水利水电工程地质三维建模与分析理论及实践成果

该类型方法主要思路是从三维地质建模问题中提炼相应的数学问题,试图利用数学方法建立起该问题的数学模型,进而重构整体区域的三维地质模型。主要方法有以下两类:

(1)狭义的数学地质方法。这一理论方法是由苏联数学地质学家Vistelius(1989)最早提出的,采用常规的数学地质理论和方法来研究,认为建立三维地质数字模型应按以下四个步骤进行:①在野外地质勘测和室内地质资料分析的基础上,建立研究区域的地质概念模型;②根据所建立的地质概念模型构建反映地质体变化规律的数学模型,选择合适的数学方法;③利用建立的数学模型和选择的数学方法编制计算机程序,结合具体研究资料和数据进行处理;④对计算结果进行地质解释和应用,并在合理的外延区间内进行外推预测。

由于地质体的形态变化非常复杂,难于用定量的数学规律描述,无法建立数学模型,因此按照该方法对工程地质进行三维建模的工作很少,只能够适用于地质结构简单、形态较规则的情况。如张菊明(1996)建立了单值曲面、空间平面和多值曲面拟合函数来模拟地质体的各种信息,并应用于三峡船闸边坡工程地质信息三维可视化。然而,该方法的提出首先对地质面作了一些假设,而且所应用的区域很小。此类方法不适用于水利水电工程大区域地质三维建模与分析。(www.xing528.com)

(2)泛权算法。该方法由北京勘察设计研究院陈树铭(2002)提出。他将三维地质建模抽象为一个核心数学问题,即如何从已知边界条件(有限个已知属性的无穷子空间)反演整个母空间(待求未知空间)的属性,从而超越现有由有限个离散点的属性来分析、反演母空间属性的算法。为此,陈树铭综合模糊理论、概率理论、随机理论、神经网络的核心思想,构造了泛信数学空间,提出了泛权算法理论从有限个已知属性的无穷子空间反演整个母空间属性,试图直接利用已知地质钻孔等原始勘探数据通过该数学方法解决任何复杂的三维地质重构问题。

该方法较之狭义的数学地质方法更为具体,已应用于北京市工程地质三维数字化研究,为多项工程提供了岩土工程勘察地层分析。该方法理论性较强,在城市地质中获得了较好的应用。由于在水利水电工程区域,复杂形态的地表地貌、地质构造以及河流的存在等使得从有限离散的钻孔数据无法直接通过建立求解数学函数来反演整个区域的地质空间属性,因此难以在水利水电工程地质建模中实现。