基于BIM的特高拱壩建基面選擇

李崇標，王 皓，李 華

(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BIM的特高拱壩建基面選擇

李崇標，王 皓，李 華

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

基于巖體的復雜性和專業BIM軟件系統制約的原因，BIM技術在水電水利巖土地質專業領域的應用仍處于起步和發展階段。本文以葉巴灘水電站勘察設計為例，將BIM技術應用于信息管理與模型構建，并通過基于屬性地質對象的單因素和多因素巖體質量三維分析，以及各種地質缺陷影響的三維統計評價，深入應用于特高拱壩建基面選擇，為利用BIM技術解決水電水利工程地質問題作了積極探索。

BIM；建基面；屬性地質對象；地質缺陷；深卸荷；斷層

0 前 言

近年來，隨著計算機技術的蓬勃發展，大數據、信息化、可視化、智慧工程及虛擬現實等理念的興起，BIM技術在國內受到越來越廣泛的關注，在工業制造、工業民用建筑、鐵路、公路和水電水利等行業領域得到深入的應用[1-4]。在建筑、結構、管道管線、機電設備、施工等專業領域，已有CATIA、Revit、Civil 3D、Bentley等諸多功能完善強大的設計軟件[5-6]，應用已相對深入和成熟。相比之下，基于自然地質體的復雜且不可重復的特性，以及專業化BIM系統研發的制約，BIM技術在巖土地質專業中的應用還處在發展階段，尤其在水電水利工程巖土地質專業領域還處在探索階段[7]。由于中國西部地區巖土地質條件更加復雜，工程規模大，尤其需要利用專業化的BIM設計系統，管理分析大量生產過程中產生的數據信息，構建復雜精確的數字化三維模型，以查清復雜巖土體客觀發育規律和特性，分析評價穩定性、可利用性和工程適應性。其中，在水電工程特高拱壩設計研究中，大壩建基面選擇是核心問題之一，也是地質工作的關鍵問題，以往采用傳統的統計方法和二維分析，工作量巨大，成果展示不直觀且有局限，因此，引入BIM技術十分必要。

葉巴灘水電站地處中國西部地區金沙江上游，位于金沙江斷裂帶內，是壩高217 m的特高混凝土雙曲拱壩工程，壩址為石英閃長巖，河谷深切，岸坡高陡，數百條斷層和擠壓破碎帶切割形成了復雜的巖體結構。兩岸除淺表的強卸荷、弱卸荷之外，還發育深卸荷現象，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，松弛程度也有很大差異。因此在該工程的勘測設計過程中，利用GeoSmart數字化BIM設計平臺及Hydro gocad三維建模軟件，在逐步形成完整的數據庫后，構建準確的三維模型，將BIM技術全過程全面應用于特高拱壩建基面選擇，解決了復雜地質構造與風化卸荷條件下建基巖體質量評價、利用與方案比選問題。

1 BIM信息模型構建

在數年時間內，工程樞紐區完成了126個共計14 300 m鉆孔和66個共計10 300 m平洞，巖土地質勘察數據量巨大。采用GeoSmart數字化BIM設計平臺對信息進行動態管理，將地形、地質測繪、鉆孔平洞勘探、物探、試驗等全部資料隨勘察過程錄入工程地質信息管理系統GeoIM。系統中存儲了全過程的數據信息，并按地質屬性分類存儲，隨過程不斷進行地層、構造、聲波Vp及試驗數據更新統計分析。以GeoIM中的地質信息為基礎，將勘探、地質點利用Hydro gocad載入三維空間，呈現為具有多重地質屬性的勘探圖元，這些圖元可以是幾何信息、物理力學參數信息，也可以是數據庫初步統計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)快速構建覆蓋層、斷層及風化卸荷等地質體組成的三維模型(見圖1)。模型以歷史版本為基礎隨工作進展不斷更新，實現地質分析與建模過程的統一。形成涵蓋各環節的信息，以及屬性信息與幾何信息深度關聯的三維模型，通過數據中心不間斷地追溯和調用，作為工程地質問題分析評價的基礎，具有完整、準確、合規、安全和可追溯的優點。

圖1 BIM三維模型

2 基于屬性地質對象的巖體質量三維分析

2.1 單因素分析

巖體質量評價的首要任務是開展單因素的分析。巖體縱波速Vp和巖石質量指標RQD是表征巖體質量優劣的關鍵指標，Vp、RQD值越高，表明巖體的質量越好。從GeoIM中調用鉆孔、平洞勘探的巖體聲波Vp、巖石質量指標RQD等資料，載入Hydro gocad三維模型軟件中，構建建基巖體的Vp、RQD等屬性對象地質體云圖(見圖2)。基于單因素指標的屬性地質對象三維模型化，突破了二維設計的局限，使得成果更加直觀、全面、準確、美觀。

圖2 建基巖體RQD屬性地質體云圖

根據云圖進行建基巖體質量的Vp、RQD等單因素分析評價，從各單因素隨高程的變化規律分析(見圖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%，沒有大面積集中的低速帶和破碎帶分布，巖體質量好且滿足建壩技術要求。

2.2 多因素分析

多因素的綜合評價可全面反映巖體的綜合質量屬性，從各種地質因素對壩基巖體質量的影響程度來看，巖石強度和巖體完整性是控制巖體質量的關鍵因素。為此根據《工程巖體分級標準》(GB/T 50218-2014)[8]中巖體基本質量指標計算公式(1)，利用已進入數據庫的基于鉆孔、平洞勘探的Rc、Kv信息，形成附著于勘探的巖體基本質量指標BQ信息。

圖3 建基巖體Vp隨高程變化規律云圖

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

式中Rc——巖石飽和單軸抗壓強度；

Kv——巖體完整性指數。

將附著于勘探建基巖體的BQ信息載入Hydro gocad，構建壩基巖體質量多因素綜合評價的BQ屬性地質對象三維空間云圖。從建基巖體BQ指標隨高程的變化規律(見圖4)來看，2 675～2 678 m高程之間的巖體BQ指標均大于400，按照標準中關于巖體基本質量的分級劃分，屬于Ⅲ1～Ⅱ級巖體。而在2 675 m高程以下受斷層發育巖體破碎的影響，及2 678 m高程以上受風化卸荷控制巖石強度降低、巖體松弛的影響，均存在較大范圍的低BQ區域，都不能夠滿足建基巖體要求。因此從BQ指標反映的巖體質量多因素三維分析結果來看，2 675～2 678 m高程之間，是最適宜河床建壩的區域。

圖4 BQ隨高程變化規律云圖

3 地質缺陷影響分析

3.1 斷層影響分析

大壩建基面應選擇設置在堅硬完整的巖體上，應盡量減小斷層、軟弱夾層等地質缺陷對拱壩變形的影響。根據壩基可利用巖體分析，擬定2 675 m和2 677 m兩個建基面方案，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系(見圖5)。

圖5 斷層與建基面的關系

利用三維模型中的建基面方案輪廓，統計在建基面出露的各條斷層延伸長度及出露位置(見表1)，評價斷層對不同建基面方案的影響。從統計結果表分析，2 677 m方案建基面方案斷層出露的長度總體略小，受斷層地質缺陷的影響較小，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度對比 m

3.2 深卸荷影響分析

在該工程壩區巖體中，除淺表的卸荷之外，還發育深卸荷現象，深卸荷巖體松弛、破碎，抗變形能力差，對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，其外部發育相對緊密完整的緊密巖帶巖體，因此從減小深卸荷帶影響、減少工程開挖的原則分析，在滿足拱壩建基巖體質量要求的前提下，拱壩建基面應淺嵌并盡量遠離深卸荷帶。為此，在三維空間內構建建基面與深卸荷距離云圖(見圖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看，2 677 m建基面方案與深卸荷巖體距離均大于10 m，對拱壩變形影響相對較小，而2 675 m方案距離建基面近，甚至部分進入深卸荷巖體，深卸荷對2 675 m方案拱壩的影響較大。從深卸荷對大壩的影響來看，2 677 m方案優于2 675 m方案。

從建基巖體質量單因素與多因素綜合分析，結合對不同方案斷層、地質缺陷的發育分析評價，2 677 m方案是最佳方案。

4 結 語

(1)基于BIM技術形成的涵蓋各環節的信息以及屬性信息與幾何信息深度關聯的三維模型，為工程地質問題分析奠定了基礎。而通過建基巖體中聲波Vp、巖石質量指標RQD及巖體基本質量指標BQ的屬性地質對象構建與分析，實現了建基巖體質量單因素與多因素綜合三維可視化評價，并且在三維空間內對斷層、深卸荷等地質缺陷進行了全方位準確評價。

(2)基于BIM開展的特高拱壩建基面選擇，效率極大提升，統計更加全面，分析更加準確合理，各種因素的特性、相互關系及影響更加直觀，特別是創建的基于屬性地質對象的單因素與多因素綜合分析方法，突破了傳統平面二維分析的局限，實現了復雜地質條件下工程巖體質量分析評價技術的創新，由此選擇的建基面方案更加合理可靠。

(3)隨勘測過程漸進更新構建精確的BIM模型，不僅可以解決建基面選擇的問題，還可以應用于復雜地質條件下特高拱壩抗滑穩定分析、滲透分析、高邊坡穩定分析，延伸至工程建設的全生命周期，甚至在工程施工、監測和運行期間持續發揮作用。

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[8] 工程巖體分級標準[S].北京:中國計劃出版社,2014.

2017-02-06

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

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