基于地質BIM的葉巴灘水電站深卸荷分析

王 皓，李崇標，劉云鵬

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

基于地質BIM的葉巴灘水電站深卸荷分析

王 皓，李崇標，劉云鵬

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

BIM技術作為一種新技術在建筑等領域已被廣泛應用，并引領眾多行業(yè)的發(fā)展， BIM相關技術也能將給地質勘測設計手段及方法帶來了革新。本文以BIM技術為分析手段，以葉巴灘水電站深卸荷為分析對象，探索BIM在水電工程地質中對地質體復雜數(shù)據(jù)的處理與管理，地質分析認識過程同步于面模型的構建過程，分析過程符合地質認識漸進性的客觀規(guī)律，對數(shù)據(jù)綜合利用性、地質分析效率以及產品質量有顯著提高。

BIM；深卸荷；三維地質模型；工程地質

0 前 言

如今，BIM在北京奧運會、上海世博會部分場館和上海中心設計中已嶄露頭角，強大的BIM系列軟件給地質勘測設計手段及方法帶來了革新。在山東文登抽水蓄能電站中，運用了BIM建模體系建立的三維地質模型，實現(xiàn)了三維展示、多角度切圖等功能。在2014年的AU大師會上，中國電建集團展示了利用Civil 3D軟件二次開發(fā)和其他BIM軟件建立的水電站壩體全生命周期的BIM模型。從勘察、施工、設計、管理和維護等眾多過程中均使用BIM系列軟件進行，進一步推動了地質BIM向專業(yè)化、標準化和系統(tǒng)化的邁進。本文基于中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司的地質BIM系列軟件，以葉巴灘深卸荷為例，探索利用BIM手段在地質勘測全過程、全生命周期中的應用。

葉巴灘水電站有斷層多、深卸荷、應力高的復雜地質背景，采用傳統(tǒng)的二維分析難度大、周期長，且難以全面、完整、準確地表達、分析及評價復雜的客觀地質體。為優(yōu)質、高效、多方法、多手段地解決葉巴灘工程的各類復雜工程地質問題，成都院利用水電站地質BIM技術，以Geosmart數(shù)字化設計平臺及GOCAD三維建模軟件為依托，形成葉巴灘工程地質原始資料庫、過程成果庫等數(shù)據(jù)源以及壩區(qū)三維地質模型(見圖1)，以應對巨型工程各類資料紛繁復雜難以綜合利用的現(xiàn)狀，形成了一系列工程地質問題解決方案。

1 工程概況

葉巴灘水電站位于川藏交界的金沙江干流上，水庫正常蓄水位2 889 m，相應庫容10.80億m3。電站裝機容量224萬kW，混凝土雙曲拱壩高217 m。

圖1 葉巴灘壩區(qū)三維地質模型

電站位于金沙江構造帶內，區(qū)域地質構造背景復雜。壩址河谷狹窄，河道順直，由北向南，岸坡高陡，基巖裸露，巖性單一，石英閃長巖堅硬，斷層發(fā)育，地應力高，淺表風化、卸荷強烈，發(fā)育深卸荷現(xiàn)象，巖體結構復雜。因此導致的工程樞紐建筑物工程地質問題較為突出。

深卸荷帶是在正常的卸荷帶以內，穿過一定厚度的緊密擠壓帶后，在一定范圍內出現(xiàn)張性的破裂面，這些破裂面大多呈帶狀產出，破裂帶之間為相對完整的巖體。其工程地質性狀是建基面選擇、防滲帷幕及抗力體、邊坡開挖等設計的主要依據(jù)；也是壩區(qū)巖體質量和圍巖類別劃分的重要鑒別標志。

2 BIM設計過程

2.1 BIM數(shù)據(jù)管理

深卸荷帶三維解析完全依據(jù)數(shù)據(jù)中心資料，且勘探圖元的幾何、屬性特效與相應深卸荷帶嚴格關聯(lián)，保障三維解析中的資料引用準確性。原始地質數(shù)據(jù)存在著多樣性，來源多樣、標準多樣、手段多樣，因此在數(shù)據(jù)錄入到數(shù)據(jù)中心過程中，通過設置規(guī)范化、標準化的系統(tǒng)字典和項目字典，強制要求用戶按標準完整錄入數(shù)據(jù)(見圖2)。在錄入數(shù)據(jù)后，根據(jù)權限對入庫數(shù)據(jù)進行校核檢查，對數(shù)據(jù)進行了標準化處理，保障了數(shù)據(jù)有效性和質量。數(shù)據(jù)圍繞五大地質因素，按地質屬性(物理力學)進行分類，并與工程勘察階段、數(shù)據(jù)獲取手段及空間位置等眾多因素關聯(lián)，使得數(shù)據(jù)變成“真正的數(shù)據(jù)信息”，在生產過程中流動起來，漸進深入，不斷修正，達到廣泛應用的要求。

圖2 數(shù)據(jù)標準化設置

2.2 深卸荷帶初步提出

在預可研階段，根據(jù)已有的預可行性研究報告及勘探和二維圖件為基礎，構建了葉巴灘上、下壩區(qū)預可行性階段的三維地質模型。采用面模型建模方法和離散平滑算法(DIS)共同建立地質模型。以勘探平洞揭示的地質情況為基礎，結合聲波測試，構建強卸荷界面、弱卸荷界面，將巖體劃分為強卸荷巖體、弱卸荷巖體、未卸荷巖體。由于深卸荷發(fā)育規(guī)模、程度不同及有限的勘探資料，未認識到深卸荷帶，局部平洞卸荷深度較深，地質解譯為卸荷深。

隨著勘探工作的進一步開展，大量的地質資料錄入到數(shù)據(jù)中心(Geosmart)，利用數(shù)據(jù)中心對原始資料進行統(tǒng)計分析，結合勘探揭示出的地質現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)弱卸荷界面以外各平洞普遍存在一段相對完整的巖體，而局部弱卸荷深度較深，在三維模型中表現(xiàn)出弱卸荷界面起伏變化大，地質解譯疑點多，不符合表生改造規(guī)律及力學特征。對完整巖帶、卸荷裂隙開展針對性調查研究，發(fā)現(xiàn)卸荷裂隙分布于緊密巖帶和微新未卸荷巖體之間多表現(xiàn)為呈帶發(fā)育、微張狀態(tài)的張開裂隙，或為充填砂糖狀碎粒巖的破碎帶，符合深卸荷帶的主要地質特征。因此初步提出壩區(qū)新的卸荷分帶體系：強卸荷帶、弱卸荷帶、深卸荷帶。對平洞卸荷分帶進行重新劃分，深卸荷帶整體上隨高程增加而埋深增加。深卸荷帶的發(fā)育深度按高程進行統(tǒng)計，構建出隨高程增加而逐漸變深的深卸荷上限面，深卸荷下限面，以各平洞標志點對深卸荷帶進行約束、插值，完成對深卸荷帶的初步構建。在三維模型中深卸荷帶的空間形態(tài)直觀地顯示出來，在空間上呈條帶狀分布于弱卸荷界面以里，整體上隨高程增加而埋深增加。根據(jù)深卸荷的力學機制，它們是河谷下切演化過程中早期谷底地應力釋放山體回彈卸荷形成的破裂面，屬差異回彈卸荷破裂面。因此深卸荷帶在河谷谷底以上尖滅。深卸荷帶的地質曲面與地質判斷相吻合，也說明地質認識是合理的(見圖3)。

2.3 深卸荷帶空間展布特征完善

隨著勘探平洞的不斷完成，各勘探平洞相繼揭示出深卸荷，以新揭示出的平洞卸荷標志點為約束對深卸荷上限面、深卸荷下限面進行局部DIS插值計算，部分區(qū)域通過地質分析，根據(jù)Vp、平洞對穿聲波等資料綜合多種因素對深卸荷帶進行區(qū)域調整，不斷更新完善深卸荷帶的空間形態(tài)(見圖4)。該深卸荷帶在空間上保持其基本特征，仍呈條帶狀分布于弱卸荷界面以里，在河谷谷底以上尖滅，但卸荷帶寬度變化較大，無明顯規(guī)矩，隨高程增加而埋深增加的特征不明顯，受多種地質因素的影響，局部以地形地貌因素為主，局部追蹤長大斷層、優(yōu)勢裂隙。

2.4 深卸荷帶程度分區(qū)

隨著設計工作的不斷深入，滿足精細化設計要求，建立壩區(qū)卸荷巖體工程地質性狀的評價體系，對壩區(qū)卸荷巖體工程地質性狀進行科學評價，需要對深卸荷帶進行更深入的研究。利用數(shù)據(jù)中心對勘探平洞中深卸荷發(fā)育洞段的波速比、Kv、RQD等指標，結合現(xiàn)場對深卸荷段裂隙特征、巖體完整性、地下水等，將壩區(qū)深卸荷劃分為三種類型，分別為輕微松弛、中等松弛和強烈松弛(見表1)。

以平洞揭示的地質情況為基礎，以洞間CT成果為屬性地質對象，構建出深卸荷帶程度分區(qū)界限，以三種深卸荷類型將深卸荷帶在空間上概化為不同類型的區(qū)域(見圖5)。

圖3 深卸荷帶初步建立

圖4 深卸荷帶的空間展布

表1 深卸荷分級

3 成果應用

深卸荷帶這種呈條帶狀發(fā)育弱卸荷界面以里，各區(qū)域強烈程度不同的空間分布特征，正是由于地質體的不均一性和各向異性，早期岸坡巖體應力狀態(tài)不斷變化，出現(xiàn)應力分異，向臨空方向產生差異回彈而形成張性破裂，局部追蹤長大斷層及優(yōu)勢裂隙的力學機制相匹配，是岸坡淺表生改造過程的具體體現(xiàn)。也體現(xiàn)了BIM設計過程就是工程地質分析過程，對地質體的認識不斷深入的過程。

目前葉巴灘水電站已進入招標和輔助工程施工階段。深卸荷帶的三維地質模型作為一種地質體的“先驗”表達，為勘探布置提供依據(jù)，對深卸荷強烈松弛型進行追蹤，并隨勘探工作的開展對深卸荷帶進行論證與更新。地質分析、地質三維模型、多種勘探手段通過BIM深度的結合，相互印證，最終保證了構建出地質體的準確性和客觀性。以此構建壩區(qū)地質三維模型，為后續(xù)關鍵工程地質問題評價奠定了基礎(見圖6)。

大量勘探數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)中心形成地質分析的信息源，利用數(shù)據(jù)中心強大的統(tǒng)計能力，將各種物探資料、試驗資料、地質特征進行多數(shù)據(jù)、多因素、多方案的對比統(tǒng)計分析，例如：對室內巖石物理力學性質試驗成果按卸荷程度進行統(tǒng)計等(見圖7)，為深卸荷三種類型的巖體物理力學參數(shù)建議值提供重要依據(jù)。

圖5 深卸荷帶分區(qū)模型

圖6 建基面與深卸荷帶的關系

圖7 試驗成果分類統(tǒng)計

4 結 語

深卸荷帶只是葉巴灘水電站地質BIM設計的一部分，從中可以認識到，數(shù)據(jù)中心以標準化、多屬性分類存儲形成的信息源作為地質研究和工作的基礎和來源。以此建立的三維地質模型具有優(yōu)越的直觀性、有效性、可信性、合理性；DIS插值算法，對復雜地質界面多尺度、多因素構建，并及時更新提供了手段。地質數(shù)據(jù)直接以地質體為作用對象，分析結果更準確，減少了大量二維輔助分析圖件的編制，分析效率明顯提高。分析成果直接固化到三維模型中，每一次的分析以最新分析成果為基礎，分析過程符合地質認識漸進性的客觀規(guī)律?？偟膩碚f，地質BIM設計突破了原二維分析的局限性，提高了數(shù)據(jù)綜合利用性，提高地質分析的效率以及產品質量。

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2017-01-16

王 皓(1988-)，四川成都人，助理工程師，從事水利水電工程地質勘察工作。

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1003-9805(2017)02-0017-04