基于GoCAD平台的复杂地质体空间信息一体化建模研究与实践

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我国幅员辽阔,各种地形错综分布,地质构造复杂,随着社会经济的发展,各类建设工程也在不断增多,而地质环境对工程活动有着重大的影响。为保证工程建设过程中的安全性、可行性以及以后的使用安全,同时降低工程建设的开发成本,需要在工程开始前进行合理规划,从多个视角对地质信息进行分析研究。对此可借助三维可视化模型再现三维地质信息,准确地获取信息并分析预见问题,以达到对工程直观有效地规划设计。在现实生活中,大部分地质体不是简单的层面结构,通常存在着断层、透镜体、裂隙等复杂地质现象。文章中选择的贵州某研究区域,含有大量的溶洞,在含有溶洞的地区进行工程活动,外部荷载以及环境的作用下有可能导致岩体强度的破坏,甚至产生岩溶塌陷,影响工程建设的稳定性以及施工的安全性。因此对于复杂地质区域,地质体需要更加直观、清晰和真实,以达到对工程活动的进一步控制,本文提出融合地面、地下信息于一体,建立地上建筑物、地下构筑物以及地层地质体的三维模型,实现地上、下信息的一体化表达。由于时间、环境、成本等各方面的限制,通常在实际的工程中,能够为地质建模提供的资料较少,为此文章特针对地质数据信息较少的复杂地质区域,提出利用Python提取柱状图中钻孔信息,并将剖面图加入建模过程以达到充分利用现有的地质信息的目的。然后基于GoCAD建模平台,借助其离散光滑插值法以及UVT转换技术在其工作流程中实现三维地质模型的构建,主要开展的研究工作如下:(1)建模方法比选本文选用网格模型对象来生成地质体,可通过地质体模型(Geologial Grid)或六面体模型(SGrid)两种方法生成体模型。为选择合适的建模方法,以某一含断层的区域为例,对GoCAD平台工作流程(Structure and Stratigraphy Workflow)生成地质体模型和流程外通过对象箱法生成SGrid来建立地质体模型两种方法进行比较分析。(2)地质数据预处理搜集研究区域的地质勘探信息,并对现有的工程地质资料进行预处理。对于缺少的钻孔信息,提出利用脚本语言Python从CAD中的钻孔柱状图提取,并转化成Excel形式;其次充分利用地质剖面图,提取图中溶洞轮廓线上关键点的坐标,为构建溶洞模型做好准备;此外由于钻孔数据稀少且分布不均导致地层数据点稀疏的情况,提出对现有的钻孔数据进行Kriging插值,将修正后的钻孔数据点作为地层交接面的离散点,并利用GoCAD中的离散光滑插值技术来解决后续插值建模中产生的地层畸变问题。(3)三维地质模型构建依据SKUA-GoCAD工作流程中的Structure and Stratigraphy Workflow建模方法,构建研究区域的三维地质模型。将钻孔数据转化成每一地层的数据点,基于列的形式输入到GoCAD当中,同时还需确定钻孔在某一位置对应的地层标志;设定地层层序和地层接触关系以此来创建地层柱,并确定所建地质模型的边界(建模域和深度域)即定义目标研究区(VOI);在工作流中先生成预览地层模型,对数据以及地层模型进行质量检查,然后设置单元格厚度,预览生成的地质网格模型,以此控制地质模型的精度,构建最终的地层。(4)特殊地质体-溶洞模型的构建与内嵌利用轮廓点构建溶洞椭球面,通过岩体雕刻地质网格中的区域(Region),使所形成的独立的溶洞嵌入地层曲面模型中,实现复杂地质区域的模型构建。为实现对地质体任意面剖切时,可以显现溶洞与地质剖切面的位置关系,对不含填充土空心溶洞所占的区域进行空白处理,并通过定义岩性属性划分使溶洞在三维地质模型的显示中有所区分。(5)地上、地下空间信息一体化实现利用研究区域的平面布置图,提取建筑物的构建轮廓线,GoCAD平台根据建筑物的轮廓信息以及建筑物的高度,生成建筑物的面模型;其次依据空间位置坐标,将所构建的建筑物模型与地质体模型进行整合,同时显示地质体与地上建筑的三维情况。假定目标研究区存在隧道等地下构筑物,通过建立隧道模型,将其与地上建筑物以及地质体加以整合,通过任意角度的地质剖切,得到地上、下建筑与地质体之间的位置关系,实现地上建筑与地下信息的一体化表达。
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