基于CAD平台的三维工程地质模型的建立及应用.pdf

图 1工程地质模型流程图 基于CAD平台的三维工程地质模型的建立及应用 摘要文章论述了一种在 AutoCAD 平台下建立露天矿三维地质模型的方法。 以图形单元作为建模要素， 采用顾及 台阶属性 Delaunay 三角网凸包算法建立界面模型， 通过面域拉伸和实体布尔运算等方法生成三维矿模。 研究结果 表明， 该方法不仅能达到逼真的三维动态效果， 而且对于边坡稳定性分析更为准确方便， 有助于露天矿的日常生产 和管理。 关键词三维工程地质模型；AutoCAD；凸包算法；实体布尔运算 中图分类号TD164文献标识码A文章编号1008-8725 （2011 ） 09-0144-02 Foundation and Application of 3-D Engineering Geologic Model Based on CAD Plat CAO Bo, ZHEN Xuan, CHENG Bin-bin （ Institute of Sources and Safety Engineering, China Minign and TechnogyBeijing Univercity, Beijing 100083, China ） AbstractThis article elaborates one of establishing 3-D engineering geological model of the open pit based on the AutoCAD plat. Taking the graphics unit as the modelling essen－ tial factor, considering the bench attribute establishes the surface model by Delaunay triangular net convex hull algorithm, and generates 3-D engineering geological model by surface stretch and solid Boolean calculation.The research results demonstrate that this not only can achieve the lifelike 3-D dynamic effect,moreover,it is more accurate and convenient for the slope stability analysis and helpful for daily production and management of the open pit. Key words3-D engineering geologic model; AutoCAD; convex hull algorithm; solid Doolean op－ eration 收稿日期2011-02-20;修订日期2011-05-19 作者简介曹博 （1984- ） ， 男， 辽宁辽阳人， 博士研究生， 研究方向 露天采矿技术、 矿业系统工程和露天边坡工程。 曹博，甄选，程斌斌 0引言 工程地质体的稳定性分析及其灾害过程研究问 题通常是一个非常复杂的地质力学问题。往往需要 在现场调查研究的基础上，建立地质体的三维地质 模型， 在此基础上进行预测分析。 三维地质模型是计 算机在工程地质应用中的一个前沿课题，它是将工 程地质的分析由平面延伸到立体，由二维发展到三 维空间的一个飞跃。三维地质模型包括地表地形和 地下地层、 软弱夹层、 断层及裂隙等地质面。 文中将 利用工程地质勘察的基本资料， 以 AutoCAD 为软件 平台， 建立一个三维地质模型， 比较全面、 真实地反 映地质构造， 以此为基础进行边坡稳定性评价。 1三维工程地质模型的建立 工程地质模型流程图如图 1 所示。 1.1数据的采集与预处理 由于建模所依托的平台是 AutoCAD，所需要的 为离散点的空间三维坐标，故数据的获取主要针对 三维坐标点进行的。大部分数据都是现场提供的 AutoCAD 采场现状图、 钻孔综合柱状图、 钻孔成果表 等， 其中包括 地形高程数据、 钻孔煤岩顶底板数据、 地层物理、 力学指标数据等等。 由于所提供的数据资 料都是.dwg 的格式，也就是 AutoCAD 的图元形式， 因此需要进行数据的提取和预处理，包括重复点的 删除、 重复线的删除以及线上节点迂回现象等。 1.2边坡地形三维面的建立 针对露天矿的实际情况，高程数据点沿着等高 线分布， 为了正确描述现场的地形地貌， 文中采用了 顾及约束线的 Delaunay 三角网凸包算法。首先， 利 用空间离散点生成无约束的 Delaunay 三角网， 然后 把等高线作为约束线，对 Delaunay 三角网进行剖 分， 生成带有约束条件的 Delaunay 三角网， 最后删 除境界外多余的三角形，形成了边坡地形三维界面 （ 中国矿业大学 （北京 ） 资源与安全工程学院，北京 100083 ） 勘测技术 “ “ “ “ 第 30卷第 9 期 2011 年9 期 煤炭技术 Coal Technology Vol.30,No.09 September,2011 图 2地表实体模型 图 3煤岩实体模型 模型。 拉伸后的实体如图 1。 1.3边坡地层三维面的建立 各地质界面模型的建立与地形界面类似通过 拉伸方法构建煤层顶、 底板实体模型， 煤层顶底板边 界构建边界实体模型， 通过布尔 “差” 运算构建煤层 实体模型， 如图 2 所示。 当钻孔数据点的数量有限， 不足以准确描述地层等赋存的实际状态，应采用恰 当合适的插值方法， 常用的插值方法有 距离幂次反 比法、 克里金插值法、 趋势面插值法等。 通过对地层 数据的分析，决定选用距离幂次反比法和克里金法 进行插值。 1.4边坡工程地质三维实体模型的建立 AutoCAD 创建三维模型包括 三维线框模型、 三 维曲面模型、 三维实体模型。 使用实体对象构建模型 比线框和曲面对象更为直观， 而且信息完整， 歧异最 少。 AutoCAD 创建实体目前主要有 4 种方法 系统预 定义基本实体、 通过拉伸创建实体、 通过旋转创建实 体、 通过布尔运算建立复杂实体。 文中采用 STP简 单类三棱柱构建实体模型。 在地表和煤层以及断层等主要地质体的实体模 型建立的基础上， 以地表实体模型为基态模型， 先与 其它地质体作布尔 “差” 运算构建土岩模型， 然后再 将其余的地质体模型进行 “反插” ， 进而共同构建出 露天矿三维工程地质模型， 如图 3 所示。 1.5边坡地层属性数据的插入 工程勘察所获得的大量测试、试验和统计分析 成果， 都可根据需要归纳为地层的属性数据， 并可分 为与空间坐标相关和无关的属性数据。 矿石品位、 煤 质指标等属性数据只与钻孔相关联; 而地层强度指 标 c、 φ、 γ 标准值等只与地层相关联。从以上数据结 构中不难发现，三角形网格曲面不仅包含了空间坐 标信息， 而且包含了地质与力学信息。 这样， 不仅全 面直观地反应了地质构造，而且利于实现边坡的稳 定性评价。 2三维工程地质模型的应用 2.1极限平衡法计算边坡稳定系数 通过对所建立的三维地质模型进行任意方向剖 切， 得到不同的工程地质剖面。 然后自动提取地层的 物理、 力学强度指标进行稳定性计算， 搜索出最危险 圆弧面， 实现了对边坡稳定性实时的动态评价。 从而 指导工程地质人员进行决策，以及制定采矿生产计 划。 2.2有限元法评价边坡稳定性 通过以上方式建立的地质体的三维模型，不但 清晰地展示了整个地质体的结构特征 （如， 地质体的 工程地质分区单元及各单元问的相互关系等 ） ， 而且 成功地实现了与现行数值分析软件的结合，为对地 质体的进一步研究奠定了基础。由于大多数数值分 析软件 （如 ANSYS、 ADINA、 等） 或其它有限元前处 理软件 （如 True．Grid、 HyperMesh 等） 均与 CAD 软件 具有良好的接口功能。 因此， 为了使得利用上述方式 生成的三维地质体模型能够成功的应用于数值计算 分析，可直接将其输出为这些数值分析软件所能接 受的格式 （如 Parasolid、 Sat 等文件格式 ） 。 随后， 可以 成功地利用这些数值分析软件进行网格划分，及相 应的数值模拟分析等后续研究工作。 3结束语 （1 ） 针对目前岩土工程中因三维建模繁琐、 难以 与实际相符合、 建模时间长等困难， 文中探索性地提 出了采用现行的 CAD 软件， 利用已有的工程地质勘 查资料，快速有效地建立能反映地质体真实现状的 三维实体模型。采用该方式建立的三维模型不但可 以清晰地展示整个地质体的结构特征，而且可以直 接拉剖面计算稳定系数， 导人大多数数值分析软件， 实现了既 “可视” 又 “可算” 的目的。 （2 ） 利用三维建模的方法建立矿体模型可为储 量计算、 品位估值、 块段分级、 安排生产计划、 实时调 度监控提供很好的平台，不仅对传统的管理手段提 出了更高的要求，也将对我国矿山企业的数字化进 程起到巨大的推动作用。 （3 ） 工程地质三维建模与可视化的深入研究， 可 以充分利用已有现场勘探实测或试验数据，达到节 约投资、 减少勘察或研究成本的目的。 在现场勘探和 试验数据资料不足情况下，通过对已有数据的插值 与拟合到建立三维模型，可以推断和预测未知区域 或研究较少区域的地质信息或岩土体物理力学参数 的分布趋势，从而为减少勘探工作量提供科学的可 靠的依据， 达到节约花费， 为生产或研究部门产生直 接经济效益的目的。 参考文献 [1]李长勋.AutoCAD ActiveX 二次开发技术[M].北京国防工业出版 社,2005. [2]李志林.数字高程模型[M].武汉武汉大学出版社,2003. [3]张帆. AutoCAD VBA 二次开发教程[M].北京清华大学出版社, 2006. [4]求是科技.Visual Basic 6.0 数据库开发技术与工程实践 [M].北 京人民邮电出版社, 2004. （责任编辑徐艳杰 ） 图 4某露天矿三维工程地质模型 曹博， 等 基于 CAD 平台的三维工程地质模型的建立及应用第 9 期 145