ITASCAD軟件在老撾南俄3水電站工程中的應(yīng)用

楊天俊,楊 蕓,李治民

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

ITASCAD地質(zhì)工程三維建模與分析軟件為中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司與依泰斯卡(Itasca)(武漢)咨詢有限公司聯(lián)合開發(fā)的的數(shù)據(jù)庫分析程序及三維建模軟件(依泰斯卡(武漢)咨詢有限公司現(xiàn)更名為：加華地學(武漢)數(shù)字技術(shù)有限公司，ItasCAD軟件更名為CnGIM_ma)，該軟件具有的功能主要有：① 建立數(shù)據(jù)庫，完善的數(shù)據(jù)庫自身功能可以大大提高工程地質(zhì)內(nèi)業(yè)整理的效率，而且是建模和模型應(yīng)用的基礎(chǔ)；② 創(chuàng)建含屬性三維地質(zhì)模型，包括建模功能增加，其中地質(zhì)建模采用了和GoCAD相同的離散光滑插值(DSI)算法，成為世界僅有的、采用這一核心技術(shù)的兩款專業(yè)軟件之一，是實現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)體快速建模和模型更新的關(guān)鍵；分析部分主要是節(jié)理統(tǒng)計分析在根據(jù)節(jié)理優(yōu)勢性產(chǎn)狀進行分組統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，還可以對優(yōu)勢節(jié)理長度和間距進行統(tǒng)計，并分析各組優(yōu)勢性節(jié)理的空間分布，從而大幅提高了節(jié)理地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)的工程應(yīng)用范圍； ③ 模型應(yīng)用，首先對地質(zhì)模型進行空間分區(qū)，利用每個區(qū)內(nèi)的屬性樣本進行空間插值和四則運算，獲得所需要指標的空間分布。這些通用性技術(shù)的應(yīng)用功能之一是進行三維空間的巖體質(zhì)量分級，軟件內(nèi)置了兼容水電、BQ和RMR的3種圍巖質(zhì)量分級方法，利用地質(zhì)勘測獲得的相關(guān)指標獲得給定范圍內(nèi)這3種方法的巖體質(zhì)量分級結(jié)果。其次是二維成圖、巖土體專題問題分析、巖土工程設(shè)計等，并可在工程的全階段使用。

該軟件在老撾南俄3工程進行了綜合應(yīng)用，本文對部分功能使用進行了系統(tǒng)總結(jié)。

1 概 況

南俄3水電站位于老撾民主共和國，為南俄河的第3梯級電站，南俄河是湄公河重要的支流之一，發(fā)源于塞松本省山區(qū)，一直向南在萬象市下游約90 km處匯入湄公河。樞紐布置方案主要由攔河大壩、泄水建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)組成。水庫正常蓄水位723.00 m，相應(yīng)庫容14.11億m3?；炷撩姘宥咽瘔螇雾敻叱?29.50 m，最大壩高210 m，通過長約11 km 的隧洞引水，地面廠房電站裝機容量480 MW。2013年之前，國外公司完成了整個工程區(qū)相當于中國規(guī)范的預(yù)可研及可研階段的勘測工作， 2013年4月，中國公司接手該工程的勘測設(shè)計，正式與老撾國家電力公司(EDL)簽訂了南俄3水電站EPC總承包合同，并進行南俄3水電站重編可研和基本設(shè)計階段的工作。中國公司接手后，補充進行了廠房區(qū)、壩址區(qū)、引水線路區(qū)的勘探試驗工作。

2 勘測階段數(shù)據(jù)庫及三維模型建立

2013年之前，國外公司的勘測資料包括了各部位的平面地質(zhì)圖、少部分鉆孔的鉆孔柱狀圖、大部分鉆孔的巖芯、平硐展示圖、試驗資料；2013年之后中國公司完成了鉆孔和平硐、試驗等，并重新測量了各工程部位的地形圖。

2.1 數(shù)據(jù)庫資料收集及整理

2013年后中國公司接手南俄3 工程，在早期數(shù)據(jù)庫版本的支持下，即著手建立數(shù)據(jù)庫，隨著版本的升級，數(shù)據(jù)庫功能不斷完善。整個工程建立一個數(shù)據(jù)庫，軟件中可分工程部位設(shè)置區(qū)域。

2.1.1早期國外公司勘測單位資料整理

(1) 已有鉆孔柱狀圖中資料讀取，并輸入數(shù)據(jù)庫；

(2) 已有巖芯，重新反拍照片，并進行相關(guān)風化、巖性等方面的孔深數(shù)據(jù)編錄，并輸入數(shù)據(jù)庫；

(3) 已有平硐按平硐展示圖中相關(guān)風化、卸荷、結(jié)構(gòu)面、巖性等資料讀取后輸入數(shù)據(jù)庫；

(4) 整理試驗數(shù)據(jù)，按數(shù)據(jù)庫中已有格式選擇輸入數(shù)據(jù)庫。

2.1.2中國公司補充勘測資料

(1) 鉆孔編錄全部數(shù)據(jù)直接輸入數(shù)據(jù)庫，并按數(shù)據(jù)庫繪制鉆孔柱狀圖；

(2) 平硐編錄資料直接進入數(shù)據(jù)庫；

(3) 試驗數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)庫中已有格式選擇輸入數(shù)據(jù)庫。

2.2 三維地質(zhì)模型建立

南俄3水電站引水線路長11 km，因此，三維地質(zhì)模型分3部分分別建立，一為壩址區(qū)、二為引水線路區(qū)、三為廠房區(qū)。推薦料場單獨建立模型。壩址區(qū)模型范圍包括了引水隧洞進口及全部建筑物；引水隧洞區(qū)模型范圍也包括了引水隧洞進口；廠房區(qū)模型范圍包括調(diào)壓井、壓力管道及地面廠房全部建筑物。分別建立模型完成后，又合并成單一全工程模型。建立的模型精度高，極大地節(jié)省了工程師內(nèi)業(yè)整理的時間，及時給設(shè)計提供相關(guān)地質(zhì)圖件。本文僅對壩址區(qū)建立模型進行介紹。

壩址區(qū)巖性地層包括第四系、二迭系、三迭系和泥盆系。巖性包括沖洪積層、殘崩積層和沉積巖類的砂巖、泥巖類；弱～淺變質(zhì)巖板巖、砂巖類和深變質(zhì)巖片麻巖類。巖層產(chǎn)狀較復(fù)雜。片麻巖片麻理主要走向近南北、陡傾角( 60°～80°)、傾向東或西；板巖、砂巖類顯示傾伏褶皺特征，傾角大致為60°，軸面產(chǎn)狀走向NE83°、傾SE、傾角80°，褶皺軸產(chǎn)狀57°/93°(傾伏角/傾伏向)，野外顯示褶皺倒轉(zhuǎn)。

(1) 地形圖采用2013年以后測量的 1∶1000地形圖；

(2) 平面地質(zhì)界線采用2013年之前國外公司繪制的地質(zhì)圖；

(3) 風化界線、透水率線、地下水位、覆蓋層、結(jié)構(gòu)面均來源于勘探和地面測繪資料；

(4) 巖性在建立模型時進行了同類合并成同一層處理；

(5) 加載了設(shè)計提供的各類開挖面；

(6) 三維地質(zhì)模型中包括了風化界面、透水率界面、地下水位面、覆蓋層界面、斷層面、巖性面、巖層產(chǎn)狀面、地形面、勘探鉆孔及平硐等。

2.3 三維地質(zhì)模型在工程設(shè)計中的利用

根據(jù)軟件建立模型方法，建立了工程區(qū)三維地質(zhì)模型，該模型具有以下特點：

(1) 隨時在空間上從不同角度查看各類界面的展布；

(2) 切制地質(zhì)剖面圖、平切圖，生成平面地質(zhì)圖；

(3) 將三維模型中各類界面轉(zhuǎn)換成了設(shè)計專業(yè)軟件的Catia格式提供設(shè)計直接使用；

(4) 隨時切制各種分析圖。

3 施工期數(shù)據(jù)與模型更新

3.1 數(shù)據(jù)庫增加內(nèi)容

施工階段增加到前期數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容包括：施工階段勘探鉆孔全部資料、施工階段灌漿(帷幕灌漿、固結(jié)灌漿)鉆孔全部資料、地應(yīng)力測試鉆孔全部資料、壓水試驗、補充試驗全部資料、物探檢測成果資料、平硐及建基面編錄斷層及結(jié)構(gòu)面資料等。物探檢測資料包括了孔內(nèi)波速測試、硐壁波速測試、地應(yīng)力鉆孔波速檢測資料、開挖建基面物探波速檢測資料等。開挖建基面波速采用假定沿物探檢測線為平硐進入的數(shù)據(jù)庫。硐室編錄資料包括了地質(zhì)編錄斷層和結(jié)構(gòu)面、硐壁線路精測資料(包括了結(jié)構(gòu)面間距、性狀、地下水特征等)、開挖建基面設(shè)定線路精測資料(包括了結(jié)構(gòu)面間距、性狀、地下水特征等)。開挖建基面設(shè)定線路精測采用假定沿線路為平硐進入的數(shù)據(jù)庫。

灌漿鉆孔資料按勘探鉆孔進入數(shù)據(jù)庫。

3.2 三維地質(zhì)模型修改完善

按新增數(shù)據(jù)庫內(nèi)容對三維模型進行了修改完善，主要如下：

(1) 引水隧洞實際揭露巖層修改了巖性界面；

(2) 隧洞及開挖建基面揭露的斷層和較大裂隙性結(jié)構(gòu)面建立斷層和裂隙面；

(3) 調(diào)整各部位風化界面；

(4) 隨著開挖進程，隨時增加開挖后的地形界面；

(5) 料場區(qū)域不定期復(fù)核計算不同時間段內(nèi)實際料層開挖使用方量；

(6) 隨時建立分析單一數(shù)據(jù)面模型，如趾板波速分布模型、趾板滲透率分布模型、地面廠房區(qū)波速分布模型等。

4 利用三維地質(zhì)模型進行的巖體分類及力學參數(shù)取值

本工程在施工期不同時間利用數(shù)據(jù)庫及三維模型進行了地面廠房區(qū)、引水隧洞區(qū)、溢洪道區(qū)的巖體分類及力學參數(shù)取值。本文僅以溢洪道為例。水電分類方案(HC方案)以控制巖體穩(wěn)定的巖石強度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水和主要結(jié)構(gòu)面方向修正五項因素評分之和為基本判據(jù)，圍巖強度應(yīng)力比為限定判據(jù)，并應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 HC巖體分類標準

Bieniawski提出的RMR巖體質(zhì)量分類主要考慮了5個指標，分別為巖石抗壓強度、RQD(巖體質(zhì)量指標)、節(jié)理間距、節(jié)理狀態(tài)、地下水狀態(tài)。首先進行初步分類，然后根據(jù)節(jié)理的方向?qū)こ痰挠绊戇M行修正。RMR工程地質(zhì)分類標準如表2。

表2 RMR工程地質(zhì)分類標準

設(shè)計溢洪道位于大壩左岸，共設(shè)3孔溢洪道，由引渠段、溢流堰段、泄槽段、挑流鼻坎等組成。自2016年年初，結(jié)合大壩邊坡施工開挖，溢洪道邊坡相應(yīng)施工開挖，到2018年5月，溢洪道560.00 m高程以上邊坡施工開挖完成，泄槽段開挖到建基面，溢洪道區(qū)域累計完成鉆孔1 027.90 m/16孔，鉆孔主要分布在堰閘段、泄槽段及兩側(cè)邊坡，挑流鼻坎及消力池段受勘探階段條件限制未進行相關(guān)勘探，但巖體基本裸露，地質(zhì)條件較為清楚。

溢洪道基巖巖性主要有弱-淺變質(zhì)(Met)的板巖、石英巖、板巖粉砂巖、深變質(zhì)的石英云母片巖(Sch)、片麻巖(Gn)。板巖、石英巖、板巖粉砂巖與石英云母片巖為斷層接觸，石英云母片巖與片麻巖漸變接觸。采用的技術(shù)路線如下：

(1) 收集整理前期探測階段全部勘探資料、試驗資料；

(2) 施工開挖面分部位結(jié)構(gòu)面專項統(tǒng)計；

(3) 建立三維地質(zhì)模型，進行巖體類別劃分；

(4) 根據(jù)巖體類別劃分，采用相關(guān)準則確定各風化層、各開挖面巖體力學參數(shù)；

(5) 綜合建議提出供設(shè)計使用的巖體力學參數(shù)。

溢洪道RQD值來源于鉆孔勘探及建基面測線法實測，巖石單軸抗壓強度參照壩址區(qū)及工程區(qū)巖石試驗，其它指標利用建基面測線法精測成果。將所有資料(包括全部勘測成果：如風化層、地下水、壓水試驗等)輸入到數(shù)據(jù)庫中，建立三維地質(zhì)模型，并進行分析。測線法野外選取測線長度為5 m，現(xiàn)場量測大于10 cm巖體長度、主要結(jié)構(gòu)面條數(shù)、結(jié)構(gòu)面特征及地下水特征等指標，將全部統(tǒng)計指標輸入到數(shù)據(jù)庫中。

按Met、Sch、Gn 3種巖性、不同風化程度劃分模型區(qū)域，其中全風化巖體由于分布在左側(cè)邊坡，開挖過程中較難分辯，不做區(qū)分。RMR模型基本指標如表3。

表3 溢洪道RMR巖體力學分類各指標取值

溢洪道區(qū)域建立的RMR屬性模型區(qū)域如圖1所示。

按上述基本指標，建立模型典型分類結(jié)果示意如圖2、3、4和表4。

表4 溢洪道石英片巖(Sch)各風化層巖體RMR分類

溢洪道泄槽建基面附近揭露了Met、Sch、Gn 3類巖性，按分類評分標準，可以進一步統(tǒng)計各類圍巖出露情況如圖5、6、7和表5。

表5 溢洪道泄槽建基面RMR巖體質(zhì)量分類各區(qū)域占比統(tǒng)計

溢洪道泄槽基礎(chǔ)砂巖、粉砂巖夾礫巖區(qū)域(Met)巖體質(zhì)量以Ⅳ級為主，Ⅲ2占比14%左右；石英片巖(Sch)、片麻巖(Gn)區(qū)域為Ⅲ2～Ⅱ級巖體。根據(jù)RMR分類評價，按 Hoek-Brown 破壞標準，給定相關(guān)參數(shù)，可以對相關(guān)巖體力學參數(shù)進行取值，一是按RMR評分的Hoek-Brown參數(shù)(HB)，二是RMR評分的中國規(guī)范法參數(shù)(HC)。取值參數(shù)包括了巖體變形模量E(EHB、EHC)、黏聚力c(cHB、cHC)、摩擦角Phi(PhiHB、PhiHC)及巖體抗壓強度σCM。Hoek-Brown 破壞標準中主要有完整巖石單軸抗壓強度UCS和完整巖石系數(shù)mi，均可查閱相關(guān)表格，開挖擾動系數(shù)均取0.7，溢洪道RMR分類中HB力學參數(shù)轉(zhuǎn)換基本參數(shù)設(shè)置如表6。

表6 溢洪道RMR分類中HB力學參數(shù)轉(zhuǎn)換基本參數(shù)設(shè)置

按Hoek-Brown(HB)取變形模量E、凝聚力c、摩擦角Phi及巖體抗壓強度σCM，典型變形模量E如圖8、9、10和表7。

表7 溢洪道石英片巖(Sch)各風化層巖體EHB取值

按中國規(guī)范法(HC)取變形模量E、黏聚力c、摩擦角Phi，典型變形模量E如圖11、12、13和表8。

表8 溢洪道石英片巖(Sch)各風化層巖體EHC取值

并可以提出溢洪道泄槽建基面附近各巖體力學參數(shù)，典型如圖14、15、16和表9。

表9 溢洪道泄槽建基面巖體參數(shù)EHB分布表

溢洪道力學參數(shù)計算成果，將分別按國際RMR分類法取值，中國規(guī)范法取值、綜合取值建議，各類建議參數(shù)如表10、11、12。

表10 RMR分類法取值力學參數(shù)建議

表11 中國規(guī)范法(HC)取值力學參數(shù)建議值

表12 溢洪道巖體力學參數(shù)綜合建議值

5 結(jié) 論

(1) ITASCAD地質(zhì)工程三維建模與分析軟件在水電工程中可以建立數(shù)據(jù)庫及地質(zhì)三維模型，數(shù)據(jù)庫中包括了所有勘測數(shù)據(jù)，如地面測繪、勘探、物探、試驗等；并能極大地加快勘測資料分析及處理，節(jié)省人員。建立的地質(zhì)三維模型包括了各種地質(zhì)界面。

(2) 根據(jù)數(shù)據(jù)庫及三維模型可以進行巖體類別劃分及巖體力學參數(shù)分析，軟件的多種功能本文未涉及。

(3) 利用ITASCAD地質(zhì)工程三維建模與分析軟件進行的巖體力學參數(shù)提交給國外工程師，直接得到了國外工程師的認可。