CN115795974A - 深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法，本发明涉及深埋隧洞地下水渗流场监测技术领域，现提出如下方案，包括有如下的监测流程：S1：体系架构；S2：集成深埋隧洞地下水渗流场空间信息；S3：进行3D含水层模型移植以及重构；S4：地下水信息预处理设计；S5：分析空间数据；S6：虚拟现实与可视化设计。本发明中通过构建可视化的深埋隧洞地下水渗流场模型，通过建立直观的3D模型来监测深埋隧洞地下水渗流场，以此获得实时数据，能够对渗流场展开可视化模拟，充分提高地质数据信息表现力，为深入预测区域地下水演化趋势以及发展状况提供良好保障。

Description

深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法

技术领域

本发明涉及深埋隧洞地下水渗流场监测技术领域，具体涉及深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法。

背景技术

渗流场作为地质体的赋存环境因素之一，影响地质体的变形破坏及工程地质稳定性。资料表明，90％以上的自然或人工滑坡与渗流场地下水活动有关：煤矿在竖井建设中，约60％的灾害与渗流场的滴水有关。渗流场既是地质体的赋存环境，又是地质体的组成成分。在力学作用上，渗流场中地下水的多少，既可以使地质体的稳定状态发生变化，同时又是其地应力的组成成分。渗流场中地下水的补给、径流、排泄特点是地质体的动态水文地质边界条件，地下水的化学性质决定了地质体的化学成分变化。因此，渗流场也是地质体演化的重要影响因素。

作为地应力的一部分，渗流场中地下水状况直接与地质体内部的地应力分布相联系。例如，潜水状态下，地下水减小了地质体内的自重应力；在暴雨情况下，渗入地质体内的地下水来不及排出，导致地质体内孔隙水压力(土体)或裂隙水压力(岩体)急剧增大，地质体内部结构之间的有效应力急剧降低，从而引起地质体变形或破坏，如滑坡；承压水状态下，过量抽取地下水，增大了地质体内部结构之间的有效应力，引起结构骨架压缩，宏观上表现为地质体变形，引起地面沉降。因而对于深埋隧洞地下水渗流场监测的工作是地质领域工作中很重要的一部分，结合现有深埋隧洞地下水渗流场监测过程中无法做到全方位、深入彻底地监测这一缺点，现提出深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法。

发明内容

针对上述缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法，包括有如下的监测流程：

S1：体系架构；

S2：集成深埋隧洞地下水渗流场空间信息；

S3：进行3D含水层模型移植以及重构；

S4：地下水信息预处理设计；

S5：分析空间数据；

S6：虚拟现实与可视化设计。

在上述深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法的技术方案中，优选地，所述步骤S1中的体系架构是基于已构建系统结构与相关模块关系，选择有限元数值法，结合可视化环境，在非均质、边界条件以及异性分区方面可视化模拟地下水3D数据场；所述步骤S2中集成空间信息以按照当前异构系统、数据库、GIS、GMS数据等情况进行，选择异构体系的引擎驱动，强化3D地质模拟体系输出功能以及输入功能等方面，对相关类型系统以及数据进行充分融合，强化数据储存管理以及信息共享水平。

在上述深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法的技术方案中，优选地，所述步骤S3中3D含水层模型移植以及重构是涵盖以封闭曲面为基础以及矢量的模型移植以及重构，包括逆断层复杂含水层与正断层复杂含水层的模型。

在上述深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法的技术方案中，优选地，所述步骤S4中的地下水信息预处理设计需要在构建3D含水层模型前提下，将计算方法、边界条件、水文条件、几何参数以及其他必需信息准确输入其中，同时自动剖分有限元三角网格，建立离散点插值以及流场。

在上述深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法的技术方案中，优选地，所述步骤S5中分析空间数据涵盖水位模拟、建立与跟踪流线、基于虚拟开采井条件模拟流场。

在上述深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法的技术方案中，优选地，所述步骤S6中的虚拟现实以及可视化设计借助虚拟现实以及可视化技术，开展渗流场模型差异及含水层模拟一体化显示工作，同时对地下水资源演化趋势以及发展状况展开充分预测，为环保管理决策以及水资源开发利用等工作提供良好依据保障。

在上述深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法的技术方案中，优选地，所述监测方法中具体还有地下水渗流场的三维模型框架构建步骤：

S1：在三维软件中设置工区范围，读入实现定义的工区边界数据文件，设置工区高程的范围，建立模型的显示工区；

S2：建立三维地表模型，读入地表地形等值线或高程离散点数据，进行三角剖分生成地表网格，在地表网格生成后，显现地表网格的属性信息；

S3：导入钻孔数据和剖面数据，在三维空间中对数据进行交互编辑，生成地层、断层、透镜体等各种地质体；

S4：将生成的三维地表模型、各种三维地质模型进行组合叠加，设置各图元的属性以岩性，从而组成三维模型框架。

在上述深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法的技术方案中，优选地，具体还包括如下的监测使用流程：

S1：以三维模型框架为基础，向模型中导入原始数据，包括水文地质剖面、钻孔和其他方式输入的属性数据；

S2：对剖面的岩性区域进行三角形剖分，同时确定每个三角形的属性；

S3：在属性分布的趋势面内建立足够密的等时面，每个等时面与原始数据求交，保证将原始属性分配到每个等时面上；

S4：按照空间分布，将等时面上的属性信息映射到立方体栅格数据上，作为立方体栅格插值的初始数据；

S5：根据地质因素分析，判断属性模型是否需要沉积相建模，如果需要，则划分沉积区域并设置椭圆；

S6：对空间立方体栅格数据进行插值，如果设置了沉积相椭圆，则考虑各项异性插值；

S7：将带有属性信息的栅格数据存储在服务器上对数据进行分块存储；利用各种可视化手段对属性分布情况进行观察。

由上述技术方案可知，本发明提供深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明中通过构建可视化的深埋隧洞地下水渗流场模型，通过建立直观的3D模型来监测深埋隧洞地下水渗流场，以此获得实时数据，能够对渗流场展开可视化模拟，充分提高地质数据信息表现力，为深入预测区域地下水演化趋势以及发展状况提供良好保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做出简单地介绍和说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法示意图；

图2为本发明中深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法中三维模型框架建立流程示意图；

图3为本发明中深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法中监测过程的数据导入流程示意图。

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，以下所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

为了对本发明的技术方案和实现方式做出更清楚地解释和说明，以下介绍实现本发明技术方案的几个优选的具体实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。

另外，本文中的术语：“内、外”，“前、后”，“左、右”，“竖直、水平”，“顶、底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

具体实施例1。

体系架构是基于已构建系统结构与相关模块关系，选择有限元数值法，结合可视化环境，在非均质、边界条件以及异性分区方面可视化模拟地下水3D数据场；集成空间信息以按照当前异构系统、数据库、GIS、GMS数据等情况进行，选择异构体系的引擎驱动，强化3D地质模拟体系输出功能以及输入功能等方面，对相关类型系统以及数据进行充分融合，强化数据储存管理以及信息共享水平。

3D含水层模型移植以及重构是涵盖以封闭曲面为基础以及矢量的模型移植以及重构，包括逆断层复杂含水层与正断层复杂含水层的模型；地下水信息预处理设计需要在构建3D含水层模型前提下，将计算方法、边界条件、水文条件、几何参数以及其他必需信息准确输入其中，同时自动剖分有限元三角网格，建立离散点插值以及流场；分析空间数据涵盖水位模拟、建立与跟踪流线、基于虚拟开采井条件模拟流场；虚拟现实以及可视化设计借助虚拟现实以及可视化技术，开展渗流场模型差异及含水层模拟一体化显示工作，同时对地下水资源演化趋势以及发展状况展开充分预测。

另外，具体需要进行对地下水渗流场进行三维模型建立：

在三维软件中设置工区范围，读入实现定义的工区边界数据文件，设置工区高程的范围，建立模型的显示工区；建立三维地表模型，读入地表地形等值线或高程离散点数据，进行三角剖分生成地表网格，在地表网格生成后，显现地表网格的属性信息；导入钻孔数据和剖面数据，在三维空间中对数据进行交互编辑，生成地层、断层、透镜体等各种地质体；将生成的三维地表模型、各种三维地质模型进行组合叠加，设置各图元的属性以岩性，从而组成三维模型框架。

以三维模型框架为基础，向模型中导入原始数据，包括水文地质剖面、钻孔和其他方式输入的属性数据；对剖面的岩性区域进行三角形剖分，同时确定每个三角形的属性；在属性分布的趋势面内建立足够密的等时面，每个等时面与原始数据求交，保证将原始属性分配到每个等时面上；按照空间分布，将等时面上的属性信息映射到立方体栅格数据上，作为立方体栅格插值的初始数据；根据地质因素分析，判断属性模型是否需要沉积相建模，如果需要，则划分沉积区域并设置椭圆；对空间立方体栅格数据进行插值，如果设置了沉积相椭圆，则考虑各项异性插值；将带有属性信息的栅格数据存储在服务器上对数据进行分块存储；利用各种可视化手段对属性分布情况进行观察。

具体实施例2。

根据地下水水位监测数据信息，通过插值和拟合技术，促使水体垂向发生变化，能够与历史资料连接，进而仿真显示地下水流动，一般涵盖以下数据：水位数据，主要是预测资料与历史资料，建立TIN水位模型；另外动态水位重要帧的索引文件，涵盖水位模型以及名称等。涵盖以下步骤。第一，系统中文件导入以及交互式设计方式建立动态模拟重要帧水位数据。第二，挑选模拟分析环节水位项目，进行显示方式、时段比例以及插值时段设置。显示填充主要涵盖定值、等值、纹理、单一四种模式，其中，单一方式：以光照模型为基础实现可视化。纹理方式：选择纹理映射贴显示水位；等值方式：基于某时间段的水位等值线进行填充处理，进而横向对比水位；定值方式：在所有时间段中水位等值线中，填充处理，进而纵向对比水位；第三，通过差值技术以及算法，对水位展开模拟计算，同时通过虚拟场景实现动态显示。

体系架构是基于已构建系统结构与相关模块关系，选择有限元数值法，结合可视化环境，在非均质、边界条件以及异性分区方面可视化模拟地下水3D数据场；集成空间信息以按照当前异构系统、数据库、GIS、GMS数据等情况进行，选择异构体系的引擎驱动，强化3D地质模拟体系输出功能以及输入功能等方面，对相关类型系统以及数据进行充分融合，强化数据储存管理以及信息共享水平。

3D含水层模型移植以及重构是涵盖以封闭曲面为基础以及矢量的模型移植以及重构，包括逆断层复杂含水层与正断层复杂含水层的模型；地下水信息预处理设计需要在构建3D含水层模型前提下，将计算方法、边界条件、水文条件、几何参数以及其他必需信息准确输入其中，同时自动剖分有限元三角网格，建立离散点插值以及流场；分析空间数据涵盖水位模拟、建立与跟踪流线、基于虚拟开采井条件模拟流场；虚拟现实以及可视化设计借助虚拟现实以及可视化技术，开展渗流场模型差异及含水层模拟一体化显示工作，同时对地下水资源演化趋势以及发展状况展开充分预测。

具体实施例3。

对地下水流动进行充分仿真处理，系统中含有交互式模块，基于3D空间对虚拟开采井位置任意选定，另外，能够对开采井与关联参数进行编辑、删除或是增加处理，对钻井位置深度与坐标设定之后，采用潜水含水层、承压含水层等模式，同时将抽水量、计算精度已经储水系数等参数输入其中；根据输入的参数，对潜水含水层或是承压含水层在抽水时刻实际水位降深值进行计算；进行光滑与插值处理，获得各个时间段水位数值。第六，将水位变化情况动态显示出来，结合输入参数输出情况，建立各种水位埋深、各种范围降落漏斗。

根据地下水水位监测数据信息，通过插值和拟合技术，促使水体垂向发生变化，能够与历史资料连接，进而仿真显示地下水流动。一般涵盖以下数据：水位数据，主要是预测资料与历史资料，建立TIN水位模型；另外动态水位重要帧的索引文件，涵盖水位模型以及名称等。涵盖以下步骤。第一，系统中文件导入以及交互式设计方式建立动态模拟重要帧水位数据。第二，挑选模拟分析环节水位项目，进行显示方式、时段比例以及插值时段设置。显示填充主要涵盖定值、等值、纹理、单一四种模式。其中，单一方式：以光照模型为基础实现可视化。纹理方式：选择纹理映射贴显示水位。等值方式：基于某时间段的水位等值线进行填充处理，进而横向对比水位。定值方式：在所有时间段中水位等值线中，填充处理，进而纵向对比水位。第三，通过差值技术以及算法，对水位展开模拟计算，同时通过虚拟场景实现动态显示。

体系架构是基于已构建系统结构与相关模块关系，选择有限元数值法，结合可视化环境，在非均质、边界条件以及异性分区方面可视化模拟地下水3D数据场；集成空间信息以按照当前异构系统、数据库、GIS、GMS数据等情况进行，选择异构体系的引擎驱动，强化3D地质模拟体系输出功能以及输入功能等方面，对相关类型系统以及数据进行充分融合，强化数据储存管理以及信息共享水平。

3D含水层模型移植以及重构是涵盖以封闭曲面为基础以及矢量的模型移植以及重构，包括逆断层复杂含水层与正断层复杂含水层的模型；地下水信息预处理设计需要在构建3D含水层模型前提下，将计算方法、边界条件、水文条件、几何参数以及其他必需信息准确输入其中，同时自动剖分有限元三角网格，建立离散点插值以及流场；分析空间数据涵盖水位模拟、建立与跟踪流线、基于虚拟开采井条件模拟流场；虚拟现实以及可视化设计借助虚拟现实以及可视化技术，开展渗流场模型差异及含水层模拟一体化显示工作，同时对地下水资源演化趋势以及发展状况展开充分预测。

具体实施例4。

借助渗流场以及动态演变等能够对地下水流向、水力梯度、流速等情况进行有效分析，按照渗流场实际物理性质分析，主要涵盖标量场与向量场两种形式；按照渗流场物理状态以及时间关系，涵盖动态场和静态场两种形式，此类渗流场为向量场，因此主要采用向量线法、特征法、纹理法、点箭头法等实现可视化，对此，主要采用相关方法并结合动态模拟演变实现可视化目标。

对地下水流动进行充分仿真处理，系统中含有交互式模块，基于3D空间对虚拟开采井位置任意选定，另外，能够对开采井与关联参数进行编辑、删除或是增加处理，对钻井位置深度与坐标设定之后，采用潜水含水层、承压含水层等模式，同时将抽水量、计算精度已经储水系数等参数输入其中；根据输入的参数，对潜水含水层或是承压含水层在抽水时刻实际水位降深值进行计算；进行光滑与插值处理，获得各个时间段水位数值。第六，将水位变化情况动态显示出来，结合输入参数输出情况，建立各种水位埋深、各种范围降落漏斗。

根据地下水水位监测数据信息，通过插值和拟合技术，促使水体垂向发生变化，能够与历史资料连接，进而仿真显示地下水流动。一般涵盖以下数据：水位数据，主要是预测资料与历史资料，建立TIN水位模型；另外动态水位重要帧的索引文件，涵盖水位模型以及名称等。涵盖以下步骤。第一，系统中文件导入以及交互式设计方式建立动态模拟重要帧水位数据。第二，挑选模拟分析环节水位项目，进行显示方式、时段比例以及插值时段设置。显示填充主要涵盖定值、等值、纹理、单一四种模式。其中，单一方式：以光照模型为基础实现可视化。纹理方式：选择纹理映射贴显示水位。等值方式：基于某时间段的水位等值线进行填充处理，进而横向对比水位。定值方式：在所有时间段中水位等值线中，填充处理，进而纵向对比水位。第三，通过差值技术以及算法，对水位展开模拟计算，同时通过虚拟场景实现动态显示。

体系架构是基于已构建系统结构与相关模块关系，选择有限元数值法，结合可视化环境，在非均质、边界条件以及异性分区方面可视化模拟地下水3D数据场；集成空间信息以按照当前异构系统、数据库、GIS、GMS数据等情况进行，选择异构体系的引擎驱动，强化3D地质模拟体系输出功能以及输入功能等方面，对相关类型系统以及数据进行充分融合，强化数据储存管理以及信息共享水平。

3D含水层模型移植以及重构是涵盖以封闭曲面为基础以及矢量的模型移植以及重构，包括逆断层复杂含水层与正断层复杂含水层的模型；地下水信息预处理设计需要在构建3D含水层模型前提下，将计算方法、边界条件、水文条件、几何参数以及其他必需信息准确输入其中，同时自动剖分有限元三角网格，建立离散点插值以及流场；分析空间数据涵盖水位模拟、建立与跟踪流线、基于虚拟开采井条件模拟流场；虚拟现实以及可视化设计借助虚拟现实以及可视化技术，开展渗流场模型差异及含水层模拟一体化显示工作，同时对地下水资源演化趋势以及发展状况展开充分预测。

最后，还需要说明的是，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

在本文中使用的术语"包括'、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个…"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法，其特征在于，包括有如下的监测流程：

S1：体系架构；

S2：集成深埋隧洞地下水渗流场空间信息；

S3：进行3D含水层模型移植以及重构；

S4：地下水信息预处理设计；

S5：分析空间数据；

S6：虚拟现实与可视化设计。

2.根据权利要求1所述的深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法，其特征在于，所述步骤S1中的体系架构是基于已构建系统结构与相关模块关系，选择有限元数值法，结合可视化环境，在非均质、边界条件以及异性分区方面可视化模拟地下水3D数据场；所述步骤S2中集成空间信息以按照当前异构系统、数据库、GIS、GMS数据等情况进行，选择异构体系的引擎驱动，强化3D地质模拟体系输出功能以及输入功能等方面，对相关类型系统以及数据进行充分融合，强化数据储存管理以及信息共享水平。

3.根据权利要求1所述的深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法，其特征在于，所述步骤S3中3D含水层模型移植以及重构是涵盖以封闭曲面为基础以及矢量的模型移植以及重构，包括逆断层复杂含水层与正断层复杂含水层的模型。

4.根据权利要求1所述的深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法，其特征在于，所述步骤S4中的地下水信息预处理设计需要在构建3D含水层模型前提下，将计算方法、边界条件、水文条件、几何参数以及其他必需信息准确输入其中，同时自动剖分有限元三角网格，建立离散点插值以及流场。

5.根据权利要求1所述的深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法，其特征在于，所述步骤S5中分析空间数据涵盖水位模拟、建立与跟踪流线、基于虚拟开采井条件模拟流场。

6.根据权利要求1所述的深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法，其特征在于，所述步骤S6中的虚拟现实以及可视化设计借助虚拟现实以及可视化技术，开展渗流场模型差异及含水层模拟一体化显示工作，同时对地下水资源演化趋势以及发展状况展开充分预测，为环保管理决策以及水资源开发利用等工作提供良好依据保障。

7.根据权利要求1所述的深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法，其特征在于，所述监测方法中具体还有地下水渗流场的三维模型框架构建步骤：

S1：在三维软件中设置工区范围，读入实现定义的工区边界数据文件，设置工区高程的范围，建立模型的显示工区；

S2：建立三维地表模型，读入地表地形等值线或高程离散点数据，进行三角剖分生成地表网格，在地表网格生成后，显现地表网格的属性信息；

S3：导入钻孔数据和剖面数据，在三维空间中对数据进行交互编辑，生成地层、断层、透镜体等各种地质体；

S4：将生成的三维地表模型、各种三维地质模型进行组合叠加，设置各图元的属性以岩性，从而组成三维模型框架。

8.根据权利要求1所述的深埋隧洞地下水渗流场演化空天地一体化监测方法，其特征在于，具体还包括如下的监测使用流程：

S1：以三维模型框架为基础，向模型中导入原始数据，包括水文地质剖面、钻孔和其他方式输入的属性数据；

S2：对剖面的岩性区域进行三角形剖分，同时确定每个三角形的属性；

S3：在属性分布的趋势面内建立足够密的等时面，每个等时面与原始数据求交，保证将原始属性分配到每个等时面上；

S4：按照空间分布，将等时面上的属性信息映射到立方体栅格数据上，作为立方体栅格插值的初始数据；

S5：根据地质因素分析，判断属性模型是否需要沉积相建模，如果需要，则划分沉积区域并设置椭圆；

S6：对空间立方体栅格数据进行插值，如果设置了沉积相椭圆，则考虑各项异性插值；

S7：将带有属性信息的栅格数据存储在服务器上对数据进行分块存储；利用各种可视化手段对属性分布情况进行观察。

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