本发明涉及一种基于多种露头的地质结构面形态综合解译方法，属于水电水利、矿山、建筑工程等岩体工程行业工程勘察领域。针对地质钻孔、平硐编录采集得到的地质结构面露头，综合依据其构造类型、几何特征(产状、空间位置)、结构面特性等地质指标，采用针对有效的分析技术解译获得不同结构面露头在三维空间内的关联性质，从而为确定性地质结构面网络模型的构建以及相关地质分析提供基础依据。
背景技术：
地质结构面是工程岩体的基本构成之一，直接影响岩体的结构特征及其稳定性，因此围绕结构面的地质调查是水电水利等岩体工程勘察的核心内容。传统地勘工作通常采用地表测绘、钻孔、洞探等勘探方法并辅以相关地质分析针对结构面获取包括揭露位置(露头)、产状、成因机制、结构面特性等主要指标在内的基础性资料，为日常性地质成果图件的形成及其深化地质分析奠定必要的数据条件。
在硬质块状岩体中，地质结构面网络往往是影响工程岩体潜在变形和破坏模式的控制性因素，因此，围绕基础性勘察资料需开展地质分析工作的重要内容之一即在于确定结构面的空间形态特征，即结构面形态的解译。
结构面形态解译的关键是从大量的、多种类型的结构面露头中找到不同露头之间在三维空间内的关联关系。钻孔、平硐是岩体工程地勘工作中普遍采用的常规性手段，在编录时往往会彼此独立地记录一些结构面露头，因而地质结构面空间形态确定的首要问题是分析解译这些露头能否彼此连接和如何连接。现有解译技术因为缺乏有效的工作方法，最终结果是大量露头没有被利用，确定结构面空间形态仍然是岩体工程地质分析的技术难点问题。
从发育规模及稳定性角度考虑，高级别结构面控制了岩体潜在变形与稳定性的宏观特征，因此长大结构面是结构面形态分析解译的主要对象。
围绕长大地质结构面形态的解译方法应尽可能挖掘原始资料的工程价值。在岩体工程地勘工作中，钻孔、平硐记录了大量的结构面露头信息，重点包括构造类型、几何特征(位置和产状)及其结构面特性(如错动性质、结构面厚度、填充类型等)。基于多种露头的地质结构面形态综合解译方法即针对现场采集的大量、多种类型的结构面露头依次进行优势性分组、空间关系比对、特性比对，不断剔除“不相关者”，最后剩余少量高度相似的露头。根据基本工程条件和地质条件等，在原始勘察资料中查询统计得到目标岩体部位的结构面露头样本，继而采用极点等密图技术依据露头产状得到优势性结构面分组；在指定优势性分组内，根据输入产状偏差约束参数对指定结构面露头样本进行空间关联搜索，获得与其具有位置、产状关联条件的其余露头样本；根据结构面特性进一步筛选剔除，可以得到空间位置、产状和地质属性均一致的所有目标样本，由此实现对某确定性长大结构面的空间形态的分析解译。
针对地质结构面的现场资料采集和内业整理与分析是岩体工程地质工作的重点内容。工程勘察钻孔、平硐彼此独立地记录了一些结构面，这些结构面以局部编号的方式进行命名，如fp1、fp2…，各结构面空间位置信息以钻孔深度或者平硐桩号方式进行记录，此外，勘察工作还详细记录了各结构面的产状、构造类型、特性等信息。根据工程与地质基本条件，综合露头位置、产状、构造类型、类型、及其特性。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于多种露头的地质结构面形态综合解译方法可以实现对结构面空间形态的分析解译，为确定性结构面网络模型的构建以及工程地质分析和设计应用提供更为详实、准确的依据。
本发明的技术方案如下：
本发明是一种基于多种露头的地质结构面形态综合解译方法，该方法由建立数据库、优势性分组、空间关系对比、地质属性对比、成果输出五部分构成；数据库用于地质结构面露头原始资料的存储和管理；根据基本工程条件和地质条件等，在原始勘察资料中查询统计得到目标岩体部位的结构面露头样本，继而采用极点等密图技术依据露头产状得到优势性结构面分组；在指定优势性分组内，根据输入产状偏差约束参数对指定结构面露头样本进行空间关联搜索，获得与其具有位置、产状关联条件的其余露头样本；根据结构面特性进一步筛选剔除，得到空间位置、产状和地质属性均一致的所有目标样本，由此实现对某确定性长大结构面的空间形态的分析解译；支持将结构面露头样本解译成果输出至指定三维地质建模系统、并构建结构面模型。
其中，所述数据库以具体工程对象为单位进行基本地质编录资料的存储和管理，为实现基于多种露头的地质结构面形态综合解译方法的工程应用提供必要的数据输入。
具体的，该基于多种露头的地质结构面形态综合解译方法，包括如下步骤
步骤1：建立地质结构面数据库；
步骤2：判断数据库中钻孔或平硐，当其中的基本工程信息指标与指定的基本工程条件约束参数一致时，得到满足条件的钻孔或平硐样本；
步骤3：依次判断满足上述条件的钻孔或平硐中的长大结构面样本，当其揭露位置与指定的基本地质条件约束参数一致时，得到满足条件的结构面露头样本；
步骤4：对目标岩体部位的所有结构面露头样本进行极点等密图分析，得到露头样本的优势性分组成果；
步骤5：在任意优势性结构面分组内，指定某参考露头A，假定其倾角与倾向分别为DIP与DD，并设置偏差角α、与产状偏差β。
步骤6：由参考露头A的空间位置及其偏差角α在空间内自动定义得到约束边界即边界1与边界2，约束边界通过露头A，倾向均为DD，倾角分别为DIP-α、DIP+α；
步骤7：判断指定优势性结构面分组内其他露头，当其位置位于由约束边界1与2定义的空间范围内，且倾角与倾向分别介于[DIP-β，DIP+β]、[DD-β，DD+β]时，即认为该露头与参考露头A具有位置、产状关联条件；
步骤8：采用步骤7依次判断指定优势性结构面分组内所有其他样本，获得与某空间结构面指定露头A具备位置、产状关联条件的所有露头样本；
步骤9：汇总比较上述满足位置、产状关联条件的所有露头样本的地质属性，剔除其中的不相关者，最终得到与空间结构面具有最优关联条件的所有有效样本；
步骤10：将有效露头样本输出至地质三维建模与分析设计平台ItasCADV3.5，采用离散光滑插值即DSI技术构建结构面模型。
其中，步骤3完成后，可以重复步骤2、步骤3，完成对数据库中的所有钻孔、平硐及其其中的结构面样本遍历，最终得到目标岩体部位的结构面露头样本的统计获取，进而采用步骤4中极点等密图技术开展优势性结构面分组分析；步骤10完成后，可以重复步骤5-步骤10，依次完成指定优势性分组内其他结构面有效样本露头的查询筛选分析、及其模型构建，得到该分组的结构面网络模型。
本发明根据基本工程条件、基本地质条件，结合钻孔与平硐揭露结构面露头的空间位置、产状及其地址属性信息，实现目标岩体部位的不同结构面露头之间关联关系的综合解译，为确定性地质结构面网络模型的构建及相关地质深化分析提供有效方法。较之传统的结构面解译方法，更为充分地利用了原始地质资料信息，解译成果因此也更为丰富详实。本发明大大提高了勘察原始资料的可利用性及工程价值，本发明工作原理简单有效，不增加勘探过程中的工作内容及工程量，解译方法易于掌握。
附图说明
图1展示了基于多种露头的地质结构面形态综合解译方法的构成及工作流程；
图2展示了目标岩体部位结构面露头的查询统计；
图3展示了产状偏差、角度偏差筛选结构面露头原理示意图；
图4展示了解译获得的结构面三维地质模型；
图5展示了坝址区充填结构面优势分组；
图6展示了中坝址充填结构面(左)和厂房区断层(右)分布统计；
图7展示了厂房区第一组断层可视化展示；
图8展示了厂房区第一组断层空间对比(左)、特性对比(右)筛选结果；
图9展示了厂房区结构面形态解译成果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的任何限制。
本发明的基于多种露头的地质结构面形态综合解译方法由数据库、优势性分组、空间关系对比、地质属性对比、成果输出五部分构成。数据库用于地质结构面露头原始资料的存储和管理。根据基本工程条件和地质条件等，在原始勘察资料中查询统计得到目标岩体部位的结构面露头样本，继而采用极点等密图技术依据露头产状得到优势性结构面分组；在指定优势性分组内，根据输入产状偏差约束参数对指定结构面露头样本进行空间关联搜索，获得与其具有位置、产状关联条件的其余露头样本；根据结构面特性进一步筛选剔除，可以得到空间位置、产状和地质属性均一致的所有目标样本，由此实现对某确定性长大结构面的空间形态的分析解译；支持将结构面露头样本解译成果输出至指定三维地质建模系统、并构建结构面模型。
数据库以具体工程对象为单位进行基本地质编录资料的存储和管理，为实现基于多种露头的地质结构面形态综合解译方法的工程应用提供必要的数据输入。以对钻孔和平硐这两种常规勘探类型获取的结构面进行解译为目的，数据库设计了系统全面的数据输入接口，表1表示了主要的编录内容和指标，其设计意图及意义在于：
1)编录内容：依据信息类型的不同，将钻孔和平硐获取的编录内容区分为基本信息、长大结构面，采用数据表单进行分类管理；
2)基本信息编录：除存储钻孔或平硐自身形态描述参数外，还包括其所属工程的基本信息和勘探过程揭示的基本地质信息。
a)形态特征：采用孔(洞)口坐标、孔(洞)深及其轴线方位来描述钻孔或平硐的空间形态。
b)工程信息：包括工程名称、工程部位和工程阶段；
c)地质信息：包括地层代号、岩性名称、风化程度、卸荷程度
3)长大结构面编录：用于存储和管理勘探对象内揭示的长大结构面信息，主要包括揭露位置、厚度和产状、地质属性等指标(字段)。
以上基本信息编录指标(字段)主要用于作为长大结构面露头样本查询筛选的约束条件，结合结构面揭露位置信息，即可追溯每个露头在三维空间内的确切位置，从而实现目标岩体部位的结构面露头样本的统计获取，作为后续应用分析的数据输入。
以上述原理作为背景，实现了基于多种露头的地质结构面形态综合解译方法，方法构成及工作流程如图1所示。
步骤1：地质结构面数据库。针对钻孔或平硐勘探对象，按建议格式与标准进行原始数据整理入库，形成基于多种露头的地质结构面形态综合解译方法工作开展的输入条件。
选择基本工程条件(工程名称、工程阶段、工程部位)或基本地质条件(地层代号、岩性名称、风化程度、卸荷程度)指标作为查询统计的约束参数，并根据钻孔或平硐基本信息以及其中结构面露头揭露位置与约束条件之间的关系，在地质结构面数据库中查询统计得到目标岩体部位的露头样本，参见图2。
步骤2：判断数据库中钻孔或平硐，当其中的基本工程信息指标与指定的基本工程条件约束参数一致时，得到满足条件的钻孔或平硐样本。
步骤3：依次判断满足上述条件的钻孔或平硐中的长大结构面样本，当其揭露位置与指定的基本地质条件约束参数一致时，得到满足条件的结构面露头样本。
重复步骤2、步骤3，完成对数据库中的所有钻孔、平硐及其其中的结构面样本遍历，最终得到目标岩体部位的结构面露头样本的统计获取，进而采用极点等密图技术开展优势性结构面分组分析。
步骤4：对目标岩体部位的所有结构面露头样本进行极点等密图分析，得到露头样本的优势性分组成果。
不同部位钻孔、平硐揭露某空间结构面的露头，其空间位置、产状偏差应在一定的范围内，因此采用位置与产状作为结构面解译的首要指标。将任意优势性结构面分组分组成果输出，根据输入产状偏差约束参数对指定结构面露头进行空间关联搜索，获得与其具有位置、产状关联条件的其余露头样本，基本原理参见图3。
步骤5：在任意优势性结构面分组内，指定某参考露头A(假定其倾角与倾向分别为DIP与DD)，并设置偏差角α、与产状偏差β。
步骤6：由参考露头A的空间位置及其偏差角α在空间内自动定义得到约束边界即边界1与边界2，约束边界通过露头A，倾向均为DD，倾角分别为DIP-α、DIP+α。
步骤7：判断指定优势性结构面分组内其他露头，当其位置位于由约束边界1与2定义的空间范围内，且倾角与倾向分别介于[DIP-β，DIP+β]、[DD-β，DD+β]时，即认为该露头与参考露头A具有位置、产状关联条件。
参见图4，其中露头B位于约束边界外，不具备关联条件；尽管露头C位于约束边界内，但其倾角在产状约束范围[DIP-β，DIP+β]外，同样不具备关联条件；D、E满足所有约束条件，因此是具有关联条件的露头样本。
步骤8：采用步骤7依次判断指定优势性结构面分组内所有其他样本，获得与某空间结构面指定露头A具备位置、产状关联条件的所有露头样本。
某空间结构面在不同部位的钻孔、平硐揭露到该结构面位置的露头，除其产状、空间位置偏差应在一定的范围内外，结构面特性往往也应具有较高的一致性，因此可采用结构面地质属性对露头样本进一步筛选。
步骤9：汇总比较上述满足位置、产状关联条件的所有露头样本的地质属性(构造类型、厚度、错动性质、充填类型)，剔除其中的“不相关”者，最终得到与空间结构面具有最优关联条件的所有有效样本。
步骤10：将有效露头样本输出至地质三维建模与分析设计平台ItasCADV3.5，采用离散光滑插值即DSI技术构建结构面模型，参见图4。
重复以上步骤5-步骤10，依次完成指定优势性分组内其他结构面有效样本露头的查询筛选分析、及其模型构建，得到该分组的结构面网络模型。
表1：数据库中主要编录内容和指标(字段)
实施例：
中国西部某水利水电工程，可研阶段勘察成果揭示，坝址区不同部位钻孔、平硐揭露的各类型充填结构面按产状可划分5个优势组，如图5所示。钻孔、平硐编录时无法判断彼此关系的结构面露头，在单孔\洞内，采用“局部编号”进行区别命名。厂房区位于中坝址右岸，结构面相对发育，对厂房岩体变形、破坏模式存在潜在影响，为此，研究工作需获取厂房区结构面地质模型，为工程地质分析和设计应用提供模型依据。
现实工作的这一需求要求对结构面露头进行结构面形态解译时，能利用结构面露头空间位置信息，对不同工程部位进行针对性结构面解译工作。采用基于多种露头的地质结构面形态综合解译方法，在数据库中按工程部位、结构面类型对结构面进行筛选，如图6所示，针对厂房区断层类型的结构面筛选结果列于图6右侧。
根据实际工作需求，进一步将厂房区断层按照产状进行优势分组，如图7所示，厂房区断层优势分组为3组，选择第一组，输出至三维可视化平台。
图7可见，按照工程部位、产状优势组筛选输出的结构面露头，均集中分布在右岸厂房区域，此时，勘探孔、洞内符合筛选条件的结构面露头彼此之间仍难以厘清关联关系，为此，对这些露头进一步开展空间对比，选择任一结构面露头(如PDZ14_fp8)通过设置产状偏差容许值20°、偏差角容许值10°，进一步剔除在潜在范围之外的结构面露头，如图8(左)所示，空间对比筛选结束后，剩余少量平硐内的结构面露头，此时PDZ08内的fp10、fp12、fp13、fp14均被筛选保留下来，进一步对比断层露头的其他特性如断层类型，发现PDZ08_fp10\fp12\fp13均为正断层，PDZ08_fp14为逆断层，而通过产状偏差、角度偏差筛选出的其他平硐断层露头类型均为逆断层，因此进一步剔除PDZ08_fp10\fp12\fp13三个结构面露头。最终甄别获得与PDZ14_fp8具备关联关系的断层露头及其所在平硐\钻孔如图8(右)所示。根据最终解译的结构面露头关联关系，拟合创建厂房区断层三维地质模型，如图9所示。
以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。