CN112434360B - 一种复杂岩土体的三维建模及剖面成图方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复杂岩土体的三维建模及剖面成图方法，特别适用于工程区域中包含复杂地质体结构如尖灭、透镜体的情况，包括：定义工程区域和边界；使用钻孔上的层位信息构建全地层序列；使用全地层序列对分层信息进行再归类处理；使用再归类信息定义钻孔上层位定位点；使用各层定位点位置信息构建层位面；形成三维结构模型；定义剖切面位置；投影各定位点；简化定位点和分层界线；填充各层土体信息并形成最终成果。本发明方法既能自动生成工程区域的地层结构模型，又能按照岩土工程实际需要和规范要求生成二维地质剖面成果，从而为工程的实施提供重要、可靠的依据。

Description

一种复杂岩土体的三维建模及剖面成图方法

技术领域

本发明属于工程勘察设计、软件研发领域，具体涉及一种针对包含复杂地质体结构(如透镜体、尖灭)、基于钻孔数据的三维岩土体三维建模过程及自动剖面成图方法。

背景技术

岩土工程是地下工程的一个分支，在建筑物或结构物建设之前，均需要进行工程地质勘探以获得比较详细的工程地质情况，为工程的可行性研究、工程设计、施工等方面提供重要的依据。工程钻探法是一种获取地质信息的常见工程地质勘察方法，通过钻孔可以直接得到详细的岩土体成层结构信息。虽然钻孔数据能直观、准确、详细地反映地质信息，但基于成本方面的限制，只能通过有限数量的钻孔来推理地下岩土层的结构和物性的空间分布特性，最终形成岩土体的三维工程地质的认知模型。

由于地下的地层走向、地质属性及构造的复杂性，目前现有的三维工程地质建模方法上还无法自动处理一些复杂的不良地质体情况，如透镜体、尖灭、夹层等，而这种不良地质体往往是施工风险点所在。部分改进的建模方法需要对复杂的地质特性进行人工干预处理或使用补充勘察方式加密钻孔，不仅地质要素处理方式的人为主观性强，且处理过程繁琐，工作量大，很难在工程实践中推广使用。

在工程实际应用中，往往通过地层的连孔地质剖面图等二维图形来反映工程重点区域的地质情况，而当前三维地质模型往往只包含地层分界面信息，无法查看地层剖面信息，更无法与传统地质剖面绘制工作对接，导致最终的三维模型成果很难与工程实际应用相结合，限制了三维地质岩土建模技术在工程中的应用与发展。

发明内容

为了克服目前复杂地质体建模和成图方法方式的不足，本发明提供以一种复杂地质体建模和成图方法，在有限数量钻孔信息处理的基础上，生成全地层序，进而计算钻孔上的地层定位点，对各层位面位置进行计算，形成三维岩土体模型骨架，进而通过投影面位置自动生成地质剖面，通过对钻孔上地层定位点进行简化得到符合工程规范的二维地质剖面成果。该过程减少了建模过程和成图中的人为干扰和不确定性，提供了一种自动化的解决方案，显著提高了包含复杂地质体岩土三维模型成果的准确性和可靠性。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种复杂岩土体的三维建模方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1(S1)：根据地质勘察报告，确定钻孔位置和包含所有钻孔的区域B’；

步骤2(S2)：根据钻孔区域和工程涉及范围，确定研究区域边界B和边界约束下的孔口层T；

步骤3(S3)：读取所有钻孔上的层位信息，形成全地层序序列S；

步骤4(S4)：由全地层序序列S重新计算所有钻孔上的地层定位点集合P；

步骤5(S5)：取所有钻孔上的相同地层的定位点作为控制点，创建各个地层的界面和地质结构模型；

步骤6(S6)：将研究区域平面三角网化，将三角网投影各个地层，连接相邻地层对应三角形端点，完成地质体网格构建，将地质勘察报告中各地层岩土本构参数赋值给各网格，形成地质属性模型。

所述步骤1(S1)中，工程研究区域边界B为包含待建工程的区域，并包含符合工程规范中规定的工程影响范围，符合工程勘察规范规定的钻孔分布于研究区域内，研究区域边界为正方形或包含工程影响范围的多边形，在三维空间上以空间多边形统一表示。

所述步骤2(S2)中，钻孔边界B’为包含所有钻孔的最小区域，在三维空间上表现为以边界孔口高程坐标序列组成的空间多边形；孔口层T在三维空间上表示为以所有孔口高程坐标序列组成的空间曲面。

所述步骤3(S3)中，钻孔上的层位信息主要包含主层编号、亚层编号、层底深度等信息，形成全地层序序列S，具体包括以下步骤：

步骤S3-1：初始化原始全地层序S，将孔口层T加入S；

步骤S3-2：读取钻孔集合D未处理钻孔，置当前全地层序集合S活动层为T后一层，转S3-3，如都处理完则结束。

步骤S3-3：自顶向下读取钻孔d上各地层的主层编号L1和亚层编号L2信息，如层位处理完毕，则结束，否则转S3-4；

步骤S3-4：将主层编号L1和亚层编号L2组合为唯一层位编号L1-L2，如当前全地层序集合S活动层与L1-L2相同，则全地层序集合S活动层向下递增一层，转S3-3，否则转S3-5；

步骤S3-5：将层位编号L1-L2加入全地层序集合S，全地层序集合S活动层向下递增一层，转S3-3。

所述步骤4(S4)中，计算各钻孔上的地层定位点集合P，具体包括以下步骤：

步骤S4-1：读取钻孔集合D未处理钻孔，置当前全地层序集合S活动层s_a为S最顶层，转S4-2，如都处理完则结束；

步骤S4-2：如s_a为空，依次将当前钻孔d上各地层底深作为对应地层定位点加入钻孔d，结束，否则转S4-3；

步骤S4-3：置当前钻孔d上活动层s_d为最顶层，读取层位底深，如s_a与s_d层位相同，转步骤S4-4；如s_a不同于s_d，转步骤S4-5；

步骤S4-4：赋值s_d底深给s_a，将s_a作为地层定位点加入钻孔d，全地层序集合S活动层s_a转下一层，转步骤S4-2；

步骤S4-5：赋值s_d底深给s_a，将s_a作为地层定位点加入钻孔d，全地层序集合S活动层s_a转下一层，当前钻孔d上活动层s_d转下一层，如s_d不为空，转步骤S4-2，否则依次将全地层序集合S各地层作为对应地层定位点加入钻孔d，底深取钻孔d最深定位点值，结束。

所述步骤5(S5)中，对于单个钻孔，相邻地层的定位点可能存在重合的情况，研究区域边界各地层定位点底深由最近钻孔各定位点确定。

所述步骤6(S6)中，研究区域平面三角网化可以仅将钻孔和边界端点作为三角网化的控制点简化生成。由于相邻地层的定位点位置关系，地质体网格可能会由三棱体退化为三棱台、三棱柱或零体积网格。地质勘察报告中各地层岩土本构参数主要包括土体的重度、压缩模量、渗透系数，内摩擦角等，各地层土体的参数保持一致。

本发明还提供一种复杂岩土体的剖面成图方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1(S1)：根据地质勘察报告，确定钻孔位置和包含所有钻孔的区域B’；

步骤2(S2)：根据钻孔区域和工程涉及范围，确定研究区域边界B和边界约束下的孔口层T；

步骤3(S3)：读取所有钻孔上的层位信息，形成全地层序序列S；

步骤4(S4)：由全地层序序列S重新计算所有钻孔上的地层定位点集合P；

步骤5(S5)：取所有钻孔上的相同地层的定位点作为控制点，创建各个地层的界面和地质结构模型；

步骤6(S7)：在研究区域平面定义剖切线段，筛选连孔剖面参与的钻孔集合；

步骤7(S8)：投影剖面参与钻孔到剖切面，进行地层区域判定并标注地层分界点和地层本构属性，按照比例尺生成地质剖面成果。

所述步骤6(S7)中，剖切的线段为直线或折线，参与生成剖面的钻孔集合取离剖切线段端点最近的钻孔组合，或设定一定的缓冲距离后，人工参与钻孔的筛选。

所述步骤7(S8)中，各钻孔的地层定位点经过简化计算，反推回原始的钻孔地层分界点，根据分界点信息来确定孔间钻孔各地层连线组成的区域所属地层及地质属性。

针对目前地质建模方法在处理不良地质方面的缺陷和工程应用结合方面的不足，通过对岩土工程相关标准规范和建模方法的研究，采用构建全地层序方法来处理钻孔上的不良地质体的信息，对有限钻孔的地质信息进行了标准化、自动化处理，实现了地质体模型和地质剖面的自动生成。发明方法克服了处理复杂地质体方法缺陷和人工干扰工作量大的缺点，排除了人为主观干涉对于模型成果的干扰，解决了复杂地质体建模和工程实际结合的应用难题。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)提供了基于有限钻孔信息的地质结构模型、属性模型和地质剖面的自动化生成过程和处理方法，显著提高了建模效率；

(2)通过构建全地层序方法对复杂地质体进行自动处理，克服了手工建模时的人工干扰，模型成果更为合理；

(3)通过全地层序推理的孔间地质剖面，运用直线或折线投影方法生成地质剖面，不仅图形与规范要求保持一致，且地质结构和特性分布更为合理；

地质结构模型、属性模型可以直接应用于二维、三维岩土计算软件，提高了本发明方法的应用范围和实用性。

附图说明

图1是本发明的主要执行流程示意图；

图2是本发明的具体实施例中的钻孔分布及边界图；

图3是本发明的具体实施例中的工程边界及孔口层曲面图；

图4是本发明的具体实施例中的各地层根据钻孔定位点重建后的曲面图；

图5是本发明的具体实施例中的工程区域的三角网化平面图；

图6是本发明的具体实施例中的三角网投影各地层生成的网格结构图；

图7是本发明的具体实施例中的上下地层三角网格相连的可能形式；

图8是本发明的具体实施例中的连孔剖面成果示例。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提出的一种使用有限钻孔信息对岩土层分布进行三维建模并形成工程地质二维剖面方法的执行流程，包括计算全地层序、钻孔各地层定位点、形成地层结构、剖面成图定位点简化计算等一整套过程。本实施例方法，主要包括：

步骤1(S1)，根据勘察钻孔资料表，确定钻孔位置和包含所有钻孔的区域,钻孔资料表如下表所示：

表1勘探孔表

所形成钻孔分布及边界如图2所示，通常钻孔边界取钻孔坐标中坐标约束的极值范围，如图2中的白色线框所示。

步骤2(S2)：根据钻孔区域和工程涉及范围，确定研究区域边界B和边界约束下的孔口层T，如图3中的蓝色曲面及范围所示，工程边界根据实际工程建设实际和工程规范规定确定；

步骤3(S3)：依次读取钻孔上的层位信息，层位信息如下表所示，表2钻孔基本信息表

形成全地层序序列S，其中各层由主层编号-亚层编号-序号编号唯一标识，如下表所示：

表3全地层序列表

步骤4(S4)：由全地层序序列重新计算所有钻孔上的地层定位点集合，表2所示钻孔转换结果如下表所示：

表4钻孔各地层定位点表

步骤5(S5)：取所有钻孔上的相同地层的定位点作为控制点，创建各个地层的界面和地质结构模型，如图4所示；

步骤6(S6)：将研究区域平面三角网化，如图5所示，然后将三角网投影各个地层，如图6所示，，连接相邻地层对应三角形端点，完成地质体网格构建，其中，由于地层定位点的关系，可能的网格形式如图7所示，也可能退化为体积为零的网格，将网格编号后，将地质勘察报告中各地层岩土本构参数赋值给各网格，形成地质属性模型；

步骤7(S7)：在研究区域平面定义剖切线段，筛选连孔剖面参与的钻孔集合，其中钻孔集合可由人工设定剖切线段一定缓冲距离，得到的钻孔集合可由人工进行进一步筛选得到；

步骤8(S8)：投影剖面参与钻孔到剖切面，进行地层定位点简化并地层区域判定，标注地层分界点和地层本构属性，按照比例尺生成地质剖面成果；其中，地层定位点简化和地层分界判定过程，具体包括以下步骤：

步骤8-1：对每个钻孔上的地层定位点进行处理，将定位点划分为分界点和过渡点，除了顶面和最后的重复深度点设置为分界点外，其余各点定义为过渡点，表4中的钻孔定位点处理结果如表5所示；

表4钻孔各地层定位点表

步骤8-2：对每一对相邻的钻孔，自顶向下处理各地层定位点，若两孔同一地层定位点简化属性不同时为过渡点，则连接两定位点为地层界线，否则略过该层处理下一地层定位点；

步骤8-3：对每一对相邻的钻孔，自顶向下处理各地层界线，在钻孔上标注地层符号，若地层界线和上一层地层界线组成封闭平面，则赋该地层属性给该封闭平面，按比例尺生成连孔地质剖面成果，如图8所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (8)

1.一种复杂岩土体的三维建模方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1(S1)：根据地质勘察报告，确定钻孔位置和包含所有钻孔的区域B’；

钻孔的区域B’为包含所有钻孔的最小区域，在三维空间上表现为以边界孔口高程坐标序列组成的空间多边形；孔口层T在三维空间上表示为以所有孔口高程坐标序列组成的空间曲面；

步骤2(S2)：根据钻孔区域和工程涉及范围，确定研究区域边界B和边界约束下的孔口层T；

研究区域边界B为包含待建工程的区域，并包含符合工程规范中规定的工程影响范围，符合工程勘察规范规定的钻孔分布于研究区域内，研究区域边界为正方形或包含工程影响范围的多边形，在三维空间上以空间多边形统一表示；

步骤3(S3)：读取所有钻孔上的层位信息，形成全地层序序列S；

步骤4(S4)：由全地层序序列S重新计算所有钻孔上的地层定位点集合P；

步骤5(S5)：取所有钻孔上的相同地层的定位点作为控制点，创建各个地层的界面和地质结构模型；

步骤6(S6)：将研究区域平面三角网化，将三角网投影各个地层，连接相邻地层对应三角形端点，完成地质体网格构建，将地质勘察报告中各地层岩土本构参数赋值给各网格，形成地质属性模型；

步骤7(S7)：在研究区域平面定义剖切线段，筛选连孔剖面参与的钻孔集合，其中钻孔集合可由人工设定剖切线段一定缓冲距离，得到的钻孔集合可由人工进行进一步筛选得到；

步骤8(S8)：投影剖面参与钻孔到剖切面，进行地层定位点简化并地层区域判定，标注地层分界点和地层本构属性，按照比例尺生成地质剖面成果。

2.根据权利要求1中所述的一种复杂岩土体的三维建模方法，其特征在于，所述步骤3(S3)中，钻孔上的层位信息主要包含主层编号、亚层编号、层底深度等信息，形成全地层序序列S，具体包括以下步骤：

步骤S3-1：初始化原始全地层序序列S，将孔口层T加入S；

步骤S3-2：读取钻孔集合D未处理钻孔，置当前全地层序序列S活动层为T后一层，转S3-3，如都处理完则结束；

步骤S3-3：自顶向下读取钻孔d上各地层的主层编号L1和亚层编号L2信息，如层位处理完毕，则结束，否则转S3-4；

步骤S3-4：将主层编号L1和亚层编号L2组合为唯一层位编号L1-L2，如当前全地层序集合S活动层与L1-L2相同，则全地层序集合S活动层向下递增一层，转S3-3，否则转S3-5；

步骤S3-5：将层位编号L1-L2加入全地层序集合S，全地层序集合S活动层向下递增一层，转S3-3。

3.根据权利要求1中所述的一种复杂岩土体的三维建模方法，其特征在于，所述步骤4(S4)中，计算各钻孔上的地层定位点集合P，具体包括以下步骤：

步骤S4-1：读取钻孔集合D未处理钻孔，置当前全地层序集合S活动层s_a为S最顶层，转S4-2，如都处理完则结束；

步骤S4-2：如s_a为空，依次将当前钻孔d上各地层底深作为对应地层定位点加入钻孔d，结束，否则转S4-3；

步骤S4-3：置当前钻孔d上活动层s_d为最顶层，读取层位底深，如s_a与s_d层位相同，转步骤S4-4；如s_a不同于s_d，转步骤S4-5；

步骤S4-4：赋值s_d底深给s_a，将s_a作为地层定位点加入钻孔d，全地层序集合S活动层s_a转下一层，转步骤S4-2；

步骤S4-5：赋值s_d底深给s_a，将s_a作为地层定位点加入钻孔d，全地层序集合S活动层s_a转下一层，当前钻孔d上活动层s_d转下一层，如s_d不为空，转步骤S4-2，否则依次将全地层序集合S各地层作为对应地层定位点加入钻孔d，底深取钻孔d最深定位点值，结束。

4.根据权利要求1中所述的一种复杂岩土体的三维建模方法，其特征在于，所述步骤5(S5)中，对于单个钻孔，相邻地层的定位点可能存在重合的情况，研究区域边界各地层定位点底深由最近钻孔各定位点确定。

5.根据权利要求1中所述的一种复杂岩土体的三维建模方法，其特征在于，所述步骤6(S6)中，研究区域平面三角网化可以仅将钻孔和边界端点作为三角网化的控制点简化生成；由于相邻地层的定位点位置关系，地质体网格可能会由三棱体退化为三棱台、三棱柱或零体积网格；地质勘察报告中各地层岩土本构参数主要包括土体的重度、压缩模量、渗透系数，内摩擦角，各地层土体的参数保持一致。

6.一种复杂岩土体的剖面成图方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1(S1)：根据地质勘察报告，确定钻孔位置和包含所有钻孔的区域B’；

钻孔的区域B’为包含所有钻孔的最小区域，在三维空间上表现为以边界孔口高程坐标序列组成的空间多边形；孔口层T在三维空间上表示为以所有孔口高程坐标序列组成的空间曲面；

步骤2(S2)：根据钻孔区域和工程涉及范围，确定研究区域边界B和边界约束下的孔口层T；

研究区域边界B为包含待建工程的区域，并包含符合工程规范中规定的工程影响范围，符合工程勘察规范规定的钻孔分布于研究区域内，研究区域边界为正方形或包含工程影响范围的多边形，在三维空间上以空间多边形统一表示；

步骤3(S3)：读取所有钻孔上的层位信息，形成全地层序序列S；

步骤4(S4)：由全地层序序列S重新计算所有钻孔上的地层定位点集合P；

步骤5(S5)：取所有钻孔上的相同地层的定位点作为控制点，创建各个地层的界面和地质结构模型；

步骤6(S6)：在研究区域平面定义剖切线段，筛选连孔剖面参与的钻孔集合；

步骤7(S7)：投影剖面参与钻孔到剖切面，进行地层区域判定并标注地层分界点和地层本构属性，按照比例尺生成地质剖面成果。

7.根据权利要求6中所述的一种复杂岩土体的剖面成图方法，其特征在于，所述步骤6(S6)中，剖切的线段为直线或折线，参与生成剖面的钻孔集合取离剖切线段端点最近的钻孔组合，或设定一定的缓冲距离后，人工参与钻孔的筛选。

8.根据权利要求6中所述的一种复杂岩土体的剖面成图方法，其特征在于，所述步骤7(S7)中，各钻孔的地层定位点经过简化计算，反推回原始的钻孔地层分界点，根据分界点信息来确定孔间钻孔各地层连线组成的区域所属地层及地质属性。

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