李 忠，张雪锋

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

0 引言

随着经济社会的发展和城市化进程的加快，城市地下空间开发利用成为当前和今后很多城市发展的必然选择。 地下空间的开发利用与其所处的地质环境条件，如地质构造、地层岩性、水文地质条件、不良地质体等密切相关。 由于地质环境条件往往具有较大的各向异性和复杂性， 在进行地下空间开发利用时，若缺乏对地质环境条件的深刻把控，极易出现地下建筑物或结构失稳的现象。

目前， 勘察测绘技术的数据成果多以二维空间的形式来展示，二维空间的信息资料繁多，缺乏整体性和连续性， 不能直观且科学地展示实际的地质环境条件［1-2］。三维地质建模技术是伴随着计算机三维建模技术的不断发展逐步产生和发展起来的。 随着中国城市建设中的三维立体地质调查项目的启动，城市三维地质模型的构建得到了稳步发展。

城市三维地质建模（3D Geosciences Modeling）是指运用计算机技术，在三维环境下，将城市空间信息管理、地质解释、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。它通过适当的可视化方式，构建出能够展现真实地质环境的模型。更重要的是，基于模型的数值模拟和空间分析， 能够辅助用户进行科学决策和规避风险［3-5］。本文以开封万达广场项目勘察数据为基础， 基于GEO5 三维地质建模软件， 采用“钻孔+剖面”的混合方法，建立城市三维地质模型，并将导出的剖面图与原始勘探数据进行对比， 验证模型的可靠性， 以期为三维地质模型的应用提供参考。

1 三维地质建模的思路

三维地质建模技术可使地质体呈现连续的、有规律的、可视化的三维模型，能够全面、准确地展现地质体的空间特性，为研究地层的空间分布情况、地质构造分布规律等地质条件提供直接、有效的方法。

1.1 建模方式

按照数据来源， 三维地质建模可以分为基于钻孔数据、剖面数据、物探数据以及多源数据等的多种建模方式［6-9］。 钻孔数据是地质建模最直接、最可靠的数据， 但是地下情况的复杂性和钻孔数据的有限性，使得建模精度受限。

1.2 建模步骤

本文以南京库仑公司的GEO5 软件为建模平台，以钻孔资料为主要数据源，以平面地质图和地形图等其他地质资料及地质认识为补充数据源， 建立空间数据钻孔建模的数据库，构建地质剖面，生成三维地质模型，具体建模流程如图1 所示。

2 开封万达大宏广场三维地质模型的建立

2.1 数据源

开封万达广场位于开封市新区，属于黄河冲积、泛滥平原。 项目区面积约58 500 m2，场地地表地形稍有起伏。 勘探点间距控制在30 m 以内，按场地建筑物平面形状均匀布置，重点控制建筑物周边、角点及应力集中部位。本场地共布置勘探点143 个，其中钻探孔95 个、静探孔48 个，钻孔深度为30～80 m。

图1 三维地质模型建模流程Fig.1 Modeling process of 3D geological model

钻探结果显示，（1）～（7） 层为第四纪全新世Q4文化期以来中近期沉积的土， 为新近沉积土， 以粉沙、粉土、黏性土为主；（8）～（10）层为第四纪全新世Q4文化期以前沉积的土，为一般沉积土，以粉沙、粉质黏土、细沙为主。 场地初见地下水位埋深为2.0 m左右，稳定地下水位埋深为4.0～6.8 m，属第四系松散岩类孔隙潜水。 地层简要描述如下：

（1）粉沙。该层厚2.0～4.7 m，呈黄褐色，松散-稍密，上部局部存在1.0～2.0 m 的杂填土。

（2）粉土。该层厚1.5～3.0 m，呈灰褐色，稍密，黏粒含量高， 局部见灰褐色软塑状粉质黏土薄层或透镜体。

（3）粉土。该层厚0.6～2.2 m，呈黄褐-灰褐色，稍密-中密，沙质含量高，局部见灰褐色粉沙薄层。

（4）黏土。该层厚0.4～2.8 m，呈黄褐-灰褐色，软塑状，局部夹有灰褐色粉土、粉质黏土薄层。

（5）粉土。该层厚1.6～5.5 m，呈灰褐-黄褐色，稍密-中密，局部夹有灰褐色软塑状粉质黏土薄层，干强度低，韧性低，无光泽反应，摇振反应迅速。

（6）粉质黏土。该层厚1.0～3.9 m，呈灰褐色，软-可塑状，局部夹有灰褐色粉土薄层。

（7）粉土。该层厚0.8～4.5 m，呈青灰色、黄褐色，稍密-中密。

（8）粉沙。 该层厚3.5～10.2 m，呈平黄褐-灰褐色，中密-密实。

（9）粉质黏土。该层厚0.0～1.8 m，平均层厚1.00 m，呈黄褐色，可塑状，局部孔缺失该层。

（10）细沙。该层平均层厚为13.00 m，呈黄褐-褐黄色，密实，饱和。

2.2 建立三维地质模型的步骤

按图1 所示流程，将整理好的地形、钻孔数据录入GEO5 地质建模软件中， 应用混合建模法建立万达广场的三维地质模型。

2.2.1 地形建模

本文选取95 个地表坐标点来构建地形模型，场地地形点的分布如图2 所示， 部分地形坐标如表1所示。

2.2.2 钻孔数据处理

以开封万达广场项目勘探钻孔数据为基础，选取31 个钻孔地质数据，其分布情况和地层岩性特征如图3 所示。 在钻孔数据中， 可能包含多种异常情况，因此，在建模前，需对数据进行质量检查与预处理。 钻孔地层的缺失或录入错误等常见的异常情况会造成自动构模逻辑错误而不兼容， 其处理措施是对照原始数据，修改钻孔数据。

图2 项目区地形点分布图Fig.2 Topographical point distribution of project area

表1 项目区部分地形坐标Tab.1 Topographical coordinates of project area

图3 项目区钻孔分布和地层岩性特征图Fig.3 Drilling distribution and formation lithology of project area

2.2.3 二维剖面数据处理

以钻孔数据为基础， 构建了6 条覆盖整个广场的剖面，如图4 所示。剖面数据处理最常见的问题为尖灭地层的处理。处理时，需要根据经验选择合适的尖灭位置，并手动添加该层的地层线。

2.2.4 建立三维地质模型

采用“钻孔＋剖面”的混合建模方法，构建本场地的三维地质模型，如图5 所示。 建模步骤为：先选择构建的6 条剖面参与建模，整体控制模型；然后，选择控制钻孔，激活参与建模的钻孔数据，并补充细节。

与传统的二维地质剖面图和断面图相比，三维地质模型以三维图象的形式展现地质结构的真实形态、特征。 三维交互定位可用于模型的精确定位操作，可以用不同的颜色显示各种地层，也可以从任意的角度来查看土质、土层厚度和连续情况，支持对三维地质模型的剖切，展示地下三维地质模型及地层分布变化的可视化效果。 三维地质模型的构建，除了直观地对地层进行展示和分析外，还可以用于二维设计、三维有限元分析及地下空间开发和地面建筑规划。

2.3 模型验证

采用剖面比较法对所建模型进行验证。 剖面比较法是通过比较原始勘探剖面和所建三维模型生成剖面的一致性来实现的。 图6 为项目场地一原始勘探剖面图，图7 为同一位置三维模型导出的剖面图。由图6 和图7 可知，两者在地层划分、尖灭岩层、地下水位等处理上，结果一致，但也存在一些差异，如第9 层粉质黏土厚度有变化。 变化原因可能是地质工作者在进行地质剖面图绘制时， 多采用两点定一线的规则行事，而在建立模型时，全过程都是以离散光滑插值法为基础的， 为了在遵循各点之间的变化规律前提下，让整个模型趋于圆滑，所以模型显示结果与实际勘察资料略有不同。

图4 项目区二维地质剖面图Fig.4 2D geological profile of project area

图5 项目区三维地质模型Fig.5 3D geological model of project area

图6 原始勘探剖面图Fig.6 Original exploration profile

图7 模型导出剖面图Fig.7 Derived section of model

3 结语

在城市地质勘查中，三维地质建模技术具有广阔的应用前景。本文基于GEO5 三维地质建模软件，采用“钻孔+剖面”的混合建模方法，创建了开封万达广场的三维地质模型。 将原始勘探剖面图与系统生成的剖面图进行比较， 发现所建立的三维地质模型与原始数据有较高的吻合度，且能够准确、客观地反映研究区域内的地下地质条件及其情况。同时，利用该三维地质模型可以为后续分析工程地质条件、建筑场地选址、基坑开挖、支护结构等设计、计算工作奠定基础。