第２４卷第２期 ２０１６年４月 董俐， Ｇｏｌｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＶＯ１．２４ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．。２０１６ 边坡复杂地质结构三维可视化及数值模型构建 刘科伟 ， 一，曾庆田 ，一，刘栋 ，ｓ １．中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙４１００８３； p２．云南铜业（集团）玉溪矿业有限公司，云南玉溪６５３１００； ３．中南大学深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点实验室，湖南长沙４１００８３r 摘要：地质模型的精确性是露天矿边坡稳定性数值分析可靠性的决定因素。针对地质体间相互交叉、穿切 的复杂性和无规律性，研究了基于非均匀有理Ｂ样条ＮＵＲＢＳ（Ｎｏｎ．fＵｎｉｆｏｒｍＲａｔｉｏｎａｌＢ．Ｓｐｌｉｎｅ）的自由曲面 生成技术。以矿山普遍采用的二维地质勘探剖面图为基础数据，通过对其进行矢量化处理提取出岩土体边 界离散点信息，建立起ＮＵＲＢＳ三维地质体分界曲面，据此以ＭＩPeＤＡＳ软件为平台制定了边坡工程复杂地质 结构三维可视化及数值模型构建方案，并选取江西城门山露天矿边坡工程进行了应用实践。结果表明，运用 该技术构建复杂边坡地质体模型，方法简单可靠，可极大提高模型的精度和建模效率，不仅使复杂地质体得 以形象再现，同时可为边坡稳定性分析提供可靠的有限元数值计算模型。l 关键词：ＮＵＲＢＳ；边坡工程；复杂地质结构；三维可视化；数值模型；ＭＩＤＡＳ软件 中图分类号：ＴＵ４５７ 文献标志码：Ａ 文章编号：o１００５—２５ｌ８（２０１６）０２—００８３—０７ ＤＯＩ：１０．１１８７２６．ｉｓｓｎ．１００５－２５１８．２０１６．０２．０８３ 引文格式：ＬＩＵ Ｋｅｗｅｉ，ＺＥＮＧ Ｑｉｎｇｔｉａｎ，ＬＩＵ Ｄｏｎｇ．３Ｄ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ＳｌｏｐｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｇｏｌｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６，２４（２）：８３—８９．刘科伟，曾庆田，刘栋．边坡复杂地质结构三维可视化及 数值模型构建［Ｊ］．黄金科学技术，２０１６，２４（２）：i露天矿边坡稳定性是伴随采矿始终的一个长 g８３．８９． 择提供帮助…］。但是从目前的发展情况来看，二维数 期性研究课题，亦是影响和困扰露天矿山，特别是 s值模拟应用虽多却仅能反映单一剖面，不能对边坡 深凹露天矿山生产与安全的重大难题。边坡稳定性 进行全面评判，且往往分析指标单一；建立三维可 分析的理论方法很多，总体上主要分为定性分析和 视化及数值计算模型可以对边坡稳定性进行整体 定量分析２种类型。常用的定性分析方法主要有自 P分析，但在工作量和综合地质信息三维空间描述上 然历史分析法、工程类比法和图解法 ”。定性分 z（如岩土体空间展布特征和相互交切关系）存在着 析虽然能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快 较大缺陷。为此，构建能够反映岩土体空间分布特 速地对边坡的稳定状况及其发展趋势做出评价，但 征从而使复杂工程地质信息得以真实再现的三维 不能对边坡稳定性做出较为可靠的评判，因此，目 可视化及数值计算模型，已成为岩土工程、工程地 前学者们多致力于对边坡稳定性的定量分析研 质、数学地质以及计算机技术等多个领域的研究前 z究［２－５】。在定量分析方面，二维、三维可视化数值模 沿和热点［幢】。在国外，一些三维地质建模及可视化 拟已经成为分析和解决问题的关键技术，在边坡工 软件，例如ＧｏＣＡＤ、ＬＹＮＸ、ＥａｒｔｈＶｉｓｉｏｎ和３Ｄ ＧＭＳ等， 程中得到了极为广泛的应用［６＿ｍ】。 已开始广泛使用。在国内，柴贺军等【ｌ３】研发的“矿 边坡地质属性及其岩土体的结构特征是决定 山采场岩土工程模型软件系统（Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｍｏｄｅｌ 边坡稳定性的重要因素，反映边坡工程地质信息的 Ｓｙｓｔｅｍ）”初步用于某大型矿山矿脉和岩体结构的可 可视化模型可以为其稳定性分析与防治对策的选 视化；钟登华 ¨】针对岩体结构的复杂性和无规律 收稿日期：２０１５—０６—２８；修订日期：２０１５—０８—２３ 基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目“基于连续退化计算的各向异性岩体爆破损失研究”（编号：５１３０４２３９）资助 作者简介：刘科伟（１９８２一），男，河北承德人，讲师，从事矿山、岩土工程灾害预测、稳定性及可靠性分析研究工作。ｋｅｗｅｉ＿ｌｉｕ＠ｃｓｕ，ｅｄｕ．ｃａ z簧俐， 球 性，提出了一种岩体结构三维可视化构造技术，并 将该技术成功应用到糯扎渡水电站工程的三维岩 体结构模拟和可视化分析中；何满潮等［１５】根据非层 状岩体的空间几何特征及地质数据的特点提出适 合于非层状岩体的数据模型，采用断面构模技术实 现非层状岩体三维构模；朱良峰等［１６】基于基础ＧＩＳ 软件平台ＭａｐＧＩＳ，利用功能强大的三维可视化开 发平台ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ，设计、开发具有自主版权的三 （２）ＮＵＲＢＳ曲面。若已知２个参数（ｕ， ），阶数 分别为 ，Ｚ，由（ｍ＋１）×（凡＋１）个空间网格点列构成 空间网格 ， ＝０，１，…，ｍ；．，＝Ｏ，１，…， ），节点向量 r为『ｔｏ，ｔ 一， Ｉ，节点向量 为Ｉ ， ，…， ｌ， ∈（ｔ ，ｔｍ＋１）， ∈（ １，ｓ １），ＮＵＲＢＳ曲面由双参数变 量分段有理多项式表示，其表达式为： p点依次进行Ｄｅｂｏｏｒ—Ｃｏｘ递推计算生成光滑的 ＮＵＲＢＳ曲线。 维地质建模及可视化系统；张昆等［１７］基于３Ｄ ＧＩＳ 技术，结合一个具体的滑坡变形监测工程实例，采用 不规则三角网和等高线构建了滑坡体三维模型。 本文针对露天矿边坡岩土体结构间相互交叉、 穿切的复杂性和无规律性，研究了基于非均匀有理 Ｂ样条ＮＵＲＢＳ（Ｎｏｎ－Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｒａｔｉｏｎａｌ Ｂ—Ｓｐｌｉｎｅ）的 自由曲面生成技术，并借助ＭＩＤＡＳ软件，以矿山普 遍采用的二维地质勘探剖面图为基础数据，提出了 e一种边坡工程复杂地质结构三维再现及数值计算 l模型构建的便利方法。 o１ ＮＵＲＢＳ边坡地质曲面构建 iＮＵＲＢＳ方法由于可以统一表示标准的解析曲 面以及复杂的自由曲面而成为曲面造型中的主流 方法。应用研究主要在飞机外形、g汽车车身、船体曲 面及叶轮等复杂型面的造型。它的优点是在复杂曲 面中造型效率高，曲面修改简单，能够很好地控制 物体表面的曲线度，创建出的形状更为生动、曲面 s造型更为逼真【ｌ８】。近年来，该方法在地质建模方面 同样得到了广泛的应用。采用非均匀有理Ｂ样条函 P数模拟地学表面具有节省存储空间、z计算机处理 简便易行并可以保证空间唯一性和几何不变形等 优点【ｌ９］。 z１．１ ＮＵＲＢＳ曲线及曲面 （１）ＮＵＲＢＳ曲线。若已知ｎ＋１个曲线的控制点 Ｐ （ｉ＝０，１，…， ），阶数为ｋ，ＮＵＲＢＳ曲线由分段的向 量有理多项式函数表示： ｎ Ｎｉ． （ｕ） Ｐ（“）＝生 ———一 （１） （Ｍ） ． ＝０ 式中： 为权因子， （ ）为 次Ｂ样条基函数，节 点向量 为ｊＭ。， 一，Ⅱ “＋。ｌｏ通过对曲线上的各 Ｖｏ１．２４ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．，２０１ ６ f∑∑ ， （ ）Ｂ （ ）Ｗｉｊ ，， ｓ（ｕ， ）：生 三 ——— ——— （２） P∑∑ ， （Ｍ） （ ） ｉ＝０ｊ＝０ 式中： 为矩形域上特征网格控制点，Ｗ 为控制 顶点的权因子，对曲面上的某一点起到拉伸和压缩 的作用， （ ）和 （ ）分别为沿 向的ｋ次和沿 向的Ｚ次Ｂ样条基函数。通过分别对（ ， ）２个参 数进行Ｄｅｂｏｏｒ—Ｃｏｘ递推计算而形成的光滑ＮＵＲＢＳ 曲面面片。 其中，Ｂ样条基函数是构造ＮＵＲＢＳ曲线曲面 的基础，是按照Ｄｅｂｏｏｒ—Ｃｏｘ递推公式决定的阶规 范Ｂ样条基函数，假设由节点¨。，／Ｚ 一， 组成 节点向量ｕ＝Ｉ 。，ｕ 一，ｕ ＋ ｌ，基函数的递推公式 可表示为： ｎｏ＝（ ： （ ） （３） ＋ ｉ ＋１－－Ｕｉ＋１ ‰ （… 一 “）后≥１ 式中： 为阶数， 为Ｂ样条的节点，ｉ为Ｂ样条的次 序号，当分式为 ｉ，ｊ时，其值为０。 Ｕ ＮＵＲＢＳ作为几何描述的主要方法为自由曲面 提供了统一的、精确的数学表达式［２ｏ－２２】。 １．２ ＮＵＩ Ｓ边坡地质界面生成方案 本次采用ＮＵＲＢＳ方法实现边坡工程地质结构 的三维可视化及数值模型构建，其基础数据来源于 矿区普遍采用的二维地质勘探剖面图，根据其数据 结构特点及建模思路，决定通过由曲线生成曲面的 方式来建立ＮＵＲＢＳ复杂地质界面，即通过矢量化 地质勘探剖面图提取出岩土体边界点，生成边界曲 线或剖面特征线；各边界曲线或剖面特征线在公差 zzzzPsgiolePfrpzzzPsgiolePfrpzzzPsgiolePfrpzzzPsgiolePfrp刘科伟等：边坡复杂地质结构三维可视化及数值模型构建 ３Ｄ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ Ｓｌｏｐｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＬｒＵ Ｋｅｗｅｉ１，２，３ ＺＥＮＧ Ｑｉｎｇｔｉａｎ１，２，ＬＩＵ Ｄｏｎｇ ， １．ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄ ｓａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｙｔｍｎａｎ Ｃｏｐｐｅｒ（Ｇｒｏｕｐ）Ｙｕｘｉ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙｕｘｉ ６５３１００，Ｙｕｎｎａｎ，Ｃｈｉｎａ； Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｈ２ａ zzzPsgiolePfrｏｐｅｎ—ｐｉｔ ｓｌｏｐｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． ＭＩＤＡ Ｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ３．Ｈｕｎａｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｈａｚａｒｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｄｅｅｐ Ｍｅｔａｌ Ｍｉｎｅｓ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｕｒａｔｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｏｐｅｎ—ｐｉｔ ｓｌｏｐｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｙ ａｎｄ ｉｔｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ｏｆ ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｂｏｄｉｅｓ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆｆｒｅｅ—ｆｏｒｍ ｓｕｒｆａｃｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＮＵＲＢＳ（Ｎｏｎ－Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｒａｔｉｏｎａｌ Ｂ—Ｓｐｌｉｎｅ）．Ｔａｋｉｎｇ ２Ｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｍｉｎｍｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｓ ｂａｓｉｃ ｄａｔａ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｈｅｍ ｔｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｖｅｃｔｏｒｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｐｏｉｔｓ ｏｎ ｔｎｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｏｆ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｍａｓｓ ａｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ，ｎｄ ｔａｈｅｎ ＮＵＲＢＳ ｄｅｍａｒｃａｔｉｏｎ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｂｏｄｉｅｓ ｒｅ ａｂｕｉｌｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈａｔ，ｔｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｓｌｏｐｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｎ ｈｅ ｔｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ＭＩＤＡＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｍａｄｅ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ａｂｏｖｅ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｃｈｅｎｇｍｅｎｓｈａｎ ｏｐｅｎ－ｐｉｔ ｍｉｎｅ ｉｎ Ｊｉａｎｇｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ．Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＮＵＲＢＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ，ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｂｏｄｉｅｓ ｖｉｖｉｄｌｙ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｙ ｔａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＮＵＲＢＳ；ｓｌｏｐｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ； 安徽３１３地质队深部钻探关键技术 获省级科技一等奖 钻探技术难题，全面系统地总结了一套适用性强 的小口径深部岩芯钻探钻进工艺技术体系。项目 由安徽省地矿局３１３地质队主持承担的《深部 成果在安徽省及全国３５个大型矿（床）区深部地 质找矿以及国家深部探测科学钻探中进行了推广 应用，产生了巨大的经济和社会效益及找矿突破， 地质找矿岩芯钻探关键技术》项目继荣获２０１５年 度国土资源科技奖二等奖后，又荣获２０１５年度安 安徽３１３队联合中国地质大学（武汉）、中科院 徽省科技一等奖。 为我国深部钻探技术发展起到了重要的引领和推 动作用。 武汉岩土力学研究所和中国地质装备集团有限公 司等单位，历经７年的探索、研究与生产试验，完成 了３ ０００ １ＴＩ孔深小口径岩芯钻探关键技术装备、集 该项目获得国家专利９项（其中发明专利３ 项），国家计算机软件著作权１项；在国内核心期刊 上发表论文２０篇，出版专著２部。“十二五”期间， 项目子课题分别获得安徽省科学技术奖二等奖１ 成化钻孔三维设计与轨迹监控技术、孔壁地层图像 反演及定向取芯技术、低转速长寿命高效率金刚石 钻头研发等课题研究。 项、安徽省国土资源科学技术奖一等奖３项、安徽 省地矿局地质科技进步奖一等奖２项。 （来源：中国国土资源报） 该项目解决了我国地下３ ０００ ｍ深度地质找矿 p２０１６年４月第２４卷·第２期 ８９