GOCAD在某桥基边坡三维地质建模中的应用研究

地质灾害与环境保护

JournalofGeologicalHazardsandEnvironmentPreservation

Vol.20,󰀁No.1March

2009

文章编号:󰀁1006-4362(2009)01-0060-06

GOCAD在某桥基边坡三维地质

建模中的应用研究

童亮,胡卸文,汪雪瑞

(西南交通大学土木工程学院,成都󰀁610031)

摘要:󰀁利用专业三维地质建模软件GOCAD(GeologicalObjectComputerAidedDesign),通过野外实

测离散的工程勘测数据拟合和插值,建立了该边坡(含地形、地层分界线等信息)的三维地质模型,把地质结构信息通过三维可视化具体体现,并且可以任意切割剖面加深对地质结构的认识。由于三维地质模型的建立,一方面为地质工程人员进一步分析研究桥基边坡稳定性及数值模拟分析计算提供一种新的手段和方法,另一方面为非地质工程人员对边坡三维地质结构直观认识均具重要工程实际意义。

关键词:󰀁GOCAD;三维地质模型;可视化中图分类号:󰀁P642󰀁󰀁文献标识码:󰀁A

󰀁󰀁在传统的工程地质分析方法中,工程地质资料的分析和解释一般局限于二维、静态的表达方式,它描述空间地质构造的起伏变化和直接性差,往往不能充分揭示其空间变化规律,难以使人们直接、完整、准确地理解和感受地下三维地质情况。当前,数学地质理论、计算机图形学、科学计算可视化技术(VisualizationInScienceComputer,VISC)的发展为利用工程地质勘察资料重建三维地质模型并把其应用到工程地质定性化评价中创造了条件。相比传统的信息显示方式,三维地质模型的显示更加直观、灵活、接受性强,便于从多角度观察某一区域的地质和构造,有利于发现以往依赖于二维图形难以获得的信息,因此地质三维建模及可视化已成为当前地质工程、岩土工程等领域的研究前沿和热点。

展,GOCAD软件正式发行,由于其强大的三维模型构建和分析功能,该软件被广泛应用于航天、环境等领域。并具有以下特点:

(1)GOCAD实现了通用地球模型所设想的功能

GOCAD软件采用了使用标准工业(数据)转换格式,能够直接导入各种专业软件数据进行处理,同时,GOCAD内置了多种地球科学分支学科的数据处理和分析功能,从而实现交叉学科团队统一协作,提供统一强大的三维可视化平台。通过GOCAD提供的流程自动化工具,使用者能够利用系统提供的向导,逐步实现地下构造的快速重建,而无需经过繁琐的软件和数据转换。

(2)全三维、全拓扑

与现有通用的GIS软件不同,GOCAD软件从数据结构、工作模式和功能设置都实现了真三维化,提供了非常全面的三维空间分析支持,同时,GO󰀁CAD采用了先进的三维空间场景渲染引擎,对复杂三维空间对象的渲染和显示效率远远高于一般三维模型软件。通过系统提供的虚拟现实接口,甚至能实现生成虚拟地质构造环境,增强使用者对数据的

1󰀁GOCAD三维地质建模软件特点

本文建模使用的地质建模软件为GOCAD(Ge󰀁ologicalObjectComputerAidedDesign),版本:2󰀂0󰀂8。作为石油、地质、物探、采矿等行业标准三维地学模型软件,自1989年法国NANCY大学J.L.Mallet教授的GOCAD研究计划提出,经历10年发

收稿日期:󰀁2008󰀁12󰀁15󰀁󰀁改回日期:󰀁2009󰀁01󰀁10

基金项目:󰀁国家科技支撑计划项目(2008BAG07B01);国家自然科学基金项目(40772175,40841025);西南交通大学研

究基金(2008󰀁A01)

第20卷󰀁第1期童亮、胡卸文、汪雪瑞:GOCAD在某桥基边坡三维地质建模中的应用研究

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁61󰀁󰀁

操作和控制能力,提高研究人员对地质构造的认识

水平。

GOCAD采用的三维矢量拓扑数据模型,从底层实现了对空间对象拓扑信息的存储和管理,并能够分析三维空间对象的拓扑关系,进行复杂曲面的交叉和切割等空间关系的计算。利用系统提供的整形工具,使用者能够对多种空间实体进行编辑操作,可以添加、修改、删除空间实体或实体子集,在编辑过程中,GOCAD能够实时重建或修改空间实体的拓扑关系。

GOCAD不仅支持空间对象的几何建模,还提高了属性建模的工具,使用者能够建立地质体或地下空间的地球物理、地球化学和地下流体等方面的专业模型。

(3)GOCAD使用的空间插值算法DSI(Dis󰀁creteSmoothInterpolation)

空间数据的内插是通用CAD和GIS软件的基本功能,但这两类软件使用的数据内插算法并不使用地质构造的数据内插。CAD系统的数据插值目标是建立光滑、漂亮的曲线或曲面,不考虑空间对象本身具有的属性特征,以及这些属性同空间几何形态之间的关联,但仅使用与二维空间对象的插值,无法满足三维空间的插值需求,同时GIS插值算法使用与连续表面的插值,对断裂等空间不连续现象的支持不足。

针对以上通过插值算法的不足,GOCAD软件开发了针对地质建模特点的插值算法,即离散光滑插值算法(DSI)。DSI类似于解微分方程的有限元方法,用一系列具有空间实体几何和物理特性、相互连接的空间坐标点来模拟地质体,已知节点的空间信息和属性信息被转化为线形约束,引入到模型生成的全过程,因为DSI插值适用于自然物体的模拟。

(4)具备良好的软硬件平台兼容性

GOCAD实现了平台的无关性,可稳定运行于32位或64位操作系统,在WindowsNT、UNIX和Linux环境中具有类似的拥护界面和相同的数据结构,使工作能够在PC或高端图形工作站等各种平台顺利进行。

(5)拥有强大的地质统计分析功能

地质统计学是以区域化变量理论为基础,以变异函数为主要工具,研究那些在空间分布上既有随机性又有结构性,或空间相关和依赖性的自然现象的科学。在GOCAD软件中提供了强大的地质统计分析模块:空间数据分析、克里金估计(Kriging)、

序贯高斯模拟等。

2󰀁GOCAD软件三维地质建模实例分

析

2.1󰀁研究区概述

本文以浙江舟山市与大陆连接工程中的孤岛-老虎山桥基边坡为原型(图1),地貌属孤立山丘,山峰海拔高程一般30m左右,山坡坡度一般变化较大,南侧山坡较缓,约25󰀂~30󰀂,其余部位边坡较陡,一般在45󰀂~60󰀂。除山体顶部有少量坡残积层,厚度一般小于0.5m,且植被发育,以松树、灌木及草本植物为主。四周边坡主要为裸露基岩,且近海边缘山体以强󰀁中风化为特点。

图1󰀁老虎山桥基边坡全景

Fig.1󰀁PanoramicviewoftheLaohubridgeslope

老虎山桥基部位岩性单一,均为上侏罗统九里坪组灰紫色、紫红色流纹斑岩,按风化程度将其分为三个级别,即强风化、中风化和微风化岩体,另外在山顶台区附近覆盖有第四系坡残积层(Q42.2󰀁三维地层结构模型的建模流程

el-dl

)。

三维地质建模软件GOCAD建立模型的方式主要为:根据钻孔分层的marker进行建立各个地层的面,对层面进行修改以满足实际情况,再用work󰀁flow指导建立研究区的三维地质模型由面成体,因此选用以下建模流程来进行(图2):2.3󰀁三维地质结构模型的建立

(1)地形面等高点的导入

通过DXF文件载入等高线(FILE Importob󰀁jects Autocad(DXFfiles)),curve󰀁9110、9120,由pointsetmode(点设置模式)生成等高点(图3)。

(2)各地层面的生成

!通过wizards(向导)生成地形面

在surfacecreation(创建面)中选择Fromdata62

地质灾害与环境保护2009年

(图6),然后通过Surfacemode new fromothers wellmarkers,来建立各地层面,如图7,最后在编辑菜单中fitgeometry几何适应操作。其原理就是以各个钻孔分层点作为控制点,形成Delaunay三角网格化的曲面,并利用GOCAD软件里的DSI插值算法优化各层初始曲面;在地层尖灭、缺失区域获得交线,然后用交线约束修改原尖灭、缺失地层曲面从

图2󰀁三维地质模型建模流程图

Fig.2󰀁Flowchartofthethree󰀁dimensionalgeological

modeling

而最终建立各地层的层面。离散光滑插值与常用的插值算法相似,插值后的曲面与控制点不完全吻合,插值曲面的部分区域并未完全通过控制点确定的空间位置。但DSI提供了弥补这种差异的方法,GO󰀁CAD能够将插值结果同控制点再次进行匹配,修正插值过程中存在的几何畸变,GOCAD称之为几何适应(Fitgeometry)。

GOCADWell5HEADER{name:WellSZK5}

WREF540578.4243327705.8928.85DPLN0

VRTX540578.4243327705.8926.35VRTX540578.4243327705.89-13.85MRKRdingdian100.3048NORM001

MRKRJ3ja110.10.3048NORM001

MRKRJ3ja212.50.3048NORM001

MRKRJ3ja3142.70.3048NORM001

MRKRdidian161.30.3048NORM001

ZONEzoneEldelq00.11ZONEzoneJ3ja10.12.51ZONEzoneJ3ja22.542.71ZONEzoneJ3ja342.761.31END

图3󰀁地形点数据分布图

Fig.3󰀁Distributingoftopographicalpoints

(withoutinternalborder)(通过资料(无内边界的)创建),点击createoutlinecurvefrompoints(利用点群创建外轮廓线)和optiamizeoutlinecurvetobetterfitpoints(优化外轮廓线使其更好的与点群相拟合),同时可以多次点击右侧的螺旋形按钮,多次优化;达到满意的效果后,如果需要保存生成out󰀁line就要在objects中进行重命名和保存。点击createsurface来生成面,hideconstraints用来隐藏不需要看到的限制(图4)。

图5󰀁5号钻孔的ASCII码文本文件Fig.5󰀁TheASCIItextfileofNo.5

图6󰀁钻孔分布图Fig.6󰀁Distributionofthedrills

图4󰀁地形面

Fig.4󰀁Topographicsurface

∀生成各个地层面

通过建立井的ASCII码文本文件来导入钻孔点数据(本研究区有12个孔)(图5表示的为5号钻孔的ASCII码文本文件),得到12个钻孔的分布图图7󰀁各地层初始生成图Fig.7󰀁Initialproducedimageofstrata

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󰀁󰀁#对各个地层面进行编辑修改

首先生成侧面,主要用来作为以后编辑切割其他地层一个界面。在camera(目标显示框)中仅显示等高面的outlinecurve(外轮廓线),surfacemode(面模式)-new(新建)-buildinforms(建造方法)-tube(管型),在expansion中键入所需要的值,如需要一个垂直的侧面则只修改Z值就可,同时选择twoway从正负两个方向在延伸,这种方法还可以生成封闭的面(closedsurface),选择sealends即可。这时将刚才生成的残坡积层、强风化岩层、中风化岩层和微风化岩层分别延伸surfacemode-bor󰀁der-expand-one,在弹出的对话框中键入所要延伸的值。选择切割掉不需要的部分,surfacemode-edit-cut-bysurfaces,现在将切割掉的不需要的部分移除。当上一步完成后同样在surfacemode下点击edit-part-remove。移除不需要的部分后的效果如图8。

图10󰀁研究区三维地质模型的网格形式

Fig.10󰀁Stratigraphicgridofthethree-dimensionalgeolog󰀁

icalmodelinginthestudyarea

建立地层网格模型的好处就在于方便导入到FLAC或ANYSYS等软件中进行应力、变形等分析。

(4)任意切剖面

根据建立的地层结构模型,来进行地层结构模型的验证。用Slicer切割、移动三维地质模型,可以看到中间地层的起伏变化!并且此Slicer(切片)可以切出任何位置任何角度,以原来剖面方位进行剖分,形成剖面图,使人对该堆积体有更加直观清晰的认识(图11)。

3󰀁三维地质模型的检验与其应用探讨

󰀁󰀁由图9可以发现,山顶台区附近覆盖有第四系坡残积层,以及在研究区的东南角依次出露有坡残积、全风化至弱风化岩体,这与实际情况吻合,不过受钻孔资料所限局部地区地层出露有所出入,针对这种情况可以通过模型反馈回来的信息及时发现已有勘察数据中的不足,通过及时修改或添加勘察资料(如增加钻孔、控制钻孔的深度、地质调查点等),不断提高模型精度,进而提高研究区的工程地质三维数据库的准确性和可靠性。

如前所述,在建立上述三维地质模型的基础上,通过任意切割剖面结合极限平衡分析法进行稳定性计算,同时还可以通过FLAC或ANYSY软件对堆积体边坡进行应力󰀁应变分析,因此其功能非常强大,适用性广。另外,此模型的建立,为非地质人员认识堆积体边坡地质结构特点,并对其利用开发均具有重要的指导价值。

图9󰀁由workflow法做出的三维地质模型

Fig.9󰀁Three󰀁dimensionalgeologicalmodelinggeneratedby

themethodofworkflow图8󰀁通过延伸,切割,删除不合理部分后得到的各层面

分布图

Fig.8󰀁Thedistributingchartgeneratedbyextending,

cuttinganddeletingtheunreasonable

(3)建立地层网络模型(SGRID模型)

使用workflow3D来建立地层网格模型,即三维地质体模型,并且对模型进行优化,删除不合理的部分(例如层面发生交错的部位),再加上周围海水和桥基、桥柱(如图9,其网格形式如图10)。

4󰀁结论

(1)本文利用专业三维地质建模软件GOCAD

(GeologicalObjectComputerAidedDesign),建立64

地质灾害与环境保护2009年

图11󰀁slicer切割模型示意图

Fig.11󰀁Thesketchmapofcuttingmodelingusedbyslicer

了研究区4个主层的层序󰀁构造三维地质模型,并借助其强大的真三维空间数据的处理功能解决了建模过程中地层的缺失、尖灭等问题,取得了研究区各地层的分布范围、厚度等参数。把野外工程勘察得到的空间分布不均匀、不连续、散乱的地质信息通过数学曲面插值和拟合与现代计算机图形学的方法变成可视的、连续的、形象直观的三维地质模型和图形图象。

(2)本文中建立的模型既可以采用图的方式来表现,来加深对工程地质环境的整体认识,又可以在软件中直接进行地质信息的查询,也可以以其他数据文件的形式输出,然后导入ANYSYS,FLAC(3D)等软件中进行数值模拟计算;还可方便的导入到其他地理信息系统软件(例如MAPGIS等软件)中进行下一步的工程地质分析评价工作,实用价值突出。

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󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁65󰀁󰀁

STUDYONAPPLICATIONOFTHREE󰀁DIMENSIONALMODELINGTOABRIDGESLOPEBYUSING

THESOFTWARENAMEDGOCAD

TONGLiang,HUXie󰀁wen,WangXue󰀁rui

(CollegeofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu󰀁610031,China)

Abstract:󰀁Thepapermakesuseoftheprofessionalthree󰀁dimensionalgeologicalmodelingsoftwarenamedGOCAD(GeologicalObjectComputerAidedDesign),andonthebaseofthedateoffield-surveyeditinterpolatesandsimulatesthelandform,geo󰀁logiclayers,thenbuildsupthethree󰀁dimensionalgeologicmodelingofonetalusslope.Meanwhileitshowsthegeologicalstructureofundergroundbythethree-dimensionalvisualizationandengineerscandiscretionarilyincisesectionstogetanin󰀁depthunderstandingofthegeologicalstructure.Throughthefoundationofthethree󰀁dimensionalmodeling,itprovidesakindofnewmethodforpersonnelengaginginthegeologicengineering,whichcanhelptheanalysisofthestabilityofatalusslopeandnumericalsimulation.Ontheotheritletpersonnelwhodonotengageinthegeologicengineeringhaveaintuitivefeelandrecognitiontothethree󰀁dimensionalgeologicalstructure.

Keywords:󰀁GOCAD;three󰀁dimensionalgeologicalmodeling;visualization

作者简介:󰀁童亮(1983-󰀁),男,西南交通大学在读硕士研究生,主要从事工程地质、环境地质方面的研究工作。