基于BIM技術(shù)的水電站地下洞室定位關(guān)鍵塊體分析方法

楊東升,費(fèi)秉宏,孫春華

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

隨著中國水電資源的開發(fā)，近幾年基本以西南高海拔地區(qū)的常規(guī)水電建設(shè)和抽水蓄能電站建設(shè)為主。西南地區(qū)多高山峽谷，區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，地震烈度高，故一般以地下發(fā)電廠房建設(shè)居多；而抽水蓄能電站一般水頭較高，機(jī)組的吸出高度較大，發(fā)電廠房也以地下為主。地下洞室的穩(wěn)定性保證尤為重要，而施工期塊體的穩(wěn)定保證也是工程建設(shè)的重中之重。

1985年Goodman R E與石根華正式提出塊體理論(Block Theory)[1]，該理論得到了國際巖石力學(xué)界廣泛的推崇并衍生出了多種多樣的分析方法。加拿大多倫多大學(xué)E Hock等人依據(jù)石根華塊體理論開發(fā)研制的Unwedge程序，具有界面友好，使用方便，可進(jìn)行交互式操作的特點(diǎn)；同濟(jì)大學(xué)張子新等人研究了赤平解析法在硐室穩(wěn)定分析中的應(yīng)用并用FORTRAN編制了計(jì)算軟件[2]；武漢大學(xué)鄔愛清等人提出了應(yīng)用巖石塊體理論進(jìn)行三維隨機(jī)塊體幾何搜索的方法，為工程支護(hù)分析提供了依據(jù)[3]；國防科技大學(xué)呂徽等人基于塊體理論研發(fā)了科學(xué)計(jì)算可視化系統(tǒng)，提出以模塊化的結(jié)構(gòu)為骨架，結(jié)合FORTRAN強(qiáng)大的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)了特定領(lǐng)域的計(jì)算可視一體化[4]；石廣斌等人研究了大型地下洞室圍巖定位塊體的快速生成及穩(wěn)定分析方法，利用ANSYS的面、體運(yùn)算功能確定地下洞室圍巖定位塊體，基本能夠快速解決大型地下洞室圍巖中定位塊體規(guī)模確定、穩(wěn)定性分析與錨固設(shè)計(jì)體大小[5]。以上研究成果一方面在研究過程中均假定所形成的塊體為四面體，與工程實(shí)際有一定差異；另外一方面，工程人員在設(shè)計(jì)過程中需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)幾何知識(shí)、缺乏空間直觀性，導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)人員實(shí)際應(yīng)用困難；再者由于目前相關(guān)商業(yè)軟件通用性較差，不利于工程技術(shù)人員推廣應(yīng)用。本文基于BIM設(shè)計(jì)軟件具有可視性、直觀性、參數(shù)驅(qū)動(dòng)性，針對(duì)水電站地下洞室特點(diǎn)，提出一套適合工程技術(shù)人員的定位關(guān)鍵塊體分析方法，為提高現(xiàn)場服務(wù)的響應(yīng)速度，保證工程建設(shè)安全提供支撐。

1 基于BIM的水電站地下洞室定位塊體分析方法

建筑模型信息化BIM(Building Information Modeling)，核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫。BIM雖然起源于建筑工程，但已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖土、工業(yè)廠房、機(jī)電設(shè)備等各領(lǐng)域，并貫穿于工程設(shè)計(jì)、建造、管理等全過程?；贐IM的地下洞室定位塊體分析就是利用BIM軟件可視化的特點(diǎn)，準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)面與建筑物的相對(duì)關(guān)系，運(yùn)用設(shè)計(jì)人員熟悉的作圖方法快速生成關(guān)鍵塊體，并融合成熟的分析方法判斷塊體的穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而為塊體的補(bǔ)充支護(hù)提供合理的依據(jù)。基于BIM的地下洞室定位塊體分析方法如下所述。

1.1 結(jié)構(gòu)面規(guī)范化處理及關(guān)鍵塊體初判

結(jié)構(gòu)面的信息一般包含走向、傾向、傾角、抗剪斷參數(shù)f′、黏聚力c′、開合度、充填物性狀等，由于走向不能唯一的表達(dá)結(jié)構(gòu)面的空間形狀，故為作圖及分析方便以傾向角來表征結(jié)構(gòu)面的方位信息，為在BIM軟件中準(zhǔn)確做出結(jié)構(gòu)面，還需要提供結(jié)構(gòu)面與建筑物的交點(diǎn)，本處統(tǒng)一取結(jié)構(gòu)面和廠房軸線的交點(diǎn)，其它信息一并錄入系統(tǒng)。表1為整理的結(jié)構(gòu)面信息示例。

表1 結(jié)構(gòu)面規(guī)范化處理示例

由相關(guān)文獻(xiàn)可知，若由結(jié)構(gòu)面和臨空面共同組成的塊體為有限，而僅由結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的裂隙塊體為無限，則該塊體為可動(dòng)；若由結(jié)構(gòu)面和臨空面共同構(gòu)成的塊體為有限，而僅由結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的裂隙塊體亦為有限，則該塊體為不可動(dòng)[6]。在洞室開挖后，地質(zhì)專業(yè)人員會(huì)實(shí)時(shí)編錄斷層、裂隙等結(jié)構(gòu)面信息并制作成素描圖、平切圖等，而平切圖較赤平投影圖更加準(zhǔn)確的描述了結(jié)構(gòu)面出露的位置，更具工程實(shí)用性。以圖1所示的地下洞室頂拱高程結(jié)構(gòu)面平切圖為例，圖中箭頭所指方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面傾向，由幾何判斷可知由L1、L2、L3、L4結(jié)構(gòu)面與頂拱開挖面所形成塊體有限，僅由L1、L2、L3、L4結(jié)構(gòu)面所組成塊體為無限，故初步判斷該塊體可動(dòng)，由L2、L3、L5結(jié)構(gòu)面與頂拱開挖面所形成塊體有限，而由L2、L3、L5結(jié)構(gòu)面所形成塊體亦為有限，故該塊體為不可動(dòng)。根據(jù)以上思路，工程人員只需根據(jù)平切圖進(jìn)行初判，找出可動(dòng)塊體。

1.2 地下洞室及結(jié)構(gòu)面BIM模型快速建立

上節(jié)已經(jīng)根據(jù)初判找出了可動(dòng)塊體，但塊體是否存在還需通過幾何作圖進(jìn)一步確認(rèn)。首先通過作圖軟件做出地下洞室及結(jié)構(gòu)面的BIM模型。本處應(yīng)用Catia軟件的參數(shù)化，模板化功能快速建立地下洞室及結(jié)構(gòu)面的模型，參數(shù)化、模板化方法此處不予詳述。圖2為參數(shù)化建立的地下洞室BIM模型、圖3為調(diào)用模板生成的結(jié)構(gòu)面BIM模型。

1.3 定位關(guān)鍵塊體的生成

有了地下洞室及結(jié)構(gòu)面的BIM模型后，即可通過作圖方法做出由結(jié)構(gòu)面與開挖臨空面所構(gòu)成的塊體。因地質(zhì)平切圖只表達(dá)了結(jié)構(gòu)面的位置、走向、傾向等信息，并未反應(yīng)傾角信息，故通過作圖方法切割不出相應(yīng)塊體的，則認(rèn)為初步判斷的可動(dòng)塊體不存在。圖4為通過幾何作圖方法切割形成的關(guān)鍵塊體。應(yīng)用BIM軟件的測量功能，可以很容易得出塊體體積、高度、底面積等信息。

1.4 塊體穩(wěn)定性分析

塊體失穩(wěn)形式有垮落型(懸吊型塊體)、滑移型(單面滑動(dòng)和雙面滑動(dòng))等類型，采用剛體極限平衡法計(jì)算圍巖塊體穩(wěn)定時(shí)，塊體穩(wěn)定安全系數(shù)可按下列方法計(jì)算:

(1) 懸吊型塊體

K=Pv/G

(1)

(2) 單面滑動(dòng)塊體基本組合

(2)

(3) 雙面滑動(dòng)塊體基本組合

(3)

(4)

(5)

根據(jù)切割出的關(guān)鍵塊體形狀，可以很容易判斷屬于哪種類型的破壞模式。運(yùn)用合適的公式可以快速計(jì)算出無支護(hù)情況下的安全系數(shù)，對(duì)照NB/T 35090—2016《水電站地下廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于塊體穩(wěn)定最小安全系數(shù)的要求，若不滿足可以施加支護(hù)措施。利用BIM軟件(本文應(yīng)用Catia軟件)的參數(shù)化功能，可以直接繼承組成關(guān)鍵塊體的結(jié)構(gòu)面信息，并將相關(guān)穩(wěn)定計(jì)算公式嵌入軟件中，即可在BIM軟件內(nèi)完成關(guān)鍵塊體的作圖及計(jì)算分析。

1.5 塊體支護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)于安全系數(shù)不滿足要求的塊體，應(yīng)當(dāng)增加支護(hù)措施。一般在地下洞室的設(shè)計(jì)中都會(huì)有系統(tǒng)錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索/錨桿或錨筋樁等，在計(jì)入系統(tǒng)支護(hù)后仍需增加支護(hù)措施的應(yīng)當(dāng)合理考慮新增支護(hù)的布置?；贐IM進(jìn)行塊體穩(wěn)定分析后，可以很容易將塊體的形狀投影至平面，將投影與支護(hù)圖疊加分析后，可以合理確定所增加支護(hù)措施的位置，減少現(xiàn)場施工的沖突。圖5為塊體的投影與開挖支護(hù)圖的疊加，在圖中可以更有針對(duì)性的進(jìn)行支護(hù)設(shè)備布置。

2 工程實(shí)際應(yīng)用

陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站位于陜西省商洛市鎮(zhèn)安縣月河鎮(zhèn)東陽村鏡內(nèi)，電站裝機(jī)容量1 400 MW，為地下廠房。系統(tǒng)布置在右岸，采用尾部式布置，由地下廠房、主變洞和尾閘洞組成，地下廠房、主變洞和尾閘洞平行布置，廠房軸線方位為NW300.66°。地下廠房尺寸為176.5 m×25.5 m×56.5 m(長×寬×高)，拱頂開挖高程為878.00 m，底部高程820.50 m。2019年9月份完成了地下廠房第一層中導(dǎo)洞的開挖，12月份完成了第一層的擴(kuò)挖，為保證廠房頂拱的穩(wěn)定。根據(jù)地質(zhì)編錄情況，中導(dǎo)洞開挖后有27組結(jié)構(gòu)面出露，第一層開挖后有88組結(jié)構(gòu)面出露，設(shè)計(jì)人員按照前述方法及時(shí)對(duì)塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。初步判斷有24組可動(dòng)塊體，經(jīng)過BIM作圖及計(jì)算分析后，確認(rèn)有10組安全系數(shù)不滿足要求的塊體，表2為廠房頂拱關(guān)鍵塊體計(jì)算分析的安全系數(shù)及需要增加的支護(hù)措施，圖6為廠房頂拱關(guān)鍵塊體分布情況。結(jié)合表2及圖6分析，有些塊體雖然為垮落型，但其跨越中導(dǎo)洞或局部在中導(dǎo)洞提前出露，故在開挖中并未直接掉落，這也說明施工中先開挖中導(dǎo)洞，完成中導(dǎo)洞頂部的支護(hù)后再進(jìn)行擴(kuò)挖的施工安排是合理的。目前鎮(zhèn)安地下廠房頂拱已經(jīng)首層的開挖驗(yàn)收，無任何塊體穩(wěn)定問題，洞頂穩(wěn)定良好。

表2 地下廠房頂拱塊體分析

3 特點(diǎn)分析

3.1 優(yōu) 點(diǎn)

傳統(tǒng)的塊體分析方法或程序大多以四面體為研究對(duì)象，且塊體的位置具有不確定性，難以在施工期應(yīng)用。采用本方法搜索塊體更加直觀，找出的塊體形狀更符合工程實(shí)際，位置更具體，便于確定支護(hù)措施。該方法更符合工程人員的習(xí)慣，可提高現(xiàn)場服務(wù)的響應(yīng)速度，保證工程安全。

3.2 不 足

該方法需要結(jié)合雜亂無序的地質(zhì)編錄資料及平切圖進(jìn)行塊體可動(dòng)性的初步分析，需要分析人員具備一定的專業(yè)知識(shí)。此外該方法需要應(yīng)用BIM軟件切割出關(guān)鍵塊體，需要工程人員具備一定的BIM軟件操作技能。

4 結(jié) 論

(1)本文結(jié)合BIM軟件可視性、直觀性、參數(shù)驅(qū)動(dòng)性的特點(diǎn)，提出了結(jié)構(gòu)面規(guī)范化處理的方法，結(jié)合現(xiàn)場編錄資料，可快速做出關(guān)鍵塊體的三維體型。

(2)根據(jù)切割出的關(guān)鍵塊體形狀，可以很容易判斷屬于哪種類型的破壞模式。結(jié)合NB/T 35090—2016《水電站地下廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于塊體穩(wěn)定最小安全系數(shù)的要求，可以快速進(jìn)行滑動(dòng)力、支護(hù)力的計(jì)算。

(3)采用本方法可以很容易將塊體的形狀投影至平面，將投影與支護(hù)圖疊加分析后，可以合理確定所增加支護(hù)措施的位置，減少現(xiàn)場施工的沖突。

(4)通過水電站地下洞室定位關(guān)鍵塊體分析，將BIM技術(shù)的應(yīng)用與工程實(shí)踐做了有益的結(jié)合，提高了現(xiàn)場服務(wù)的響應(yīng)速度，為地下洞室的現(xiàn)場服務(wù)提供了新的思路和方法，可供類似工程參考。