基于三維高密度電法的地質(zhì)BIM模型應(yīng)用研究

　　摘要 地質(zhì)體三維可視化 BIM(Building Information Model)技術(shù)具有直觀呈現(xiàn)地質(zhì)體的三維賦存情況、實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的空間計(jì)算與分析等眾多功能，為工程設(shè)計(jì)和施工提供可視化的基礎(chǔ)操作平臺(tái)。目前，地質(zhì) BIM 模型的構(gòu)建主要依賴大量鉆孔資料和地質(zhì)測(cè)繪成果。而由這些點(diǎn)狀信息構(gòu)建的三維地質(zhì)模型易出現(xiàn)孔間盲區(qū)，且大量鉆孔費(fèi)時(shí)費(fèi)力、破壞三維地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，難以滿足精細(xì)化、快捷、無(wú)損的地質(zhì)建模需求。針對(duì)此問(wèn)題，本文以豫北某擬建水庫(kù)大壩工程為依托，利用三維高密度電法對(duì)壩址區(qū)左岸雜填土進(jìn)行探測(cè)，物探解譯成果結(jié)合少量鉆孔資料快速精確構(gòu)建工區(qū)地質(zhì)模型。在此基礎(chǔ)上，將大壩輸水洞設(shè)計(jì)參數(shù)引入模型，直觀展示沿洞線地質(zhì)體與輸水洞的空間關(guān)系。通過(guò)該方法計(jì)算施工開挖土方量比傳統(tǒng)地質(zhì)斷面法多 6000m3，系孔間盲區(qū)基巖面下降形成基巖凹槽所致。研究表明，三維高密度電法成果結(jié)合少量鉆孔資料可快速實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì) BIM 精細(xì)化建模，為工程后期預(yù)算、施工地質(zhì)預(yù)報(bào)以及構(gòu)筑物優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠地質(zhì)依據(jù)，也為精細(xì)三維地質(zhì) BIM 建模提供了一種新思路。

　　本文源自朱瑞; 閆汝華; 任云峰; 劉海心; 潘紀(jì)順; 張連忠; 郭福鐘， 地球物理學(xué)進(jìn)展 發(fā)表時(shí)間：2021-05-31《地球物理學(xué)進(jìn)展》(雙月刊)1986年創(chuàng)刊，本刊是中國(guó)科學(xué)院主管，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所和中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)共同主辦的地球物理學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的綜合性學(xué)術(shù)刊物，國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行。主要報(bào)道國(guó)內(nèi)外地球物理學(xué)研究的新進(jìn)展和成果，探討地球物理學(xué)的發(fā)展戰(zhàn)略，評(píng)價(jià)地球物理學(xué)科的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞 地質(zhì) BIM;三維高密度電法;精細(xì)地質(zhì)模型;模型應(yīng)用

　　0 引言

　　山區(qū)水庫(kù)大壩多修建在特殊的“V”字型峽谷區(qū)。水庫(kù)壩址區(qū)雖然相對(duì)較小，但水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工對(duì)壩址區(qū)地質(zhì)體信息精度要求較高。壩址區(qū)地質(zhì)體信息既包括地層、地質(zhì)構(gòu)造等幾何信息，也包括巖土體物理力學(xué)特性、水文地質(zhì)條件等屬性信息(趙攀等，2007)。長(zhǎng)期以來(lái)，地質(zhì)調(diào)查大多基于地質(zhì)測(cè)繪并結(jié)合單點(diǎn)鉆孔數(shù)據(jù)和二維物探剖面數(shù)據(jù)，推測(cè)工區(qū)地質(zhì)發(fā)育情況，難以形象直觀地呈現(xiàn)三維地質(zhì)體特征，給后續(xù)水工設(shè)計(jì)、施工工作帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，三維地質(zhì)可視化技術(shù)飛速發(fā)展，地質(zhì) BIM 技術(shù)以其強(qiáng)大的空間表現(xiàn)和分析能力被業(yè)內(nèi)人士大量運(yùn)用。但在實(shí)際項(xiàng)目中，地質(zhì)建模過(guò)分依賴單點(diǎn)的鉆孔信息，使得構(gòu)建的三維模型精度強(qiáng)烈受制于鉆孔的數(shù)量、孔深等信息;當(dāng)鉆孔數(shù)量不多，孔深不夠大時(shí)，容易出現(xiàn)孔間盲區(qū)等情況，使模型的構(gòu)建受到限制，無(wú)法達(dá)到精細(xì)建模的目的，從而對(duì)模型空間分析造成誤差(王亞軍等，2014)。因此，研究建立精細(xì)三維地質(zhì)模型顯得十分必要。

　　在基于物探數(shù)據(jù)構(gòu)建精細(xì)地質(zhì)模型方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量研究工作，孔志召(2013)用 AMT (Audio Magnetotelluric)法、地面高精度磁法和釙-210 法等綜合物化探方法，獲取了豐富的物化探成果，構(gòu)建了桂北地區(qū)的三維地質(zhì)模型，但并未進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，模型精度無(wú)法考證;王亞軍等(2014)利用新疆哈密盆地豐富的瞬變電磁資料建立了帶有鉆孔約束的三維地質(zhì)模型，由于瞬變電磁成果為二維剖面，測(cè)線間距較大，形成較多的線間盲區(qū)，無(wú)法對(duì)模型實(shí)施空間分析和模擬計(jì)算;毛先成等(2020)融合地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等多種數(shù)據(jù)信息，采用多源數(shù)據(jù)耦合處理的方法，構(gòu)建了膠西北金礦區(qū)深部成礦三維地質(zhì)模型，通過(guò)模型分析圈定了 12 個(gè)靶區(qū)，對(duì)深部找礦具有一定意義。盡管在精細(xì)三維地質(zhì)模型構(gòu)建方面已有大量的研究，但多局限于利用常規(guī)二維物探成果結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)模型，難以呈現(xiàn)天然狀態(tài)下復(fù)雜的三維地質(zhì)體結(jié)構(gòu)(楊偉等，2016)。

　　構(gòu)建精細(xì)三維地質(zhì)模型可從以下幾個(gè)方面切入研究：(1)借助物探技術(shù)解決孔間盲區(qū)問(wèn)題;(2)利用鉆孔信息對(duì)物探成果進(jìn)行約束解譯;(3)將物探成果直接應(yīng)用于地質(zhì)建模。運(yùn)用三維物探技術(shù)建立帶有鉆孔約束的三維地質(zhì)模型是理想的解決精細(xì)三維地質(zhì)模型的辦法，但現(xiàn)階段三維物探成果結(jié)合鉆孔約束應(yīng)用于地質(zhì)建模的相關(guān)研究成果仍然較少。三維物探技術(shù)以三維地震和三維高密度電法為主，前者施工繁瑣，效率低，成本高，主要應(yīng)用于石油和礦產(chǎn)地球物理領(lǐng)域，而三維高密度電法作為一種快捷、高效、無(wú)損的三維地質(zhì)勘探手段，近年來(lái)被逐漸應(yīng)用在工程勘察中(李顏貴等， 2009)。

　　三維高密度電法，即三維電阻率層析成像技術(shù)(3D Electrical Resistivity Tomography，簡(jiǎn)稱 ERT)。通過(guò)采集海量電阻率數(shù)據(jù)，三維反演成圖，最終展現(xiàn)全空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)(王齊仁，2005;程久龍等，2000;韓德品等，2010)。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于三維高密度電法的應(yīng)用已經(jīng)開展了許多卓有成效的研究。黃真萍等(2014;2015)通過(guò)數(shù)值模擬分析了三維高密度電法的分辨率以及對(duì)異常體的響應(yīng)特征;李顏貴等(2009)，高衛(wèi)富等(2011)，施龍青等(2013)，高陽(yáng)等(2017)，蘇永軍等(2018)，朱瑞等(2019)針對(duì)不同地質(zhì)條件探索了三維高密度電法的有效性，并通過(guò)三維可視化技術(shù)直觀再現(xiàn)了地質(zhì)體的空間結(jié)構(gòu)，認(rèn)為三維高密度電法具有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣應(yīng)用價(jià)值。但上述研究?jī)H僅局限于三維高密度電法的應(yīng)用，并沒有將三維高密度電法解譯成果與地質(zhì) BIM 技術(shù)相結(jié)合，因此，可借助三維高密度電法解決孔間盲區(qū)問(wèn)題，并利用鉆孔數(shù)據(jù)對(duì)三維高密度電法進(jìn)行約束解譯，借助地質(zhì) BIM 技術(shù)構(gòu)建可供空間分析與模擬計(jì)算的帶有鉆孔約束的精細(xì)三維地質(zhì)模型，同時(shí)進(jìn)行精細(xì)三維地質(zhì)建模應(yīng)用。

　　基于此，本文以豫北太行山區(qū)某擬建水庫(kù)工程為例，針對(duì)壩址區(qū)左岸雜填土，運(yùn)用三維高密度電法結(jié)合少量鉆孔約束信息構(gòu)建壩址區(qū)精細(xì)三維地質(zhì)模型，然后將輸水洞參數(shù)加入模型中，通過(guò)模型計(jì)算輸水洞建設(shè)過(guò)程中需開挖土方量，與傳統(tǒng)地質(zhì)斷面法進(jìn)行對(duì)比。該方法獲得了良好的精度，為后續(xù)設(shè)計(jì)、施工提供了精確的數(shù)據(jù);同時(shí)，該方法也為精細(xì)三維地質(zhì)建模提供了新的思路，將極大地促進(jìn)該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

　　1 技術(shù)原理

　　1.1 三維高密電法基本原理

　　三維高密度電法是在二維高密度電法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種基于周圍巖土體與探測(cè)目標(biāo)之間電阻率差異的電探方法(李金銘，2005)。與常規(guī)二維高密度電法不同，三維高密度電法通過(guò)“S”形(圖 1)陣列式電極布設(shè)方式，觀測(cè)在人工電流場(chǎng)作用下地質(zhì)體的三維電性響應(yīng)特征，獲取探測(cè)范圍內(nèi)地下全空間任意方向的地電信息，并利用反演軟件和三維可視化技術(shù)進(jìn)行三維呈圖，直觀再現(xiàn)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

　　在實(shí)際工程中，地質(zhì)體往往呈現(xiàn)空間形態(tài)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為典型的三維各向異性特征，是三維空間地電體。尤其是淺表地層，人類活動(dòng)對(duì)地形地貌影響較大，甚至破壞了地質(zhì)體的天然狀態(tài)使其更具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。空間地質(zhì)體的電阻率可以表示成關(guān)于空間坐標(biāo) ( x y z , , ) 的函數(shù)，即? = ( x y z , , ) 。為簡(jiǎn)化地電模型，在理想狀態(tài)下，假設(shè)在無(wú)限半空間的地下電阻率呈現(xiàn)各向同性分布，在地表觀測(cè)的電位值 U 可表示為(Dey A 等，1979)

　　此外，對(duì)于地面的一個(gè)點(diǎn)電流源球形電場(chǎng)，其邊界條件如下：①在地面邊界 L1 上，電流沿地表流過(guò)，因此其電位 U = 0 ;②在其他邊界 L2 上，電位 U 為正常場(chǎng)值。

　　1.2 地質(zhì) BIM 建模原理

　　采用 GeoModeler 作為精細(xì)三維地質(zhì)模型構(gòu)建的地質(zhì) BIM 技術(shù)。該軟件采用離散數(shù)學(xué)的地質(zhì)建模理論(DSI 插值)，實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜地質(zhì)體快速建模;同時(shí)，采用基于空間離散性拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和圖形、數(shù)據(jù)一體化的構(gòu)架技術(shù)，構(gòu)建出帶有屬性信息的地質(zhì)三維模型。可以非常便捷地實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型提交展示、三維剖切實(shí)體填充顯示、土石方量計(jì)算，滿足巖土工程設(shè)計(jì)、分析、模擬及施工階段模型要求。

　　由于自然地質(zhì)體復(fù)雜多變，地質(zhì)體建模需要基于離散數(shù)學(xué)理論，為此，GeoModeler 選擇了離散光滑插值(DSI)理論進(jìn)行建模和數(shù)據(jù)處理。DSI(Discrete Smooth Intepolation)離散點(diǎn)光滑插值理論是上世紀(jì) 90 年代法國(guó)科學(xué)家 Mallet 提出的一種基于全局能量最優(yōu)化迭代算法，并最終形成了一套針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體建模和分析的理論(Mallet J L，2002;Mallet J L，1989;Mallet J L，1992)。假設(shè)地質(zhì)界面為離散化的不連續(xù)界面，以地質(zhì)鉆孔和地質(zhì)調(diào)繪成果等為約束條件，通過(guò)求解全局粗糙度函數(shù)的最優(yōu)解，得到滿足約束條件的最優(yōu)化地質(zhì)界面。

　　設(shè) ( , , , ) n M N C ? ?表示三維地質(zhì)離散模型，其中，?是模型中的所有節(jié)點(diǎn)，N 是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的領(lǐng)域點(diǎn)集，?是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 n 階適量屬性函數(shù)， C 為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的約束。定義函數(shù)： * R R ( ) ( ) * * ( ) ? ? ? ? ? = + ?(5)其中 R( ) ?為全局粗糙度函數(shù)，? ?( ) 為全局約束違反度函數(shù)，?是約束因子，?為平衡因子。 DSI 求解?實(shí)際就是使函數(shù) * R ( ) ?為最小，即 * ( ) 0 R ??? = ?。因此得到(Mallet J L，1989)： ( | ) ( . ). ( | ) ( ) ( ) ( . ). ( ) v v v v v G g ? ? ? ? ?? ?? ? ? + ? ? = − + ? ?(6)

　　其中 ( ) v A c ?為約束系數(shù)。根據(jù)實(shí)際約束情況可以得到不同條件下的約束系數(shù)，進(jìn)而通過(guò)上述公式迭代求解最優(yōu)化的?值，最終擬合得到符合約束條件的幾何模型。由于 DSI 方法考慮了節(jié)點(diǎn)與鄰域節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，因此可以比較好地?cái)M合非連續(xù)性幾何模型(如地質(zhì)上的斷層上下兩盤)，另外 DSI 可以根據(jù)實(shí)際情況的約束條件擬合非常復(fù)雜的模型，因此特別適合復(fù)雜的三維地質(zhì)建模。

　　2 應(yīng)用實(shí)例

　　2.1 研究區(qū)概況

　　擬建水庫(kù)地處豫北太行山區(qū)，是以生態(tài)環(huán)境用水為主，兼顧城市防洪要求的小Ⅰ型水庫(kù)工程。水庫(kù)控制流域面積 24.8km2，規(guī)劃總庫(kù)容 143.0 萬(wàn) m3，興利庫(kù)容 59.6 萬(wàn) m3。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂寬 6m，高程 186.70m，最大壩高 24.8m，壩頂總長(zhǎng) 210.6m。壩下設(shè)輸水洞，用于河道基流和補(bǔ)充城市生態(tài)景觀用水。

　　研究區(qū)河谷近南北走向，河谷呈較窄的“V”型，兩岸支溝不發(fā)育，河谷兩岸均為低山山體。河道右岸分布有Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地，Ⅰ級(jí)階地為卵石混合土單一結(jié)構(gòu);Ⅱ級(jí)階地具有上黃土狀土下卵石混合土的雙層結(jié)構(gòu)。河道左岸為沖蝕岸，現(xiàn)已被建筑垃圾和生活垃圾所填，寬約 20m~40m，據(jù)鉆孔揭露填土厚度為 11m~27m，變化較大。

　　據(jù)地質(zhì)測(cè)繪和鉆探揭示，壩址區(qū)地層主要為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組( 2 Os3 )，灰黃色或淺灰色角礫狀灰質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖，黃灰、淺灰色中厚層白云質(zhì)灰?guī)r夾巨厚層淺灰色角礫狀灰?guī)r、花斑狀灰?guī)r，深灰色、灰黑色中厚—巨厚層灰?guī)r，淺灰色、灰黃色中薄層灰質(zhì)白云巖夾厚層灰?guī)r，灰色厚層夾薄層灰質(zhì)白云巖;石炭系中統(tǒng)本溪組( Cb2 )，褐灰、紫灰色菱鐵質(zhì)水云母粘土巖;第四系上更新統(tǒng)( Q3 )，主要分布于右岸Ⅱ級(jí)階地，上部為褐黃色重粉質(zhì)壤土下部為卵石混合土，具有典型的雙層結(jié)構(gòu)，厚約 14m;全新統(tǒng)沖洪積層( Q alp 4 )，分布于兩岸Ⅰ級(jí)階地、漫灘和河床部位，Ⅰ級(jí)階地和漫灘具有二元結(jié)構(gòu)，上部為重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土，厚約 2m~5m，下部為卵石混合土，泥砂質(zhì)膠結(jié)，厚約 10m;人工堆積土( Qs )，在壩址區(qū)左側(cè)岸坡上，堆積有大量碎石土、建筑垃圾和生活垃圾(圖 2)，主要成份為腐植質(zhì)、生活垃圾、建筑垃圾等，成分混雜，架空現(xiàn)象較多，力學(xué)性質(zhì)較差，堆填方量不明，給壩下輸水洞建設(shè)造成諸多不利因素。

　　2.2 地球物理特征及探測(cè)方案布置

　　工區(qū)覆蓋層主要為重粉質(zhì)壤土、碎石土、建筑垃圾和生活垃圾，基巖主要為灰?guī)r。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，覆蓋層視電阻率一般為 30Ω?m~100Ω?m，灰?guī)r視電阻率一般為 800Ω?m~2000Ω?m。灰?guī)r屬硬質(zhì)巖，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，地表出露多為強(qiáng)風(fēng)化或弱風(fēng)化，覆蓋層和灰?guī)r之間存在較明顯的電性差異，為開展電法工作提供了良好的前提條件。

　　在前期勘察期間雖然進(jìn)行了鉆探，但鉆孔數(shù)量有限，無(wú)法準(zhǔn)確查明壩址區(qū)左岸填土方量以及下部基巖面空間展布情況，不能給左岸輸水洞設(shè)計(jì)方案提供更加準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)依據(jù)。基于此，在壩址區(qū)左岸典型地區(qū)開展三維高密度電法探測(cè)試驗(yàn)，探測(cè)區(qū)網(wǎng)度為 20m×200m，面積 4000m2。儀器采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的 DZD-8 型分布式超級(jí)高密度電法儀，由于電極數(shù)量有限，在滿足探測(cè)目標(biāo)深度的前提下，采取連續(xù)滾動(dòng)的作業(yè)方式，兩次采集完成，單次布設(shè) 100 個(gè)電極，順河向?yàn)?X 方向，垂直河道方向?yàn)?Y 方向，電極距和線距均為 5m，測(cè)線呈“S”形布置，測(cè)線總長(zhǎng) 1000m(圖 3)。采用二極全測(cè)裝置進(jìn)行全空間數(shù)據(jù)采集，同時(shí)將電極 B、N 置于無(wú)窮遠(yuǎn)處，兩次共采集視電阻率數(shù)據(jù) 9900 個(gè)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理拼接，迭代反演，渲染呈圖，最終得到三維成果。

　　2.3 數(shù)據(jù)處理與解譯

　　在壩址區(qū)左側(cè)岸坡布設(shè)三維高密度電法測(cè)線，兩次采集完成。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理拼接，異常值剔除，導(dǎo)入 Res3Dinv 軟件進(jìn)行迭代反演，根據(jù)迭代誤差變化取第四次反演結(jié)果作為最終成果，將反演成果導(dǎo)入 Voxler 軟件進(jìn)行三維呈圖，并根據(jù)鉆孔先驗(yàn)信息調(diào)整呈圖色標(biāo)使呈圖效果更接近真實(shí)地質(zhì)情況(圖 4)。為了更加直觀的了解數(shù)據(jù)體內(nèi)部地質(zhì)形態(tài)，沿不同方向切片，并通過(guò)三維透視技術(shù)展示地質(zhì)三維透視圖、調(diào)整顯示設(shè)置值揭露基巖等值面(圖 5)。

　　圖 4 以三維數(shù)據(jù)體的形式展示了三維高密電法反演成果，可以看出，反演結(jié)果電阻率等值線整體平穩(wěn)連續(xù)，部分地區(qū)略有起伏，符合研究區(qū)地形、地貌和地層發(fā)育規(guī)律。電阻率數(shù)據(jù)體整體可分為兩層，上部電阻率值普遍小于 370Ω?m(對(duì)數(shù)值 2.568)，局部小于 100Ω?m，呈現(xiàn)非連續(xù)低阻團(tuán)，推測(cè)為人工雜填土，厚度普遍在 11m~17m，局部變化較大，最深處達(dá) 28m，與鉆探揭露填土厚度基本一致。沿 Y 軸正向填土逐漸變薄至 2m，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線逐漸靠近左岸山體的實(shí)際情況相吻合。在高程 170m 附近發(fā)育電阻率突變界面，等值面值為 370Ω?m，推測(cè)為基覆界面，界面下部電阻率值均大于 370Ω?m，隨著深度增加電阻率值逐漸增大，與該區(qū)地層發(fā)育規(guī)律一致，無(wú)明顯低阻異常區(qū)，推測(cè)下部基巖整體質(zhì)量較好，無(wú)不良地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。

　　圖 5(a)、(b)分別沿 X 向和 Z 向?qū)?shù)據(jù)體進(jìn)行等距切片，(a)圖中沿 X 正向基巖面由淺變深，內(nèi)部切片顯示電阻率值依然呈現(xiàn)上下分層的典型特征。(b)圖沿 Z 方向水平切片，高程 172m 處內(nèi)部切片顯示沿水平方向電阻率值呈現(xiàn)間歇性跳變特征，表明地層具有橫向不均勻性。

　　圖 5(c)、(d)通過(guò)三維透視處理，并結(jié)合鉆孔先驗(yàn)信息，確定 370Ω?m 電阻率等值面為基巖面，直觀再現(xiàn)了基巖面的空間發(fā)育形態(tài)。圖(d)中，沿 X 軸方向樁號(hào) 70m~200m，基巖面整體較平坦，主要分布在高程 164m ~170m，與鉆孔揭露深度基本一致。樁號(hào) 0m~70m，基巖面起伏較大，主要分布在高程 156m ~188m，沿大樁號(hào)方向逐漸加深。同時(shí)，該段沿 Y 軸反方向，基巖面突然上升，推測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線逐漸靠近左岸山體有關(guān)。其中，樁號(hào) 30m~50m 發(fā)育基巖凹槽，最大落差達(dá) 32m，與鉆孔 CRZK22 揭露地層一致。

　　三維高密度電法結(jié)合少量鉆孔約束有效揭露了測(cè)區(qū)基巖面的空間發(fā)育形態(tài)，說(shuō)明該方法對(duì)硬巖區(qū)覆蓋層探測(cè)具有較強(qiáng)的實(shí)用性。為進(jìn)一步發(fā)揮三維高密度電法在地質(zhì)建模中的作用，借用其解譯成果與水工設(shè)計(jì)融合，通過(guò)模型空間分析計(jì)算，進(jìn)而探索新的建模思路顯得十分必要。

　　2.4 地質(zhì) BIM 模型構(gòu)建

　　2.4.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

　　地質(zhì)數(shù)據(jù)是建模的基礎(chǔ)，對(duì)壩址區(qū)數(shù)據(jù)的收集，包含鉆孔柱狀圖、地質(zhì)剖面圖、地質(zhì)平面圖和壩址區(qū)地形圖等圖件，也包含地質(zhì)報(bào)告、野外地質(zhì)測(cè)繪、測(cè)試數(shù)據(jù)、三維高密度電法反演成果等。這些數(shù)據(jù)要按照規(guī)范提煉整理并錄入 GeoModeler 軟件后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，用于建模的鉆孔數(shù)據(jù)應(yīng)包含鉆孔深度、編號(hào)、地層巖性、縱橫坐標(biāo)和孔口高程等屬性信息。

　　2.4.2 生成空間三維層面

　　首先調(diào)用工區(qū)地形圖，提取圖中高程點(diǎn)和等高線，采用離散光滑插值 DSI 算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，進(jìn)行連續(xù)差值計(jì)算，直至連續(xù)兩次擬合曲面收斂時(shí)停止。根據(jù)各鉆孔坐標(biāo)和孔口高程將鉆孔展示在三維空間中，并賦予鉆孔地層信息(圖 6)。首先以鉆孔信息為約束，擬合生成壩址區(qū)標(biāo)志地層，再以標(biāo)志層和地面層為約束面，根據(jù)鉆孔信息相繼生成其他非連續(xù)地層，最后，根據(jù)鉆孔信息和標(biāo)志層對(duì)交叉地層進(jìn)行裁剪校正，通過(guò)裁剪算法，將交切的三角網(wǎng)格沿交線上內(nèi)插節(jié)點(diǎn)，對(duì)交切位置兩側(cè)附近的地質(zhì)面網(wǎng)格重新三角化，從而將穿插的地質(zhì)面部分裁剪分離，實(shí)現(xiàn)地層尖滅、以及地質(zhì)單元?jiǎng)澐郑罱K形成壩址區(qū)初步地質(zhì)模型(圖 7)。

　　將三維高密度電法海量反演數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中(圖 8a)，根據(jù)前期解譯成果，通過(guò)插值擬合創(chuàng)建 370Ω?m 等值面代表基巖面(圖 8b)，以鉆孔信息為約束對(duì)等值面進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，修正模型，使等值面精確通過(guò)鉆孔勘探界面位置，確保勘探點(diǎn)部位 100%精度，創(chuàng)建基巖面初始模型(圖 8c)。

　　將物探地質(zhì)初始模型(圖 8c)與地質(zhì)模型(圖 7)同步展示在模型空間中，對(duì)相互穿插的地質(zhì)界面和物探解譯基巖面進(jìn)行修剪，確保各個(gè)界面合理分布(圖 9)。經(jīng)過(guò)地質(zhì)交切修剪生成空間地質(zhì)模型。

　　2.4.3 空間地質(zhì)實(shí)體表達(dá)

　　基于制造和建筑業(yè)的三維技術(shù)研究認(rèn)為，形成完全封閉的空間曲面具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。不同于結(jié)構(gòu)三維平臺(tái)采用確定性函數(shù)來(lái)模擬對(duì)象輪廓形態(tài)，可以通過(guò)精確計(jì)算獲得面—面相交時(shí)的交點(diǎn)位置，達(dá)到完全封閉的交切效果。

　　地質(zhì)界面采用插值方法模擬，面與面切割實(shí)際通過(guò)離散網(wǎng)格之間的相交運(yùn)算獲得，除了非常簡(jiǎn)單或人工簡(jiǎn)化處理的情形，很難實(shí)現(xiàn)完全封閉，成為三維地質(zhì)模型應(yīng)用過(guò)程中的世界難題之一。

　　實(shí)體模型是一系列三角網(wǎng)圍合成閉合空間的集合，每個(gè)三角網(wǎng)頂點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的線段稱為弧段。在已有地層面的基礎(chǔ)之上，對(duì)模型進(jìn)行封裝處理，各地質(zhì)體在封裝時(shí)，自動(dòng)識(shí)別上下層底曲面，以此為約束面進(jìn)行自動(dòng)封裝。尖滅地層在自動(dòng)封裝時(shí)會(huì)出現(xiàn) 0 厚度層，需要進(jìn)行特殊處理，確保尖滅地層分布合理，最終效果如圖 10。

　　2.5 模型應(yīng)用

　　為準(zhǔn)確計(jì)算壩址區(qū)左岸三維高密度電法探測(cè)區(qū)域雜填土開挖方量，對(duì)地質(zhì) BIM 模型進(jìn)行空間計(jì)算分析，并與地質(zhì)斷面法進(jìn)行對(duì)比。將輸水洞參數(shù)導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)庫(kù)中，生成輸水洞空間實(shí)體模型，展示輸水洞沿線穿越地層特征(圖 11)。將三維高密度電法探測(cè)區(qū)域與輸水洞模型進(jìn)行單獨(dú)分析，發(fā)現(xiàn)輸水洞底基本在基巖面上，但在鉆孔 CRZK20-CRZK21 之間，發(fā)育基巖凹槽，致使輸水洞底坐落在雜填土上，需對(duì)地基進(jìn)行處理。

　　根據(jù)水工設(shè)計(jì)方案要求，基巖面以上雜填土要進(jìn)行挖除，通過(guò)明挖埋管，最終完成建設(shè)目標(biāo)。由傳統(tǒng)地質(zhì)斷面法計(jì)算開挖方量為 60000m3，而通過(guò)地質(zhì) BIM 模型計(jì)算求得開挖方量為 66007m3，二者相差 6007m3，詳見表 1。對(duì)比發(fā)現(xiàn)二者計(jì)算結(jié)果存在較大偏差，為了查明原因，將鉆孔置于 BIM 模型中(圖 11)，并在模型中沿鉆孔進(jìn)行二維剖切，如圖 12 所示，剖面圖中三維高密度電法解譯基巖面與鉆探成果基本吻合，再次驗(yàn)證了該方法的有效性。在輸水洞地質(zhì)縱剖面圖 1-1′中 CRZK20- CRZK21 之間發(fā)育基巖凹槽，但由于鉆孔間距限制，導(dǎo)致孔間盲區(qū)。雖然在剖面圖 2-2′中鉆孔 CRZK22 顯示基巖面加深，但僅是一孔之見，仍然對(duì)雜填土方量計(jì)算造成較大誤差。

　　三維高密度電法有效改善了傳統(tǒng)鉆探一孔之見，孔間盲區(qū)等弊端，其解譯成果結(jié)合少量鉆孔實(shí)現(xiàn)了工區(qū)精細(xì)化建模，提高了模型精度，為模型空間分析計(jì)算，工程預(yù)算，施工地質(zhì)預(yù)報(bào)以及構(gòu)筑物優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠地質(zhì)依據(jù)。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　1、三維高密度電法應(yīng)用于擬建水庫(kù)壩址區(qū)勘察，通過(guò)反演分析，獲得了三維地電信息數(shù)據(jù)體。該三維方法避免了出現(xiàn)空間盲區(qū)問(wèn)題。后期，結(jié)合少量鉆孔約束，查明了雜填土的空間分布情況，揭露了下部基巖面的空間發(fā)育特征。

　　2、融合三維高密度電法成果構(gòu)建地質(zhì) BIM 模型，將三維高密度電法解譯成果直接應(yīng)用于地質(zhì) BIM 模型，快速實(shí)現(xiàn)精細(xì)三維地質(zhì)模型構(gòu)建，顯著提高了模型精度，非常便捷地實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型提交展示、三維剖切實(shí)體填充顯示、土石方量計(jì)算。

　　3、將三維高密度電法解譯成果直接應(yīng)用于精細(xì)三維地質(zhì) BIM 建模，彌補(bǔ)了依靠二維剖面或者點(diǎn)狀鉆孔信息建模的不足，為地質(zhì)建模提供了新思路。同時(shí)，該方法也為后期設(shè)計(jì)、施工方案優(yōu)化提供了可靠三維可視化成果。