基于BIM的特高拱壩建基面選擇

李崇標(biāo)，王 皓，李 華

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

基于BIM的特高拱壩建基面選擇

李崇標(biāo)，王 皓，李 華

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

基于巖體的復(fù)雜性和專(zhuān)業(yè)BIM軟件系統(tǒng)制約的原因，BIM技術(shù)在水電水利巖土地質(zhì)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步和發(fā)展階段。本文以葉巴灘水電站勘察設(shè)計(jì)為例，將BIM技術(shù)應(yīng)用于信息管理與模型構(gòu)建，并通過(guò)基于屬性地質(zhì)對(duì)象的單因素和多因素巖體質(zhì)量三維分析，以及各種地質(zhì)缺陷影響的三維統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)，深入應(yīng)用于特高拱壩建基面選擇，為利用BIM技術(shù)解決水電水利工程地質(zhì)問(wèn)題作了積極探索。

BIM；建基面；屬性地質(zhì)對(duì)象；地質(zhì)缺陷；深卸荷；斷層

0 前 言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，大數(shù)據(jù)、信息化、可視化、智慧工程及虛擬現(xiàn)實(shí)等理念的興起，BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，在工業(yè)制造、工業(yè)民用建筑、鐵路、公路和水電水利等行業(yè)領(lǐng)域得到深入的應(yīng)用[1-4]。在建筑、結(jié)構(gòu)、管道管線、機(jī)電設(shè)備、施工等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，已有CATIA、Revit、Civil 3D、Bentley等諸多功能完善強(qiáng)大的設(shè)計(jì)軟件[5-6]，應(yīng)用已相對(duì)深入和成熟。相比之下，基于自然地質(zhì)體的復(fù)雜且不可重復(fù)的特性，以及專(zhuān)業(yè)化BIM系統(tǒng)研發(fā)的制約，BIM技術(shù)在巖土地質(zhì)專(zhuān)業(yè)中的應(yīng)用還處在發(fā)展階段，尤其在水電水利工程巖土地質(zhì)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域還處在探索階段[7]。由于中國(guó)西部地區(qū)巖土地質(zhì)條件更加復(fù)雜，工程規(guī)模大，尤其需要利用專(zhuān)業(yè)化的BIM設(shè)計(jì)系統(tǒng)，管理分析大量生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建復(fù)雜精確的數(shù)字化三維模型，以查清復(fù)雜巖土體客觀發(fā)育規(guī)律和特性，分析評(píng)價(jià)穩(wěn)定性、可利用性和工程適應(yīng)性。其中，在水電工程特高拱壩設(shè)計(jì)研究中，大壩建基面選擇是核心問(wèn)題之一，也是地質(zhì)工作的關(guān)鍵問(wèn)題，以往采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法和二維分析，工作量巨大，成果展示不直觀且有局限，因此，引入BIM技術(shù)十分必要。

葉巴灘水電站地處中國(guó)西部地區(qū)金沙江上游，位于金沙江斷裂帶內(nèi)，是壩高217 m的特高混凝土雙曲拱壩工程，壩址為石英閃長(zhǎng)巖，河谷深切，岸坡高陡，數(shù)百條斷層和擠壓破碎帶切割形成了復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)。兩岸除淺表的強(qiáng)卸荷、弱卸荷之外，還發(fā)育深卸荷現(xiàn)象，而且深卸荷松弛的程度極不均一，即使在相距50 m的范圍內(nèi)，松弛程度也有很大差異。因此在該工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用GeoSmart數(shù)字化BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)及Hydro gocad三維建模軟件，在逐步形成完整的數(shù)據(jù)庫(kù)后，構(gòu)建準(zhǔn)確的三維模型，將BIM技術(shù)全過(guò)程全面應(yīng)用于特高拱壩建基面選擇，解決了復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造與風(fēng)化卸荷條件下建基巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)、利用與方案比選問(wèn)題。

1 BIM信息模型構(gòu)建

在數(shù)年時(shí)間內(nèi)，工程樞紐區(qū)完成了126個(gè)共計(jì)14 300 m鉆孔和66個(gè)共計(jì)10 300 m平洞，巖土地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)量巨大。采用GeoSmart數(shù)字化BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，將地形、地質(zhì)測(cè)繪、鉆孔平洞勘探、物探、試驗(yàn)等全部資料隨勘察過(guò)程錄入工程地質(zhì)信息管理系統(tǒng)GeoIM。系統(tǒng)中存儲(chǔ)了全過(guò)程的數(shù)據(jù)信息，并按地質(zhì)屬性分類(lèi)存儲(chǔ)，隨過(guò)程不斷進(jìn)行地層、構(gòu)造、聲波Vp及試驗(yàn)數(shù)據(jù)更新統(tǒng)計(jì)分析。以GeoIM中的地質(zhì)信息為基礎(chǔ)，將勘探、地質(zhì)點(diǎn)利用Hydro gocad載入三維空間，呈現(xiàn)為具有多重地質(zhì)屬性的勘探圖元，這些圖元可以是幾何信息、物理力學(xué)參數(shù)信息，也可以是數(shù)據(jù)庫(kù)初步統(tǒng)計(jì)分析的分層分段信息。利用這些信息圖元，采用離散平滑算法(DSI)快速構(gòu)建覆蓋層、斷層及風(fēng)化卸荷等地質(zhì)體組成的三維模型(見(jiàn)圖1)。模型以歷史版本為基礎(chǔ)隨工作進(jìn)展不斷更新，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)分析與建模過(guò)程的統(tǒng)一。形成涵蓋各環(huán)節(jié)的信息，以及屬性信息與幾何信息深度關(guān)聯(lián)的三維模型，通過(guò)數(shù)據(jù)中心不間斷地追溯和調(diào)用，作為工程地質(zhì)問(wèn)題分析評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，具有完整、準(zhǔn)確、合規(guī)、安全和可追溯的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 BIM三維模型

2 基于屬性地質(zhì)對(duì)象的巖體質(zhì)量三維分析

2.1 單因素分析

巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的首要任務(wù)是開(kāi)展單因素的分析。巖體縱波速Vp和巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD是表征巖體質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，Vp、RQD值越高，表明巖體的質(zhì)量越好。從GeoIM中調(diào)用鉆孔、平洞勘探的巖體聲波Vp、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD等資料，載入Hydro gocad三維模型軟件中，構(gòu)建建基巖體的Vp、RQD等屬性對(duì)象地質(zhì)體云圖(見(jiàn)圖2)。基于單因素指標(biāo)的屬性地質(zhì)對(duì)象三維模型化，突破了二維設(shè)計(jì)的局限，使得成果更加直觀、全面、準(zhǔn)確、美觀。

圖2 建基巖體RQD屬性地質(zhì)體云圖

根據(jù)云圖進(jìn)行建基巖體質(zhì)量的Vp、RQD等單因素分析評(píng)價(jià)，從各單因素隨高程的變化規(guī)律分析(見(jiàn)圖3)，建基面2 670～2 679 m高程之間的巖體Vp均大于4 500 m/s，RQD均大于75%，沒(méi)有大面積集中的低速帶和破碎帶分布，巖體質(zhì)量好且滿足建壩技術(shù)要求。

2.2 多因素分析

多因素的綜合評(píng)價(jià)可全面反映巖體的綜合質(zhì)量屬性，從各種地質(zhì)因素對(duì)壩基巖體質(zhì)量的影響程度來(lái)看，巖石強(qiáng)度和巖體完整性是控制巖體質(zhì)量的關(guān)鍵因素。為此根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218-2014)[8]中巖體基本質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算公式(1)，利用已進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)的基于鉆孔、平洞勘探的Rc、Kv信息，形成附著于勘探的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ信息。

圖3 建基巖體Vp隨高程變化規(guī)律云圖

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

式中Rc——巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度；

Kv——巖體完整性指數(shù)。

將附著于勘探建基巖體的BQ信息載入Hydro gocad，構(gòu)建壩基巖體質(zhì)量多因素綜合評(píng)價(jià)的BQ屬性地質(zhì)對(duì)象三維空間云圖。從建基巖體BQ指標(biāo)隨高程的變化規(guī)律(見(jiàn)圖4)來(lái)看，2 675～2 678 m高程之間的巖體BQ指標(biāo)均大于400，按照標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于巖體基本質(zhì)量的分級(jí)劃分，屬于Ⅲ1～Ⅱ級(jí)巖體。而在2 675 m高程以下受斷層發(fā)育巖體破碎的影響，及2 678 m高程以上受風(fēng)化卸荷控制巖石強(qiáng)度降低、巖體松弛的影響，均存在較大范圍的低BQ區(qū)域，都不能夠滿足建基巖體要求。因此從BQ指標(biāo)反映的巖體質(zhì)量多因素三維分析結(jié)果來(lái)看，2 675～2 678 m高程之間，是最適宜河床建壩的區(qū)域。

圖4 BQ隨高程變化規(guī)律云圖

3 地質(zhì)缺陷影響分析

3.1 斷層影響分析

大壩建基面應(yīng)選擇設(shè)置在堅(jiān)硬完整的巖體上，應(yīng)盡量減小斷層、軟弱夾層等地質(zhì)缺陷對(duì)拱壩變形的影響。根據(jù)壩基可利用巖體分析，擬定2 675 m和2 677 m兩個(gè)建基面方案，并將建基面比選方案載入三維空間，分析各條斷層與建基面的關(guān)系(見(jiàn)圖5)。

圖5 斷層與建基面的關(guān)系

利用三維模型中的建基面方案輪廓，統(tǒng)計(jì)在建基面出露的各條斷層延伸長(zhǎng)度及出露位置(見(jiàn)表1)，評(píng)價(jià)斷層對(duì)不同建基面方案的影響。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果表分析，2 677 m方案建基面方案斷層出露的長(zhǎng)度總體略小，受斷層地質(zhì)缺陷的影響較小，需作的斷層缺陷置換工程量比2 675 m方案少。

表1 壩基主要斷層缺陷出露長(zhǎng)度對(duì)比 m

3.2 深卸荷影響分析

在該工程壩區(qū)巖體中，除淺表的卸荷之外，還發(fā)育深卸荷現(xiàn)象，深卸荷巖體松弛、破碎，抗變形能力差，對(duì)拱壩的變形有較大不利影響。深卸荷巖體水平埋深一般大于80 m，其外部發(fā)育相對(duì)緊密完整的緊密巖帶巖體，因此從減小深卸荷帶影響、減少工程開(kāi)挖的原則分析，在滿足拱壩建基巖體質(zhì)量要求的前提下，拱壩建基面應(yīng)淺嵌并盡量遠(yuǎn)離深卸荷帶。為此，在三維空間內(nèi)構(gòu)建建基面與深卸荷距離云圖(見(jiàn)圖6)。

圖6 建基面與深卸荷距離云圖

從云圖反映的深卸荷與拱壩距離來(lái)看，2 677 m建基面方案與深卸荷巖體距離均大于10 m，對(duì)拱壩變形影響相對(duì)較小，而2 675 m方案距離建基面近，甚至部分進(jìn)入深卸荷巖體，深卸荷對(duì)2 675 m方案拱壩的影響較大。從深卸荷對(duì)大壩的影響來(lái)看，2 677 m方案優(yōu)于2 675 m方案。

從建基巖體質(zhì)量單因素與多因素綜合分析，結(jié)合對(duì)不同方案斷層、地質(zhì)缺陷的發(fā)育分析評(píng)價(jià)，2 677 m方案是最佳方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)基于BIM技術(shù)形成的涵蓋各環(huán)節(jié)的信息以及屬性信息與幾何信息深度關(guān)聯(lián)的三維模型，為工程地質(zhì)問(wèn)題分析奠定了基礎(chǔ)。而通過(guò)建基巖體中聲波Vp、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD及巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ的屬性地質(zhì)對(duì)象構(gòu)建與分析，實(shí)現(xiàn)了建基巖體質(zhì)量單因素與多因素綜合三維可視化評(píng)價(jià)，并且在三維空間內(nèi)對(duì)斷層、深卸荷等地質(zhì)缺陷進(jìn)行了全方位準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

(2)基于BIM開(kāi)展的特高拱壩建基面選擇，效率極大提升，統(tǒng)計(jì)更加全面，分析更加準(zhǔn)確合理，各種因素的特性、相互關(guān)系及影響更加直觀，特別是創(chuàng)建的基于屬性地質(zhì)對(duì)象的單因素與多因素綜合分析方法，突破了傳統(tǒng)平面二維分析的局限，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)條件下工程巖體質(zhì)量分析評(píng)價(jià)技術(shù)的創(chuàng)新，由此選擇的建基面方案更加合理可靠。

(3)隨勘測(cè)過(guò)程漸進(jìn)更新構(gòu)建精確的BIM模型，不僅可以解決建基面選擇的問(wèn)題，還可以應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件下特高拱壩抗滑穩(wěn)定分析、滲透分析、高邊坡穩(wěn)定分析，延伸至工程建設(shè)的全生命周期，甚至在工程施工、監(jiān)測(cè)和運(yùn)行期間持續(xù)發(fā)揮作用。

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2017-02-06

李崇標(biāo)(1982-)，男，山東淄博人，高級(jí)工程師，從事水電水利工程地質(zhì)及巖土工程勘察工作。

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