3.9 三维建模及数据库运用
3.9.1 三维建模的目的和意义
随着计算机技术的快速发展和仿真模拟手段的进步，三维建模在机械制造、采矿、石油开采等领域得到广泛运用，近年来水电站工程开始逐步采用三维建模辅助设计。
由于地质体空间展布具有不规则性、不可见性等多种复杂性因素，与常规的二维手段相比，采用三维手段对地质体进行空间表达，具有不可比拟的优势：
1.直观性
二维模型需根据平面图及大量剖面图，在大脑中构建地质体空间模型，要求一定的专业水平，而三维模型可直接对地质体进行空间展示。
2.空间协调性
传统的二维剖面图根据有限的地表地质点及钻孔构建纵、横剖面来表达地质体的空间状态，控制点之间完全凭借个人经验控制，仅满足剖面交点位置地质界面空间协调，交点以外无法保障，三维建模根据已有的特征点进行三维拟合，可确保界面空间协调。
3.高效性
二维地质剖面成图需要大量的辅助剖面及剖面交点校核工作，三维模型一旦完成，可以直接由三维模型切二维剖面，大大提高出图效率，同时，三维模型可直接用于三维有限元建模。
4.动态性
当揭示地质条件变化时可及时对三维模型进行调整，并指导下一步施工。
5.便于资料归档及后期查询
水电工程周期较长，各个阶段图形资料繁杂，如采用二维设计，必然会涉及大量归档工作，且后期查询、识别工作量较大。
鉴于三维建模的以上优点，成都院一直致力于三维建模的平台研发和运用工作，地质处与软件开发商共同开发了GOCAD水利水电模块，并完善了钻孔、平洞及地质点等基础数据整理、导入的二次开发工作以及GOCAD与CATIA两种三维软件数据模型的转换，形成了一套地质建模的技术规范及设、校、审流程的使用手册，开始在锦屏一级、孟底沟及米林等大型水电项目中进行试用；为进一步完善三维建模，地质处引入GOIM数据系统，并将之与GOCAD三维软件进行关联，以达到对整个工程基础资料和地质模型进行系统整合，通过三维模型可以直接查询相关地质基础资料，大大提高资料的准确性、系统性，提高工作效率。
藏木水电站作为雅江干流第一座大型水电站，区域背景复杂，施工条件差，工程工期紧，三维地质建模可以更好地指导现场施工，并对三维地质建模平台在工程中的运用进行检验。
3.9.2 三维建模成果
藏木水电站从2007年底开始施工，三维地质建模始于2011年6月，2011年9月补充完成可行性研究阶段三维地质模型，2013年6月完成技施阶段基坑开挖模型：
1.可研阶段地质模型
完成可研阶段地形、钻孔、平洞、地表地质点等基础资料整理、导入模型，参考已有的地质剖面，完成地形面、地层岩性分界面、基岩风化、卸荷面及断层面等地质体三维建模，见图3.9-1。
2.技施阶段
根据实际开挖揭露的地质体，采用现场地质编录、测量手段对可研阶段三维地质模型进行完善，主要复核了大坝、厂房基础基覆界面、断层及挤压破碎带（图3.9-2和图3.9-3），完成基础岩级分区面三维建模工作（图3.9-4），根据设计开挖平面图完成三维开挖图（图3.9-5），根据实际开挖面测量点完成实际三维开挖图。
3.9.3 工程运用
藏木水电站根据基础开挖揭露地质信息，不断完善三维地质模型，并充分运用已建三维模型，对基础开挖及缺陷处理进行地质预判，以达到动态设计的目的。
1.开口线复核
在边坡二维设计中，开口线位置通常由剖面反算到平面，剖面数量有限，因此开挖线多是由有限个点在平面上根据地形条件进行顺接，开口线精度不高，尤其是开挖面形态较为复杂时，开口线误差较大。藏木水电站根据平面开挖图，以基础、坡比、马道等控制要素，形成三维开挖面，然后使之与三维地形面相交，交线即开挖线（图3.9-6），这样一方面确保了开挖面合理，同时保证了开口线的准确性。
图3.9-1 可研阶段枢纽区三维模型
图3.9-2 技施阶段坝基三维模型
2.开挖期基岩面预测
开挖过程根据已揭露地质条件对模型进行不断调整，并利用三维地质模型和三维设计开挖面对下级开挖面进行地质预报，尤其是在厂房及大坝基坑开挖过程中，对每个坝段及厂房基础基岩顶板埋深预测，以达到动态设计的目的，见图3.9-7。
图3.9-3 技施阶段厂基三维模型
图3.9-4 大坝基坑岩级分区三维展示图
3.基础地质缺陷统计、治理
藏木水电站坝基、厂基均为燕山期二长花岗岩，岩质坚硬，风化较弱，地质缺陷主要是受断层及挤压破碎带控制（图3.9-2和图3.9-3），因此通过三维模型可对地质缺陷进行空间定位，估算出超挖超填方量，并在基础固结、帷幕灌浆过程中对灌浆管位置及灌浆参数提出合理化建议。
图3.9-5 藏木枢纽区三维设计开挖面
4.开挖量计算
常规二维设计中开挖量设计主要采用平行断面法及三角形断面法进行估算，需大量的辅助断面，耗时较多，且计算结果精度较差，采用三维地质模型可以较为精确、快捷的计算出指定区域的开挖量。藏木水电站施工过程中采用三维模型对厂房基础开挖量进行了计算，并与前期量进行了对比分析，见图3.9-8和表3.9-1。
图3.9-6 三维开挖面和三维地形面确定边坡开口线示图
图3.9-7 藏木枢纽区基覆界面三维模型
表3.9-1 厂房基础开挖量复核表
注 上游桩号：坝纵0+78～厂纵0+35，坝横0+188～0+324段回填至3217.65m，混凝土回填量34940.4m。
图3.9-8 厂基开挖量复核三维模型
计算表明：厂房1～2号机组建基面开挖揭示基岩条件比可研略好，局部段建基面抬高，原设计总开挖方量85946m3，实际开挖81416.5m3，技施阶段开挖量减少4530m3；3～4号机组建基面实际揭示岩体条件变好，建基面局部段抬高，原设计总开挖方量78340m3，实际开挖72129.2m3，技施阶段开挖量减少6210.8m3；5～6号机组建基面原设计总开挖方量70142.5m3，实际开挖89231m3，技施阶段开挖量增加19088.5m3。究其原因，可研阶段SZK02钻孔揭示的覆盖层深度与实际的覆盖层深度差异较大，钻孔位置加深近20m左右，开挖揭示覆盖层量比可研阶段增加34410.2m3，导致实际建基面下降12m左右；综合1～6号机组，设计总开挖量234429m3，实际总开挖方量242776.7m3，实际总开挖量比设计量超出8347.7m3。
5.图切二维剖面
在大坝、厂房建基面稳定复核过程中，根据三维模型图切二维剖面（图3.9-9），使之用于坝、厂基础稳定计算，大大提高了出图效率；藏木鱼道工程线路长，前期勘探较少，使用三维模型图切二维剖面，并根据现场现场测量的方式对图切剖面进行复核，以指导现场施工。
3.9.4 小结
三维地质建模在水电工程中引入时间较短，目前对模型的建立及运用仍处于摸索阶段，尚未形成较为统一的技术规范，让其完全取代常规二维设计尚需时日，因此，结合本工程对其进行总结很有必要。
1.加大推广力度
从二维建模到三维建模，如同从手绘图纸到AUTOCAD电子绘图一样，跨度很大，需加大推广力度，使设、校、审人员尽快了解软件基本原理并掌握软件具体操作，搭建畅通的沟通平台，以利于共同提高。
图3.9-9 坝轴线三维切图
2.勘探布置、基础资料收集规范化
三维建模需较多的控制点用于拟合地质界面，因此勘探布置需根据地质体的分布、空间规模，合理布置并保证必要的勘探量，方能确保模型精度；针对钻孔、平洞、地表测绘及现场地质编录，需建立一套完整的资料收集、整理标准，使基础资料能快捷地导入三维模型。
3.建模技巧
（1）尽量采用散点拟合三维面，摒弃由二维骨架剖面拟合三维面：因二维剖面人为因素较大，且空间协调性较差，容易固化三维模型。
（2）网格撕分应合理：网格过稀则网格刚度过大，适应能力较弱，三维面不能和控制点精确拟合，也可能导致拟合面不平滑；网格过密，则导致网格柔度过大，在后期拟合时适应范围过小，易导致局异形，因此应根据控制点密度，合理撕分网格。
（3）拟合方向向量选择。GOCAD在拟合过程中遵循拟合面在拟合向量方向上只能通过一个点，否则会出现逻辑错误，通常情况下采用垂直向量可满足大多数地质界面拟合，但在地形面或开挖面拟合过程中，当存在倒悬时，采用一个方向向量拟合时可能导致失真，应对倒悬点拟合向量进行改变，或将一个复杂的面分成多个面构建后进行合并。
（4）面与面合并。在计算开挖量时往往需要先由空间面合并为体，面与面合并时需保证相交部位节点数量、位置一致，否则会导致空间体不封闭或变形，而无法算量。
（5）模型修改。在开挖过程中随着地质体逐渐被揭示，局部可能会发生变化，模型修改过程中必然会涉及控制点影响范围问题，个人认为影响范围应以现有控制点为中心，以原有相邻控制点为边界，设置拟合区域，该区域拟合完成后，如现有的网格密度仍不满足面与控制点准确拟合，则以控制点至原有相邻控制点一半的距离为拟合区域，对该区域网格进行加密后再次拟合，按此循环，直至地质面与控制点完全拟合。
4.属性模型
目前的三维建模仍局限于地质体三维几何建模，地质体物理力学特性尚未赋予模型，采用GOIM和GOCAD关联的方式实现地质体空间形态和地质信息的挂钩，尚属于属性建模的过渡时期，只有完成地质体的属性建模才能使三维模型“形神”兼备，在水电工程中更好地发挥作用。