耦合多源数据的工程地质剖面解析方法

工程地质图是综合了工程地质测绘、勘探、试验和解译分析等多项工作成果,结合工程建筑需要全面反映地区工程地质条件,并进行综合评价分析的图形数据成果。水利水电工程地质图主要包括工程区域地质平面图、横纵剖面图(包括沿各建筑物轴线的剖面图)和不同高程的平切图等。本书提出的耦合上述多源数据的工程地质图解释和绘制方法,并引入平衡剖面技术对其进行校核检验,最后进行三维数字化处理,为三维地质建模提供了最主要的基础数据。

4.3.4.1　多源地质数据耦合与剖面解释

综合前述地质数据和结构的解译分析可知,反映工程地质条件的数据多种多样,如地形等高线、钻孔、平硐、实测剖面、遥感图像解译图、地层柱状图、区域地质图、构造地质图等。由于一些复杂且不确定的地质现象的存在,使得这些地质数据不能完全统一地反映实际地质条件,需要进行耦合处理分析,形成一致的解释结果。

根据这些不同数据的数据类型和使用方式,可分为两大类数据:

(1)直接可用数据。包括钻孔、平硐及其相关属性数据。这是通过地质勘探得到的原始采样数据,精度很高,利用MS Excel、MS Acess或SQL等数据库进行存储管理后,可直接用于剖面解译和三维地质建模系统中。

(2)间接图形数据。由不同分辨率不同精度的图形组成,既包含分析处理过的原始信息,如三维地形、钻孔柱状图、平硐展示图、实测剖面等,也包括解译分析得到的数据,如通过地质点、遥感图像解译获得的地层界线、断层、褶皱等构造迹线,以及地层柱状图、构造地质图等。这类数据一般利用AutoCAD平台进行二维存储,需要进行耦合统一分析,并进行三维处理才能用于三维地质建模。

地质建模的一个主要难点是获得的地质数据多样性引起的,为了全面利用这些不同类型和质量的地质数据,并保持这些数据在模型中的一致性,首先结合工程实际,通过地质剖面统一解释和制作来完成其耦合,但在三维地质建模环境中直接耦合是难以做到的,而且原始的采样数据往往过于分散,不能直接通过插值和外推来有效地描述地质结构的产状和形态。因此,提供足够的剖面解释对于认识工程条件和三维建模来说都很有必要。

在传统剖面形成的基础上,提出改进的耦合多源地质数据的地质剖面解释和制作方法如下:

(1)将综合反映了工程区域地质测绘、勘探和分析成果而绘制的工程地质平面图数字化处理,主要包含地形等高线、地表出露的岩层界线和构造轮廓线(断层、褶皱等),以及勘探数据分布,如图4.5所示。

(2)结合工程需要在平面图上交互定义剖面位置,如图4.5中的Ⅰ—Ⅰ′剖面线。

(3)确定剖面位置后,考虑一定的距离s(0≤s≤r,r定义为研究区域内剖面的缓冲半径)和权重w,选择该位置附近的钻孔和平硐,s越小,w越大,即有s=0,w=1;s=r,w=0。以钻孔为例,见图4.5,取r=100m,此范围内钻孔个数N=8,与剖面线的平均距离=0.5m,平均权重=0.995。

(4)在平面图的基础上,结合岩层剖面分析图和构造地质图,分别计算剖切面与地形面、岩层界面和断层迹线之间的交点,得到点集Pt、Ps和Pf,连接各点集中的点即可形成相应的地形线、岩层界线和断层线。

(5)自动导入钻孔、平硐数据并分析各地质结构产状,对上一步得到的结果进行调整修改,使之与实际数据完全吻合;并采用样条曲线技术对每条界线进行滑顺处理,最终结果如图4.5所示。

该方法基于表格数据、图形数据和相关的地质信息,能够半自动化地完成剖面定义和制作,并提供更为简便和准确的分析手段。采用该方法可形成一系列工程所需要的地质横、纵剖面和轴线剖面图,运用同样的方法在确定的高程下对这些剖面图进行平切求交,可获得不同高程下向深部推断分析的地质平切图,亦为三维地质建模提供依据。

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图4.5　耦合多源数据的工程地质剖面解释

4.3.4.2　平衡地质剖面的生成

平衡剖面技术最早形成和运用于石油地质勘探中,目前已成为检测地质构造解释是否正确合理的标准方法。然而该技术在水利水电工程地质分析中却未受到应有的重视,下面简要阐述其基本原理和值得借鉴的地方,并用于工程地质剖面校核与修正中,使之更为客观、准确。

平衡剖面可定义为构造上可恢复的合理剖面,包括两方面的含义:①变形剖面必须与地面、钻孔、平硐等反映的构造相符合;②剖面上各种构造的形成机制和过程符合对岩石变形的最新认识。若真正理解了剖面上的构造是如何形成的,则应该能将剖面复原,当岩层长度或剖面面积在变形和未变形两种状态下相等时,剖面是平衡的;若不相等,且又无法解释,则剖面就是不平衡的。这是平衡剖面技术的主要思想。平衡是一个基本过程和模式,一个不平衡的剖面其地质构造解释肯定是错误的,平衡的剖面也不一定正确,但它能够满足大量合理的限制条件,更接近于真实状态。平衡地质剖面的检验原则是变形前后岩层的体积、面积、长度三者守恒和各标志层长度一致。

基于上面所形成的解释剖面,用恢复法平衡该地质剖面的操作步骤如下:

(1)在解释剖面中选取锁定线pl(无层间滑动处),其位置的好坏直接影响平衡的质量。锁定线是指被设在剖面内用以平衡线条长度或面积的理想化参考线,一般应设定一条区域性锁定线和若干条局部锁定线。

(2)在选定的锁定线基础上,按选用的平衡方法(如面积平衡法、长度平衡法等),将变形恢复到原始未变形状态(通常为水平状态)。在此过程中需给出岩层的原始厚度,可用相邻未变形地区的岩层厚度表示。

(3)进行平衡判断。若恢复剖面与变形剖面满足相应的检验条件,则上述解释剖面是平衡的,否则需要修正或加以解释。一般有下列两种情况导致岩层长度不相等:①沉积物是在构造运动以后沉积的;②沉积作用与构造变形同期。这两种情况下后继的年轻地层都会比早先的沉积层长,此时只要给出合理的解释,则剖面仍然是平衡的。

由此可知,为使剖面平衡,必须根据尽可能充足的资料进行综合分析,建立接近真实的构造模型,然后进行各项检验,在不能满足检验原则的情况下,应给出合理的解释,推断出实际的深部构造。该技术不仅是检验解释剖面是否符合实际的一个重要方法,而且也是构造分析的一种先进的地质思维方式,值得在水利水电工程区域地质构造复杂的区域推广使用。

4.3.4.3　剖面数据分层与三维处理

耦合多源数据完成各种剖面图的分析制作后,需要将所有剖面中的各类岩层界线、构造界线等按照统一的“层(Layer)”进行分层归类,这可利用笔者在AutoCAD中编制的程序,通过图层筛选和改变功能很方便地处理,然后根据剖面所在的实际位置坐标或平切高程对剖面进行三维转换,这也可以在AutoCAD中读取预先定义好的坐标或高程数据文件直接进行,在剖面较多的情况下可大大提高效率。

最后,将所有的空间剖面进行汇总,形成一个总的数据集合Ω,其中包含了各岩层界线集合{S1,S2,S3,…,Sn}(n为岩层数)、断层线集合{{f1u,f1d},{f2u,f2d},…,{fmu,fmd}}(m为断层数)和钻孔点集合{p1,p2,p3,…,pn}等,见图4.6给出的形象示意图,图中①～⑤表示地层,ZK05～ZK11表示钻孔编号。对这些三维数据的空间耦合也是一项重要的任务,仔细检查三维空间中同一层下的横剖面、纵剖面、平切图和钻孔等的线对象、点对象是否相交一致,保证无误后即可将其统一存储并导入三维建模环境中,供地质建模使用。

图4.6　三维剖面分层数据集合示意图