一种公路隧道水文地质动态三维模型构建方法及系统

本发明涉及隧道水文地质，尤其涉及一种公路隧道水文地质动态三维模型构建方法及系统。

背景技术：

1、封闭式高压岩溶储水环境是一种特殊的地质环境，其中包含着丰富的地下水资源。在这种环境中，公路隧道通常需要穿越多个含水层或遇到较大的溶洞，因此地下水的存在对隧道的建设和运营都带来了很大的影响。封闭式高压岩溶储水环境通常存在于深山峡谷或丘陵地带。在这些地区，由于地壳运动和岩层构造的作用，形成了复杂的岩溶地质结构，其中包含大量的溶洞、暗河和裂隙等。这些地质结构使得地下水在垂直和水平方向上流动变得异常复杂。

2、在这种地质环境中，地下水位通常较浅，且存在高水压力。这是因为封闭式高压岩溶储水环境中的地下水系统与外界相对隔离，使得水位波动较小，而水压力则主要由地下水的重力作用和地层压力共同构成。这种高压环境对地下水的流动和隧道的安全运营都带来了很大的影响。公路隧道在设计和施工过程中，需要对地下水问题进行充分考虑和评估。在封闭式高压岩溶储水环境中，地下水的流动规律和涌水模式更加复杂，因此需要更加精细的设计和施工方法。同时，为了保障隧道的安全运营，需要对地下水进行实时监测，及时发现并解决潜在的安全隐患。

3、现有公开的论文涵盖了公路隧道水文地质建模的不同方面，如：

4、地质建模技术及其在公路隧道设计中的应用：该论文介绍了地质建模的基本原理和方法，包括克里金插值、反演分析等技术，并讨论了这些技术在公路隧道设计中的应用。

5、基于gis的公路隧道水文地质信息系统设计：该论文探讨了如何利用gis技术构建公路隧道水文地质信息系统。该系统可以实现地质数据的可视化、空间分析等功能，为隧道设计和施工提供支持。

6、基于数值模拟的公路隧道水文地质特性研究：该论文介绍了数值模拟技术在公路隧道水文地质特性研究中的应用。通过建立数值模型，可以模拟地下水的流动、土壤湿度等过程，为隧道防水设计和施工提供依据。

7、公路隧道水文地质条件对隧道稳定性的影响研究：该论文探讨了公路隧道水文地质条件对隧道稳定性的影响。研究内容包括地下水位、土壤湿度、地层厚度等因素对隧道开挖过程中围岩稳定性的影响。

8、基于数据挖掘的公路隧道水文地质预测模型研究：该论文介绍了如何利用数据挖掘技术构建公路隧道水文地质预测模型。该模型可以利用历史数据预测未来的地质状况，为隧道设计和施工提供依据。

9、目前，针对封闭式高压岩溶储水环境公路隧道地下水动力特征与致灾机理的研究还比较有限。传统的地下水研究方法主要基于经验公式和简单模型，难以准确地描述这种复杂地质环境中的地下水流动和涌水现象。

10、综合上述，可知现有技术中存在以下技术问题：公路隧道建设过程中，对地下水文地质条件的掌握至关重要。传统的地质勘测方法往往不能全面、直观地展示隧道所在区域的水文地质情况，具有一定的局限性，为此我们提出一种公路隧道水文地质动态三维模型构建方法及系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种公路隧道水文地质动态三维模型构建方法及系统，以解决上述背景技术中所提出的问题。

2、为了解决上述的技术问题，本发明采用了如下技术方案：

3、一种公路隧道水文地质动态三维模型构建方法，包括以下步骤：

4、s1：数据收集：收集隧道工程相关的水文地质数据，包括地下水位、地下水流向、土壤湿度、地层厚度等信息；

5、s2：数据处理：将收集到的数据进行处理，转化为可用于三维模型构建的数据格式；

6、s3：三维模型构建：基于收集到的数据，利用三维建模软件进行隧道水文地质三维模型的构建；

7、s4：模型动态更新：根据新的地质数据，对已构建的三维模型进行动态更新，确保模型的实时性和准确性，收集的数据含有隧道掌子面超前转孔数据，这些数据包括岩石类型、岩石硬度、岩石破碎程度、岩石含水率等，之后根据隧道掌子面超前转孔揭露的围岩条件，提前更新模型及系统，通过该方法，可以收集全面的水文地质数据，包括地下水位、地下水流向、土壤湿度、地层厚度等信息，为隧道工程提供更准确的地质信息。同时，该方法可以实现三维模型的构建和动态更新，确保模型的实时性和准确性，为隧道设计和施工提供更直观的参考。

8、优选的，所述s1中收集的数据包括地下水位数据：地下水位数据是影响隧道设计和施工的关键因素，其高低直接影响到隧道防水设计和施工的难度和成本。地下水流向数据可以确定隧道施工过程中的排水方向和防渗漏措施，对于隧道施工的安全性和稳定性具有重要意义；

9、地下水流向数据：收集隧道区域地下水的流向数据，包括主流方向和支流情况，可以确定隧道施工过程中的排水方向和防渗漏措施。

10、优选的，所述s1中收集的数据还包括土壤湿度数据：土壤湿度是衡量土壤含水量的重要指标，对于隧道施工过程中的土方开挖、支护结构设计和施工等方面都有重要影响。通过收集土壤湿度数据，可以更好地了解隧道区域的土壤特性，为隧道设计和施工提供更准确的地质信息。

11、优选的，所述地下水位数据包括最高水位、最低水位、平均水位以及水位变化趋势，有助于了解地下的水压力状况，为隧道防水设计和施工提供依据，通过了解水位变化趋势，还可以预测未来可能的水文地质情况，为隧道设计和施工提供更可靠的地质信息。

12、优选的，所述s2收集到的水文地质数据需要进行处理，转化为可用于三维模型构建的数据格式，通过数据处理，可以将不同来源和格式的数据进行统一转换，使其能够用于三维模型构建。这样能够提高模型构建的效率和准确性，为隧道设计和施工提供更可靠的依据。

13、优选的，所述水文地质数据处理的步骤如下：

14、步骤一，数据清洗：对收集到的数据进行清洗，去除无效、错误和重复的数据，确保数据的准确性和完整性；

15、步骤二，数据转换：将不同来源和格式的数据进行转换，使其能够统一用于三维模型构建，例如，将深度和宽度数据转换为三维坐标数据；

16、步骤三，数据分类：根据数据的性质和用途，将数据进行分类，例如地下水位数据、土壤湿度数据、地层厚度数据等，以便于后续的三维模型构建，通过数据清洗可以去除无效、错误和重复的数据，确保数据的准确性和完整性；通过数据转换可以将不同来源和格式的数据统一转换为可用于三维模型构建的数据格式；通过数据分类可以将数据进行分类整理，以便于后续的三维模型构建。这些步骤能够提高数据处理效率和准确性，为模型构建提供更可靠的依据。

17、优选的，所述步骤三之后对于不完整的数据，需要使用插值方法进行插值处理，以估算缺失的数据值，通过插值处理可以填补数据中的空缺，提高数据的完整性和准确性，为模型构建提供更可靠的依据。

18、优选的，所述插值方法为线性插值，线性插值是一种常用的插值方法，其基本思想是通过已知的数据点之间的线性关系来估算缺失的数据值。这种方法在数据处理中广泛应用，可以提高数据的准确性和完整性，为模型构建提供更可靠的依据。

19、一种公路隧道水文地质动态三维模型构建系统，适用于一种公路隧道水文地质动态三维模型构建方法，包括以下模块：

20、数据收集模块，负责从各种数据源收集隧道工程相关的水文地质数据，数据收集模块应具备数据获取、数据解析和数据转换的功能，以便将不同来源和格式的数据转化为系统可用的数据格式；

21、数据处理模块，负责对收集到的水文地质数据进行处理，包括数据清洗、格式转换、分类和插值等操作，数据处理模块应具备强大的数据处理能力，能够高效地处理大量数据，并保证数据的准确性和完整性；

22、三维模型构建模块，基于处理后的水文地质数据，利用三维建模软件进行隧道水文地质三维模型的构建，三维模型构建模块具备创建地表模型、地下模型以及进行模型细化和优化的功能，能够将模型导出为通用格式，以便在可视化软件或虚拟现实环境中进行展示和交互；

23、模型动态更新模块，根据新的地质数据，对已构建的三维模型进行动态更新，包括根据新的地下水位数据、土壤湿度数据和地层厚度数据等，实时更新隧道的水文地质状况，模型动态更新模块应具备实时数据监测和模型自动更新的功能，以确保模型的实时性和准确性，同时根据隧道开挖揭露的围岩条件，实时更新模型及系统，模型动态更新模块应具备实时数据监测和模型自动更新的功能，以确保模型的实时性和准确性；

24、可视化与交互模块，负责将构建好的三维模型进行可视化展示，并允许用户进行交互操作，可视化与交互模块应具备高质量的图形渲染能力和便捷的交互操作方式，使用户能够直观地观察和了解隧道的水文地质状况；

25、自动化与智能化模块，负责实现自动化和智能化的隧道水文地质三维模型构建及更新，在隧道轴线的多个地表钻孔中，安装孔隙水压力传感器，实时监测钻孔中的水位，基于实时监测的水位通过神经网络实时反演隧址区地下水位，从而实时更新模型及系统。

26、可以毫无疑义的看出，通过本技术的上述的技术方案，必然可以解决本技术要解决的技术问题。

27、同时，通过以上技术方案，本发明至少具备以下有益效果：

28、一种公路隧道水文地质动态三维模型构建方法及系统的技术效果主要体现在以下几个方面：

29、1、提高模型精度：通过地质调查、地质勘探、地质资料分析等多种手段获取隧道区域的水文地质数据，并进行三维建模，能够实现高精度的地质模型构建，为隧道工程的设计和施工提供更准确的地质信息。

30、2、实现动态更新：根据新的地质数据，对已构建的三维模型进行动态更新，能够保证模型的实时性和准确性，为隧道施工过程中的风险评估和工程设计提供动态的地下信息。

31、3、促进自动化和智能化：通过数据处理模块、三维模型构建模块、模型动态更新模块等模块的协同工作，能够实现自动化和智能化的隧道水文地质三维模型构建及更新，提高工作效率和准确性。

32、4、增强可视化与交互性：通过可视化与交互模块，能够将构建好的三维模型进行可视化展示，并允许用户进行交互操作，使用户能够更直观地了解隧道的水文地质状况。

33、5、提升数据管理能力：通过数据库管理模块，能够实现高效的数据存储、检索、备份和恢复等功能，确保数据的可靠性和安全性。

34、6、方便系统设置与维护：通过系统设置与维护模块，能够进行用户管理、权限设置、系统日志等功能，确保系统的稳定运行和长期可用性。

35、综上所述，本发明能够提供更准确、实时、直观的隧道水文地质信息，促进自动化和智能化，提升数据管理能力，方便系统设置与维护，为隧道工程的设计和施工提供有力支持。