三维边坡地质体建模方法及工程应用

第７卷第２期

２０１１年４月

Ｃｈｉｎｅｓｅ

地下空间与工程学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＳｐａｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｖ０１．７Ａｐｒ．２０１１

三维边坡地质体建模方法及工程应用

张先伟１…，王常明２，张国柱３，王旖旎４

（１．吉林大学建设工程学院，长春１３００００；２．中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室，武汉４３００７１；３．同济大学地下建筑与工程系，上海，２０００９２；４．吉林大学地球科学学院，长春１３００００）

摘要：三维地质模型的建立可使勘探数据更逼真的体现，有助于推断、预测和把握其所在研究区域内的分布规律，为地质体的数值分析提供模型。提出了以Ｓｕｆｆｅｒ和ＧＯＣＡＤ软件为过渡平台，通过对地表及各地层三维地质信息的提取、转换，所得数据通过编程手段生成供ＡＮＳＹＳ、ＦＬＡＣ３Ｄ、ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ等数值分析软件直接读取的模型数据文件，进行二维与三维的数值计算分析。从而实现了数值分析前处理过程中复杂三维地质模型的快速、准确建立。结合崩塌堆积体边坡实例，检验了该方法的可行性和仿真效果。结果表明，建模过程简捷、实用，可操作性强；采用Ｓｕｆｆｅｒ软件中的插值功能能很好的弥补勘探数据较少的问题；模型可通过ＧＯＣＡＤ软件进行三维可视化操作，对模型进行检验、补充和修改。

关键词：三维地质模型；崩滑堆积体边坡；Ｓｕｆｆｅｒ；ＧＯＣＡＤ中图分类号：Ｐ６４２

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７３—０８３６（２０１１）０２—０３２９—０６

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收稿日期：２０１０．１２．１５（修改稿）

作者简介：张先伟（１９８２－），男，黑龙江省龙江人，博士，助理研究员，主要从事特殊土力学、地质灾害评估与治理方面

的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｘｉａｎｗｅｉ４１４＠１６３．ｃｏｒｎ

基金项目：国家自然科学基金（４０９７２１７１）

３３０地下空间与工程学报第７卷

１

引言

三维地质建模是三维地学研究的一项基础性工作，是数字地质、石油勘探、岩土工程和水利水电工程中常常遇到的关键问题。所谓的三维地质建模（３Ｄ

Ｇｅｏｓｃｉｅｎ—ｅｅ

Ｍｏｄｅｌｉｎｇ），就是运用计算机技

术，在三维环境下，将空间信息管理、地质解释、空

间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形

可视化等工具结合起来，并用于地质分析与工程需要的技术¨Ｊ。Ｅ．Ｃａｒｌｓｏｎ（１９８７）旧１从地质学的角度较早地提出了地下空间结构的三维概念模型。随后加拿大ＳｉｍｏｎＷ．Ｈｏｕｌｄｉｎｇ于１９９３年首次提出了三维地质建模的概念。

随着计算机技术的迅速发展，以及各类大规模工程建设的需要，三维地质体的数值模拟技术在岩土工程的各个领域得到及其广泛的应用，国内外学者对此作了大量的研究。陈昌彦提出用各种线符及其组合概化岩体结构和物性两类信息，并建立起相应的拟合函数，实现工程地质结构及边坡工程开挖的三维模拟和再现∞１；颜辉武采用Ｋｒｉｇｉｎｇ插值方法建立水文地质层三维模型，并利用体绘制技术进行可视化表达，在此基础上实现了基于体数据的任意剖切与三维交互；朱良峰基于基础ＧＩＳ软件平台ＭＡＰＧＩＳ，利用功能强大的三维可视化开发平台ＭＡＰＧＩＳ－ＴＤＥ，设计、开发具有自主版权的三维地质建模及可视化系统＂１；张昆基于３ＤＧＩＳ技术，结合一个具体的滑坡变形监测工程实例，采用不规则三角网和等高线构建了滑坡体三维模型拍ｏ；郑文棠基于ＡｕｔｏＣＡＤ平台，借助ＡｕｔｏＬｉｓｐ语言，采用滑动最小二乘法插值拟合，构建三维可视化模型一Ｊ。

虽然上述研究对三维地质体建模发展有很大的推动作用，但很多方法是基于某一数学进行编程，建模过程复杂，对用户要求很高，且很多模型的建立只能靠数据文件来实现，不能直观的进行图形的处理；根据ＧＩＳ技术进行建模，但由于数据结构和算法方面的差异很难再进行后期的三维数值分析。目前数值模拟技术大跨越的发展，一些三维地学模拟软件（如ＧＯＣＡＤ、Ａｕｔｏｄｅｓｋ、ＭａｐＧＩＳ等）以及数值模拟软件（如ＡＮＳＹＳ、ＦＬＡＣ３Ｄ、ＡＢＡＱＵＳ、ＡＤＩＮＡ、ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ等）广泛应用于三维地质建模的研究中。因此，能否根据现在应用广泛的地质与数值分析软件建立三维地质模型具有一定的意义。

三维模型的建立可使勘探数据更逼真的体现，从而有助于推断、预测和把握其所在研究区域内的

分布规律，为地质体的数值分析提供模型。本文利用编程手段，基于勘探数据，利用ＧＯＣＡＤ、Ｓｕｒｆｅｒ直接导出数据到ＡＮＳＹＳ或ＦＬＡＣ３Ｄ进行数值分析，模型可用ＧＯＣＡＤ直观展示，这将为复杂边坡地质体的三维建模提供一个解决思路。

２三维边坡地质体的建模方法

２．１建模软件介绍

ＧＯＣＡＤ软件是法国Ｎａｎｃｙ理工大学开发的主要用于地质领域的三维可视化建模软件，在地质工程、地球物理勘探、矿业开发和水利工程中均有广泛的应用。ＧＯＣＡＤ的特点是采用离散平滑内插方法（简称ＤＳＩ）作为核心技术。ＤＳＩ方法用一系列

具有物体几何和物理特性的相互连结的节点来模

拟地质体¨Ｊ。

Ｓｕｒｆｅｒ是美国ＧｏｌｄｅｎＳｏｆｔｗａｒ软件公司的产品，广泛应用于测绘、矿业、土木工程、地学等领域。Ｓｕｒｆｅｒ强大的插值功能和绘制图件能力，已经使它成为用来处理三维数据首选的软件，能迅速将离散点的测量数据通过插值转换为连续的数据曲面，进一步绘制等值线图、矢量地图、线框图和表面图等。Ｓｕｒｆｅｒ具有趋势面分析、体积和面积计算、坡度分析、坡向分析、剖面曲率、平面曲率和水平曲率分析以及剖面计算等空间分析功能一Ｊ。２．２三维地质体建模解决思路

图１三维地质体建模及数值计算流程图。具体流程可分为以下４步。

（１）原始勘测资料中的地形等高线和地质点数据可得到地表面模型；钻孔资料可得到各地层分层信息。通过这两点的体现，才可以得到真实反映的地表及各地层的实体模型，并能生成任意方向的剖面图。但由于野外勘探的限制，地层面的控制点通常非常有限，如果直接利用现有勘探数据建模难以与实际情况相吻合。因此，在生成地质体的地层或其他结构面时，必须加上相应的工程地质分析进行人工干预数据，对要建的地层面追加一定数量的控制点，以使其尽量与实际的地质结构面相符合¨０｜。值得一提的是对于勘测数据不是非常少的情况下，这一步骤可以略去，因为接下来使用的Ｓｕｒｆｅｒ中的插值功能可以很好的解决这一问题。

（２）ＡｕｔｏＣＡＤ软件支持的ｄｘｆ格式文件包含等高线、柱状图及剖面图等信息，通过ＧＯＣＡＤ将ｄｘｆ格式文件转化为三维坐标信息，并输入Ｓｕｒｆｅｒ中即可生成插值后的地表面（地层界面）信息的ｄａｔ文

２０１１‘ｒ第２蛸

张先伟，等＝堆边垃地质体建模直洁Ｍｒ＃Ｊ“月

３３

边坡为倒．运用上述二维建模方法进行可视化模型

的展示和二维三维力学计算模型的生成。

该崩滑堆移！体的形成以石碳系巾统黄龙群白云岩沿摆佐组灰岩大规模崩塌堆秘为主，滑动为辅，该区主要宥两个滑堆积体边坡，见图２。崩滑过程中相互碰撞挤压使部分岩体破碎，后经地表求及地下水携带的钙质成分重新胶圭占。整个崩滑堆积体地表面积为３６４度为２３

４

５３６

ｍ２．泼崩滑堆积体平均厚

ｍ，崩滑堆｛车｛体体积为８５３万ｍ３。由于

该崩滑堆积体受地形影响较大．且勘测信息数据较少，需要构建整个地Ⅸ的地质体模型，然后提取边

坡实体进行分析。

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件。Ｓｕｒｆｅｒ强大的插值功能能将离散的数据换为连续的数据曲面．解决ｒ勘测数据少，难以真实反映地质体属性的问题．

（３）将所得数据导人ＧＯＣＡＤ并建立表面模型和文体模型．可对模型进行可视化操作＝地质信息三维可视化町使不同方位小同水平的地质信息迅速方便ｍｘ直观地硅示出束Ｊ｝输出各种抟｛形，对建立的一维地质模型进行检验、补充、修改＝枉Ｊ＝程施』＝过程中不断的加＾资料还呵眦动态地管理地质干¨施工信息。同时利用ＧＯＣＡＤ软件可以对地匝体的研究区域进行任意地层、断层等剖分面的地质体，Ｊ｛ｊ于重点分析。

（４）ＡＮＳＹＳ、ＦＬＡＣ３Ｄ等数值分析软件在建立复杂模犁方面存在严重不足，主要体现在对ｆ比较复杂的工程模型．在建模时需要各控制点详细的数据，容易出错．检查起来也不是很容易，且建模工作量太，花费时『Ⅱｊ长，直接造成了三维模拟计算的周期Ｋ、难度大。利用ＦＬＡＣ３Ｄ中内嵌的Ｆｉｓｈ语言编辑指々町＾接导＾ｄａｔ格式的三维地质模型文件町用编程技术将数据导人刊ＡＮＳＹＳ以及Ｇｅｏ—ｔｕｄｉｏ软件巾。这样一个复杂的地质体模型就建甚好了，接下来可通过数值分析软件做进一步计箅分析

图３崩＊《税体边坡№表地ｍ等高线

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＿冬ｌ３为边城所在地质体地形等高线罔，罔中绿色和红色等高线为原始勘测数据．黑色等高线是根

样现场拍摄照片及其他地质地貌资料人为设定的，

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中间卒白部分为悬崖或陡坎，闭３表币的区域为寅

正方彤区域，此后建立的

三维地质体模型皆为此区域，可通过钻孔资料得到其他地层界面的控制儒息，其建模方法与地形表而建模过程相同，这里不详细叙述。

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Ｉ程应用实例

下而以某人犀｜水电站进水ｕ左岸崩滑堆积体

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数据，形成一十包含所有地层界面（地表面为第十界面，地面“下依次为第２个、第３个

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目５地质体宴体模Ⅲ舶整体显示

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这样就褂到了包含整个地质体各地层界面的三维坐标信息空件，町以方便辅＾到数值分析软件中避行计算分析。如利用ＦＬＡＣ３Ｄ内嵌的Ｆｉｓｈ语言编辑转化程序可将上述ｄａｔ文件转化为ＦＬ＾Ｃ３Ｄ模型文件．在率实蜘中。ＦＬＡＣ３Ｄ堆元体采用三帔桂形式，设定沿句格式为：

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利Ｊ１｛ｃａｌｌ命令调人程序即得到复杂二维地质体ＦＬＡＣ３Ｄ数值模型，圈６（ａ）足本实例的

ＦＩ．ＡＣ３Ｄ散值模型，通过编程ｒ段还可将三维信

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究的１、２两个崩塌堆积件边坡（或直接在ＧＯＣＡＤ中切割．冉导＾ｎ。ＡＣ３Ｄ和ＡＮＳＹＳ中）．对边坡赋干相应的力学参数和边界条件，就可进行计算井对钻果进行分析、评价。

此外去掉式（¨巾的ｘ坐标即Ｉ『得到崩塌堆积体边坡的二维数据，作者所在｛５｜｝题组采硝极限平衡法和强度折减法，利川Ｇｅ嘏ｔｕｄｌｏ对主次崩埽堆积体边坡进行了计算“，进而时边坡稳定性进行ｒ‘Ｈ＂和评价敢累Ｂ辑

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４结论

二维地质建模是地质学研究的基础，也足工程数值分析前期工作的难点结合崩塌堆＃｛体边坡主圭一夏朵地质体为例．提出了以Ｓｕｒｆｅｒ和ＧＯＣＡＤ为过渡平台．对零散的勘测数据进行提取’ｊ转换．进而获得地质体的‘维地质模型．利用编程ｔ段可生成数值模拟分析软件直接读取的乏堆懂型数据，供二维和王维的数值分析汁苒。整个建模流群简单、适用．可撵作性强．大大加快了实伴建模的速度这窭建模方法的优势还表现在：时于勘洲数据不是非常缺少时．ｓｕ＾ｒ巾的插恤功能可较好的补克地厦信包数据，减少人为的十顼；ＧＯＣＡＤｎ』对三维地质体进行可视化操作，可对模删进行榆骑、补觅和修改．利州二维切割叮获得重点研究区域的地质体，它迁可以动志地管坪地质和施Ｊ信息．这奁建模疗法将为建立复杂三维地质体梗碰提供一个 Ⅱ行心蹄，”ｒ普遍适用于复杂边坡Ｔ程研究分析ｒ”

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第７卷

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三维边坡地质体建模方法及工程应用

作者：作者单位：

张先伟， 王常明， 张国柱， 王旖旎， Zhang Xianwei， Wang Changming， ZhangGuozhu， Wang Yini

张先伟,Zhang Xianwei(吉林大学建设工程学院,长春,130000;中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室,武汉,430071)， 王常明,Wang Changming(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室,武汉,430071)， 张国柱,Zhang Guozhu(同济大学地下建筑与工程系,上海,200092)， 王旖旎,Wang Yini(吉林大学地球科学学院,长春,130000)地下空间与工程学报

CHINESE JOURNAL OF UNDERGROUND SPACE AND ENGINEERING2011,07(2)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

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本文读者也读过(2条)

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2. 赵晓东.李利岗.彭林军.ZHAO Xiao-dong.LI Li-gang.PENG Lin-jun GIS和GOCAD支持下的矿山3D地质建模[期刊论文]-地理与地理信息科学2009,25(2)

本文链接：/Periodical_dxkj201102021.aspx

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