葉巴灘水電站地質(zhì)BIM設(shè)計與應(yīng)用

王 皓，李崇標

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

BIM即“建筑信息模型”，是基于建筑工程項目的各項信息數(shù)據(jù)來構(gòu)建建筑模型，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息，達到對項目全生命周期信息的共享和傳遞，并且大大提高信息交互的效率和水平［1］。雖然建筑領(lǐng)域已經(jīng)有了一套成熟的BIM技術(shù)，但地質(zhì)信息具有多元、多維、多時態(tài)等特點，其適應(yīng)性較差［2］。中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院結(jié)合水電工程地質(zhì)專業(yè)特點，以地勘數(shù)據(jù)中心加專業(yè)設(shè)計平臺的BIM設(shè)計解決方案，如圖1所示。

地勘數(shù)據(jù)中心：涵蓋地勘各專業(yè)并覆蓋基礎(chǔ)資料、過程信息、地質(zhì)成果（含模型、屬性）的地勘數(shù)據(jù)庫，搭建與前端數(shù)據(jù)展示應(yīng)用平臺無關(guān)的數(shù)據(jù)交換服務(wù)接口；同時，根據(jù)權(quán)限，其它專業(yè)、其它前端平臺如CATIA、AutoCAD均通過通用的服務(wù)接口訪問地勘相關(guān)數(shù)據(jù)。

專業(yè)設(shè)計平臺：根據(jù)生產(chǎn)流程、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用特點建設(shè)基于C／S的維護管理系統(tǒng)、基于GoCAD的三維解析系統(tǒng)以及基于WEB的綜合分析應(yīng)用系統(tǒng)。

本文以葉巴灘水電站為實例，介紹該系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中的成功應(yīng)用。

圖1 基本構(gòu)架

1 工程背景

葉巴灘水電站是藏區(qū)開工建設(shè)第一高拱壩，位于川藏交界的金沙江干流上，水庫正常蓄水位2889m，相應(yīng)庫容10.80億m3。電站裝機容量224萬kW，混凝土雙曲拱壩高217m。

電站位于金沙江構(gòu)造帶內(nèi)，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)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(yīng)力高，淺表風化、卸荷強烈，發(fā)育深卸荷現(xiàn)象，巖體結(jié)構(gòu)復雜。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(zhì)體。因此以BIM設(shè)計開展地質(zhì)工作，為解決特大型水電工程在復雜地質(zhì)背景下的工程地質(zhì)問題評價等工作奠定了一個良好的基礎(chǔ)。

該項目地質(zhì)BIM設(shè)計工作從預(yù)可研階段開始一直到現(xiàn)在招標技施階段，各階段的大量地質(zhì)測繪、勘探編錄、試驗、物探測試等資料同步進入數(shù)據(jù)中心，形成了工程地質(zhì)分析的信息源［3］；漸進明細的查明了地質(zhì)條件，構(gòu)建了隨勘探進度動態(tài)更新、滿足生產(chǎn)進度要求的數(shù)字化模型；客觀、高效的完成了如巖體質(zhì)量研究評價、拱壩建基面選擇、塊體穩(wěn)定評價等工程地質(zhì)評價工作。

2 地勘數(shù)據(jù)中心

地勘數(shù)據(jù)中心以生產(chǎn)流程排序的層級式菜單結(jié)構(gòu)，定義了工作方式和順序，數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)積累自動按照生產(chǎn)流程、質(zhì)量管理流程進行。按照這種工作方式和順序，葉巴灘地勘數(shù)據(jù)中心的建立首先是對人員權(quán)限和角色進行設(shè)置，地質(zhì)人員根據(jù)自己的權(quán)限和角色開展工作不僅保證了數(shù)據(jù)本身的安全，而且正式數(shù)據(jù)需經(jīng)過校審流程，保證了數(shù)據(jù)的質(zhì)量安全，如圖2所示。項目字典的設(shè)置根據(jù)葉巴灘地質(zhì)特點，項目負責人對葉巴灘涉及的地質(zhì)描述、地質(zhì)體的表達等進行標準化的定制，這樣原始資料的錄入強制性的按照項目字典的標準進行標準化的錄入，并且結(jié)構(gòu)化的存儲在數(shù)據(jù)中心。原始資料從輸入開始，系統(tǒng)就記錄了錄入過程、調(diào)用過程，分析過程，校審對話，修改記錄，包括三維模型的構(gòu)建過程、分析過程、地質(zhì)體的屬性信息等，并與對象相關(guān)聯(lián)，供地質(zhì)人員隨時查詢［4］。

圖2 設(shè)置人員、崗位職責及權(quán)限

葉巴灘地勘數(shù)據(jù)中心除了對原始數(shù)據(jù)、過程信息、關(guān)聯(lián)關(guān)系的記錄，還存儲了數(shù)字模型、地質(zhì)分析評價，以及原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的中間分析成果和統(tǒng)計參數(shù)，如圖3所示。

圖3 進入數(shù)據(jù)中心的原始資料

自預(yù)可研階段以來，各階段的原始資料、中間成果、正式成果、校審記錄等全部過程記錄和研究成果均存儲在數(shù)據(jù)中心，各階段的生產(chǎn)內(nèi)容均在數(shù)據(jù)中心保存記錄，數(shù)據(jù)完整、可追溯。在數(shù)字化成果上，所有原始基礎(chǔ)資料均已進入數(shù)據(jù)中心形成原始數(shù)據(jù)源；在地質(zhì)屬性分類歸納、試驗成果整理、中間成果等分析過程資料均保留在數(shù)據(jù)中心，如圖4所示。過程可以追蹤；各級校審記錄均在數(shù)據(jù)中心，用以質(zhì)量控制；各種分析成果與其引用資料的關(guān)聯(lián)關(guān)系均保存在數(shù)據(jù)中心，確保產(chǎn)品的可追溯性；各種非結(jié)構(gòu)化的文檔也以附件形式存入數(shù)據(jù)中心，保證了項目資料的完整性。到現(xiàn)階段葉巴灘的地質(zhì)數(shù)據(jù)中心已有35萬余條數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)量還在不斷增長。

3 地質(zhì)設(shè)計平臺

基于大量信息的三維設(shè)計是BIM的重要基礎(chǔ)，采用BIM設(shè)計出的地質(zhì)產(chǎn)品為優(yōu)質(zhì)設(shè)計提供了保障。我們的三維設(shè)計是基于信息在三維空間中對地質(zhì)體還原的過程，這個過程是基于信息交互，主客觀結(jié)合的漸進明細過程。成果是屬性深度關(guān)聯(lián)，過程可追溯的數(shù)字化模型，以及利用數(shù)據(jù)中心對大量試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后，結(jié)合主觀認識得到的地質(zhì)體參數(shù)值。

圖4 斷層整理及試驗分組

3.1 設(shè)計方法

對地質(zhì)體認識還原的基礎(chǔ)是地勘資料，因此設(shè)計第一步就是對原始地勘數(shù)據(jù)的分析判斷。對葉巴灘地質(zhì)體的還原首先是在數(shù)據(jù)中心對這些原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并將這些原始數(shù)據(jù)導入三維空間中以勘探圖元的形式直觀進行空間解析，如圖5所示。形成初步的解析成果存儲在數(shù)據(jù)中心，完成了如壩區(qū)巖體風化卸荷的定性歸納、斷層的初步歸并、試驗資料整理等。

圖5 帶有多重地質(zhì)屬性的勘探圖元

完成初步解析后，將原始數(shù)據(jù)導入到GOCAD三維解析系統(tǒng)，數(shù)據(jù)包含了其地質(zhì)屬性，以此為依據(jù)構(gòu)建出地質(zhì)體的三維形態(tài)，如圖6所示，在這個過程中地質(zhì)體構(gòu)建依據(jù)以及地質(zhì)屬性關(guān)聯(lián)在一起，記錄于數(shù)據(jù)中心。完成地質(zhì)曲面初步構(gòu)建后，通過約束，DIS插值對初始地質(zhì)曲面的局部調(diào)整。并且具備以下幾個特點：

（1）約束與對象的獨立性相對獨立。使得地質(zhì)曲面在調(diào)整過程中能夠更加靈活，可快速、任意調(diào)用已知條件。

（2）約束的多樣性。約束可對曲面的所有構(gòu)成元素進行控制，以實現(xiàn)地質(zhì)人員對面的充分控制，實現(xiàn)復雜地質(zhì)體的構(gòu)建。

（3）DSI插值技術(shù)的應(yīng)用。完全取代了二維趨勢線的作用，實現(xiàn)三維的趨勢分析，這種趨勢分析不是由一個插值算法一次計算出來的，而是一個漸進的過程，可由地質(zhì)人員進行選擇判斷，從而實現(xiàn)輔助地質(zhì)人員進行地質(zhì)認識的目的。

（4）變形區(qū)域的應(yīng)用。一方面方便地質(zhì)人員進行曲面細化，另一方面在引入新的資料引入時保證影響區(qū)域外的分析成果不被干擾［5-6］

隨著勘探工作的開展，對地質(zhì)認識的不斷深入，以這種三維設(shè)計方法，完成了葉巴灘水電站壩區(qū)地質(zhì)體的還原概化，在質(zhì)量、效率、可靠性等關(guān)鍵性方面滿足生產(chǎn)過程建模和三維協(xié)同設(shè)計的需求，成果直接固化于現(xiàn)階段的地質(zhì)模型，完成了基覆界限，風化卸荷界面包含5個界面24個分區(qū)，4條Ⅱ級結(jié)構(gòu)面，81條Ⅲ級結(jié)構(gòu)面，以及大量次要特定結(jié)構(gòu)面的構(gòu)建，如圖6所示，且模型中每一個地質(zhì)體的構(gòu)建依據(jù)可追溯，歷史版本可追溯。

除了三維地質(zhì)模型，在地質(zhì)體參數(shù)上，利用數(shù)據(jù)中心，對試驗、物探等資料進行多方案、多方法的統(tǒng)計分析，為地質(zhì)體參數(shù)的提出提供了重要依據(jù)。

3.2 設(shè)計實例

地質(zhì)工程師對地質(zhì)體的認識是一個由淺入深的過程。地質(zhì)BIM的設(shè)計過程正符合這種認識過程，認識的結(jié)果就是數(shù)字化模型。深卸荷模型的構(gòu)建也是這個過程的具體體現(xiàn)。

在預(yù)可研階段，對勘探資料進行初步分析以及三維解析，將巖體劃分為強卸荷巖體、弱卸荷巖體、未卸荷巖體，并構(gòu)建出相應(yīng)的地質(zhì)界面。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，對這些差異數(shù)據(jù)地質(zhì)解譯為卸荷深。隨著勘探工作的進一步開展，大量的地質(zhì)資料錄入到數(shù)據(jù)中心，并對其進行統(tǒng)計分析，結(jié)合勘探揭示出的地質(zhì)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(zhì)解譯疑點多，不符合表生改造規(guī)律及力學特征。針對性的對完整巖帶、卸荷裂隙開展調(diào)查研究，地質(zhì)認識進一步深入，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［7］，符合深卸荷帶的主要地質(zhì)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。重新對相關(guān)原始資料的屬性進行復核、修改，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建深卸荷條帶，并將這種構(gòu)建依據(jù)存儲在數(shù)據(jù)中心，以便追溯，以此完成對深卸荷帶的初步構(gòu)建，該深卸荷條帶在空間上表現(xiàn)為隨高程增加而逐漸變深，并且深卸荷的地質(zhì)屬性即對深卸荷定性化的地質(zhì)描述與模型完成了關(guān)聯(lián)并存儲在數(shù)據(jù)中心。

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帶進行局部DIS插值計算，部分區(qū)域通過地質(zhì)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(diào)整，不斷更新完善深卸荷帶的空間形態(tài)。現(xiàn)階段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)律，隨高程增加而埋深增加的特征不明顯，受多種地質(zhì)因素的影響，局部以地形地貌因素為主，追蹤長大斷層、優(yōu)勢裂隙。在深卸荷更新的這一過程中的每一次深卸荷模型版本都保存在數(shù)據(jù)中心，保證其每一次的歷史版本可追溯。

隨著設(shè)計工作的不斷深入，對壩區(qū)卸荷巖體工程地質(zhì)性狀評價提出了更高的要求，并且深卸荷在空間上的發(fā)育程度也有明顯不均一性的特征，地質(zhì)專業(yè)對深卸荷開展了更深入的研究，利用數(shù)據(jù)中心中深卸荷發(fā)育洞段的波速比、K v、RQD等指標，結(jié)合現(xiàn)場對深卸荷段裂隙特征，最終將壩區(qū)深卸荷劃分為三種類型，即輕微松弛、中等松弛和強烈松弛。并以這三種深卸荷類型在空間上概化為不同類型的區(qū)域，如圖7所示，完成了對深卸荷更精細化的表達。

圖6 葉巴灘數(shù)字化模型

圖7 深卸荷分區(qū)

除深卸荷帶模型設(shè)計，在深卸荷巖體參數(shù)上，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(zhì)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(nèi)巖石物理力學性質(zhì)試驗成果按卸荷程度進行統(tǒng)計等，為深卸荷三種類型的巖體物理力學參數(shù)建議值的提出提供了重要依據(jù)。

可以看出，地質(zhì)專業(yè)設(shè)計平臺能快捷分析各種復雜地質(zhì)界面空間規(guī)律，可模擬地質(zhì)體由于經(jīng)受漫長地質(zhì)演變而形成的復雜空間形態(tài)，可適用于各類復雜地質(zhì)體分析需求［8］；數(shù)據(jù)中心與專業(yè)設(shè)計平臺相結(jié)合，解決了數(shù)據(jù)庫與三維模型的脫節(jié)問題，地質(zhì)信息得到充分利用，分析效率、精度大大提高；從葉巴灘工程勘測數(shù)字化設(shè)計的實際看，本系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計過程就是工程地質(zhì)分析過程，符合地質(zhì)工程師對地質(zhì)體由淺入深的認識過程，提高了工程師地質(zhì)認識的準確性和客觀性，且設(shè)計依據(jù)和歷史版本均可追溯。

4 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計

在客觀、合理的地質(zhì)認識下與其他專業(yè)開展協(xié)同設(shè)計，是設(shè)計出優(yōu)秀產(chǎn)品的基礎(chǔ)。采用BIM設(shè)計突破了原工程地質(zhì)分析方式和手段的局限，除利用三維模塊化一鍵出圖提供二維工程地質(zhì)圖件外，還應(yīng)用于建基面選擇、抗滑穩(wěn)定分析等關(guān)鍵工程地質(zhì)問題評價工作。

4.1 建基面選擇

大壩建基面選擇是水電站設(shè)計的核心，也是地質(zhì)工作的關(guān)鍵，利用BIM設(shè)計針對葉巴灘斷層多、深卸荷發(fā)育、地應(yīng)力高的特點，進行大量的分析工作，在大壩建基面選擇上起到了突出作用。

首先在數(shù)據(jù)中心中針對不同方案輔助進行各種組合的快速查詢、統(tǒng)計，對壩基各類巖體指標完成統(tǒng)計分析。然后利用三維可視化開展壩區(qū)可利用巖體分析，如在河床建模面研究中，建立河床局部的Vp、RQD的單因素及多因素屬性地質(zhì)體，以云圖方式直觀反應(yīng)兩種參數(shù)在不同高程下的情況，如圖8所示。綜合分析評價出2675～2678m高程為最適宜的河床建基面高程。最后進行建基面缺陷分析，根據(jù)試驗資料分析，弱風化巖體質(zhì)量較差，是主要地質(zhì)缺陷；弱卸荷巖體質(zhì)量較好，可作為建基巖體。在三維分析平臺中導入各建基面方案，統(tǒng)計弱風化巖體分布范圍、最大最小厚度、平均厚度及總方量等進行分析對比，高效的開展了多方案下的快速比選。綜合各建基面高程巖體質(zhì)量指標、地質(zhì)缺陷發(fā)育特征，最終選定中嵌方案，解決了拱壩設(shè)計中的關(guān)鍵問題。

圖8 地質(zhì)定量參數(shù)可視化分析

4.2 壩肩抗滑穩(wěn)定性分析

壩肩抗滑穩(wěn)定性分析是拱壩設(shè)計的核心，對地質(zhì)專業(yè)來說重要的工作是查清抗滑穩(wěn)定邊界，分析抗滑穩(wěn)定組合，而葉巴灘工程地質(zhì)特點是斷層多，壩區(qū)III級及以上規(guī)模的有81條，IV級規(guī)模的有500多條，因此壩肩抗滑穩(wěn)定邊界的空間分析顯得尤為復雜。三維地質(zhì)模型與水工模型的協(xié)同空間分析，很好的解決了這一問題，確定了各種可能的組合模式，為壩肩抗滑穩(wěn)定計算、邊坡穩(wěn)定分析提供依據(jù)。

三維地質(zhì)模型與水工模型的協(xié)同空間分析是通過VPN調(diào)用設(shè)計開挖面，導入到地質(zhì)三維分析平臺中，排除大量與開挖面無關(guān)的結(jié)構(gòu)面，然后通過開挖面與結(jié)構(gòu)面的交切，得到開挖面上結(jié)構(gòu)面的出露位置，然后逐條分析各種可能的組合模式，搜索最不利的滑移模式，找出關(guān)鍵塊體，其中左壩肩12個、右岸肩6個，如圖9所示，并精確計算塊體規(guī)模、滑移方向。完成壩肩抗滑穩(wěn)定性評價，為壩肩抗滑穩(wěn)定計算提供依據(jù)。

圖9 壩肩抗滑穩(wěn)定分析

5 結(jié)語

基于地勘數(shù)據(jù)中心加地質(zhì)專業(yè)設(shè)計平臺的地質(zhì)BIM設(shè)計方案，深入應(yīng)用于葉巴灘水電站工程地質(zhì)生產(chǎn)中，優(yōu)質(zhì)、高效的完成了各階段工程地質(zhì)問題評價工作，為設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。該地質(zhì)BIM系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)的工程地質(zhì)方法和手段，使地質(zhì)資料從分類存儲的堆疊式數(shù)據(jù)到深度關(guān)聯(lián)又相對獨立的地質(zhì)信息，地質(zhì)設(shè)計從逆向的三維建模到正向的信息化設(shè)計，地質(zhì)成果從單純的三維模型到屬性深度關(guān)聯(lián)的數(shù)字化模型，為地質(zhì)BIM設(shè)計進行了有益的探索。

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