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水电工程多尺度三维地质建模及分析技术研究

张军强  
【摘要】:水电工程是一个庞大的系统工程,其实施过程中面临着从宏观到微观的一系列工程地质决策问题。利用各种工程勘察资料建立三维地质模型,直观描述复杂地质体和地质结构的空间特征,并在三维可视化环境中开展工程地质问题分析、工程地质条件评价,以及水电工程设计,是工程地质人员迫切期盼的工作方式。目前的水电工程三维地质建模,多数只关注工程尺度的地质构造的空间分布及相互关系,忽略了宏观的区域尺度和微观的露头尺度的地质信息的展示,不能满足后续专业(设计、施工、管理等)对地质结构状况的不同层次需求。另一方面,目前的水电工程三维地质模型,大多只是对构造-地层格架的数字化显示,只能支持地质专业人员对地质结构的定性分析,与后续各专业的地质分析模型脱节。这种情况导致花费了很大气力建设的三维地质模型,仅仅限于地质勘察专业的应用,不能推广到水电工程设计、施工、管理等专业领域,使得三维地质模型不仅利用效率较低而且实际价值也有限。针对上述问题,本论文开展了多尺度三维地质建模的原理和方法的研究,探索了直观地表达不同尺度的地质体和地质结构的空间特征及相互关系的方法,以及在不同的尺度层次上实现地质信息集成的途径,实现了三维地质模型的多层次细节展示,为水电工程地质问题的多层次目标决策提供了良好的数据基础。在此基础上,探索了三维地质模型和专业地质分析模型的耦合方法,力求满足水电工程设计、施工和管理等专业人员,基于三维地质模型开展多重应用和综合分析的需要。通过实践检验,证明这样做有利于水电工程勘察、设计、施工和管理等专业的协同,可以显著地提高工作效率,改变目前三维地质模型的利用率低和分析能力弱的状况,促进三维地质建模原理和方法的研究及其在水电工程各专业的应用。论文取得的主要研究成果总结如下:(1)以多尺度理论为指导,结合水电工程地质对象的特点和水电工程地质分析多层次的需求,提出了水电工程多尺度地质建模的概念。对水电工程地质建模中多尺度地质结构面进行了界定,进而将水电工程多尺度三维地质建模划分为区域尺度、工程尺度和露头尺度,归纳了各个尺度的地质对象及其特点,分析多尺度三维地质建模的难点和关键问题。(2)在分析和总结了目前各种数据模型的特点的基础上,结合水电工程地质对象的特点和地质分析的要求,设计了适用于水电工程多尺度三维地质建模的混合数据结构,及其主要几何元素的组织方式。这种混合数据结构模型以边界表示(Boundary Representation,B-Rep)模型为主,辅以不规则三角网(Triangulated Irregular Network,TIN)模型和线框模型。在进行三维地质建模时,B-Rep模型用于描述复杂的地质体曲面和组织地质曲面的拓扑关系,TIN模型用于构造精细曲面和复杂的地质体,线框模型用于构造形状相对规则的水工建筑物。(3)提出并论证了水电工程多尺度三维地质建模的方法体系和实现框架。其中包括基于区域平面地质图生成序列图切剖面的区域尺度三维地质建模方法、基于工程勘探剖面及人机交互方式的工程尺度三维建模方法、基于Monte-Carlo法的露头尺度的岩体结构面的三维网络模拟方法。文中针对区域尺度地质建模,讨论了标准平面地质图数据模型的建立方法和图切剖面自动生成算法;针对工程尺度的地质建模,讨论了地形、地层类对象、地层曲面、特殊地质对象(褶皱、断层、透镜体)和人工构筑物的建模方法;针对露头尺度的地质建模,讨论了结构面参数的确定和结构面三维网络模拟的实现方法等关键技术。在此基础上,探讨了多尺度三维地质模型的集成方法,实现了具有多层次细节特征的多尺度三维地质模型的构建,为基于三维地质模型开展多重应用和综合分析奠定了基础。(4)将基于三维地质模型的地质分析方法分为两大类:基础分析和专业分析。针对基础分析,研究了截面分析、标准勘探剖面图制作、挖刻分析和量算分析的原理和方法流程,设计了具体的实现算法;针对专业地质分析,研究了代码耦合、文件耦合和DDE或OLE耦合方式的优缺点,进而确定了三维地质模型和专业地质分析模型的耦合办法。然后以三维地质模型与数值模拟软件FLAC3D的耦合为例,探讨了可视化三维地质模型向可计算网格模型转化的方法,实现了基于三维地质模型的数值模拟。这种转化,为基于三维地质模型开展综合分析,提供了一种新的途径。(5)以QuantyView为开发平台,设计了水电工程多尺度三维地质建模与分析模块,开发了区域尺度、工程尺度和露头尺度的三维地质建模功能;以及基于三维地质模型进行基础分析的功能、可视化三维地质模型向可计算网格模型转化的功能。在对各个功能进行了测试和集成之后,以某水电站的三维地质建模与分析为例进行了验证。结果表明,采用本文的方法可以实现水电工程的多尺度三维地质建模,而且基于所建立的三维地质模型,可以开展地质综合分析。本论文的创新点在于:(1)设计了适用于水电工程多尺度三维地质建模的混合数据模型。这种混合数据模型以B-Rep模型为主、辅以TIN模型和线框模型。其中,B-Rep数据模型用来拟合复杂的地质曲面并组织其拓扑关系,TIN模型用来构造精细曲面和复杂的地质体,线框模型用来构造形状相对规则的水工建筑物。(2)提出了水电工程多尺度三维地质建模的方法体系和实现框架。包括基于区域平面地质图生成序列图切剖面的区域尺度三维地质建模方法、基于工程勘探剖面及人机交互方式的工程尺度三维地质建模方法、基于Monte-Carlo法的露头尺度的岩体结构面的三维网络模拟方法以及多尺度模型的集成方法,实现了具有多层次细节的三维地质模型的构建。(3)结合水电工程地质分析多层次目标的特点,采用基于文件的水电工程三维地质建模软件和专业地质分析软件的耦合方式,开展了基于三维地质模型的综合分析途径和方法的研究。初步实现了地质勘察专业和水工、机电设计专业之间的协同工作,提高了水电工程三维设计的合理性和准确性。


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