基于ItasCAD三維模型在塊石料場儲量計算中的應用

牛貝貝 姚振國 孫紅義 劉賀

隨著近年來互聯網和云技術的飛速發展，地質工程內外業一體化和遠程協同工作的方式越來越得到地質工作者們的廣泛認可，也為地質工作者的工作提供了諸多便利。ItasCAD 軟件便是基于互聯網和云技術，通過數據庫、三維地質建模與數據處理、應用與成果輸出三大模塊建立的針對巖土地質體的專業性BIM 平臺。它可將外業工作中采集到的各類地質數據存儲于平臺的數據庫中，以數據庫為基礎建立起不僅包含地質體空間幾何形態特征，還包含巖土工程分析和設計所需信息的三維地質模型。通過三維地質模型的建立，可在平臺中實現二維地質圖件的生成、巖土體專題問題的分析、巖土工程設計等應用。而通過三維地質建模來計算天然建筑材料的儲量在工程應用中有著準確、快捷、高效等優勢。下面以某工程塊石料場為例，具體介紹基于ItasCAD 三維地質建模在天然建筑材料儲量計算中的應用及與傳統計算方法的比較。

1 塊石料場概況

某工程石料場位于庫區左岸山體，緊鄰公路，交通便利，距離壩址區直線距離約4 km。塊石料場山體雄厚，地勢沿山脊東南高西北低，山坡坡度一般為10°～30°。經現場地質調查，所選料場范圍東西長約750 m，南北寬約500 m，面積約33萬m2，地面高程240～420 m。

該塊石料場地表多為第四系殘坡積土層和碎石土覆蓋，厚度0.8～6.9 m 不等；部分山坡和坡頂基巖裸露，基巖巖性主要為中新世至上新世的火山角礫巖和玄武巖。經室內試驗成果分析，該塊石料場的火山角礫巖與玄武巖在質量指標上存在較大差異，在儲量計算過程中需對兩種不同巖性的塊石料分別進行計算，以用于不同工程部位的填筑。同時，考慮到不同位置巖性的分布情況及料場開挖的經濟合理性，在儲量計算過程中需明確開挖邊界，料場四周按一定坡比放坡開挖，料場底部采用階梯式開挖。

2 塊石料場三維地質建模

2.1 地表面建模

地表面模型的建立基于地形線（等高線）。地表面模型的精度也取決于地形線（等高線）的測量精度。將所需格式的地形線（等高線）文件導入ItasCAD 軟件，ItasCAD 軟件可識別所有地形線（等高線）的坐標屬性和高程屬性，并可從地形線（等高線）中提取出若干等高點。將在ItasCAD 軟件中新建的一個平面通過點集約束的方式約束至從地形線（等高線）中提取的等高點上，再通過若干次網格加密和離散光滑插值的運算便可完成地表面的建模。

2.2 剝離層底界面建模

剝離層底界面是在塊石料場儲量計算中分離剝離層和有用層的重要界面。與地表面模型的建立基于地形線（等高線）不同，剝離層底界面模型的建立需要基于塊石料場地質剖面圖中的剝離層底界線，剝離層地界面模型的精度取決于剝離層底界線的數量，數量越多，相對精度越高，數量越少，相對精度越低。在剝離層底界面建模之前，需先將料場地質剖面導入ItasCAD 軟件中，然后將每個剖面所對應的料場地質剖面圖文件導入ItasCAD 軟件，通過選擇對應的剖面線和輸入剖面圖起始點的坐標與高程信息可確定剖面圖在三維地質模型中的位置。在剖面圖導入ItasCAD 軟件的過程中，剝離層底界線被同步導入，從剝離層底界線中提取出剝離層底界點，將在ItasCAD 軟件中新建的一個平面通過點集約束的方式約束至從剝離層底界線中提取的點集上，再通過若干次網格加密和離散光滑插值的運算便可完成剝離層底界面的建模。

2.3 巖層底界面建模

由于該塊石料場的火山角礫巖與玄武巖在質量指標上存在較大差異，故在料場儲量計算過程中需將勘探范圍內火山角礫巖與玄武巖的各巖層底界面進行建模。巖層底界面的建模與剝離層底界面的建模過程類似，即通過已導入ItasCAD 軟件中的地質剖面圖，從地質剖面圖中的地質巖層底界線中提取出巖層底界面點，然后即可創建平面并采用點集約束的方式完成各巖層底界面的建模。建成后的巖層底界面的三維模型如圖1 所示。

圖1 某工程塊石料場巖層底界面三維地質模型

2.4 四周開挖面建模

四周開挖面是在塊石料場儲量計算中確定料場開挖邊界的重要分界面，四周開挖面模型的建立基于塊石料場在地表的邊界范圍和四周開挖面的坡比。在四周開挖面建模之前，需先將包含料場邊界范圍的地質平面圖導入ItasCAD 軟件，由于地質平面圖中的料場邊界并不含有高程屬性，故需在ItasCAD 軟件中將料場邊界豎直投影至地表面，這樣就可得到塊石料場在地表的邊界范圍，此邊界范圍根據不同方位和不同開挖方向分成四部分，利用ItasCAD 軟件中的線和產狀命令即可創建四周開挖面的地質模型。

2.5 開挖底界面建模

由于料場底部采用階梯式開挖，開挖底界面不是一個某一高程的水平面，而是由不同高程的水平面和階梯開挖坡面組成的階梯面，這就增加了三維地質建模的難度，但是提高了塊石料場開挖和儲量計算的經濟合理性。開挖底界面的建模也需基于之前導入ItasCAD 軟件中的地質剖面圖，根據地質剖面圖中的開挖底界線的高程位置創建各個不同高程的階梯水平面，根據地質剖面圖中的階梯開挖坡面線和各階梯水平面之間的關系創建階梯開挖坡面，再用面與面的裁剪命令裁剪掉各面中多余的部分即可。建成后的四周開挖面和開挖底界面的三維模型如圖2 所示。

圖2 某工程塊石料場開挖面三維地質模型

2.6 開挖體建模

在所有塊石料場開挖范圍內的面全部建模完成后，可通過各面所包圍成的區域采用面分割的方式創建立方網。在本塊石料場中，立方網將被分割成剝離層區域、玄武巖有用層、火山角礫巖有用層等不同的區域。建成后的開挖體模型如圖3 所示。

圖3 某工程塊石料場開挖體三維地質模型

3 三維地質模型儲量計算

在已建成的塊石料場三維地質模型中，通過查詢不同立方網區域的相關屬性即可得到剝離層和各有用層區域的體積，各區域的體積及相關數據可通過ItasCAD 軟件導出為電子表格，便于數據的分析與整理。同時，通過三維地質模型的建立可更直觀地查看各區域在塊石料場范圍內的分布情況，以便于結合塊石料的質量指標對塊石料場進行合理分區，進一步合理規劃優先開采區域。另外，已建成的三維地質模型還可直接生成塊石料場范圍內任意剖面的剖面圖，便于地質附圖的整理與地址成果的輸出。通過查詢，該塊石料場剝離層區域的體積約為90.03 萬m3，料場有用層總儲量約為1 972.35 萬m3，其中玄武巖的儲量約為978.67 萬m3，火山角礫巖的儲量約為993.68 萬m3。

4 平行斷面法儲量計算

根據平行斷面法計算該塊石料場的儲量，同樣采用階梯式開挖，與三維地質模型的開挖范圍完全一致。與三維地質模型計算塊石料場儲量不同的是，采用平行斷面法計算塊石料場儲量需在料場范圍內平行的剖切若干剖面，對于剖面線上沒有勘探點的剖面需根據勘探點投影或合理的推測來確定相關的界線，而儲量計算的精度則取決于平行斷面的間距與相關界線的推測合理度。對于該塊石料場，采用50 m 的平行斷面間距，通過計算，該塊石料場剝離層區域的體積約為82.18 萬m3，料場有用層總儲量約為1 947.79 萬m3（見表1），其中玄武巖體積約為949.61 萬m3，火山角礫巖體積約為998.18 萬m3。

表1 塊石料場儲量計算表（采用平行斷面法）

5 結 語

通過分析三維地質模型和傳統平行斷面法分別計算同一塊石料場儲量的計算過程，得出以下結論：

（1）兩種方法的計算原理基本相同，都以基本的勘探數據為基礎，平行斷面法是以若干平行斷面中的斷面面積平均后乘以斷面間距后求和得到體積，而三維地質模型方法是以含有勘探點的剖面通過離散光滑插值運算得到三維地質模型后查詢得到體積。相比較而言，三維地質模型的計算方式更為簡便。

（2）兩種方法計算所得儲量相近，表明基于三維地質模型計算天然建筑材料的儲量是可靠的和有效的，可用于對傳統儲量計算方法的輔助和校核。

（3）平行斷面法在儲量計算中有其局限性，每次所剖切的平行斷面僅適用于固定的料場區域，一旦料場區域發生變化，平行斷面需要重新進行剖切。而三維地質模型在區域改變時，僅需重新生成四周的開挖面即可，相比較而言，三維地質模型在料場區域調整時的計算更為簡便。

（4）三維地質建模是未來地質工作發展的趨勢與方向，借助于三維地質模型可大大促進地質工作的信息化、數字化和可視化，使得未來的地質工作更加高效、生動與便捷。