数据的精度检验和模型的后期反馈检查与检验。该技术不仅确保模型与已知数据保持一致,而且对于未知部分从多方面减少各种误差,建立符合地质自身规律的最可能解译模型方案。
(4)三维统一模型的构建。集成所有地质对象模型和人工对象模型,通过三维几何对象的布尔集合运算完成了水利水电工程地质三维统一模型的构建;并根据地质三维图例库(包括特征颜色和岩石纹理)对模型进行渲染表达,真实地反映其材质属性,更加形象直观。提供便捷的模型反馈机制、公共数据通道,能快速耦合新的数据实现模型的及时更新。
3.研究并提出了基于三维统一模型的水利水电工程地质分析应用技术
在水利水电工程地质三维统一模型的基础上,结合工程实际需要,实现了:
(1)岩体质量可视化分级与三维建模。岩体质量分级是评价岩体工程地质条件的重要手段,起到工程地质专业与设计专业间沟通交流的桥梁作用。然而目前人们着重于研究岩体质量分级评价方法,而很少注重其分级结果的表达,其三维分布不连续的特点使得人们对其很难把握。基于三维地质模型提出了岩体质量分级三维建模实现方法,通过构建的三维岩级模型可获得岩级分类结果全方位、动态地分析和利用,是对传统岩体质量分级成果表达的一种革新,有助于提高工程设计水平和效率。
(2)三维模型的任意剖切地质分析。包括地质横剖面图、纵剖面图、平切面图、斜切及曲面切等各种地质三维剖切分析和相应的二维规范CAD剖面图的自动生成,以及钻孔、平硐布置与模拟分析等内容。该分析技术不仅能够在地质勘探过程中优化钻孔、平硐布置,有效地减少其数量,并提高勘探质量,节省开支,而且所提供的自动切剖面功能,将能满足设计方案变更、及时提交数字化工程地质分析成果的需要,相比传统方法而言工作效率提高10倍之多,使地质人员从繁琐的地质制图工作中解脱出来,去解决更高层次的地质问题,工程设计水平也得到了提高。
(3)大坝工程地质分析。大坝是水利水电工程中最重要的挡水建筑物,对地基岩体的地质条件有很高的要求。基于三维统一模型实现了大坝建基面开挖、基础处理和与大坝相关的剖切分析,并可进行建基面方案调整与优化设计。
(4)地下工程地质分析。水利水电工程中越来越多且规模愈来愈大的地下厂房、长隧洞等地下工程的兴建,必然会遇到复杂的地质条件和大量的地质问题,给设计与施工带来很大的困难。而基于地质模型或岩级模型,实现了对地下洞室的开挖分析、与地下洞室相关的剖切分析、地下洞室布置方案选择的地质评价、地下工程施工开挖的宏观超前地质预报,以及地下洞室地质模型与地下工程施工过程动态分析的结合等分析应用。
(5)其他常用的地质分析。岩土体工程量计算(面积、体积)、地质结构面等值线自动生成等。
这一系列满足实际需要的分析应用技术为研究解决复杂地质条件下水利水电工程勘测、设计与施工中的地质问题提供了有力的分析手段。
4.研制开发了水利水电工程地质建模与分析软件系统(VisualGeo)
基于所提出的水利水电工程地质建模与分析理论方法和技术,结合工程实践,研制开发了相应的软件系统(Visual Geo)。该软件系统是将理论技术用于解决工程实际问题的技术平台。该系统已成功应用于锦屏一级、小湾、溪洛渡、惠蓄、白鹤滩、糯扎渡、三峡、龙滩、阿鸠田、新疆恰甫其海等10项大中型水利水电工程中,在工程勘测、设计与施工中发挥了重要作用。
总的来说,本书将理论方法研究与实践应用紧密结合,提出了实现水利水电工程地质三维建模与分析的关键技术。研究成果在多项水利水电工程中得到成功应用,对改变传统的工程地质制图和地质分析方式、提高工程设计水平与效率、指导地下工程施工有着积极的促进作用,在我国水利水电工程界产生了一定的影响。
本书成果可直接推广应用于各项大中型水利水电工程前期规划、地质勘测、工程设计和施工等各个阶段的工程地质分析中,为实际遇到的地质问题提供科学的解决途径和先进的技术手段。
在上述成果的基础上,今后的工作主要着重于以下两个方面:
(1)不断深入理论方法研究,完善系统,加强与智能方法的结合,进一步扩大工程应用领域,拓展应用的深度和广度,发挥更大的作用。
(2)随着计算机网络技术的迅速发展和广泛应用,水利水电工程的数字网络化将成为必然的发展趋势,应进一步研究网络环境下的水利水电工程地质三维交互式建模与分析理论方法、技术平台,以适应新的需求和挑战。