水利水电工程地质三维建模与分析－理论与实践

三维地质建模研究最初主要是为了满足地球物理、矿业工程和油藏工程等的模拟与辅助工程设计的需要而展开的,随着水利水电工程建设的迅速发展,对水利水电工程地质三维建模与分析的需求也愈来愈强烈。国内外三维地质建模研究的发展与现状总体情况分析如下。

国外三维地质建模及可视化分析研究开展得较早,在理论研究、软件开发和实际应用等方面的发展较为成熟。在基础理论方面,不少学者从各种角度和所在领域提出了不同的相关理论与方法。加拿大学者Houlding最早于1994年提出了三维地学建模(3D Geoscience Modeling)的概念,即在三维环境下将地质解译、空间信息管理、空间分析和预测、地质统计学、实体内容分析以及图形可视化等结合起来,并用于地质分析技术。Houlding详细阐述了实现三维地质建模的一些基本技术和方法,其中包括空间数据库的建立、三角网生成方法、三角网面模型构建方法、三维三角网固化方法、地质体边界的划定和连接等许多方面,总体上体现了当前三维地质建模技术的核心成果,反映了该问题的研究水平。针对地质体建模的特殊性和复杂性,法国的Mallet教授提出了离散光滑插值(Discrete Smooth Interpolation,DSI)技术,该技术基于对目标体的离散化,用一系列具有物体几何和物理特性的相互连接的节点来模拟地质体,目前已成为GOCAD(地质目标计算机辅助设计)的核心技术,并在国际上受到极大的重视。随着相应理论基础的研究和深入,以及计算机技术的迅速发展,国外三维地质建模软件已形成相当的规模,比较典型的大型专业软件有:Earth Vision、Vulan、Gemcom、Micro Lynx、GOCAD、Surpac Vision、Landmark、GeoQuest、GRISYS等。这些软件分别在石油物探、石油开采和露天矿开采等领域取得了颇有成效的研究成果,但是,由于国外软件费用高,并且受到具体地质条件的限制,大都面向石油、矿产等领域,其应用目的与水利水电工程地质分析存在较大的区别,在我国水利水电工程三维地质分析研究中难以推广使用,尤其是对于大型水利水电工程,从勘探数据处理到模型建立、表达等方面的针对性和实用性均不强,只适用于某些特定的条件。

自计算机在地学中应用以来,我国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,而对于三维地质建模和可视化分析方面的研究还在探索中。目前,很多高等院校和研究单位结合所属领域开展了这项研究工作,取得了一定的理论和应用成果。中国科学院张菊明、陈昌彦等应用拟和函数法开发研制了边坡工程地质信息的三维可视化系统,并应用于长江三峡永久船闸边坡工程的三维地质结构的模拟和三维再现工作中。中国矿业大学武强和徐华设计了超体元实体模型,并提出了基于特征的驾驭式可视化设计思路,建立了面向采矿应用的三维地质建模体系结构。北京市勘察设计研究院陈树铭提出了泛权算法理论,试图解决任何复杂的三维地质数字化与重构问题。此外,南京大学、武汉大学、北京大学、中国科学院武汉岩土力学研究所、长江勘测技术研究所等单位也做过相关的研究工作。对于水利水电工程地质,成都理工大学柴贺军、黄地龙、黄润秋等结合溪洛渡水电站研制开发了一套岩体结构三维可视化系统,在一定程度上建立了三维地质模型构图,并能够进行一些简单的剖切分析。(www.xing528.com)

综上所述,从国内外所开展的一系列研究和应用来看,三维地质建模与可视化模拟分析已经受到国内外专家、学者越来越多的重视,并取得了相当的成果,丰富和发展了三维地质建模的理论与方法。然而,从总体上看,虽然国外三维地质可视化模型研究和应用走在前列,有不少成熟的建模软件,国内也有类似的软件产品,但其成果除了在露天矿山开采和石油物探领域应用取得较好的效果外,在水利水电工程设计与建设领域离实际应用还有一定的距离,真正应用于特殊而复杂的水利水电工程地质三维建模与分析的实践非常少见。而且,目前的工程地质三维模拟大都着重于单层地质实体的表示,对断层、褶皱等构造因素的分析建模重视不够,不能反映工程设计和大型结构面及其结构面相互交切关系的综合信息和三维特征,缺乏结合特定工程部位的地质结构适宜性和稳定性分析评价功能。水利水电工程大区域的三维地质建模与分析研究可以说仍然处于探索阶段。

因此,针对该技术问题研究的不足,紧密结合实际工程,本书对水利水电工程三维地质建模与分析开展了理论方法、关键技术和工程应用研究,进行了有益的探索,并取得了一定的成果。