CN116821999B - 一种板块尺度三维地质模型构建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板块尺度三维地质模型构建方法及系统，其中方法包括一种板块尺度三维地质模型构建方法，包括如下步骤：获取地质参数数据，分别建立各地质层的3D模型；在3D模型中输入地质层的板块流动系数以及地震加速度，同时引入权重参数，计算出各地质层的流动最大压力值；根据3D模型中各层的边缘连接曲线，通过离散点连接算法将3D模型依次堆叠，形成三维地质模型；在三维地质模型中输入建筑设计数据，得到基坑的深度，通过勘探的地质数据，由点至面，由面至体，循序渐进，并通过数据拟合的方式将整个三维地质模型的参数化交由计算机来实现，解放了人工分析，同时也减少人工分析的失误，提高了模型的准确度。

Description

一种板块尺度三维地质模型构建方法及系统

技术领域

本发明涉及地质模型构建技术领域，特别涉及一种板块尺度三维地质模型构建方法及系统。

背景技术

三维地质建模技术，就是将特定空间范围内地质体中地质单元的空间发育形态，以及地质单元之间的组合关系进行信息化，使计算机软件提供的虚拟空间能够以可视化的方式表现出现实世界中地质体的真实空间关系。这个过程所包括的技术就称为三维地质建模技术。在实际工作当中，由于一般情况下不可能将地质体全部挖开，一一判明其发育形态，所以通常采取在地质体上进行钻孔的办法来查明地质体的结构，这个工作称为钻探。具体说来就是在地质体上钻取若干钻孔，然后通过观察各个钻孔中地质体的发育情况，汇总分析后推测出整个地质体中各地质单元的空间发育形态，传统的分析工作基本上是由有经验的工程师来完成的，但是人工分析效率过低，并且工作量巨大。

目前的城市建筑的施工选址中，对地质层的勘探由为重要，地基的牢靠与否决定了建筑的使用年限，在一般情况下，采用基坑对地基进行夯实，但基坑浇筑的深度影响着施工的进度，现有的三维地质模型只能作为基坑深度的参考，基坑的深度常常超出所需的深度，导致施工周期变长。

为此，提出一种板块尺度三维地质模型构建方法及系统。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例希望提供一种板块尺度三维地质模型构建方法及系统，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题，至少提供一种有益的选择；

本发明实施例的技术方案是这样实现的：第一方面，提出一种板块尺度三维地质模型构建方法，包括如下步骤：

S1、获取地质参数数据，分别建立各地质层的3D模型；

S2、在3D模型中输入地质层的板块流动系数以及地震加速度，同时引入权重参数，计算出各地质层的流动最大压力值；

S3、根据3D模型中各层的边缘连接曲线，通过离散点连接算法将3D模型依次堆叠，形成三维地质模型；

S4、在三维地质模型中输入建筑设计数据，得到基坑的深度。

优选的，所述的一种板块尺度三维地质模型构建方法，所述S1中，所述地质参数数据包括钻孔数据，所述3D模型通过钻孔数据中的各层的高度绘制边缘连接曲线，并形成3D模型。

进一步的，所述绘制边缘连接曲线的过程包括：

假设钻孔点为x_i(i＝1,2,3,......,n)，则Q(x_i)(i＝1,2,3,......,n)为该层的钻孔点数据，在x₀处的数据变化量的计算过程如下：

其中λ为估算误差。

优选的，所述的一种板块尺度三维地质模型构建方法，在S2中，板块流动系数根据不同地层地质存在不同的值，地震加速度根据当地的抗震设防烈度而定，且板块流动系数的权重参数随着时间的推移而增加。

进一步的，所述引入权重参数包括：

设矩阵A为权重的判断矩阵，矩阵A＝a_i＞0；a_i＝1(i＝1,2,3,......,m)，成A为互反矩阵；

若设W为判断A的特征向量，则有：

AW＝β_maxW；

得到矩阵A的最大权重参数β_max。

优选的，所述的一种板块尺度三维地质模型构建方法，包括：在S3中，两层的边缘连接曲线分别为：P_i(i＝1,2,3,......,m)和P_j(j＝1,2,3,......,n)，设置两层的连接点为P_(i,j)，构造出两层边缘连接曲线的拟合曲线：

使之与连接点的误差达到最小值；

同时，假定拟合曲线上的点与连接点相同：

其中，d_i和d_j分别是两层的控制点，w_i和w_j分别是两层的参数因子，t_i和t_j分别是两层对应的参数。

进一步的，为了使得误差达到最小值，函数E达到最小，对目标函数E进行线性化处理：

整个曲面的拟合计算过程如下：

优选的，所述的一种板块尺度三维地质模型构建方法，在S4中，所述的建筑数据包括：建筑的压力值；

根据建筑的压力值计算基坑最底层所需要承受的压力以及各地质层最大流动压力，通过对压力值的判断，以及各个地质层的不均匀高度的分布，确认基坑设置的高度。

另一个方面，本申请还提出一种板块尺度三维地质模型构建系统，应用于任一项所述的一种板块尺度三维地质模型构建方法，所述三维地质模型构建系统包括：

获取模块：获取地质参数数据；

绘制模块：根据钻孔信息，分别绘制各地质层边缘连接曲线，进一步绘制各层的3D模型；

生成模块：根据3D模型中各层的边缘连接曲线，通过离散点连接算法将3D模型依次堆叠，形成三维地质模型；

第一计算模块：在3D模型中输入地质层的板块流动系数以及地震加速度，同时引入权重参数，计算出各地质层的流动最大压力值；

第二计算模块：在三维地质模型中输入建筑设计数据，计算得到基坑的深度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、通过勘探的地质数据，由点至面，由面至体，循序渐进，并通过数据拟合的方式将整个三维地质模型的参数化交由计算机来实现，解放了人工分析，同时也减少人工分析的失误，提高了模型的准确度；其次，通过引入板块流动系数以及地震加速度，增加了传统三维地质模型的功能，只需输入建筑设计数据，计算机可以自动匹配计算出基坑的深度，减少了人工计算的过程，同时也让基坑的深度计算更加精确，有效缩短施工周期；

二、通过估算误差实现对各钻孔信息的离散点进行估算连接，进一步绘制各层的3D模型的边缘曲线，实现对3D模型边缘曲线的精确绘制；

三、对各层地质层的3D模型的边缘曲线进行拟合，由线及面，完成对整个连接面的拟合，通过空间的离散点进行参数化，有利于确定曲线或曲面上的连接点，增加其拟合的准确性，实现精准建立三维地质模型的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本发明的模块化示意图；

图2为本发明的缆绳紧力反馈器模块化示意图；

图3为本发明的PLC控制器判断判断缆绳受力状态的功能块编程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制；

需要注意的是，术语“第一”、“第二”、“对称”、“阵列”等仅用于区分描述与位置描述目的，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”、“对称”等特征的可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；同样，对于未以“两个”、“三只”等文字形式对某些特征进行数量限制时，应注意到该特征同样属于明示或者隐含地包括一个或者更多个特征数量；

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征；同时，所有的轴向描述例如X轴向、Y轴向、Z轴向、X轴向的一端、Y轴向的另一端或Z轴向的另一端等，均基于笛卡尔坐标系。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解；例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体成型；可以是机械连接，可以是直接相连，可以是焊接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据说明书附图结合具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在现有技术中，目前的城市建筑的施工选址中，对地质层的勘探由为重要，地基的牢靠与否决定了建筑的使用年限，在一般情况下，采用基坑对地基进行夯实，但基坑浇筑的深度影响着施工的进度，现有的三维地质模型只能作为基坑深度的参考，基坑的深度常常超出所需的深度，导致施工周期变长；为此，请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案以解决上述技术问题：一种板块尺度三维地质模型构建系统及其系统的具体使用方法；

其中，在本申请一些具体实施方式中，请结合参阅图1：一种板块尺度三维地质模型构建方法，包括如下步骤：

S1、获取地质参数数据，分别建立各地质层的3D模型；

S2、在3D模型中输入地质层的板块流动系数以及地震加速度，同时引入权重参数，计算出各地质层的流动最大压力值；

S3、根据3D模型中各层的边缘连接曲线，通过离散点连接算法将3D模型依次堆叠，形成三维地质模型；

S4、在三维地质模型中输入建筑设计数据，得到基坑的深度。

在本实施例中，地质参数数据包括：对钻孔数据、自然地理状况，区域地质背景、水文地质背景、地质、地层构造以及地震等进行定性和定量分析形成的数据集合，通过钻孔数据可以获取地质层的大量数据信息，包括：土壤的压缩系数、土壤重度、土壤厚度、土壤承载力等；为构建三维地质模型奠定足够的数据支撑，三维地质模型可以站下地表形态、地质构造、地层空间分布以及地层岩性等规律，通过这些数据代入三维地质模型中，完善整个三维地质模型的准确性，同时输入板块流动系数以及地震加速度，为基坑深度的计算提供部分影响因素，在本方案中，仅仅对板块流动系数以及地震加速度对基坑的深度影响进行分析，当然，还存在其他因素对基坑的深度产生影响，如：土壤的压缩系数、土壤重度、土壤厚度等；本方案通过板块流动系数以及地震加速度作为影响因素，输入三维地质模型中，根据建筑的压力值计算基坑最底层所需要承受的压力以及各地质层最大流动压力，通过对压力值的判断，以及各个地质层的不均匀高度的分布，从而确认基坑设置的高度，有效的解决了现有技术中对基坑的深度预估过深产生的施工时间增加的问题，同时本方案通过勘探的地质数据，由点至面，由面至体，循序渐进，并通过数据拟合的方式将整个三维地质模型的参数化交由计算机来实现，解放了人工分析，同时也减少人工分析的失误，提高了模型的准确度；其次，通过引入板块流动系数以及地震加速度，增加了传统三维地质模型的功能，只需输入建筑设计数据，计算机可以自动匹配计算出基坑的深度，减少了人工计算的过程，同时也让基坑的深度计算更加精确，有效缩短施工周期。

优选的，所述S1中，所述地质参数数据包括钻孔数据，所述3D模型通过钻孔数据中的各层的高度绘制边缘连接曲线，并形成3D模型。

进一步的，所述绘制边缘连接曲线的过程包括：

假设钻孔点为x_i(i＝1,2,3,......,n)，则Q(x_i)(i＝1,2,3,......,n)为该层的钻孔点数据，在x₀处的数据变化量的计算过程如下：

其中λ为估算误差。

优选的，在S2中，板块流动系数根据不同地层地质存在不同的值，地震加速度根据当地的抗震设防烈度而定，且板块流动系数的权重参数随着时间的推移而增加，板块流动系数是一定的，但是随着时间流逝，其流动的距离增加，但基坑肯定是不动的，那基坑受到的压力也是递增的。

进一步的，所述引入权重参数包括：

设矩阵A为权重的判断矩阵，矩阵A＝a_i＞0；a_i＝1(i＝1,2,3,......,m)，成A为互反矩阵；

若设W为判断A的特征向量，则有：

AW＝β_maxW；

得到矩阵A的最大权重参数β_max。

优选的，所述的一种板块尺度三维地质模型构建方法，包括：在S3中，两层的边缘连接曲线分别为：P_i(i＝1,2,3,......,m)和P_j(j＝1,2,3,......,n)，设置两层的连接点为P_(i,j)，构造出两层边缘连接曲线的拟合曲线：

使之与连接点的误差达到最小值；

同时，假定拟合曲线上的点与连接点相同：

其中，d_i和d_j分别是两层的控制点，w_i和w_j分别是两层的参数因子，t_i和t_j分别是两层对应的参数。

进一步的，为了使得误差达到最小值，函数E达到最小，对目标函数E进行线性化处理：

整个曲面的拟合计算过程如下：

另一个方面，本申请还提出一种板块尺度三维地质模型构建系统，应用于任一项所述的一种板块尺度三维地质模型构建方法，所述三维地质模型构建系统包括：

获取模块：获取地质参数数据；

绘制模块：根据钻孔信息，分别绘制各地质层边缘连接曲线，进一步绘制各层的3D模型；

生成模块：根据3D模型中各层的边缘连接曲线，通过离散点连接算法将3D模型依次堆叠，形成三维地质模型；

第一计算模块：在3D模型中输入地质层的板块流动系数以及地震加速度，同时引入权重参数，计算出各地质层的流动最大压力值；

第二计算模块：在三维地质模型中输入建筑设计数据，计算得到基坑的深度。

在一个实施例中，对一地区进行三维地质模型的构建，在该地区布置有43个钻孔，钻孔深度多在40-80m之间，依据钻头信息，该地区的岩土层由上到下的分布特征如下描述：

第1层，杂填土：灰褐色，湿，松散-稍密，含碎石子，碎砖块等建筑垃圾，该层厚度为0.8-3.6m，平均厚度1.48m。

第2层，粉质粘土：黄褐色，软塑-可塑，切面稍光滑，韧性、干强度中等，土质不均，局部夹粉土层。该层厚度为1.6-5.8m，平均厚度4.10m，属中等压缩性土。

该层粉质粘土的天然孔隙比e＝0.764，重度r＝19.4kN/m3，液性指数I＝0.68，塑性指数I＝12.3，压缩模量E＝5.8MPa，粘聚力C＝17.9kPa，内摩擦角ф＝8.8°，承载力特征值f＝120kPa。

第3层，粉质粘土：灰褐色-灰黑色，可塑，切面稍光滑，韧性、干强度中等，局部相变为粉土层，稍有臭味，偶见白色小螺壳、青瓦片，该层厚度为1.5-7.1m，平均厚度4.12m，压缩系数a-2平均值为0.30MPa，属中等压缩性土。

该层粉质粘土的天然孔隙比e＝0.722，重度γ＝19.7kN/m3，压缩模量E＝6.1MPa，粘聚力C＝17.5kPa，内摩擦角ф＝7.4°,承载力特征值f＝125kPa。

第4层，粉质粘土：黄褐色夹带灰绿色条带，可塑，局部硬塑，韧性中等，切面绍剧光泽，局部含0.1m左右细砂，局部夹粉土层偶见姜石，具有铁锰侵染，该层厚度为3.5-4m，平均厚度6.13m，属于中等压缩性土；

该层粉质粘土的压缩模量E＝7.1MPa，粘聚力C＝21.5kPa，内摩擦角ф＝7.1°，承载力特征值f＝185kPa。

第5层，粉质粘土，黄褐色-浅红褐色，可塑-硬塑，韧性中等，切面稍具光泽，具有黑色铁锰侵染，夹带灰绿色条带以及零星姜石，部分姜石含量较大，该层2.8-8m，平均厚度5.37m，属于中等压缩性土；该层粉质粘土的天然孔隙比e＝0.666，重度γ＝20.7kN/m3，压缩模量E＝7.7MPa，粘聚力C＝19.2kPa，内摩擦角ф＝7.9°,承载力特征值f＝225kPa

第6层，粉质粘土：黄褐色，可塑-硬塑，韧性中等，切面稍具光泽，具黑色铁锰侵染，夹灰绿色条带以及零星姜石，局部姜石含量较大。该层厚度为4.4-12.5m，平均厚度7.33m，压缩系数a-z平均值为0.18MPa，属中等压缩性土；该层粉质粘土的天然孔隙比e＝0.583，重度r＝20.1kN/m，液性指数I＝0.06，塑性指数Ip＝14.7，压缩模量E＝8.7MPa，粘聚力C＝38.4kPa，内摩擦角φ＝9.8°，承载力特征值f＝280kPa。

第7层，砾石土：黄褐色，饱和，密实，级配差，磨圆度中等，上部砾石间充填物多为粗细砂，下部为混砂粒粉质粘土。该层厚度为4.5-10.0m，平均厚度7.33m，该层砾石土重度y＝18.0kN/m3，内摩擦角φ＝25.0°，承载力特征值f＝300kPa。

第8层，卵石土：黄褐色-红褐色，饱和，密实，粒径多为3-8cm级配较好，磨圆度中等，含量50％-60％，充填物为混砂粒粉质粘土，含有大量小砾石，该层厚度为2.5-9.4m，平均厚度6.20m，该层内摩擦角φ＝35.0°，承载力特征值f＝400kPa。

第9层，粉质粘土：黄褐色夹灰绿色条带，硬塑，韧性、干强度较高，切面较光滑，含少量姜石，偶见卵石，具铁锰侵染，该层厚度为10.5-16.4m，平均厚度13.38m，中等压缩性土，该层粉质粘土的天然孔隙比p＝0.555，重度γ＝20.9kN/m3，压缩模量E＝13.1MPa，内摩擦角φ＝9.5°，粘聚力C＝25.9kPa，承载力特征值f＝300kPa。

第10层，粉质粘土：红褐色,局部灰褐色,夹较多灰绿色条带,硬塑一坚硬，韧性、干强度较高，切面较光滑，含较多卵砾石夹层，且卵砾石层薄厚不一，分布不规律，具铁锰质浸染，该层厚度为11.0-18.0m，平均厚度14.9m，有两层，中等压缩性土。该层粉质粘土的天然孔隙比e＝0.588，重度γ＝20.6kN/m3，压缩模量E＝12.1MPa，内摩擦角φ＝8.5°，粘聚力C＝25.6kPa，承载力特征值f＝310kPa。

在获取到钻孔数据后，提取出钻孔内各地层界面的空间位置信息，将各地层界面的空间位置信息作为原始数据点(x,y,z)，并采用板块尺度三维地质模型构建方法对该地区的三维地质模型进行构建。

第一步，通过钻孔内各地层界面的空间位置信息，生成3D模型，3D模型通过钻孔数据中的各层的高度绘制边缘连接曲线，并形成3D模型，绘制边缘连接曲线的过程包括：

假设钻孔点为x_i(i＝1,2,3,......,n)，则Q(x_i)(i＝1,2,3,......,n)为该层的钻孔点数据，在x₀处的数据变化量的计算过程如下：

其中λ为估算误差；

如图3，若K1和K6对第3层的采样空间位置分别为5m和10m，估算误差为0.2，可以计算出在中心点位置上高度是6m。

第二步，在生成的3D模型计算出各切面(基坑所在切面)的位置受到的板块流动系数以及地震加速度带来的流动压力最大值，其中板块流动系数根据不同地层地质存在不同的值，地震加速度根据当地的抗震设防烈度而定。

第三步，综合第一步的边缘连接曲线，对相邻两层的边缘连接曲线进行拟合，其拟合过程如下：

相邻两层的边缘连接曲线分别为：P_i(i＝1,2,3,......,m)和P_j(j＝1,2,3,......,n)，设置两层的连接点为P_(i,j)，构造出两层边缘连接曲线的拟合曲线：

使之与连接点的误差达到最小值；

同时，假定拟合曲线上的点与连接点相同：

其中，d_i和d_j分别是两层的控制点，w_i和w_j分别是两层的参数因子，t_i和t_j分别是两层对应的参数。

进一步的，为了使得误差达到最小值，函数E达到最小，对目标函数E进行线性化处理：

整个曲面的拟合计算过程如下：

最终形成的三维地质模型如图2所示。

最后，在三维地质模型上输入建筑设计数据，包括建筑基坑位置、建筑压力值等，三维地质模型根据建筑基坑位置、建筑压力值在三维地质模型中计算出合适的深度，可以承受建筑压力并且能够抵抗流动最大压力值，值得注意的是，在三维地质模型中，其地质层各层间的沉降距离可能很大，所以在不同位置的基坑位置深度肯定是不同的，计算机可以自动匹配计算出基坑的深度，减少了人工计算的过程，同时也让基坑的深度计算更加精确，有效缩短施工周期。

以上所述实施例仅表达了本发明的相关实际应用的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种板块尺度三维地质模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取地质参数数据，分别建立各地质层的3D模型；

S2、在3D模型中输入地质层的板块流动系数以及地震加速度，同时引入权重参数，计算出各地质层的流动最大压力值；

S3、根据3D模型中各层的边缘连接曲线，通过离散点连接算法将3D模型依次堆叠，形成三维地质模型；

S4、在三维地质模型中输入建筑设计数据，得到基坑的深度；

所述S1中，所述地质参数数据包括钻孔数据，所述3D模型通过钻孔数据中的各层的高度绘制边缘连接曲线，并形成3D模型；

所述绘制边缘连接曲线的过程包括：

假设钻孔点为x_i(i＝1,2,3,......,n)，则Q(x_i)(i＝1,2,3,......,n)为该层的钻孔点数据，在x₀处的数据变化量的计算过程如下：

其中λ为估算误差；

在S2中，板块流动系数根据不同地层地质存在不同的值，地震加速度根据当地的抗震设防烈度而定，且板块流动系数的权重参数随着时间的推移而增加；

所述引入权重参数包括：

设矩阵A为权重的判断矩阵，矩阵A＝a_i＞0；a_i＝1(i＝1,2,3,......,m)，成A为互反矩阵；

若设W为判断A的特征向量，则有：

AW＝β_maxW；

得到矩阵A的最大权重参数β_max；

包括：在S3中，两层的边缘连接曲线分别为：P_i(i＝1,2,3,......,m)和P_j(j＝1,2,3,......,n)，设置两层的连接点为P_(i,j)，构造出两层边缘连接曲线的拟合曲线：

使之与连接点的误差达到最小值；

同时，假定拟合曲线上的点与连接点相同：

其中，d_i和d_j分别是两层的控制点，w_i和w_j分别是两层的参数因子，t_i和t_j分别是两层对应的参数；

为了使得误差达到最小值，函数E达到最小，对目标函数E进行线性化处理：

整个曲面的拟合计算过程如下：

2.根据权利要求1所述的一种板块尺度三维地质模型构建方法，其特征在于：在S4中，所述的建筑数据包括：建筑的压力值；

根据建筑的压力值计算基坑最底层所需要承受的压力以及各地质层最大流动压力，通过对压力值的判断，以及各个地质层的不均匀高度的分布，确认基坑设置的高度。

3.一种板块尺度三维地质模型构建系统，其特征在于，应用于权利要求1或2所述的一种板块尺度三维地质模型构建方法，所述三维地质模型构建系统包括：

获取模块：获取地质参数数据；

绘制模块：根据钻孔信息，分别绘制各地质层边缘连接曲线，进一步绘制各层的3D模型；

生成模块：根据3D模型中各层的边缘连接曲线，通过离散点连接算法将3D模型依次堆叠，形成三维地质模型；

第一计算模块：在3D模型中输入地质层的板块流动系数以及地震加速度，同时引入权重参数，计算出各地质层的流动最大压力值；

第二计算模块：在三维地质模型中输入建筑设计数据，计算得到基坑的深度。