基于三維地質(zhì)建模的大型地下廠房巖體質(zhì)量分級

張建龍，柴建峰，安曉凡，馮秋豐，顏英軍，閆 賓，程亞男，郭福鐘

(1.國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100761；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；3.加華地學(xué)(武漢)數(shù)字技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引 言

巖體質(zhì)量是復(fù)雜巖體各種工程地質(zhì)特性的綜合反映，是將復(fù)雜的地質(zhì)體按其工程地質(zhì)條件的優(yōu)劣以簡單的類型進(jìn)行概化，分級結(jié)果不僅能反映巖體在巖性、構(gòu)造、風(fēng)化、卸荷等方面存在的差異，更能體現(xiàn)巖體力學(xué)屬性的差別，是判別巖體優(yōu)劣，溝通勘察、設(shè)計(jì)、施工等專業(yè)認(rèn)識的橋梁[1]。巖體質(zhì)量分級最早應(yīng)用于地下工程巖體質(zhì)量評價(jià)，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的研究與發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于地下洞室、邊坡、壩基等多個(gè)領(lǐng)域。不同時(shí)期影響較大的方法有Terzaghi分類、Deere的RQD分級、Wickham的巖石結(jié)構(gòu)RSR分類、Bieniawski的RMR分類、Barton的Q分類，以及谷德振等提出的巖體質(zhì)量系數(shù)Z分類、巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ法、水電巖體工程地質(zhì)分類HC法等[2- 8]。上述這些常用的評價(jià)方法，多是將巖石強(qiáng)度和巖體完整性作為重要的參評因素，結(jié)合工程側(cè)重點(diǎn)不同，輔以工程修正因素，采用相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級，巖體質(zhì)量評價(jià)也逐漸由單因素定性分級逐漸向多因素定量指標(biāo)分級的方向發(fā)展。隨著我國西部溪洛渡、錦屏、拉西瓦、小灣等大型水電工程的建設(shè)，巖體質(zhì)量評價(jià)在實(shí)際工程中發(fā)揮了重要作用，而大量地下工程開挖后豐富的現(xiàn)場資料也使巖體質(zhì)量評價(jià)方法得到了驗(yàn)證和完善，為后建工程提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

ItasCAD是基于DSI插值技術(shù)，通過數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)應(yīng)用、三維地質(zhì)建模以及成果輸出3大模塊建立的針對巖土工程地質(zhì)體的專業(yè)性BIM平臺[9]。本文以鎮(zhèn)安抽水蓄能電站大型地下廠房為研究對象，系統(tǒng)闡述了基于ItasCAD三維地質(zhì)模型的巖體質(zhì)量分級方法和過程，進(jìn)而運(yùn)用RMR、HC和BQ這3種方法對地下廠房的圍巖質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，對比分析了不同方法的適用性，可為地下工程巖體質(zhì)量評價(jià)提供參考。

1 基于ItasCAD的巖體質(zhì)量分級方法

1.1 分級方法選擇

ItasCAD以其獨(dú)有的系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)和支撐性技術(shù)區(qū)別于世界上已經(jīng)面市的其他相似類型產(chǎn)品，其將勘探、試驗(yàn)等數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于平臺的數(shù)據(jù)庫中，以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)建立起包含地質(zhì)體空間幾何形態(tài)特征、巖土工程分析和設(shè)計(jì)等信息的三維地質(zhì)模型，具備在含屬性三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上開發(fā)巖土力學(xué)分析和巖土工程設(shè)計(jì)的能力，為水電行業(yè)地質(zhì)三維建模和分析提供了有效的解決方案。

國際范圍內(nèi)的巖體質(zhì)量分級方法很多，目前被工程界普遍接受的主要有地質(zhì)力學(xué)分類(RMR)和隧道支護(hù)襯砌的圍巖分類(Q)；國內(nèi)工程主要采用基于GB 50287—2016《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的水電HC分類以及基于GB/T 50218—2014《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》的BQ分類等幾種[10]?；赒分類的巖體質(zhì)量分級只考慮巖體自身的完整性，未考慮巖塊強(qiáng)度和工程因素，將巖體質(zhì)量分為9級[11-12]；RMR、HC、BQ這3類方法將巖石的堅(jiān)硬程度和完整性確定為巖體質(zhì)量的主因，將巖體質(zhì)量分為5個(gè)不同等級。

考慮到數(shù)據(jù)庫錄入的統(tǒng)一性，ItasCAD地質(zhì)三維建模與分析系統(tǒng)嵌入了RMR、HC、BQ這3種分類方法，并且增加了上述方法與Q分類的換算功能。ItasCAD嵌入的這3種巖體質(zhì)量分類方法具有基本相同的工作理念和流程，支持依據(jù)工程類型及其地質(zhì)條件對分級指標(biāo)或成果進(jìn)行修正，同時(shí)參數(shù)取值涵蓋水電規(guī)范與Hoek-Brown系統(tǒng)2種方法，不僅服務(wù)復(fù)雜條件下巖體力學(xué)參數(shù)取值，而且具有良好的國際認(rèn)可程度。巖體質(zhì)量分級過程嚴(yán)格遵循“獲取單指標(biāo)值、然后求和”的原始要求，通過相對簡單的試驗(yàn)和測試獲得巖石和巖體基本特征的定量指標(biāo)，以及通過現(xiàn)場編錄獲得結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征和性狀以及地下水條件等描述性結(jié)果，按照單指標(biāo)打分匯總的方式獲得巖體質(zhì)量基本分值，區(qū)別于現(xiàn)實(shí)工作中直接給出巖體質(zhì)量等級的工作方式，成果質(zhì)量更易于得到保障。

1.2 巖體質(zhì)量分級流程

ItasCAD基于RMR、HC、BQ分級方法建立了一套較為科學(xué)的巖體質(zhì)量分級方法，所需的單指標(biāo)值都以“隱蔽”的方式存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，這些鉆孔、平硐以及物探資料和數(shù)據(jù)是巖體質(zhì)量分級的基礎(chǔ)。所需的單指標(biāo)及數(shù)據(jù)庫錄入界面見圖1。分級前，將目標(biāo)部位內(nèi)分級所需的單指標(biāo)以數(shù)據(jù)或點(diǎn)集的方式導(dǎo)入三維可視化平臺，在具備上述資料以后，巖體質(zhì)量分級和參數(shù)取值實(shí)現(xiàn)過程非常簡捷直觀。

針對復(fù)雜地下洞室工程，首先應(yīng)在圖形界面中定義巖體質(zhì)量分級范圍，采用裁剪盒命令輔助設(shè)置擬開展巖體質(zhì)量分級的空間范圍，并根據(jù)此范圍創(chuàng)建立方網(wǎng)，立方網(wǎng)網(wǎng)格尺寸的大小與指標(biāo)數(shù)據(jù)空間間隔接近。然后，按風(fēng)化卸荷面、特性差別明顯的巖性或地層分界面進(jìn)行分區(qū)，進(jìn)而得到不同屬性的地質(zhì)單元體。定義巖體質(zhì)量分級范圍及地質(zhì)單元?jiǎng)澐忠妶D2。

啟動(dòng)立方網(wǎng)命令中的巖體質(zhì)量分級操作，選擇立方網(wǎng)及相應(yīng)的分級方法，導(dǎo)入對應(yīng)的分級單指標(biāo)值。洞室群巖體質(zhì)量分級操作界面見圖3。當(dāng)分級方式選定后，會(huì)自動(dòng)列出所需的單指標(biāo)類型，然后依次選擇各分級指標(biāo)，根據(jù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備情況選取賦值的方式，分級單指標(biāo)來源方式見圖4。參數(shù)來源可以選擇“自點(diǎn)集”或“自勘探”傳遞給立方網(wǎng)，而巖石強(qiáng)度指標(biāo)一般采用試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，用“自賦值”的方式賦予立方網(wǎng)。根據(jù)建模經(jīng)驗(yàn)，不論是采用哪種巖體分級方式，建議巖石單軸抗壓強(qiáng)度采用人工賦值。其中“數(shù)值單元百分比”指在所選區(qū)域內(nèi)被賦值的網(wǎng)格比例，建議不超過50%。待分級指標(biāo)插值完成后開始巖體分級，程序自動(dòng)將分級范圍內(nèi)的所有立方網(wǎng)格單元內(nèi)的分級單指標(biāo)進(jìn)行求和，完成巖體質(zhì)量分級的全過程。

2 鎮(zhèn)安抽蓄地下廠房巖體質(zhì)量分級研究

2.1 工程概況

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站位于陜西省商洛市鎮(zhèn)安縣月河鄉(xiāng)境內(nèi)，樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站等建筑物組成，見圖5。電站裝機(jī)容量1 400 MW(4×350 MW)，設(shè)計(jì)年發(fā)電量23.41億kW·h，年抽水電量31.21億kW·h，綜合效率約為75%。工程建成后，主要服務(wù)于陜西電網(wǎng)，承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等任務(wù)。

工程區(qū)位于秦嶺褶皺系南秦嶺褶皺帶，據(jù)地質(zhì)調(diào)查和勘探平硐揭露，工程區(qū)不存在區(qū)域性斷裂或貫穿整個(gè)庫壩區(qū)的規(guī)模較大的斷層，外圍歷史強(qiáng)震對工程場地影響較弱，圍巖主要為微風(fēng)化花崗閃長巖，巖體完整，巖質(zhì)堅(jiān)硬，斷裂構(gòu)造發(fā)育一般，未發(fā)現(xiàn)大的斷層和軟弱結(jié)構(gòu)面，巖溶不發(fā)育。

上水庫位于月河右岸金盆溝，大壩采用混凝土面板堆石壩，最大壩高125.90 m。庫區(qū)基巖主要為結(jié)晶灰?guī)r和花崗閃長巖，水庫正常蓄水位1 392.00 m；下庫壩區(qū)位于月河干流上，大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高95.00 m，庫區(qū)兩岸為花崗巖山體，正常蓄水位945.00 m。

地下廠房上覆巖層厚度大，巖性相對較單一，巖石堅(jiān)硬，斷層規(guī)模較小，圍巖相對完整，具備較好穩(wěn)定性。廠房區(qū)域地應(yīng)力水平較低，地下水活動(dòng)總體較弱。綜上所述，地下廠房工程地質(zhì)條件良好。

2.2 地下廠房圍巖質(zhì)量分級結(jié)果

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站地下廠房區(qū)共布置8條平硐、11個(gè)鉆孔，開展了88組室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)、30組現(xiàn)場巖體靜力變形試驗(yàn)、8組巖體接觸面大剪試驗(yàn)、7組混凝土與巖體接觸面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)、3組結(jié)構(gòu)面抗剪試驗(yàn)，以及多點(diǎn)巖體波速測試工作，為地下廠房的巖體質(zhì)量分級提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

地下廠房主要洞室圍巖為微風(fēng)化花崗閃長巖，巖性相對較單一，因此巖性對圍巖分類影響較小。圍巖分類主要受斷層及層間錯(cuò)動(dòng)帶分布以及節(jié)理裂隙發(fā)育程度等影響?；谌S地質(zhì)模型的鎮(zhèn)安電站地下廠房巖體質(zhì)量分級是以PD08、PD10、PD11和PD17這4個(gè)平硐的勘探試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)開展的。圖6～8為運(yùn)用BQ、RMR和HC這3種方法，地下廠房圍巖質(zhì)量分級的結(jié)果。

從圖6～8可知，雖然3種方法都是通過單指標(biāo)值求和的方式對巖體進(jìn)行綜合評價(jià)，但每種方法評分指標(biāo)的不同導(dǎo)致了分級結(jié)果存在差異。RMR法選取天然狀態(tài)巖石單軸抗壓強(qiáng)度、RQD、節(jié)理線密度、節(jié)理面狀態(tài)、地下水條件這5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評分，先將各得分值相加得到RMR法的初值，再根據(jù)不連續(xù)面產(chǎn)狀與硐室關(guān)系的評分對RMR初值進(jìn)行修正，得到最終的RMR值。因此，RMR建立在綜合特征值確定的基礎(chǔ)上，偏重于定性觀察，突出節(jié)理結(jié)構(gòu)面對巖體穩(wěn)定性的影響，是一種定性為主、定量為輔的分級方法。水電HC分級法選取巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度、巖體縱波波速、節(jié)理面狀態(tài)、地下水條件及巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD這5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評分，是定性與定量相結(jié)合的分級方法。BQ分級主要選取飽和狀態(tài)巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖體縱波波速以及地下水條件這3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評分，是以巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度為基本因素，針對工程巖體特征，考慮地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面和地應(yīng)力等因素進(jìn)行修正，是一種定性與定量相結(jié)合的分級方法。

對于同一工程，在巖體、構(gòu)造應(yīng)力、裂隙發(fā)育程度、波速以及地下水等工程地質(zhì)特性相同情況下，BQ反映巖體的基本質(zhì)量，RMR和HC則反映工程巖體質(zhì)量。對比分析結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的條件下，巖體的基本質(zhì)量級別通常會(huì)略高于工程質(zhì)量級別，這是RMR、HC和BQ這3種分級方法產(chǎn)生差異的根本原因。陳理想等[13]也通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于同一工程，BQ和HC法取值較RMR法相對保守，所得的圍巖分級較RMR法往往偏小1～2個(gè)級別。

雖然各種方法的分級參評因素不同，但都是以巖體結(jié)構(gòu)完整性和巖石強(qiáng)度為控制巖體質(zhì)量和分級的基礎(chǔ)，使得它們之間具有可比性和相關(guān)性[14-17]。此外，各方法所得的巖體分級結(jié)果可以相互驗(yàn)證，提高了巖體質(zhì)量綜合評價(jià)和分級結(jié)果的可靠性。因此，通過ItasCAD內(nèi)置這3種方法進(jìn)行分級，能夠獲得被工程界廣泛認(rèn)可的巖體質(zhì)量評價(jià)結(jié)果。

3 結(jié) 語

本文以鎮(zhèn)安抽水蓄能電站為例，基于ItasCAD平臺建立了大型地下廠房的三維地質(zhì)模型，對圍巖質(zhì)量進(jìn)行分析與評價(jià)，得出以下結(jié)論：

(1)ItasCAD將BQ、HC、RMR這3種巖體質(zhì)量分級方法綜合使用，起到相互借鑒和補(bǔ)充的作用，更為真實(shí)地反映巖體的質(zhì)量。同時(shí)，為各種方法的評價(jià)結(jié)果提供了統(tǒng)一認(rèn)識及相互驗(yàn)證的依據(jù)。

(2)對于同一工程，在巖體、構(gòu)造應(yīng)力、裂隙發(fā)育程度、波速以及地下水等工程地質(zhì)特性相同情況下，BQ反映巖體基本質(zhì)量，RMR和HC則反映工程巖體質(zhì)量。對比分析結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的條件下，巖體的基本質(zhì)量級別通常會(huì)略高于工程質(zhì)量級別。