刘　洪，陈　刚，王振海

（1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏南京210018；2.江苏省地质调查研究院，江苏南京210018）

基于钻孔数据的扬中市三维工程地质模型构建

刘洪*1，2，陈刚1，2，王振海1，2

（1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏南京210018；2.江苏省地质调查研究院，江苏南京210018）

三维工程地质结构模型可以直观反映工程地质层的空间分布特征，对工程地质问题提供正确判断及成因分析，为城镇规划、经济布局和工程建设提供依据。以扬中市为例，以工程地质钻孔资料作为地层建模的数据来源，采用GMS软件，建立了30m以浅的三维工程地质模型，并展示了实际的建模效果，具有一定的实用价值。

钻孔数据；三维；工程地质模型；扬中市

1　概述

多年以来，对于地学信息的表示和处理都是基于二维的，不能充分揭示地质结构的空间变化规律，使人们难以直接、完整、准确地理解和感受地下的地质情况，越来越不能满足工程设计和分析的实际需求，三维立体处理显得愈来愈迫切。三维地质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，并应用于地质分析的技术［1］。

三维地质模型的建立是在原始地质数据基础上，在专家知识和经验指导下，结合对研究区地层的认识，以适当的数据结构建立地质特征模型，把已有的点数据（钻孔）或线数据（剖面）通过一定的数学方法插值得到未知点的数据，然后对实际地质实体对象的几何形态、拓扑信息（地质对象间的关系）和物性3个方面进行模拟，由这些对象的各种信息综合形成的一个复杂整体三维模型的过程。三维地质结构模型，可以把空间分布不均匀、不连续、散乱的地质信息，通过数学拟合及计算机图形学的方法变成可视的、连续的和形象的3D地质图形，直观地反映了地质信息的空间变化，有助于加深对空间结构的认识。三维地质模型能把专业知识与实际管理需要有机的结合在一起，具有重要的实用价值。

按照建模所使用的数据源来分，三维地质建模可以分为基于钻孔数据建模、基于剖面数据建模、基于三维地震资料建模、基于多源数据建模等［2］。钻探是获取地下三维空间信息的重要手段，钻孔数据中包含了岩土层的绝大部分信息，能够反映岩土层的天然状况，是获取三维地质信息、进行岩土层可视化、模拟分析的主要数据。利用钻孔数据，前人也构建了不同的三维地质模型［3-8］，取得了一定的效果。本文以扬中市工程地质钻孔数据为基础，利用GMS软件构建了30m以浅的三维工程地质结构模型，从三维立体的角度呈现了各工程地质层的空间组合关系，有利于认识研究区内的工程地质特征，为土地的开发利用、城市发展规划和工程建设提供了依据。

2　三维工程地质模型的建立

2.1GMS软件

GMS是地下水模拟系统（Groundwater Modeling System）的简称，是一个综合性的、用于地下水模拟的图形界面软件［9］，不仅具有地下水模拟、溶质运移模拟等功能外，还具有从钻孔到地层结构、从平面到空间建立三维地质模型的功能。

2.2模型边界的确定与导入

GMS构建三维地质模型是通过内插的方法构建，模型边界的平滑程度直接影响模型的可靠性。本次建模的范围为扬中市的陆地面积，不包括长江和大部门夹江的水面，并在扬中行政边界的基础上，对行政边界弯曲较大地段进行忽略或填充，生成GMS可以导入的边界文件。

2.3地表形态的生成

扬中市为长江三角洲冲积平原，地形平坦，地形等高线稀疏，本次地表形态的生成主要利用区内的高程点进行构建，即将已有的高程点数据一起进行Delaunay三角剖分，以生成的三角形平面来模拟地表形态。

2.4工程地质层概化

三维工程地质建模数据主要来源于钻孔资料，需要钻孔名称、横坐标X、纵坐标Y、顶板标高Z、地层岩性Soil ID、地层层序Horizon等数据，这些数据点具有离散、有限、稀疏、不规则等特点，为体现不同钻孔间的对应关系，建模前首先要进行预处理，进行工程地质层的划分、排序和统一编号等。

由于工程地质层空间分布的不连续性、不均匀性和不确定性［10］，工程地质层之间相互交叉、关系错综复杂，如何进行工程地质层序的划分成为三维地质建模的关键问题。根据收集的工程地质钻孔，扬中市浅部土体的岩性种类较多，有粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉土、粉砂、细砂、粉细砂、含砾中粗砂以及上述各类岩性的互层等，而这么多种岩性及其之间的组合关系增加了模型建立的难度，难以在三维结构模型中一一显示出来，因此必须对各类岩性进行合理的归并和概化，使模型能够更加简单明了的展示出来，同时也能降低模型建立的难度，减少模型建立的工作量。本次建模在收集整理工程地质钻孔数据的基础上，根据物理力学性质，对扬中市浅部土体的岩性做了进一步的归并，将30m以浅土体分为11个工程地质层（表1）。本次三维工程地质建模共收集到扬中市的工程地质钻孔21个，整理后的钻孔数据以工程地层分层为单位，通过空间坐标（X、Y、Z）将同一钻孔的不同分层集成到一起。

表1　扬中市浅部地层属性表

2.5钻孔剖面图的创建

钻孔剖面图能直观表现地层的分布与构造特征，较好地反映典型的和特殊的地质现象。钻孔剖面图的创建有效地约束了计算机数学插值，尽可能地保证了插值后的地层与实际地层的吻合程度，将建模过程中相邻钻孔数据绘制的剖面图与钻孔数据结合在一起进行建模，可以提高三维地层模型的精度与表现能力。当钻孔间工程地质层具有完全吻合的对应关系时，即2个钻孔工程地质层相同，可自动创建钻孔剖面。但是，由于钻孔是点状数据，钻孔间往往不具有完全吻合的对应关系，插值结果往往无法刻画钻孔之间工程地质层的实际情况，这时自动创建的钻孔剖面往往与实际相差较大，就需要手动创建尽可能符合实际的钻孔剖面。如钻孔ZK11中的（5）层，在钻孔ZK12中缺失，而钻孔ZK12中的（6）层，在钻孔ZK11中缺失，就需要手动创建钻孔剖面，以符合实际情况（图1）。

图1　ZK11和ZK12钻孔剖面夹层处理前后的对比

3　三维工程地质立体模型的功能

在GMS中做好导入模型边界、工程地质层概化、钻孔文件准备、构建钻孔剖面、生成不规则三角网等工作后，即可构建三维工程地质模型（图2、图3）。

建成后的扬中市三维工程地质模型可无障碍、逐层观察工程地质层的空间分布特征以及接触关系，对工程地质结构有更完整、更具体的认识，实现了多维视角、随意切剖、地理位置与三维地层组合相对照等功能。

（1）通过对工程地质结构模型的查询，能以分解形式展现任一工程地质层层的空间展布形态，尤其是不良工程地质层（软土、砂土）（图4）的空间分布，而且能以组合形式展现任意两个工程地质层的组合关系。

（2）可以多视角的观测各工程地质层的的空间形态，并且可以产生在任意方向上切割工程地质层的纵剖面图，有助于更好的了解工程地质层在不同位置的空间分布。

（3）可以从任意地层高程上，切出横向（水平）的工程地质层切片，显示某一深度下各工程地质层的区域分布（图5），并可以计算出任一工程地质层空间体的体积，为工程建设、规划提供依据。

（4）在已建成的三维工程地质模型的基础上，采用相同的坐标系统，将地理图、规划图等以活动的方式覆于其上，可以了解任意功能区的工程地质层的分布与结构形态，直观、清晰的将地区与其地下空间的工程地质结构联系起来。

图2　扬中市工程地质钻孔三维形态

图3　扬中市工程地质三维模型

图4　扬中市第⑶工程地质层（淤泥质粉质粘土）展布形态

图5　扬州市-10m标高工程地质层展布图

4　存在问题

扬中市三维工程地质模型的构建是以工程地质钻孔资料为基础，利用GMS构建起来的，客观地反映了扬中市工程地质层的空间分布状况，软土、砂土等特殊工程地质层也得到了很好的处理，达到预期的效果，但是在模型的构建过程中仍然存在一些问题。

4.1钻孔数量

对于地形平缓、地层结构简单的地区，少量的钻孔就可以清楚地反映该地区的地层结构；而对于地形起伏较大、地层结构复杂或是构造发育的地区，需要较多的钻孔才能准确揭示各地层分布以及构造的发育状况。本次建模利用了21个工程地质钻孔，相对于扬中市全区来说，钻孔的数量偏少，不能完全反映全区工程地质层的特征，可能导致部分地区的某个工程地质层缺失，影响模型的精度。今后，随着工程地质钻孔资料的积累，可以不补充完善工程地质结构三维模型。

4.2钻孔资料整理

本次建模收集的工程地质钻孔资料的来源不一，由于钻孔的投影方式、作业方式、编录标准等的不同，存在着资料杂、可比性差的问题，给钻孔资料的整理和工程地质层的对比和概化增添了困难。

4.3工程地质层的划分

在个别工程地质钻孔中，包含有连续性差的工程地质夹层，如果建模时划分的工程地质层过细，将导致模型无法分辨透镜体和连续地层，容易引起地层混杂，即将一个钻孔上的透镜体地层与另一个或几个钻孔上的连续地层界面相连，形成错误的地层结构。针对这种情况，在整理钻孔资料时根据该区域剖面图，将透镜体区分出来，忽略小的透镜体，对于大的透镜体，另行生成地层结构。

4.4差值计算方法的选择

在进行插值计算时，采用反距离加权法和自然邻近插值法所产生的结果可能会有很大的差异，而且边界单元距离和三角网的密度也都影响着模型的精度，在实际应用过程中要在对比的基础上选择适合本地区的方法。

5　结语

三维地质模型作为一种处理地质对象的新技术，除了具有确定性、可视性及可修改性之外，更重要的是能够利用已有模型数据进行有关分析和推测，更加符合现代工程规划、设计、施工和管理的需要，具有广阔的应用前景。但是，真实的地质结构是非常复杂的，没有固定、准确的模式，地学数据也存在许多不确定性，具有有限、离散、稀疏、空间分布不均匀等特点，而且经济条件也不允许为解决不确定而进行充足采样。作为对地质结构的仿真，如何提高模型的精度，使三维模型将更加接近真实的地质结构，将是今后研究的重点。

［1］吴观茂，黄明，李刚，等.三维地质模型与可视化研究的现状分析［J］.测绘工程，2008，17（2）：1-5.

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［3］朱良峰，吴信才，刘修国，等.基于钻孔数据的三维地层模型的构建［J］.地理与地理信息科学，2004，20（3）：26-30.

［4］柳庆武，吴冲龙，李绍虎.基于钻孔资料的三维数字地层格架自动生成技术研究［J］.石油实验地质，2003，25（5）：501-504.

［5］张渭军，王文科.基于钻孔数据的地层三维建模与可视化研究［J］.大地构造与成矿学，2006，30（1）：108-113.

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Construction of 3D Geological Model Based on Drilling Data in Yangzhong City

LIU Hong1，2，Cheng Gang1，2，Wang Zheng-hai1，2
（1.Ministry of Land and Resources Ground Fissure Geological Disaster Key Lab，Nanjing Jiangsu 210018，China；2.Geological Survey of Jiangsu Province，Nanjing Jiangsu 210018，China）

3D geological structural model can directly reflect the characteristics of the spatial distribution of engineering geological layer，provide the correct judgment and cause analysis of engineering geological problem，and provide basis for urban planning，economic layout and engineering construction.Taking Yangzhong City as a case，based on engineering geological drilling data，Using GMS software，the 3D engineering geological model above 30m is constructed，and shows the practical modeling effect which has a certain practical value.

drilling data；3D；engineering geological model；Yangzhong City

P64

A

1004-5716（2016）03-0160-04

2015-03-13

2015-03-23

刘洪（1973-），男（汉族），安徽阜阳人，高级工程师，现从事水工环地质工作。