关于边坡三维建模的思考

关于边坡三维建模的思考通过学习对锦屏一级水电枢纽区右岸边坡的三维建模分析，对三维建模在边坡方面的应用有了一定了解。

在学习过程中也充分体会到了三维建模的先进性以及易用性。

在工程的设计、施工控制等方面均有很大帮助。

下面我从以下几个方面论述对边坡三维建模的一些思考。

一、边坡三维建模的现状传统的地质信息的模拟与表达主要采用平面图和剖面图，其实质是将三维空间中的地层、构造、地貌及其它地质现象投影到某一平面上进行表达。

该方法存在的主要问题是空间信息的损失与失真、制图过程繁杂及信息更新困难。

三维地质建模正是针对传统的地质信息模拟与表达方法的缺陷，借助计算机和科学计算可视化技术，直接从三维空间的角度去理解和表达地质体与地质环境。

所谓三维建模，就是运用计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、地质解译、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，并用于地质分析的技术，它是随着地球空间信息技术的不断发展而发展起来的，由地质勘探、数学地质、地球物理、矿山测量、矿井地质 IS、图形图像和科学计算可视化等学科交叉而形成的一门新兴学科，这一概念最早是由加拿大的Simon W Houlding于 1993年提出的。

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。

三维地质建模研究是当前地质学中前沿课题之一，是许多地质学家和计算机专家一直探索的方向。

自20世纪80年代起，学者们提出了各种方法构建三维地质模型来模拟分析复杂的地质结构，使得这方面研究有了长足的发展。

例如：Vistelius（1989）提出基于地质概念模型的数学方法重建地质体；Yfantis（1988）运用分形技术对地质体表面进行模拟；张菊明（1996）建立了各种空间曲面拟合函数来模拟三维地质曲面，并与陈昌彦合作（1998）将其应用于三峡船闸边坡工1程地质信息的三维可视化；毛善军等人（1996）提出利用网格插值法建立地质信息的三维网格化模型；Mallet（1997）所提出的离散光滑插值（DSI）几何建模方法已在GOCAD地质建模中得到广泛应用；de Kemp（1999）采用三维Bézier 工具对复杂地质结构进行可视化建模，并与Sprague（2003, 2005）进一步合作发展了Bézier- NURBS混合曲面来进行解译拟合三维地质结构面；柴贺军等人（2001）利用有限个测量点构建地质结构面的计算机三维扩展模型；Marschallinger（2001）、张煜等人（2002）则引入体视化技术进行三维地质建模；Saini-Eidukat等人（2002）结合虚拟现实（VR）技术尝试在Internet上进行地质分析等；Wu和Xu（2003, 2005）则提出了断层模拟的滞后插入、局部重构方法和有效耦合多源数据的三维地质建模方法；Lemon等人（2003）直接根据钻孔和定义横剖面采用地层-实体算法构建三维地层实体模型；钟登华、李明超等人（2004,2005，2007）则针对水利水电工程地质研究的特点，提出了一套基于NURBS混合数据结构的三维地质实体建模和工程地质分析的方法体系,并应用于大型地下洞室群布置优化、动态仿真分析、滑坡体稳定分析；Brandel等人（2005）展示了一个“地质领航”的原型系统，能实现石油、天然气开采中使用的三维地质模型的自动构建和更新；曾闽山等人（2006）提出基于TIN 的三维地质模型栅状图的司视化方法；潘冬，李向东利用Surpac Vision软件建立了某矿山的矿山三维地质模型；王李管等人（2006）利用TIN建立了某矿的地形表面模型、主要岩层模型和矿体模型；屈红刚等（2006，2007）利用网格细分技术和剖面中空间要素之间的拓扑关系，提出生成三维地质模型的方法；文学东等（2007）以三棱柱作为基本体元进行建模，解决了工程实践中的一些实际问题；朱良峰等（2007）提出了线框架模型,并基于该数据模型构建了三维断层结构模型；范孝锋等（2007）利用GOCAD软件，最终建立网格／实体模型形式的水电工程地质模型；汤华等（2007）基于Kriging插值解决了地下厂房工程中三维地质建模一些问题；陈国良等（2007）基于空间三角网切割算法TriCut,提出了单个块体的平面剖面生成算法, 实现了剖切、开挖等分析处理；慎国强，王玉梅（2008）建立三维多断层精细约束地质模型，在此基础上采用随机地震反演方法进行了多种地层参数反演；韩峻（2008）在参考国外主流地质建模软件的基础上，提出了一种基于格架网格模型的角点网格生成技术等等。

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、AutoCAD、迈达斯等) 以及数值模拟软件( 如ANSYS、FLAC3D、UGS等) 广泛应用于三维地质建模的研究中。

而且软件之间有了很好的兼容。

随着科技发展，工程地质向着综合集成化、数字化的方向发展。

三维地质建模是数字化的一个重要方面，它可以快速、适时地再现地质体的三维信息。

一个好的三维地质模型对工作决策、地质分析预测及提高制图效率有非常重要的意义，并为进一步的岩石力学分析打下基础。

目前，国内对三维地质建模做了很多研究。

但是在工程方向上，特别是在边坡方面的三维建模研究较少。

此次所讲的锦屏一级水电枢纽区边坡的三维建模是对这方面的一次成功的探索。

二、建模方法首先在AutoCAD中，通过三维建模的方法建立模型。

AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。

AutoCAD具有以下特点：强大的图形编辑功能；可以采用多种方式进行二次开发或用户定制；可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力；支持多种硬件设备。

AutoCAD三维建模比较灵活而且准确，速度快，软件本身可再次开发，提供了多种图形图像数据交换格式及相应命令。

在锦屏一级水电枢纽边坡建模中利用AutoCAD建模然后进行导出使用的。

复杂地质体是一种特殊且专业的图形对象，信息量极大。

由于地质体通常位于地表以下，地质工作者不可能直接全面地观察到地质对象的各种特征，而只能通过钻探、物探等手段获得地质对象的部分特征信息，并通过对这些信息的分析、解释来推断出整个地质对象的三维基本特征。

这种分析、解释和推断通常是在一系列二维剖面上进行的。

随着勘探工作的深入和资料的增多，对地质对象特征的认识会不断得到完善和提高。

目前，直接对地质对象的三维可视化模型进行交互式编辑比较困难，但在二维环境中可以很容易地进行地质剖面的可视化和交互式编辑。

因此，进行三维地质建模要求能够使用户在二维环境中对地质剖面进行交互式操作以达到表达、分析、解释、推断和修改的目的。

只要交互式地取得了地质对象的剖面特征，那么就可以设法将这些剖面连接起来，从而得到地质对象的三维特征。

因此，基于二维剖面进行交互式表达、分析、解释和推断是重建三维地质模型的一项基本要求和较好途径。

通常一个三维地质模型需要表达地形、地层、岩性、断层、结构面、风化线、地下水位线、覆盖层与基岩分界线等要素。

把各种要素按照其几何形态分为2类：(1) 面状要素，如地形、断层、结构面、风化线、地下水位线、覆盖层与基岩分界线等；(2) 体状要素，如地层、岩性等。

面状要素通常可抽象为一个三维表面，可用规则网格或不规则三角网格来描述；而体状要素通常可抽象为一个三维实体，用实体模型进行描述。

地质建模第一步是对地形平面的描绘。

通过对现场分散的点的高程的测量，点连成线来得到等高线。

或者直接得到地区的等高线地图。

把等高线绘制在AutoCAD中，对等高线进行平移来表现高程。

对点的测量越密集，高程得到的也越精细，所得到的地形平面也越准确。

但是一般来说，较大的工程的精细程度可以适当的放宽。

通常情况下，建模所需的地质资料主要有：钻孔数据，表面离散点数据和剖面图数据。

一般钻孔数据和表面离散点数据是以表格形式给出的，而剖面图是以AutoCAD格式给出的，这就要求在建模的过程中合理地运用这些资料。

在锦屏一级水电枢纽边坡建模中的高程之间相差5米。

通过对等高线放样来得到地形平面。

第二步是对地层和断层的表现。

在工程中要对地层、断层进行调查，通过对岩层进行钻孔得到底层的分布、地层的厚度、断层的分布等信息。

这时我们得到的只是钻孔数据，是一组离散点的数据。

在实际钻孔的记录过程中，地层、断层、结构面和其他信息是在各个钻孔分别编号的，这样很难判断各个钻孔中的摸一个地层或者断层是否属于同一个地层或断层，给建模带了很大困难。

这时要对数据进行预处理：对各个钻孔进行统一的编号，尽量保证同一地层或断层在各个钻孔中的编号是相同的；建立数据库；抽取出编号相同的地层或断层的数据点，未下一步建模做准备。

在建模过程中，方面根据统一编号建立三维模型，另一方面也可以根据建好的三维地质模型检验和修正统一编号。

对于断层和结构面仅通过钻孔资料控制是远远不够的，必须通过平面图和剖面图进行辅助控制。

为了利用工程地质平面图和剖面图含有的大量地质信息，需要对他们进行平移、旋转和缩放等几何变换，并给等高线赋予高程，使他们在三维空间内和钻孔数据配准，这样在建模是时候就可以利用各个剖面图中的地层边界线、断层边界线等对模型中的地层、断层进行控制。

在实际建模中，通过剖面图的辅助控制建立的三维地质模型比只用钻孔数据建立的三维地质模型具有更高的精度和可信度，而且剖面图对钻孔数据较少的区域具有很好的补充作用。

断层是最常见的地质现象之一，它破坏了地质体的连续性，改变了数据的原始分布格局。

因此，在存在断层的情况下，必须考虑断层对有关层状地质体的影响。

有关断层的数据来源有两个：钻孔数据，可作为点数据，通过插值形成层面以及某些断层的空间的变化；剖面图，可以确定断层面以及地层面的形态以及相关参数。

断层面的模拟是一个复杂的交互过程。

一般情况下，应利用不同剖面上的断层线来形成相应的面，因为同一条断层在不同剖面上的表现形式不同，有时不能确定哪条线应该属于哪一个断层，应根据已有的证据来进行合理的解释，并运用以上提到的技术，进行断层面的拟合，形成合理的断层面形态。

在较为简单的情况下，如断层较少，切断层面的数据丰富，可直接利用这些数据来进行拟合。

在有多条断层时，根据多条断层之间有无切割关系可分为2种情况：断层之间不存在切割关系，可用以上提到的方法对各条断层分别处理；断层之间存在切割关系，这就不能简单地按单条断层的方法处理。

断层之间的切割关系存在时间递进序列，实质上是一个优先级的问题，晚期形成的断层切割先期形成的断层，其优先级就高。