黄登水电站坝基开挖面三维地质展示的创新应用

张万奎，徐典政

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

黄登水电站坝址区河谷狭窄，呈“V”字形，两岸岸坡地形不完整，冲沟发育，山坡陡峻。大坝左、右岸坝基开挖边坡(含缆机边坡)高度均超过400 m，坝基及边坡范围大，开挖体形复杂。现场施工地质工作中，要求对工程边坡及大坝坝基开挖面随开挖进行施工地质编录，详细记录揭示的地质信息，绘制开挖面地质展示图及平面图，检验、修正前期工程地质勘察结论，为边坡及坝基工程地质条件评价提供第一手资料，并为坝基开挖优化及建基面验收提供依据。

1 传统地质展示存在的问题

黄登水电站大坝坝基开挖边坡坡度较陡，局部直立，坝基及坝肩边坡开挖面体形复杂，转折、弧形斜边坡较多。按照DL/T 5109—1999《水电水利工程施工地质规程》要求，地质编录实施过程中，存在以下几方面缺点：

(1)现场地质编录前，需要在室内按照开挖边坡体形用米格纸绘制各段边坡展示图，转折、弧形部位以弯道展开原理进行绘制。由于黄登水电站坝基及坝肩边坡开挖面体形复杂，需要进行大量的换算绘制工作，准备工作量大，工作效率低。

(2)受开挖面转折及弧形转弯影响，室内展示图准备时，在米格纸上桩号标示均为异形；现场收资时，在展示图上亦不便准确定位，桩号及位置均可能存在一定的误差。

(3)现场编录过程中，各变化部位坡面展开后编录图相对独立，不同坡面地质信息编录存在误差，成图后不连续，多数不能拼接成为整体，直观性差，不利于地质信息的分析判断和预测预报。

(4)开挖面地质展示图绘制后，不能直接投影为工程地质平面图，需要从头单独绘制，工作量大，且手工投影后存在误差。

2 开挖面三维地质展示的应用

2.1 应用思路

人类社会的发展已经进入了信息化的时代，为更好地利用资源，对人类所处的环境进行真三维的计算机模拟是人类渴望达到的目标。对于地质三维模型的应用，国内外最早在地矿、石油分析领域发展较好。近年来，水利水电行业地质三维模型的快速发展也有目共睹，已基本实现了地质信息模拟和自动切剖面功能，并在寻求与设计专业的无缝融合。由此，坝基及边坡开挖面作为地质专业与设计专业的一个界面，应该在三维地质模型中有所体现，并同等发展。

经过尝试，应用AutodeskCivil 3D软件的曲面功能及其对象能够多角度显示并动态关联的特性，可以实现对开挖面三维地质展示及原始地形模拟的目的，通过与三维地质专业软件的转换，也可为后期的三维地质实体模型的建立提供基础。

2.2 三维地质展示图绘制

(1)开挖面的三维面生成。依据开挖平面布置图，采用AutodeskCivil 3D软件建立三维坐标系，使用3Dface命令对开挖面的轮廓线赋值，建立三维面[1]，对三维面赋予不同的材质，用于后期颜色填充，可满足不同的三维显示效果。此时，使用“受约束的动态观察”模式动态观察模型，便能够在图形中以不同的角度和方向查看和验证开挖面的三维效果。

(2)桩号、桩号线及马道高程的标示。在WCS的平面视图里，依据坝轴线0+0.00桩号线，用3Dpoly绘制其他桩号线。绘制时，桩号线需要与开挖线都有交点，以便节点位置能自动捕捉坐标及高程值。绘制后，开挖面与桩号线能实现动态关联性，在三维视图下，可从不同的视角真实反映桩号线的走向，能灵活适应现场施工地质的编录要求。桩号线绘制完成后，可根据需要，建立局部坐标系标注桩号。同样的方法，在每一级需要标注高程的马道平面内建立局部坐标系，即可在该坐标系约束的平面内进行高程标注。

(3)现场地质编录。开挖面及桩号三维模拟完成后，所绘制的图件已基本可作为施工地质的编录底图。根据施工现场的开挖情况，打开已绘制好的图，调整视图模式为绕模型，进行受约束的动态观察，把视角移至需编录的某一级边坡的法线方向，按一定的打印比例尺，采用A3纸出图。如果附近开挖面已完成地质编录，此时还可打印一份扩大范围的图纸，以便于能够从整体以及局部对整个开挖面地质结构的点、线、面等要素出露位置进行定位。对于弧形斜边坡、桩号线走向与边坡平行的部位，可在三维地质展示图上相应部位按照实际边坡长度进行局部桩号划定，现场使用皮尺丈量，结合大坝桩号线，能很好地对地质结构的点、线、面等要素出露位置进行定位。

(4)收资图件清绘。依据现场的收资图件，对现场的编录资料进行电子化。在需要绘制的开挖面建立局部坐标系，局部扭面可分割成2个共边三角形后建立局部坐标系。地质结构的点、线、面等要素的编辑时，一般采用局部坐标系约束下的二维多段线编辑，不需要地质线形显示的线条，可用三维多段线编辑。与二维多段线相比较，三维多段线命令没有弧线及宽度的选项，即不能绘制弧线及设置宽度，除了颜色可选之外，线形也只能使用连续线形，故各地质要素只能用二维多段线来绘制，绘制完成后，再赋予特定的地质线形。

(5)颜色填充。开挖面的三维地质展示图基本绘制完成后，可根据不同的需要建立不同的颜色填充图层。通过建立合理的图层管理，能够根据不同需要，对三维地质展示图进行选择性显示。坝基岩体类别可作为评价岩体质量的一个依据，依据现场的岩体类别分区，可用不同颜色的三维面材质表示岩体类别范围，在三维模式下，可以形象直观地了解开挖面的各类岩体的分布范围。颜色填充之前，需对充填范围进行编辑，不需要建立局部坐标系，可直接用封闭的三维多段线生成三角网曲面，再对三角网曲面指定相应的材质，也可对曲面进行贴图，充填后可以获得较好的三维效果。

2.3 三维地形的建模

使用AutodeskCivil 3D软件的曲面功能，能较为精确地模拟真实的地形，配合开挖面的三维显示，能得到较为逼真的开挖效果图。曲面的生成支持各种数据源，包括原始测量数据、地形特征线、等高线等，还可直接使用带有高程CAD点、线、块、文字等对象。生成的曲面在平面视图和三维视图可分别按不同的显示形式显示，如平面视图显示为等高线图，三维视图显示为带颜色的曲面。

黄登水电站实践应用中，采用地形等高线生成三角网地形曲面，完成后更改曲面样式，按需要等高距间隔生成曲面等高线，并添加计曲线标签。地形曲面生成后，需要把坝基、坝肩开挖面准确放置到相应的地形曲面位置上，此时需在平面视图显示模式下编辑，可采用平面视图下的修剪命令或用AutodeskCivil 3D的放坡功能完成[2]，如采用平面视图下的修剪命令进行开挖面与地形面的交会，重点是需要对开挖布置图上的标示坐标进行位置配准。地形曲面与开挖面的交会完成后，再通过对地形曲面的贴图以及对开挖面三维面指定编辑好的材质，就能完成一幅实用且美观的三维地质展示图。贴图可选用google卫星影像图、开挖面基岩以及现场工区原始地貌照片，更能增强贴图区域的真实性。

三维地形模型建立完成后，即可在三维模式下对坝基(边坡)地质编录成果以及开挖效果图等进行直观、全面地展示。黄登水电站坝基开挖面三维地质展示效果见图1。在二维线框视觉样式的俯视视图模式下，将地形曲面在平面上按照等高线形式显示，就能把三维地质展示图转换为二维平面地质图，见图2。

图1 坝基开挖面三维地质展示

图2 坝基开挖面二维地质展示

3 开挖面三维地质展示的优势及展望

3.1 优势

开挖面三维地质展示图具有全面、直观、整体性强等特征，与通常使用的二维地质展示图比较，具有以下优势：

(1)使用预先准备的开挖面三维图，可以紧密结合实际开挖情况，快捷地准备施工地质编录底图，且精度、灵活性皆较高。现场施工地质编录过程中，可以更全面、连续、准确地编录地质界线。

(2)开挖面局部与整体编录底图的配合使用，能够满足编录的详细性要求，同时可从整体上把握各个范围较大、延伸较远的地质要素的出露位置；对体形复杂的开挖面，也能轻松消除接图误差。不仅可以方便指导现场施工地质编录，还可以通过现场开挖揭露情况检验前期勘察成果，并有利于开展未开挖部位的地质预测、预报工作。

(3)基于AutodeskCivil 3D软件绘制开挖面三维地质展示图，可以同时获得开挖面三维地质展示图、开挖面工程地质图、三维开挖效果图及坝基(边坡)岩体质量分区图等，且各图纸之间动态关联，修改方便，提高了工作效率。

(4)使用三维浏览器，可以根据需要从不同角度真实、全面地查看每个部位的地质内容，具有很强的实用性。

(5)基于AutodeskCivil 3D软件绘制开挖面三维地质展示图，建模较快，熟悉AutoCAD使用的人能很快上手，推广容易。

3.2 展望

应用AutodeskCivil 3D软件绘制黄登水电站坝基开挖面三维地质展示图取得了很好的效果，但同时也可以看到，本文所涉及的内容仅仅是对开挖面地质内容的展示。基于目前的认识，笔者认为，可从以下2个方面对三维地质展示的应用进行深化研究：

(1)基于AutodeskCivil 3D软件绘制三维地质展示图可直接利用原有CAD对象数据，数据兼容性较好，可方便地结合其他相关区域前期二维平面地质图使用。因此，水电工程枢纽区工程地质图可直接在三维地形模型上绘制三维地质界线，形成三维工程地质图。

(2)考虑到AutodeskCivil 3D软件可以与目前主流的三维地质建模软件兼容，而三维工程地质图仅是地表地质信息的展示，因此，基于地表工程地质图及勘探资料进行三维地质模型的创建，可以获得水电工程详细、全面的三维工程地质图。

4 结 语

黄登水电站坝址区河谷狭窄，山坡陡峻，大坝坝基及其边坡开挖高度大，体形复杂，应用传统的开挖面地质展示绘图方法，工作量大，工作效率低，准确性差。基于AutodeskCivil 3D软件绘制本工程坝基开挖面三维地质展示图，全面、直观地展示了大坝坝基开挖面的地质内容，提高了工作效率，达到了理想的效果。水电工程枢纽区工程地质图可以直接在三维地形模型上绘制三维地质界线，进而进行三维地质模型的创建，可以获得水电工程详细、全面的三维工程地质图。