基于地层信息的三维洞室可视化仿真技术研究

在大规模的岩土工程建设中隧洞和洞室群是最为常见的地下结构。由于受岩土工程所处复杂地质条件的影响,针对地层和洞室的三维GIS综合建模及可视化分析是信息岩土工程面临的难题。讨论了基于栅格模型的地层三维建模技术,提出了由多层数字等高模型（DEM）生成三维地层的自适应控制算法。在此基础上,系统研究了地层中的三维洞室可视化仿真技术,提出了地层信息和洞室的三维综合建模技术,通过地下洞室的三维实体模型生成、洞室和地裙相减、洞室和地层相交等运算,实现了基于地层模型的洞室开挖与漫游,最终生成了赋含地层信息的三维洞室,并给出了一个典型的工程应用实例。     

基于GOCAD的三维工程地质地层建模研究

三维工程地质地层模型的建立能够更为直观地观察城市地下空间的地质结构,能够为岩土勘察、设计和施工提供辅助参考。论文依据《长春市两横两纵快速路系统——二环路工程（二段标）岩土工程勘察报告（详勘）》中提供的钻孔数据,采用GOCAD三维地质建模软件建立了研究区局部路段地层分布的三维工程地质地层模型。通过应用实例证明,GOCAD软件具有快速建模,可视化效果良好的特点,能够较真实地反映地层实际分布情况,将其应用于岩土工程的勘察工作中是切实可行的。     

基于水平集的复杂三维地层模型建模及在地下工程中的应用研究

由于地质体存在断层、尖灭、出露等复杂地质现象,在三维地层建模时,为了表达这些现象,无论是面模型还是体模型或混合模型,都存在空间分割或曲面求交线的问题。由于地质体拓扑关系的复杂性、数据误差以及计算机精度问题,使得这些模型在实际建模过程中常常失效。运用水平集理论可以有效解决这一问题,水平集用隐函数表达曲面（或超曲面）,可以实现复杂地质体的表达及并、交、差等拓扑运算。在三维地层建模中,插值生成各种地质界面后,用水平集表达这些地质界面,利用水平理论完成各种复杂的拓扑操作,建立以水平集表达的三维地层模型。在此基础上,插入水平集表达的各种工程活动界面,利用水平集理论进行拓扑操作,可构建各种工程活动后的地层模型。再利用Marching cube算法抽取各种地质界面或工程活动界面,构建可用于实时可视化或用于工程评估（如有限元计算）等的NMTINF-BR地层模型或工程活动后的NMTINF-BR地层模型。     

基于剖面重构的三维地层建模

在石油物探、工程地质等领域通常需要建立复杂的三维地层模型,并利用模型进行模拟计算或地质研究。这里在分析三维地层建模特点的基础上,提出了一套完整的基于剖面重构的三维地层建模算法。该算法可辅助用户充分利用已有资料,进行交互式建模,简单、高效,并且可以构造出含有断层的复杂模型,因而具有较强的实用性。     

含复杂倒转的地层层序统一修正与连接方法

在三维地质模型构建过程中,由于复杂地质构造运动形成的地层倒转、褶皱、节理等现象,传统的地层连接方法对相邻钻孔的地层对应考虑不足,从而导致三维模型地层连接不合理.针对该问题,提出一种含复杂倒转的地层层序统一修正与连接方法,引入逻辑钻孔递归统一地层层序思想,通过地层底板高程插值依据倒转地层的判别规则计算零厚度层的插入位置,统一钻孔的地层序列及修正标准地层层序,对钻孔中倒转、缺失、重复问题进行建模前的处理.通过讨论地层缺失、倒转、重复等复杂地层构造情况和实验验证,研究结果表明该方法能够充分解决零厚度层插入位置的二义性和倒转地层判定的二义性问题.该算法能够有效解决复杂地层倒转现象,为三维地质建模中地层连接提供依据.     

基于实体建模的三维地层构造

以三维实体模型为基础,提出了三维地层实体模型,给出了三维实体地层模型的体系数据结构和几何拓扑结构,完整描述了三维地层模型。给出了地层模型的构造过程,并讨论了地层缺失、倒转等的特殊地质状况的构模处理方法。三维地层实体模型是完整,全面的地层模型,比基于多层网格和三棱柱体元的地层模型具有更多的优点。     

工程地质中基于OpenCASCADE的地表和地层三维建模

为了更加直观和准确地分析工程地质中的地质信息,通过对比分析传统三角网建模方法的优缺点,展示了OpenCASCADE曲面建模技术在三维模型中的连续程度、光滑度、细腻度等方面的优势.利用该技术建立三维地表和地层层面模型,并通过地层层面的求交和缝合技术完成了地层层间实体模型构建.基于OpenCASCADE几何造型库在VC＋＋平台下实现了地表、地层模型的三维可视化和场景控制功能.通过桥梁工程地质的实例应用,结果表明：三维地表地层模型的应用可以有效提高工程建设中地质分析和地质解译的直观性和可靠性.     

城市级三维地质建模的统一地层序列方法

三维地质建模是“智慧城市”建设的基础内容之一,涉及数百平方公里到数千平方公里的城市级地质范围。由于城市级地质范围跨越地质单元多、地质情况复杂,传统的三维地质建模方法对跨地质单元的地层连线考虑不足,常导致不同地质单元间的地层连线出现错误。针对该问题,提出一种基于地层沉积顺序的统一地层序列方法,进而识别钻孔分层中的缺失和倒转情况,将同一岩性中倒转与正常的情况加以区分,避免建模时的错误连线或插值。通过添加0厚度层,使所有钻孔的地层序列可完全一致,构建各钻孔分层间的对应关系,以降低不同地质单元间的地层连线错误率。通过讨论地层缺失、倒转、重复等特殊情况和实例验证,研究结果能够有效地对城市级三维建模中各种地质情况的连线问题做出明确的判断,减少在跨越地质单元多、地质情况复杂的城市级三维地质建模中的地层连线错误,为“智慧城市”建设提供底层支撑。     

三维地层建模钻孔数据预处理研究

钻孔数据是三维地层建模的主要数据来源之一,在三维地层建模中,地层界面一般基于钻孔数据插值而成,正确处理钻孔数据是构建理想三维地层模型的前提和基础。三维地层拓扑关系极其复杂,地层界面插值数据在数学上选择也不是惟一的,因此,常导致构建地层模型出现与事实相悖的情形。针对这一点,根据地层地质演变历史,建立地层层序序列,此序列记录地层地质年代顺序及其拓扑关系。根据地层地质特征,可将地层拓扑关系概化为两类：“覆盖”和“侵蚀”。据此地层层序序列可惟一确定地层界面插值数据,从而构建正确地层模型。采用python语言实现了该钻孔数据预处理算法,实例表明,该预处理方案能正确地预测实际地层。     

一种含断层的复杂层状地质体三维自动构模方法研究

为了使复杂地质体建模过程趋向于自动化、简单化,在分析了复杂层状地质体的空间信息特征的基础上,提出了一种针对含断层的层状地质体的自动构建方法。该方法先对地质钻孔资料、地质报告图进行预处理,从而获得离散的数据点;然后选择基于表面模型的建模方法,根据从钻孔分层信息到剖面图再到地层面的建模流程,分别构建出地质体的顶、底两个地层表面模型;根据空间拓扑关系处理断层结构,将断层以两条首尾相连的约束线嵌入地面模型中;最后使用轮廓线拼接法生成侧面,将顶、底、侧面缝合成封闭的三维地层体模型。利用自主开发的三维可视化系统对该方法进行验证实现,并成功应用于山西省某煤田矿区的三维地质建模中,实践表明,该建模方法高效快速,自动化程度高,所构建的地质体模型表达复杂地质结构的效果良好。     

分层伸展叠加变形二维离散元模拟

分层伸展叠加变形是裂陷盆地演化过程中普遍存在的一种复杂的构造地质现象,是裂陷盆地构造地质研究和油气成藏研究的热点。目前有关分层伸展叠加变形的研究仍处于几何学描述阶段,缺乏对其动力学演化过程的解析。本文采用构造地质研究领域中新兴的模拟方法——离散元,通过构建离散元模型模拟研究分层伸展叠加变形的断裂发育过程。结果表明:(1)上下两套伸展断裂系统之间是否存在韧性滑脱层(泥岩层或膏岩层)是分层叠加变形的主控物质因素;(2)中间韧性地层隔断了下部断层向上的继承性发育,从而形成上下两套断裂系统分层伸展,垂向上叠加的变形特征;(3)受韧性地层侧向牵引作用影响,上部断裂系统的横向展布明显扩大;(4)在相同岩性条件下,降低伸展速度会显著降低两侧断层发育的差异性,但不会改变垂向上分层伸展的变形特征。研究解析了分层伸展叠加变形的动力学演化过程,有助于进一步认识分层伸展叠加变形机制及其对油气运聚成藏的控制作用。     

三维地层模型误差修正机制及其实现技术

三维地层模型是地下工程辅助分析的有效工具,而工程钻孔数据是建模主要的数据源。由于地质现象的复杂性和采样数据的稀疏性,仅仅利用零散的钻孔采样数据无法有效地控制最终建模结果的误差和精度。在分析三维地层建模误差来源的基础上,提出并实现了两种误差修正方法：地质剖面修正法和虚拟孔修正法。在建模过程中,基于实际勘察获取的资料和工作经验,结合对地质模型的理解,在特定位置处生成能反映地层局部变化特征的地质剖面或虚拟孔,然后将其与实际的钻孔数据一起约束到模型之中,构建出相对精细的三维地层模型,从而在三维空间中实现对地层模型的精确修正。     

开采引起的含水层失水对地表下沉的影响

为了改善矿区开采沉陷预计精度,解释华东矿区地表下沉系数大于1的原因,减小采动损害,本文基于现场钻孔水位动态观测结果,获得了覆岩破坏与含水层水位变化的3种对应关系。根据含水层失水后固相颗粒有效应力增加引起岩土体孔隙比的变化,建立了含水层失水固结沉降机理,利用叠加原理,导出了地下开采与含水层失水共同引起的地面沉降计算方法。研究实例表明,失水下沉占煤层开采下沉的25%。      

大陆造山带沉积地质学研究中的几个问题

大陆造山带一直是地质科学研究的中心议题之一，在开展大陆造山带的形成与演化研究过程中首先遇到的是地层问题。由于造山带地层构成因素复杂，不能简单地使用Ｓｍｉｔｈ地层原理和法则所建立的地层学的一般工作方法，而应当使用一套新的实用于造山带的地层工作方法和原理。笔者将造山带地层划分为四种类型：（１）沉积－地层体型：沉积地层基本上呈连续的和相互叠加的，并在侧向延伸上基本连续；（２）构造－地层体型：沉积地层遭受较强烈的褶皱和冲断作用，层状岩石保持相对的独立性和完整性，构造－地层体之间多为断层接触；（３）构造－岩石体型：地层遭受强烈的褶皱和剪切作用，层状岩石的叠置和侧向连续性被破坏，仅呈断续的连接；（４）构造－混杂岩体型：沉积地层被完全破碎、混合。造山带与盆地是地球动力学作用下的统一的相互密切联系的两个方面，造山带可看作为沉积盆地演化的最终产物，深入研究沉积盆地，有助于解决造山带结构与造山作用过程研究中所遇到的一些难题。     

基于径向基函数的三维地层分块建模方法研究

在充分研究了水电工程现有勘测层数据以及径向基函数插值特点的基础上,利用径向基的分块插值方法建立起分块的三维地层模型。在每个分块插值过程中,利用加权函数,使得各个分块接边处保持连续性。在形成每一层的数据后,通过层数据之间的缝合,并加入断层信息,最后形成三维地层模型。基于小湾水电枢纽工程实例,采用径向基分块插值方法建立对应的模型,并提供任意剖面的获取,检验了网格分块地层体建模的正确性和可行性。     

基于数值模拟的采动影响下覆岩裂隙演化过程分析

以平顶山东部矿区为工程背景,利用岩石真实破裂过程分析软件（RFPA2D）,模拟了采动影响下覆岩介质损伤的动态发展过程。数值模拟结果表明,采动裂隙的形成过程是一个复杂的演化过程,在加载初期覆岩介质损伤小,声发射现象不明显,应力和位移基本上无变化,无明显裂隙产生。随着加载步的增加,覆岩内部介质出现破裂,声发射次数、应力值和位移值不断增加,此时裂隙场处于孕育、不断积累并扩大阶段。当声发射次数、应力值、位移值都达到最大值时,裂隙经过萌生、扩展之后形成宏观裂隙,进而导致煤岩体由弹性状态转变为塑性状态,使覆岩大面积垮落。该数值模拟结果对平顶山东部矿区的开采具有巨大指导意义。     

复杂地层建模与三维可视化

提出了一种新的复杂地层建模方法。该方法先将离散的钻孔数据点分类,而后将不同类的离散数据点用径向基函数进行拟合;所生成的拟合曲面相交、裁剪得到地层的空间范围;由离散的数据点以及拟合插值点生成地层交界面格网,再经过计算机图形处理生成地层模型的三维图形。利用该方法对复杂地层建模,自动化程度较高、效果较好。