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苏电岩土勘察三维辅助设计迈上新台阶

发布日期:2019-10-12 发表者:傅鹏 匡明星 黄玲 浏览次数:44次

改革开放以来,我国经济取得了突飞猛进的发展,基础设施建设步伐也得到了快速提高,在全国建立了很多超大型工程,如南水北调、西气东输、三峡大坝、青藏铁路等超大型工程的建设。然而这些工程所处地区大多地质构造复杂、地质信息众多,给工程选址、枢纽布置、地下工程设计与施工,以及灾害防治等方面带来了极大的困难,要想成功的解决这些问题,必须要建立在对有关地质信息全面分析和把握的基础之上。

三维建模已成为许多研究与应用领域的关键技术,它借助于飞速发展的计算机可视化技术,将所要表达和处理的对象从三维空间的角度去展示。基于MapGIS平台与岩土勘察业务流程,通过建立MapGIS框架下的工程管理和三维可视化系统,实现岩土工程勘察设计由二维到三维的转变,系统通过对数据的挖掘和利用,结合岩土勘察业务工作实际需求,采取不同的方式构建不同类型的三维模型,主要有工程地质建模、参数体三维属性建模、三维管线建模和三维地形建模。对建立的三维模型可进行相关的模型分析,有切割分析、爆炸分析、拖拽分析和飞行漫游等;利用三维模型,进行相应的三维辅助设计,如虚拟孔开挖、基坑开挖、样品统计和桩基布置等。可以更好地服务于电力工程规划、建设和决策以及大型项目的选址、城市地下空间开发利用等方面。


岩土勘察三维建模技术背景

从GIS的发展历程来看,GIS技术与岩土工程各个领域的发展密不可分,GIS技术对地理空间数据的采集、表达、处理、管理、查询、分析与可视化等的超强功能,极大的推动了岩土工程信息化建设。国内外专家学者不失时机的将GIS技术应用于工程地质信息管理、环境岩土工程、工程施工仿真,以及工程地质三维建模等方面,并取得了丰硕的研究成果。中国科学院武汉岩土力学研究所白世伟、贺怀建深入探讨了岩土工程信息化建设,研制了3DGIS系统;吴立新根据所采用的数据模型,将3DGIS和3DGMS中的空间构模技术分为基于面模型、基于体模型和混合构模3大类,并进行了分析比较和讨论;吴信才、朱良峰等借助功能强大的可视化开发平台MAPGIS—TDE,开发研制了集地质数据管理、二维地质分析、地质断面处理、地质结构建模和地质属性建模等5大功能模块的三维建模系统。武汉中地数码科技有限公司提供了具有开放体系结构的三维可视化开发平台MapGIS,在提供一般三维空间数据模型及其管理功能的基础上,允许针对特定应用领域动态扩展建模及分析功能插件,以适应特定的三维应用。武强则提出了断层模拟的滞后插入、局部重建方法和有效耦合多源数据的三维地质建模方法;徐能雄、何满朝等采用柱体构模方法、表面构模方法与断面构模方法分别构建了连续岩体、非连续岩土和倒转褶皱岩体三维模型;柴贺军采用三维拟合的方法实现岩体结构及结构面的三维可视化。


苏电岩土勘察三维建模分析体系

2016年10月,江苏省电力设计院有限公司与武汉中地数码科技有限公司签订协作合同开始苏电岩土三维辅助设计系统建设,基于MapGIS平台开发了结合岩土勘察业务流程的三维辅助设计系统,该系统应用于城市建设,有助于对城市岩土工程的深入分析和研究,精确地表达岩土工程模型及它们之间的空间联系,弄清拟建区工程地质条件,提供准确的岩土工程特性指标和基础设计参数,大大提高设计人员对勘察成果的人数,同时有利于设计人员应用专业数值分析软件对工程场地方案进行稳定性和适宜性评价,提出经济、合理的岩土利用、征集、改造的建议和方案,降低岩土工程施工风险,实现工程智能决策、充分挖掘工程信息价值。

传统的GIS数据来源广,可通过测量、遥感等手段直接获取,而三维地质模型数据,尤其是地下三维地质模型,则无法或很难直接获取,所以三维地质建模方法就显得尤为重要。三维建模分析体系非常庞杂,结合岩土勘察业务流程,将三维建模分析体系分为工程地质三维建模、工程地质分析和工程地质设计。


岩土勘察三维建模

三维地质模型构建是岩土分析设计工作的基础,针对工程勘察业务需求,需要的三维建模功能模块包含钻孔地质体建模、钻孔样品建模、钻孔试验曲线建模、地表建模、钻孔属性参数体建模、三维管线建模。

在岩土勘察实际实际工作中,对于特定的建模区域,存在大量的钻孔数据、地形数据和各类物化探数据,这些数据是十分丰富详实的。在进行三维建模时,由于建模范围、研究目的的不同,我们研究出不同的建模方法。基于这些建模方法构建岩土工程勘察范围内地表模型、钻孔模型(图1)、地质体模型(图2)、取样模型、试验曲线模型(图3)、试验数据的属性模型(图4)等三维建模,实现工程勘察项目成果的地上、地表、地下一体化展现;支持多项目地质三维信息的联合展示分析;在地质模型的构建基础上,为后面的三维分析、业务辅助设计作为数据基础。

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1钻孔模型                                                  2地质体模型


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                                                                                                                        图3试验曲线建模                                          4试验属性体建模



通过钻孔模型、地质体模型等,向岩土勘察专业工作人员更直观的展示各钻孔上真实地层的信息状况,辅助专业人员进行工程选址决策,针对策划项目来对虚拟孔开挖进行设计选点;通过原状样、水样、岩石样、扰动样、动探、标贯等不同原位测试样品模型,直观的获取其在空间的分布特征,分析取样是否合理,此外,根据测井实验数据曲线模型,帮助专业人员分析研究区地质体的物理化学特性,便于工程建设的选址和开挖、布样设计。通过试验数据的属性体模型的分析,寻找异常值,辅助工程选址。


岩土勘察三维分析

在岩土勘察模型可视化后,提供一些通用的模型属性查询、模型拖拽、爆炸分析、切割分析、三维漫游、三维地层面等值线追踪等三维分析功能辅助专业人员对地质判别、勘察信息的数据获取等。

(1)三维查询又可叫模型属性拾取(图5-a),它只需用同一个操作功能菜单,即可完成对各种模型的各个属性进行拾取查询,可以快速的知道模型的相关信息。

(2)支持对各类地质体进行平面切割、水平切割、斜面切割、折线垂直剖切、组合剖切和动态切割等多种剖切方式(图5-b)。通过鼠标输入线、对话框输入坐标、读取线文件等方式生成切割路径,然后沿着切割路径进行切割操作,通过切割后的模型可以在模型内部的信息进行直观的展示。

(3)三维模型爆炸显示功能(图5-c)实现将整个模型进行爆炸显示的过程,使得模型能够被充分的打散开来,便于用户了解地层里面的细节问题。系统提供任意爆炸、整体爆炸、沿轴向爆炸等三种爆炸方式。

(4)三维模型拖拽功能(图5-d)提供给用户可以对模型进行自由的拖放以及旋转等操作,通过参数的设置也可以指定拖动以及旋转的方向,解决了对某个创建在模型里面的对象不容易直观分析的缺点,将它拖放出来,放到一个容易观察的地方进行详细的分析。


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5三维模型分析效果图(a-模型属性拾取,b-模型切割,c-模型爆炸,d-模型拖拽)


(5)三维自动漫游功能,允许用户输入规划的漫游路径及视角等参数,可根据用户路径和视角在场景中按照编辑好的路径进行自动漫游(图6)。漫游的过程中可以通过快捷键进行加速、减速、暂停等操作,可以随时暂停漫游,查询当前场景内显示的三维模型属性信息。

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6隧道漫游效果图


(6)三维量算可提供水平距离量算、垂直距离量算、空间距离量算、地形面积量算、地形体积量算(图7)等功能。

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7三维模型体积计算效果图


(7)提供地表、地下某层土的层面等的等值线分析和图件输出(图8),可以根据某地层面上不同高程来赋不同颜色,支持等值线图输出为autocad软件的dwg二维格式和dxf三维格式。


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8地层等值线绘制效果图


岩土勘察业务三维辅助设计

三维可视化设计成果即可作为设计和决策者进行工程布置与分析的依据,也可作为虚拟孔开挖施工、基坑开挖、基桩布置等可视化决策信息,还可针对岩土勘察流程中的策划项目来进行项目辅助设计工作。

虚拟孔(策划)开挖(图9):基于已有临近区域范围内的其它项目地质情况,辅助新项目钻孔开挖设计,系统提供虚拟钻孔开挖功能,辅助专业人员实际勘测取样决策支持。由用户指定待钻探位置坐标及钻探深度后,自动生成虚拟钻孔,通过构建策划孔(虚拟孔),获取其分层信息,了解该策划项目的地质情况,作为项目选址、可行性分析等的判断依据。

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图9策划孔开挖图


虚拟(策划)孔布样与编辑(图10):根据建立的三维地质虚拟钻孔模型,可以通过人机交互的方式在虚拟钻孔上进行虚拟样品的布置,为了避免样品与虚拟钻孔岩柱重合,系统可以设置样品与岩柱的偏离距离,以便清楚的识别所布置的虚拟样品,辅助真实施工时候的取样,同时通过统计进行设计和真实施工的差异性对比。

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图10 策划孔布样


基坑虚拟开挖功能(图11)支持在三维地质结构模型上,按用户给定的基础性状数据和基坑开挖方式,模拟基坑开挖,根据基坑形态、基坑深度等参数生成三维基坑模型,包括阶梯型和斜坡型两种基坑,并提供基坑开挖土方量计算、开挖土层属性查询等功能。模拟工程施工过程中的基坑开挖,可以自定义多套方案分析,提供施工人员直观的三维可视化基坑设计模型。

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图11基坑开挖


提供基于三维地质模型的桩基分析,包括平面布桩、三维展示和分析、批量输出工程桩统计分析(承载力、桩长、进入持力层深度、工程量等信息),通过三维桩基布置(图12),获取持力层上部分桩基布置效果图,辅助工程施工。

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图12桩基布置


三维建模是一个复杂的过程,本文基于MapGIS平台开发,结合苏电岩土勘探业务流程,按照业务流分项目分阶段定制了建模方式,更直观展示地下工程信息集地质信息,为大型工程选址和地下空间利用建立分析模型库,依据建立的三维模型,实现了三维模型的分析功能,包括三维模型属性拾取、模型切割、模型爆炸、模型拖拽、三维漫游、三维量算、地层等值线绘制等功能,并且实现资料的可视化快速查找、定位、信息浏览、可视化分,利用这些分析模型实现对电力项目建设选址提供适宜性分级评价,并对建设的工程项目进行辅助设计,为工程规划管理辅助决策提供全面、可靠的依据。

 

岩土勘察信息化新技术展望

未来,对于岩土勘察信息化而言,可以借助大数据、云计算、物联网、BIM、虚拟现实、人工智能等飞速发展快车道而实现岩土勘察新时代历史使命。

大数据:针对岩土勘察领域多年来积累的海量勘察数据,可利用大数据技术结合地质统计学,对区域的工程地质概况有宏观的认识,及对潜在建设地区的场地条件存在一定程度的预判。物联网:针对钻机状态监控、原位试验仪器数据获取、外业数据记录、实验室土工数据获取等采用物联网技术,减少人工干预与手动二次输入过程,降低了造假与手误的可能性。云计算:通过云计算技术,技术员可依据外业工作需要,使用电脑、笔记本、手机等方式通过互联网来接入数据中心,按需远程实时计算得到虚拟结果,以便交互校对数据质量与正误,避免重复资源浪费。BIM:工程勘察作为建筑工程的重要前期阶段,其数据可为地基基础、施工监测与使用监测的阶段提供背景数据,作为重要的工程信息融入BIM系统中。人工智能:人工智能技术可基于“自学习、自判断、自修正”的原理,根据预设完整的专家预案库,通过信息化数据的录入与解读,自动分析处理生成表格、图件及报告等专业复杂的逻辑成果。

站在新的起点上,在习近平新时代中国特色社会主义思想指引下,有政府的政策支持,面对绿色城市建设和全球环境岩土工程治理,不断进行技术创新,借助岩土勘察信息化手段使我国岩土工程服务体系建设再向“大岩土”工程体制转型发展,为社会主义建设事业和美丽中国的建设谱写新的篇章。