CN107507179A - 基于gocad的岩土体量化分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了涉及一种基于GOCAD的岩土体量化分析方法，尤其是一种应用于工程地质三维建模及分析领域的基于GOCAD的岩土体量化分析方法。本发明的基于GOCAD的岩土体量化分析方法：A、获取岩土体参数；B、确定模型范围；C、指标量化数据加载；D、建立规则化的网格模型；E、指标量化数据赋值；F、初始化属性；G、对初始化的属性作插值迭代计算H、岩土体量化指标属性赋值；I、将岩土体量化指标值传递到建基面模型中，成为包含岩土体量化指标属性的建基面空间曲面模型。本申请的方法可以有效避免岩土体外部环境干扰，与岩土体几何特征相适配，可以在三维模型中直观显示岩土体量化指标。

Description

基于GOCAD的岩土体量化分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于GOCAD的岩土体量化分析方法，尤其是一种应用于工程地质三维建模及分析领域的基于GOCAD的岩土体量化分析方法。

背景技术

岩土体量化指标是以具体数据来体现岩土体特征的指标，如岩体完整性系数Kv、岩石质量指标RQD、岩体基本质量指标BQ等。

传统地岩土体特性的量化分析，局限于统计图表、柱状图及剖面图等形式，难以充分表达岩体质量的空间分布规律，大量表征岩体质量的指标量化数据未尽其用。近年来随着BIM技术的蓬勃发展，工程地质三维可视化开始向岩土体定量化指标的表达分析方向发展，个别学者对岩土体的属性地质对象模型构建方法作了探索。余灿林等基于GOCAD软件阐述了三维可视化在水电站坝基岩体声波测试数据中的应用，杨期祥等基于GOCAD软件将岩土体的纵、横波传播速度作为区域化变量赋予地质体模型中并建立参数模型，实现了地质体的空间结构展布与物理力学性质有效结合。王李管等采用距离幂反比法对矿区围岩综合质量作了三维可视化分析，基于GOCAD的软基砂土液化范围确定方法的专利等。这些研究主要是对岩土体特性的定量化单因素或多因素指标，做了纯参数三维可视化模型建立，以此为基础进行的简单属性统计和二维分析。

现有技术的岩土体量化分析方法，在利用定量性单指标、多指标建模过程中缺乏与地质体的几何特征进行匹配，易受到地质体模型外部因素干扰，影响分析结果的精度。此外现有技术基于参数模型的统计分析均利用模型进行二维分析以及数表统计等，模型数据的统计分析应用还不深入，数据交互性不足，不能充分利用数据提供反应的地质体信息，无法为工程设计人员提供全面有效且直观的数据支撑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以有效避免岩土体外部环境干扰，与岩土体几何特征相适配，可以在三维模型中直观显示岩土体量化指标的基于GOCAD的岩土体量化分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的基于GOCAD的岩土体量化分析方法：包括以下几个步骤：

A、获取岩土体参数；

B、确定模型范围，使所选择的模型的范围包含待分析的岩土体范围并1.2适当扩大；

C、将A步骤中获取的位于所选模型范围内的参数作为指标量化数据进行加载；

D、地质储层网格模型构建功能，通过设置网格剖分数量，建立规则化的网格模型，满足B步骤中的模型范围，然后通过选取顶面和底面将网格模型限定在顶面和底面之间；

E、将获取的岩土体参数作为指标量化数据赋值到岩土体参数所在空间位置的地质储层网格模型网格上；

F、初始化属性，利用DSI算法，对未包含指标量化数据的空值网格进行赋值；

G、利用DSI算法，对初始化的属性作插值迭代计算；

H、根据测试数据与岩土体量化指标之间的函数关系进行岩土体量化指标属性赋值，成为包含岩土体量化指标属性的地质储层网格模型；

I、导入建筑物建基面空间曲面模型，并对该曲面模型网格加密，通过属性传递，基于临近网格点或单位，将H步骤中包含岩土体量化指标属性的地质储层网格模型的岩土体量化指标值传递到建基面模型中，成为包含岩土体量化指标属性的建基面空间曲面模型。

进一步的是，根据I步骤中的包含岩土体量化指标属性的建基面空间曲面模型，将岩土体量化指标属性呈现为空间色谱的可视化云图或建基面上的等值线图；统计计算该模型的岩土体量化指标；提取岩土体量化指标值满足特定区间范围的点、等值线、面。

进一步的是，建立建筑物建基面轮廓内主要受力区域的初始地质储层网格模型，将H步骤中包含岩土体量化指标属性的地质储层网格模型的岩土体量化指标值传递到主要受力区域的初始地质储层网格模型网格中，成为包含岩土体量化指标属性的受力区域地质储层网格模型。

进一步的是，根据包含岩土体量化指标属性的主要受力区域地质储层网格模型，呈现空间色谱的可视化云图，统计计算该模型的岩土体量化指标；提取岩土体量化指标值满足特定区间范围的点、面或该地质储层网格模型部分区域。

进一步的是，根据提取的点、等值线、面或该地质储层网格模型部分区域对已有的点、线、面机械约束插值拟合，或者对点、面、地质储层网格模型部分区域进行合并，对提取的点、线、面或地质储层网格重新属性计算赋值；获取特定区间的距离、面积、体积，统计特定区间范围的指标分布。

进一步的是，在E步骤赋值时创建点集，将赋值点集作为硬约束固定。

进一步的是，在I步骤划分建筑物建基面模型网格时，建筑物建基面模型网格密度大于H步骤中包含岩土体量化指标属性的地质储层网格模型的网格密度。

进一步的是，在J步骤划分主要受力区域的初始地质储层网格模型网格时，主要受力区域的初始地质储层网格模型网格的密度大于H步骤中包含岩土体量化指标属性的地质储层网格模型的网格密度。

进一步的是，在E步骤中如果同一个网格中在多个数据，则对这多个数据进行合并处理。

进一步的是，在D步骤中将空间几何曲面作为模型的顶面或者底面。

本发明的有益效果是：而本申请的方法在选取模型的顶面和底面时将最终选择的模型的区域限制在地质体边界以内，可以完全避免将地质体外部的空间划入到模型中，成功排除了外部因素对定量分析结果的影响。采用本申请的方法，将数据转换成图形或图像在三维空间中显示，工程设计人员通过云图或等值线图可以更迅速更完善地掌握在三维空间情景下的岩土体特征情况，利用包含岩土体量化指标属性的特定面模型、地质储层网格模型，统计计算模型的岩土体量化指标；提取岩土体量化指标值满足特定区间范围的点、等值线、面、地质储层网格。对几何模型进行调整优化以提高量化分析的精度，很好地实现了交互处理。

附图说明

图1是本申请的流程图；

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于GOCAD的岩土体量化分析方法，主要包括以下几个步骤：

A、获取岩土体参数；岩土体参数包括各种表征岩土体特性的指标如强度、变形模量、透水率、波速、触探击数等指标量化数据，此类数据一般存储在钻孔对象的记录中。

B、确定模型范围，使所选择的模型的范围包含待分析的岩土体范围并1.2适当扩大；

C、将A步骤中获取的位于所选模型范围内的参数作为指标量化数据进行加载；

D、地质储层网格模型构建功能，通过设置网格剖分数量，建立规则化的网格模型，满足B步骤中的模型范围，然后通过选取顶面和底面将网格模型限定在顶面和底面之间，形成适应地质体的地质储层网格模型；网格划分时根据计数机硬件限制和评价精度来设定网格剖分数量，可以在现有硬件条件下达到要求的计算精度。现有技术中为了能够选取模型是避免遗漏，一直是采用可以完全包络地质体的最小长方体区域作为模型的范围，这种选择方式虽然包括了整个地质体，但是由于地质体的形状并非规则的长方体，因此这种方式难免会将不属于地质体的空间区域也划入模型中，从而在定量分析过程中造成外部因素影响实际分析结果的情况。而本申请的方法在选取模型的顶面和底面时将最终选择的模型的区域限制在地质体边界以内，可以完全避免将地质体外部的空间划入到模型中，成功排除了外部因素对定量分析结果的影响。所选的顶面和地面可以是以与地质体位置相关联的人为设定的平面，也可以是具有地质意义的地形面、基覆界面、风化卸荷界面、水位面等空间几何曲面；

E、将获取的岩土体参数作为实测数据赋值到岩土体参数所在空间位置的地质储层网格模型网格上，即保证岩土体参数所属的空间位置与其赋值的网格模型网格的空间位置一致；

F、初始化属性，利用DSI算法，对未包含实测数据的空值网格进行赋值，使得模型全部网格中均匹配了非空属性值；

G、利用DSI算法，对初始化的属性作插值迭代计算；对属性插值迭代计算的目的是可以将初始化后的指标量化数据作平滑处理，从而可以增加分析计算结果的准确性；

H、根据指标量化数据与岩土体量化指标之间的函数关系进行岩土体量化指标属性赋值；实际应用时该函数通过C语言编程实现，GOCAD根据程序对指标量化数据进行耦合运算得到岩土体量化指标，成为包含岩土体量化指标属性的地质储层网格模型。

I、导入建筑物建基面空间曲面模型，并对该曲面模型网格加密通过属性传递，基于临近网格点或单位，将H步骤中包含岩土体量化指标属性的地质储层网格模型的岩土体量化指标值传递到建基面模型中，成为包含岩土体量化指标属性的建基面空间曲面模型。

在I步骤划分建筑物建基面模型网格时，建筑物建基面网格的密度大于H步骤中包含岩土体量化指标属性的地质储层网格模型的网格密度。建基面曲面在属性传递之前，作充分的网格剖面保证网格密度达到储层网格的密度以上，这样可以在在建基面曲面上赋值更多的属性值，否避免在统计时会由于网格数量过少导致属性数据样本量太少，统计数据样本数量过少，不能客观反映建基面岩体的质量属性的情况。

在I步骤中将其模型呈现为空间色谱的可视化云图或建基面上的等值线图；统计计算该模型的岩土体量化指标；提取岩土体量化指标值满足特定区间范围的点、等值线、面。

建立建筑物建基面轮廓内主要受力区域的初始地质储层网格模型时，主要受力区域初始地质储层网格模型的网格密度大于H步骤中包含岩土体量化指标属性的地质储层网格模型的网格密度。这样可以在主要受力区域初始地质储层网格模型上赋值更多的属性值，否避免在统计时会由于网格数量过少导致属性数据样本量太少，统计数据样本数量过少，不能客观反映主要受力区域岩体的质量属性的情况。将前述模型呈现为空间色谱的可视化云图；可提取岩土体量化指标值满足特定区间范围的点、面、地质储层网格模型。

采用前述技术手段可以充分利用经过量化分析得到的岩土体量化指标结果帮助进行建基面以及主要受力区域的统计分析。本申请的量化分析方法，按照设计人员对特定区域进行指标统计，以提取的点、线、面或地质储层网格进行分析，并对地质模型进行调整优化，更好地满足工程设计人员的特定的设计需求，使分析更有目标性，设计更有针对性，实现了数据交互处理。

D步骤中选择地形面或者基覆界面或者风化卸荷界面或者水位面作为为模型的顶面和底面。根据定量分析需求，将前述具有地质意义的平面或曲面作为模型的顶面或者底面，使模型与地质体的几何特征相匹配，可以提高计算的精度，解决外界因素干扰的问题。以BQ为例，BQ是反应岩体基本质量的定量化指标，大坝建基面可能位于岩体的各风化卸荷层中，但不会无限的深入岩体中，岩体是一个顶面起伏的半无限空间，因此以基岩面作为顶面，以一定高程的水平面作为底面作为模型的顶面和底面。

当要只研究弱卸荷岩体的BQ只时，可根据需要研究的平面范围，以弱卸荷上限为顶面，弱卸荷下限为底面构建弱卸荷岩体模型。

在E步骤赋值时创建点集，将赋值点集作为硬约束固定。插值运算前将模型网格赋值时创建的指标量化数据点集作为约束，可以有效避免影响对已知的地质条件的表达。并且收集到进一步的勘探资料后，可以将新的指标量化数据赋值到相应网格，作为新的约束点作插值计算，以进行模型的调整。

在E步骤中如果同一个网格中在多个数据，则对这多个数据进行合并处理。其中合并处理的很好包括净毛比、均化、百分点，将多个数据合并处理可以使数据等到充分利用。

本申请的量化分析方法的基本原理为：设D为一个非空的n元有序数组的集合(n≥1)，f为某一确定的对应规则(该规则可由C语言实现)。

若对于每一个有序数组(x1，x2，…，xn)∈D，通过对应规则f，都有唯一确定的实数y与之对应，函数表达式为y＝f(x1，x2，…，xn)，(x1，x2，…，xn)∈D。变量x1,x2,…,xn为岩土体的测量参数，y为表征岩土体特性的量化指标。

实施例：

下面以岩体基本质量指标BQ为实例对本申请的岩土体量化分析方法进行阐述。

一、获取岩土体参数。以《工程岩体分级标准》(GB50218-2014)中，采用岩石单轴抗压强度Rc和岩体完整性系数Kv作为量化评定的基本指标。现场实测岩石单轴抗压强度Rc和岩体弹性纵波速Vp。

二、设定建模的范围，加载指标量化数据

BQ的模型范围根据建筑物的布置范围，并适当扩大后，模型范围1000m(长)×220m(宽)×320m(高)。载入模型范围内全部勘探及随勘探获取的岩石强度Rc和岩体弹性纵波速Vp数据。

三、构建地质储层网格(SGrid)对象

根据建模范围、计数机硬件限制、评价精度设定三个方向的网格剖分数量，该处设定为500(nu)×44(nv)×160(nw)，建立规则化剖面网格。选择建模范围内的基岩面作为顶面，以一定高程的水平面作为底面，对规则网格作几何初始化，使网格在(nw)上限制在顶面和底面重新剖分，将模型网格限定在一定高程的基岩面和一定高程的水平面之间，形成适应地质体几何边界的地质储层网格(SGrid)，该网格无属性。

四、地质储层网格(SGrid)赋值

利用三维体(Voxet)的属性渲染方法将离散的实测岩石强度Rc和岩体弹性纵波速Vp离散属性数据(其附着于勘探对象中)赋值到其所在(空间位置相同)的网格上。赋值时选择创建点集，则可以将赋值点集作为硬约束固定并在插值时使用。同一个网格中可能存在多个数据，赋值时将按照所选择的方法计算(净毛比、均化、百分点、其它计算)。该处的BQ作arithmetic均化处理(此外还有power、geometric、harmonic、inverse distance)。赋值完成后，指标量化数据值仅匹配给其所在的网格中，未包含实测指标量化数据的网格中为空值。

五、初始化属性

利用DSI算法，对岩石强度Rc和岩体弹性纵波速Vp属性进行初始化属性，赋值到未包含指标量化数据的空值网格。至此，模型全部网格中均匹配了非空属性值。

六、属性对象插值运算

利用DSI算法，对初始化的Rc、Vp属性作迭代计算。属性插值迭代计算的目的是将初始化后的指标量化数据作平滑处理。需要注意的是，插值运算前将模型网格赋值时创建的指标量化数据点集作为约束，才不会影响对已知的地质条件的表达。并且收集到进一步的勘探资料后，可以将新的相同指标的量化数据赋值到相应网格，作为新的约束点作插值计算，以进行模型的调整。

七、BQ属性赋值

在已建立SGrid对象中的创建BQ属性对象，属性中尚为空值，根据岩体完整性系数Kv为岩体纵波速度(Vp)与岩石纵波速度的之比的平方，《工程岩体分级标准》(GB50218-2014)和差函数模型BQ指标公式。基于C语言编程。GOCAD自动对Rc和Vp进行耦合运算得到BQ属性。

八、特定区间三维可视化确定。

①导入建筑物建基面模型，该模型为一个空间曲面，通过属性传递，基于临近网格点或单位。将SGrid模型中的BQ属性传递到建基面上，呈现空间色谱的可视化云图；建立建基面上BQ值的等值线图；统计该面上的BQ属性值分布。建基面曲面在属性传递之前，需要作充分的网格剖面，至少要达到储层网格的密度以上，才能够在建基面曲面上赋值更多的属性值，否则在统计时会由于网格数量过少导致属性数据样本量太少，统计数据样本数量过少，不能客观反映建基面岩体的质量属性。

在该建基面模型中，通过区域，基于属性范围，创建一个区域，该区域为建基面上满足某个特定区间(大于、小于或区间数值)BQ属性的点、等值线、面，当逻辑复杂时可以进行多次提取已满足要求。该点、线、面是满足特定BQ值的空间模型，根据需求可对这些点、线、面进行操作，以及可作为建立修改几何、参数模型的依据。

②建立建基面轮廓内主要受力区域的初始SGrid模型，如在大坝荷载作用下，根据大坝附加应力的数值分析成果，选定大坝建基面以下30m范围。初始SGrid模型应适当放大以方便下一步的裁切，这里建立放大1.2倍的初始SGrid模型，然后再利用储层栅格的工具，将建基面受力区的岩体栅格划分出单独的区域。

将开始建立的BQ属性SGrid模型的BQ值传递到受力区域SGrid模型网格中，传递属性时，应选择以上划分出的受力区域栅格。初始SGrid模型其它区域无属性。该受力区域SGrid模型赋值了BQ属性，呈现空间色谱的可视化云图，利用属性统计功能即可统计相应的BQ属性数据。

在该受力区域SGrid模型中，通过区域，基于属性范围，创建一个区域，该区域为建基面上满足某个特定区间(大于、小于或区间数值)BQ属性的点、面、地质储层网格模型，当逻辑复杂时可以进行多次提取已满足要求。该点、面、地质储层网格模型是满足特定BQ值的空间模型，根据需求可对这些点、面、网格模型进行操作，以及可作为建立修改几何、参数模型的依据。

Claims (10)

1.基于GOCAD的岩土体量化分析方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

A、获取岩土体参数；

B、确定模型范围，使所选择的模型的范围包含待分析的岩土体范围并1.2适当扩大；

C、将A步骤中获取的位于所选模型范围内的参数作为指标量化数据进行加载；

D、地质储层网格模型构建功能，通过设置网格剖分数量，建立规则化的网格模型，满足B步骤中的模型范围，然后通过选取顶面和底面将网格模型限定在顶面和底面之间；

E、将获取的岩土体参数作为指标量化数据赋值到岩土体参数所在空间位置的地质储层网格模型网格上；

F、初始化属性，利用DSI算法，对未包含指标量化数据的空值网格进行赋值；

G、利用DSI算法，对初始化的属性作插值迭代计算；

H、根据测试数据与岩土体量化指标之间的函数关系进行岩土体量化指标属性赋值，成为包含岩土体量化指标属性的地质储层网格模型；

I、导入建筑物建基面空间曲面模型，并对该曲面模型网格加密，通过属性传递，基于临近网格点或单位，将H步骤中包含岩土体量化指标属性的地质储层网格模型的岩土体量化指标值传递到建基面模型中，成为包含岩土体量化指标属性的建基面空间曲面模型。

2.如权利要求1所述的基于GOCAD的岩土体量化分析方法，其特征在于：根据I步骤中的包含岩土体量化指标属性的建基面空间曲面模型，将岩土体量化指标属性呈现为空间色谱的可视化云图或建基面上的等值线图；统计计算该模型的岩土体量化指标；提取岩土体量化指标值满足特定区间范围的点、等值线、面。

3.如权利要求1所述的基于GOCAD的岩土体量化分析方法，其特征在于：建立建筑物建基面轮廓内主要受力区域的初始地质储层网格模型，将H步骤中包含岩土体量化指标属性的地质储层网格模型的岩土体量化指标值传递到主要受力区域的初始地质储层网格模型网格中，成为包含岩土体量化指标属性的受力区域地质储层网格模型。

4.如权利要求3所述的基于GOCAD的岩土体量化分析方法，其特征在于：根据包含岩土体量化指标属性的主要受力区域地质储层网格模型，呈现空间色谱的可视化云图，统计计算该模型的岩土体量化指标；提取岩土体量化指标值满足特定区间范围的点、面或该地质储层网格模型部分区域。

5.如权利要求2或4所述的基于GOCAD的岩土体量化分析方法，其特征在于：根据提取的点、等值线、面或该地质储层网格模型部分区域对已有的点、线、面机械约束插值拟合，或者对点、面、地质储层网格模型部分区域进行合并，对提取的点、线、面或地质储层网格重新属性计算赋值；获取特定区间的距离、面积、体积，统计特定区间范围的指标分布。

6.如权利要求1所述的基于GOCAD的岩土体量化分析方法，其特征在于：在E步骤赋值时创建点集，将赋值点集作为硬约束固定。

7.如权利要求1所述的基于GOCAD的岩土体量化分析方法，其特征在于：在I步骤划分建筑物建基面模型网格时，建筑物建基面模型网格密度大于H步骤中包含岩土体量化指标属性的地质储层网格模型的网格密度。

8.如权利要求3所述的基于GOCAD的岩土体量化分析方法，其特征在于：在划分主要受力区域的初始地质储层网格模型网格时，主要受力区域的初始地质储层网格模型网格的密度大于H步骤中包含岩土体量化指标属性的地质储层网格模型的网格密度。

9.如权利要求1所述的基于GOCAD的岩土体量化分析方法，其特征在于：在E步骤中如果同一个网格中在多个数据，则对这多个数据进行合并处理。

10.如权利要求1所述的基于GOCAD的岩土体量化分析方法，其特征在于：在D步骤中将空间几何曲面作为模型的顶面或者底面。