水利水电工程地质勘察可视化关键技术研究及其工程应用

段建肖,廖立兵,肖　鹏,肖云华,康双双,张　熊

[长江三峡勘测研究院有限公司(武汉),武汉　430074]

摘　要：随着西部大开发战略的深入实施,我国水利水电工程建设多集中于西部高山峡谷区,“难接近、摸不着、看不到”是地质勘察的技术屏障。本文围绕水利水电工程地质勘察可视化关键技术的研发,总结出了一套集可视化数据采集、视频交互与远程专家诊断、三维地质建模与成果信息管理“三位一体”的工程地质勘察可视化工作系统,实现了地质勘察全过程可视化,具有操作简单,速度更快、精度更高、表达更直观且能实时互动等特点,解决了工程地质勘察的技术难题,提高了勘察精度和成果质量。该技术已在三峡工程、乌东德水电站等重大水利水电工程中实际应用,取得了显著的社会、经济和环境效益,具有广阔的应用前景。

关键词：水利水电工程；地质BIM建模；多专业三维协同设计；GOCAD三维地质建模

作者简介：段建肖,女,1970年9月出生,高级工程师,主要从事水利水电工程地质与计算机应用方面的研究,duanjianxiao@cjwsjy.com.cn

1　引言

随着西部大开发战略的深入实施,我国水利水电工程多集中于西南高山峡谷区。西南地区河床覆盖层厚度经常达数十米至超百米,深厚松散层勘察仍存在“难钻进、取不出、看不见”的技术困境；高山峡谷地区多为悬崖陡壁、倒坡,高陡边坡勘察仍存在“难接近、摸不着、看不到”的技术屏障；同时,时代发展也要求地质勘察“速度更快、精度更高、质量更优”。随着相关领域新技术的蓬勃发展,可视化技术为解决上述难题提供了一种新途径。目前广泛采用钻孔彩电、卫片、航片、近距离三维激光扫描、甚至无人机等可视化技术解决“看不见、摸不着”的问题,并取得了一定的效果。但是,仍存在一些关键技术难题亟待突破。

长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)围绕水利水电工程地质勘察可视化关键技术进行了长达20年的深入研究,发明了涵盖工程地质勘察内、外业的新技术、新方法,形成了一套集数据采集、视频交互与远程专家诊断、三维地质建模与成果信息管理“三位一体”的工程地质勘察可视化工作系统。

2　水利水电工程地质勘察可视化关键技术问题

水利水电工程地质勘察是工程规划、设计及施工最重要的基础工作,对工程决策、建设和运行起着至关重要的作用,尤其是工程地质条件复杂的地区,深厚覆盖层、高陡边坡和大型地下洞室是直接关系工程决策和工程安危的三大关键技术难题。随着相关领域新技术的蓬勃发展,可视化技术为解决上述难题提供了一种新途径。国内外均有不少勘察可视化成果问世,但仍存在以下几个方面的关键技术问题：

(1)地质勘探中,一般采用钻探获取岩芯来获得较准确的地下地质资料,但一般岩芯获得率都达不到100%,钻孔电视可有效地获得地下地质信息,甚至比取芯更重要,特别是取芯较差的地方。但目前钻孔电视有两大难题未突破：一是在深厚覆盖层、软弱岩体和岩石破碎的地段无法做钻孔电视,如乌东德坝址河床深厚覆盖层厚度达55～80m；二是“难钻进、取不出、看不见”的技术难题无法克服,继而根本无法查明其工程地质条件。

(2)常规工程地质测绘野外收集的信息主要是文字描述和线条表达,极易遗漏关键地质信息,效率低,人员投入多。对此,国内外均研发了不少可视化测绘系统,但都存在GPS定位、航片、卫片与地形图融合的技术难题,且数据采集的成果仍需必要的室内整理,工作效率和成果精度仍有待进一步提高,特别是高陡边坡的地质测绘,高陡部位人难接近、摸不着、看不到,现有测绘系统根本无法开展工作。

(3)常规地质编录工作具有精度低、开挖面不可再现、人为选择性过滤重要地质信息等特点,这极易遗漏重要地质信息。对此,基于数字摄影测量的地质编录已大量应用,对三峡工程、乌东德水电站这样的大型地下主厂房、超高边坡开挖,仍存在大面积多张高清照片与开挖面坐标信息有机融合的技术难题,无法全面再现开挖现场,数据采集的成果仍需必要的室内整理,工作效率和成果精度仍有待于进一步提高。

(4)形成地质基础数据库目前均较易实现,但地质基础数据库未与三维地质模型、地质成果图件以及与设计之间的接口综合考虑。其关键点就在于没有以三维地质模型为核心来构建地质基础数据库及其成果快速出图。

本文系统研究了水利水电工程地质勘察可视化关键技术及其工程应用,取得了良好效果。

3　水利水电工程地质可视化快速勘察技术研究

水利水电工程地质可视化勘察技术就是从地质原始信息的数据采集到成果管理,通过获取地质对象的图像或视频,用视频或带有尺寸的图像展示工程地质实际,表达工程地质条件,解决工程地质问题。图像或视频能多角度、多尺度、直观展示客观实际；图像和坐标信息融合起来,能显著提高成果精度和工作效率；借助无人机、钻孔电视等技术获取的地质图像或视频开辟了一种难以近观情况下的地质信息采集新途径,如深厚松散层、陡壁、深沟、山顶等无法看到或无法到达的部位。

3.1　总体思路

水利水电工程地质可视化快速勘察技术研发,以工程地质、工程测量与摄影理论为基础,综合应用计算机信息处理、空间测量、摄影、钻孔彩电、无人机、网络视频、GPS、GIS等新技术,研究工程地质勘察新技术、新方法,形成集可视化数据采集、视频交互与远程专家诊断、可视化建模与成果信息管理于一体的工程地质信息化工作系统,提高成果精度和工作效率。技术路线如图1所示。

3.2　可视化数据采集

实现水利水电工程地质勘察可视化,首要任务是将外业采集数据以直观完整的方式直接输入电脑,以使各层级的专家无论何时何地都可以快速获得直观、完整及信息毫无遗漏的原始地质信息,准确地进行工程地质分析、判断。

3.2.1　工程地质测绘

发明了“基于Windows的便携平板式工程地质测绘工作方法”[1](图2),利用Windows系统的便携平板电脑,开发软件,可自动加载地形图、航片、卫片等背景图或者无人机(UAV)拍摄的带有坐标信息的高清照片,结合GPS实测地质点经纬度和海拔数据并换算为直角坐标,现场勾绘CAD地质图,直接记录地质信息,高质量完成带有清晰影像的CAD地质平面图,解决了地质测绘中GPS定位、航片、卫片与地形图有机融合的技术难题,解决了人难接近、摸不着、看不到的边坡高陡部位的地质测绘难题,实现了野外现场高效一次性完成带有清晰影像的CAD地质平面图,并真正大规模用于生产实践。

对于地质人员无法到达的高山峡谷、高陡边坡,悬崖陡壁、倒坡、植被茂密或冰雪覆盖,又或上方有落石、塌方或雪崩等危险源存在的区域,运用无人机抵近拍照,在Smart3D软件中快速构建地表三维实景模型,可获取近观的最细部的地表地貌特征,从而在真实、清晰的三维实景模型上进行工程地质勘察工作,可提取产状相关的点的坐标和高程计算地质产状,识别地质体边界,根据长大节理面、构造面以及地表裂缝等产状信息推测其空间走向及展布情况等。在微观分析方面,解决了去不了的难题,且成果直观、立体。

3.2.2　深厚覆盖层可视化探测

发明了“深厚松散层的可视化探测方法”专利技术[2],打破以往为护壁而护壁的思路,拓展护壁材料的功能,将护壁材料换成高透明性PMMA管,一方面将其作为钻孔护壁器,有效地解决了深厚松散层在钻探过程中的塌孔问题；另一方面又利用其透明性实施高清钻孔电视,真实、直观地了解松散层的物质组成和结构特性,从而实现深厚松散层工程地质勘察的可视化,解决了深厚松散层不能做钻孔电视的技术难题。结合常规性钻孔编录资料,完整获得数字钻孔信息,如图3所示。

3.2.3　快速可视化地质编录

发明了“大型洞室仪测成像可视化地质编录方法”[3]和“基于Windows的平板式施工地质可视化快速编录方法”[4],开发了水利水电工程地质编录系统,在施工地质编录时,人工拍摄开挖面照片,或采用旋翼无人机(UAV)抵近拍照,通过实测控制点坐标,校正每幅图片中已明确标示的激光控制点并定点拼接多张照片,利用拼接图片进行现场编录,解决了地质编录中现场大面积多张照片与开挖面坐标信息有机融合的技术难题,提高了自动化程度,实现了一次性快速生成CAD地质高清线划影像图,可全面再现大洞室、高边坡开挖所揭露的地质现象,真正大规模用于生产实践中,如图4所示。

3.3　可视化快速BIM地质建模与成果信息管理

引入GOCAD三维地质建模软件并进行二次开发研究,开发以三维地质模型为核心的数据转换、数据管理及成果图绘制等软件,实现了基于GOCAD可视化工作系统的地质信息数据库快速构建及工程地质剖面图快速制图,如图5所示。

3.4　视频交互远程专家诊断

采用可视化快速勘察技术,实现了各勘察阶段勘察过程和勘察资料的可视化,原始信息资料的可视化大大提高了远程专家诊断的便捷性和可能性。采用可视化快速工程地质测绘、可视化勘探、可视化快速编录、自动化监测等新技术获得有地质细部特征的现场地质细观信息,通过Internet网络实时传送到后方,进行统计、分析、三维地质建模等工作,可实时与专家交互,实现远程专家分析判断,如图6所示。

4　工程应用实例

4.1　三峡工程(三峡地下电站主厂房可视化地质编录)

应用大型洞室仪测成像可视化地质编录技术,成功地在三峡水利枢地下电站主厂房、变顶高尾水洞等特大型洞室进行了快速施工地质编录和综合利用。由于每张照片都有测量坐标控制,最终成果可拼接形成完整的建筑物壁面影像图。以主厂房为例,长311.3m、顶拱跨度32.6m的主厂房顶拱及上、下游壁面可用一幅完整的影像图展示出来(图7)。该图真实、客观地再现了开挖面所揭露的地质现象,且具有标准比例,图中每点通过相应换算都有与之对应的三维坐标,是一幅具有较高精度的数字化地质图,可在图上进行综合性的地质观察和研究工作,如不利稳定块体的搜索及分析、断层起伏度研究、结构面的规模、产状、密度、排列及微观特征研究、岩体结构和围岩类型的划分和统计等,同时高清图像也为研究成果及结论提供了直观有力的佐证。

4.2　乌东德水电站

乌东德水电站是金沙江下游河段(攀枝花市至宜宾市)四个水电梯级——乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝中的最上游梯级。水电站上距攀枝花市213.9km,下距白鹤滩水电站182.5km,与昆明、成都的直线距离分别为125km和470km,与武汉、上海的直线距离分别为1250km和1950km。

4.2.1　坝址区深厚覆盖层可视化探测

乌东德水电站坝址区河床覆盖层深厚,一般厚达55～69m；其物质组成有河流冲积成因的砾、砂、卵石及少量漂石,两岸崩塌入江的块碎石及金坪子滑坡堆积形成的碎块石等,成分混杂,成因及工程特性等复杂。在乌东德水电站地勘钻探工作中,采用可视化探测技术,完成钻孔高清录像解译6761.81m/63孔,取得河床覆盖层清晰直观的彩色图像资料(图8)；钻孔电视不仅仅是看清楚,通过高清图片结合现场解译出颗粒级配,实测密度,室内复原原始级配,模拟土体做各种力学试验,意义重大,攻克了厚覆盖层中钻进、取芯、取原状样技术难题,为深基坑、高围堰、深防渗墙设计、施工等提供了高质量的地质资料,同时节约了施工工期,也节约了工程投资。

4.2.2　坝址区可视化地质测绘

应用“基于Windows的便携平板式工程地质测绘工作方法”在乌东德坝址区进行工程地质外业测绘,利用自主开发的工程地质测绘软件,采用便携式平板电脑,可直接在绘图软件上将影像图、地形图有机融合,并以影像图、地形图为背景,直接将实测地质点在图上标注,并现场绘制地质图,提高了勘察精度；有效地实现野外地质数据采集、现场检验和数据向AutoCAD、GOCAD的传输工作,现场一次性生成带有清晰影像的CAD地质平面图,不需要重复录入数据,减少大量内业工作量,节约测绘现场与数据中心基地往复时间与次数,在野外地质现场即可完成所有工作,提高了勘察工作效率。

4.2.3　坝址区BIM地质建模

结合GOACD及CATIA软件,从预可研阶段开始,建立地质信息数据库,以勘探钻孔、平洞及平剖面图等地质资料为依据,构建准确的坝址区GOCAD三维地质模型,并及时转为CATIA格式(图9),供其他设计专业协同设计；基于GOCAD进行二次开发,快速剖切各种地质剖面图,及时为设计提供准确可靠的地质依据,并且大大提高工作效率。

4.2.4　大坝高边坡开挖快速可视化地质编录

应用基于Windows的平板式施工地质可视化快速编录方法,大坝建基面地质编录1万余平方米(1:100)。大坝所在部位高边坡开挖从1160～718m,历时19个月,实施UAV近距离拍照289架次,获取照片近1.7万张,建立完整的乌东德大坝建基面三维影像模型(图10),不仅快速精确地完成了高边坡和大型地下洞室编录,取得了可靠、准确的地质外业数据,同时还节约了施工工期,也节约了工程投资,工程意义非常重大,社会效益和经济效益不容估量。

三维影像模型可反复、多角度、可追溯观察分析,弥补了传统方式在大坝浇筑后无法再对建基面进行深入研究的遗憾。乌东德大坝建基面由1.7万张高清图片合成真实、完整、高清晰三维影像,应属世界首例。

5　结语

本文围绕水利水电工程地质勘察可视化关键技术的研发,总结出了一套集数据采集、视频交互与远程专家诊断、三维地质建模与成果信息管理“三位一体”的工程地质勘察可视化工作系统[5],实现了地质勘察全过程可视化,具有操作简单,速度更快、精度更高、表达更直观且能实时互动等特点,不仅解决工程地质勘察的技术难题,提高了数据采集和成果出图的效率,而且提高了勘察成果的质量。该技术已在三峡工程、乌东德水电站等重大水利水电工程中实际应用,取得了显著的社会、经济和环境效益,具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]长江三峡勘测研究院有限公司(武汉).基于Windows的便携平板式工程地质测绘工作方法：中国,ZL 2014 1 0039114.7[P].2015-03-11.

[2]长江三峡勘测研究院有限公司(武汉).深厚松散层的可视化探测方法：中国,ZL 2008 1 0047809.4[P].2010-04-14.

[3]长江三峡勘测研究院有限公司(武汉).大型洞室仪测成像可视化地质编录方法：中国,ZL 2009 1 0273051.0[P].2011-05-11.

[4]长江三峡勘测研究院有限公司(武汉).基于Windows的平板式施工地质可视化快速编录方法：中国,ZL 2014 1 0039112.8[P].2015-04-08.

[5]长江三峡勘测研究院有限公司(武汉).一种工程地质信息化工作系统：中国,ZL 2014 1 0039057.2[P].2015-06-10.