數字化在高拱壩地質力學模型試驗中的應用

程 立，鄭雙凌，劉耀儒，楊 強

（1. 水電水利規劃設計總院，北京 100120；2. 清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

利用地質力學模型試驗可研究斷層和裂隙等地質構造對大壩穩定性的影響、大壩與地基的相互作用及共同作用、加固地基措施的效果及大壩破壞機制等[1]。早在20 世紀60 年代，意大利的結構模擬模型試驗研究所（ISMES）即對壩高222 m 的阿爾門德拱壩等多個水利工程進行地質力學模型試驗模擬[2]。清華大學、四川大學、長江科學院等國內高校和科研單位也對我國幾乎所有的特高拱壩開展了地質力學模型試驗，并在關鍵技術方面積累了豐富的實踐經驗。雖然有限元等數值模擬技術發展很快，但地質力學模型試驗仍有著不可替代的優勢，并有迫切的數字化需求。地質力學模型試驗數字化系統開發的第一步是建立包含基礎巖體及建筑物的3D 可視化模型，即根據用CAD 設計的2D 圖生成3D 圖。由于巖石工程地質結構復雜，3D可視化工作難度較大。法國Nancy 大學的Mallet 教授提出離散光滑插值（discrete smooth interpolation，DSI）方法。該方法基于對目標體的離散化，用一系列具有幾何和物理特性的互相連接的節點來模擬地質體，進而開發出應用最廣泛的地質工程建模軟件GOCAD[3-4]。國內學者在地質工程的 3D 可視化研究方面也取得了很大進展[5-6]。天津大學鐘登華院士課題組開發出Visual GEO 系統，基于NURBS 技術提出實現工程地質信息3D 可視化重建的新途徑[7-9]。

目前常用的CAD 二次開發工具有Auto LISP/Visual LISP、Object ARX、VBA 等[10-12]。相比于其他開發工具，VBA 的功能更強大、更簡便易行。因此，本文選用VBA 為開發工具，并以 Excel 作為數據庫與數據處理工具，基于某CAD 軟件編譯了地質力學模型試驗數字化系統。

1 地質力學模型試驗數字化系統工作框架

地質力學模型試驗中使用的基本設計數據可以儲存在數字化系統中供查詢使用。試驗進行時，系統可以對試驗采集的數據進行初步處理和分析，供試驗人員決策和對模型試驗進行實時控制。該系統借助于CAD 的3D 模型，可以更加直觀、明了地展示試驗結果。地質力學模型試驗的數字化系統由四大模塊組成，每部分又有若干的小模塊。

（1）試驗設計信息查詢模塊。在試驗前會將特定的試驗設計信息——例如地質條件、試驗目的及重點區域、測點布置情況、體型參數等——儲存在特定的位置，供試驗過程及試驗結果展示中的查詢。

（2）3D 模型控制模塊。該模塊有圖層控制和測量信息導入2 項功能。通過關閉某些暫時不用的圖層，可以加快計算機的運行速度。另外，可以根據儲存在Excel表格中的測點和千斤頂坐標，自動批量地向2D 圖及3D圖中導入測點、千斤頂符號，避免了手動導入的麻煩。

（3）實時觀測和查詢模塊：該模塊是地質力學模型試驗數學字化系統的重點，它可以將試驗數據采集系統提供的原始 txt 文檔自動導入 Excel 中并實時更新；通過VBA 調用Excel 實現對試驗數據的運算、繪制曲線圖等。在試驗過程中，可以根據需要選擇察看特定測點組或者監控某一軟弱結構面的所有測點信息，也可以繪制出壩面的應力矢量圖和位移圖。

（4）試驗成果展示模塊：該模塊分為典型測點分析、軟弱結構面分析、壩體整體分析3 部分，并與數值計算結果進行對比，使試驗結果更直觀、清晰地展示。

2 3D 模型的建立

高拱壩工程圖紙是各高程的 2D 平切圖。由于巖體工程地質條件復雜，山體邊坡形狀、斷層分布等沒有規律，而且巖石工程建筑種類繁多，內部結構錯綜復雜，因而高拱壩工程3D 建模異常復雜。本文的3D建模流程如圖1 所示。

圖1 地質力學模型試驗中3D 模型建模流程

2.1 3D 建模的預處理

工程平切圖是工程每個高程的水平圖，高度差2～50 m 不等，如圖2 所示大崗山拱壩1135 m 高程原始平切圖。將各高程的平切圖按照高度差層疊起來，就構成該工程的 3D 線框圖。但是，一般獲得的原始平切圖并不是專門為了建立 3D 模型而制作，其構圖特點、圖中內容都和構建 3D 模型所需要的平切圖有很大的差異。因此需要先對平切圖做一定的修改。

修改的內容包括：

（1）剔除圖層無用信息；

（2）將Z 坐標移動到正無窮大處，再移動到Z 向負無窮大處，實現將所有圖層Z 坐標清零；

（3）統一圖框大小及范圍；

（4）將3D 模型中各高程的相同山體地質線都重新設定到同一圖層中[13]。

圖2 大崗山拱壩1135 m 高程原始平切圖

3D 建模預處理過程涉及大量的重復性工作，可在CAD 軟件中通過VBA 編程批量處理。

2.2 后續建模方法和工具

通過一系列建模預處理程序，各個高程的平切圖已經可以用來進行建模。建模工作可以概括為：

（1）在 CAD 的3D 草圖工作空間，將各個高程的平切圖按照其各自的高程間隔疊放在一起；

（2）使用直紋網格和邊界網格功能將簡單的 3D線條構建成曲面和體，再用渲染功能對模型進行適當的渲染；

（3）構建工程3D 模型周圍的包絡線框。

高拱壩工程3D 建模的步驟如下：

（2）利用3D 的CAD 直紋網格功能和邊界網格功能化線為面，當兩條地質線在水平面投影夾角較大時，可能造成網格的空間關系混亂，可通過使用邊界網格解決[10]；

（3）使用CAD 自帶的渲染功能對壩體、各斷層、邊坡進行渲染。最終完成的高拱壩工程3D 模型如圖3所示。

圖3 高拱壩工程3D 模型

3 地質力學模型試驗數字化操作系統

3.1 試驗信息查詢

試驗信息查詢分為模型試驗原始資料查詢和模型試驗設計展示查詢兩部分，使用VBA 實現多頁控件、文本框、圖像控件等功能。試驗前，可以將試驗的相關資料儲存在指定的文本框、文件或文件夾中，根據需要調用試驗的原始資料和試驗設計的相關資料。

模型設計基本信息界面如圖4 所示，可以察看試驗的地質平切圖、各材料的力學參數、試驗比尺等。本部分將圖片儲存在指定的文件夾，通過文件名選擇和調用文件；也可在CAD 圖中詳細察看地質平切圖。在測點布置界面，可以察看儲存在 Excel 表格中的測點布置信息，也可以察看內部位移計的位置圖。

圖4 模型設計基本信息界面

3.2 CAD 模型圖操作

在使用地質力學模型試驗數字化系統時，需要對CAD 模型圖進行操作，例如圖層控制、千斤頂導入和測點導入。

（1）圖層控制。3D 模型中包含有壩體、斷層、邊坡、框體等海量的信息，如果顯示全部信息，會造成 CAD 軟件運行緩慢，不利于對某一局部區域的觀測。所以在使用 3D 模型時，經常需要關閉暫時不用的圖層。但是，CAD 的 3D 圖中圖層多（一般 50 個以上），使用CAD 自帶的關閉圖層工具比較麻煩。本系統特增加圖層控制界面，在此界面控制 3D 模型圖中的圖層。

（2）千斤頂導入。常規的地質力學模型試驗僅模擬水荷載，并且荷載可以近似為三角形荷載。例如大崗山地質力學模型試驗中采用27 個自制的小千斤頂，上下共分5 層模擬荷載。每組千斤頂均與分油器相連，用7 個精密壓力表來測量各層的外油壓。在模型圖中可以準確地顯示千斤頂的位置與實際荷載，并通過在CAD 圖中捕獲千斤頂中心顯示千斤頂位置等信息，方便了解試驗進程及對試驗結果的理解。在模型試驗中，試驗人員一般只提供壩面平面圖中的千斤頂坐標，而且在CAD 中3D 圖往往運行緩慢，所以本系統也有在2D 圖中導入千斤頂符號功能。千斤頂導入界面如圖5所示。

(3)P=p′∪Process∪Procedure∪Step，其中：Process表示工藝節點的集合，Procedure表示工序節點的集合，Step表示工步節點的集合。工藝由多個工序組成，工序又由多個工步組成。

圖5 千斤頂導入界面

（3）測點導入。在模型試驗中需要各種測點的布置圖。按照測量目的的不同，測點分為3 種：①應變片，有a、b、c、d4 個方向；②位移計，有x、y2 個方向；③內部位移計及拐點位移計，1 個方向。設立測點導入界面，可以根據測點的不同性質批量導入不同類型的測點。

3.3 實時分析

實時分析是地質力學模型試驗數字化系統的核心功能，包括對試驗數據的實時處理、分析與查詢，使試驗進程更加清晰、直觀地展示，以便于試驗人員實時做出決策，減少試驗中依靠經驗盲目決策的現象。本部分由千斤頂實時查詢界面和試驗數據實時分析處理界面構成。

3.3.1 千斤頂實時查詢界面

該界面用于千斤頂坐標、直徑、荷載等信息的查詢，既可以輸入千斤頂編號進行查詢，也可以通過在2D 圖或3D 圖捕獲千斤頂中心進行查詢，如圖6 所示。該界面具有在模型圖中消隱千斤頂、顯示千斤頂布置圖、顯示加載過程的功能。在試驗中如果需要對數據進行修改，可打開保存千斤頂數據的 Excel 文檔進行修改，這些可完全滿足試驗的需求。

圖6 3D 圖中千斤頂信息查詢效果圖

3.3.2 試驗數據實時分析處理

對試驗數據進行實時分析和處理是地質力學模型試驗數字化系統中最核心的功能，也是功能最多的部分，并有2 個輔助界面。用于試驗時，對實時試驗數據的更新、處理，并供查詢，便于試驗人員決策，可大大減少決策的盲目性。該界面由5 個基本部分組成，如圖7 所示。

圖7 試驗數據實時分析處理界面

（1）試驗數據導入。功能是將數據采集系統得到的txt 文檔進行初步處理并導入Excel 表格中。

（2）繪制與顯示測點加載倍數-應變/位移曲線。功能是根據實時試驗數據繪制1 個或者多個測點的加載倍數-應變/位移曲線（可通過多個測點反映某一軟弱帶的錯動情況），一次可繪制最多 10 個測點的位移/應變曲線。曲線圖以特定的名稱儲存在指定的文件夾中，方便試驗結果的分析。

（3）測點信息查詢。功能是查詢測點（位移計或者應變片）的實時數據，可以手動輸入測點名稱，也可以進入 CAD 界面通過捕獲測點查詢，系統可根據測量值自動計算出實時主應變和主應力。

（4）監控結構面/壩體測點組位移曲線的查詢。功能是顯示監控某一局部位移的所有位移計實時數據曲線，進而反映模型試驗中某一軟弱結構面或壩體局部的變形情況。

（5）繪制壩體 2D 應力矢量圖。功能是計算壩面的實時應力情況，并繪制壩面實時應力矢量圖。由于模型試驗中部分壩面應變片會由于多種非測量原因失效，出現異常的大數值，所以本部分特設置了自動剔除功能，剔除測量值過大的測點。

3.4 結果分析展示

本部分由測量值分析展示、軟弱結構面分析展示和壩體整體分析展示3 部分構成。通過調用CAD、Word、Excel 等應用軟件，分析并展示模型試驗的成果，取代了以前單調的 Word 試驗報告，可以更加直觀、方便地分析與展示試驗成果。

（1）測量值分析展示部分。如圖8 所示，本部分結合CAD 的2D/3D 模型展示位移計/應變片的最終測量結果與分析結論；也可以察看單一測點或監控某一軟弱面的測點組的最終測量數據及分析結論。

（2）軟弱結構面分析部分。本功能用于展示軟弱結構面相關測點的測量曲線及分析結論。壩肩巖體軟弱結構面的穩定性是地質力學模型試驗的主要考察對象，通過相關位移計的加載倍數-位移曲線圖，可以分析各超載情況下軟弱結構面的穩定性。

圖8 內部位移計剖面圖捕獲效果圖

（3）壩體整體分析展示部分?？梢哉故菊Ｋd下的壩體位移、壩體應力、壩肩巖體的變形與開裂、壩體整體穩定性評價、模型的結論與建議等內容。

本部分充分利用CAD 和Excel 的互相調用優勢，使試驗結果的展示更加方便、快捷并且簡單明了。

4 結論

地質力學模型試驗數字化操作系統基本滿足了現有條件下地質力學模型試驗對信息化、可視化、自動化的要求，大大提高了地質力學模型試驗的質量與效率。

（1）使用CAD 軟件可進行巖體工程的3D 建模，基本滿足了地質力學模型試驗數字化系統的需求。

（2）在需要大量雜亂數據處理的地質力學模型試驗中，基于 VBA 語言，以 CAD 軟件為平臺，并以Excel 作為數據庫及數據處理工具，具有較大的優越性；CAD 突出的模型展示能力、Excel 自有的對數據處理功能和VBA 強大的編譯能力相結合，可以快速、簡便地完成對試驗數據的實時處理、分析與展示。

（3）通過CAD、Excel 等常規軟件可簡單易行的輔助工程實踐。