ITASCAD軟件在老撾南俄3水電站工程中的應用

2022-06-08 02:59:16楊天俊李治民

西北水電 2022年2期

楊天俊,楊蕓,李治民

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前言

ITASCAD地質工程三維建模與分析軟件為中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司與依泰斯卡(Itasca)(武漢)咨詢有限公司聯合開發的的數據庫分析程序及三維建模軟件(依泰斯卡(武漢)咨詢有限公司現更名為：加華地學(武漢)數字技術有限公司，ItasCAD軟件更名為CnGIM_ma)，該軟件具有的功能主要有：① 建立數據庫，完善的數據庫自身功能可以大大提高工程地質內業整理的效率，而且是建模和模型應用的基礎；② 創建含屬性三維地質模型，包括建模功能增加，其中地質建模采用了和GoCAD相同的離散光滑插值(DSI)算法，成為世界僅有的、采用這一核心技術的兩款專業軟件之一，是實現復雜地質體快速建模和模型更新的關鍵；分析部分主要是節理統計分析在根據節理優勢性產狀進行分組統計的基礎上，還可以對優勢節理長度和間距進行統計，并分析各組優勢性節理的空間分布，從而大幅提高了節理地質編錄數據的工程應用范圍； ③ 模型應用，首先對地質模型進行空間分區，利用每個區內的屬性樣本進行空間插值和四則運算，獲得所需要指標的空間分布。這些通用性技術的應用功能之一是進行三維空間的巖體質量分級，軟件內置了兼容水電、BQ和RMR的3種圍巖質量分級方法，利用地質勘測獲得的相關指標獲得給定范圍內這3種方法的巖體質量分級結果。其次是二維成圖、巖土體專題問題分析、巖土工程設計等，并可在工程的全階段使用。

該軟件在老撾南俄3工程進行了綜合應用，本文對部分功能使用進行了系統總結。

1 概況

南俄3水電站位于老撾民主共和國，為南俄河的第3梯級電站，南俄河是湄公河重要的支流之一，發源于塞松本省山區，一直向南在萬象市下游約90 km處匯入湄公河。樞紐布置方案主要由攔河大壩、泄水建筑物和引水發電系統組成。水庫正常蓄水位723.00 m，相應庫容14.11億m3。混凝土面板堆石壩壩頂高程729.50 m，最大壩高210 m，通過長約11 km 的隧洞引水，地面廠房電站裝機容量480 MW。2013年之前，國外公司完成了整個工程區相當于中國規范的預可研及可研階段的勘測工作， 2013年4月，中國公司接手該工程的勘測設計，正式與老撾國家電力公司(EDL)簽訂了南俄3水電站EPC總承包合同，并進行南俄3水電站重編可研和基本設計階段的工作。中國公司接手后，補充進行了廠房區、壩址區、引水線路區的勘探試驗工作。

2 勘測階段數據庫及三維模型建立

2013年之前，國外公司的勘測資料包括了各部位的平面地質圖、少部分鉆孔的鉆孔柱狀圖、大部分鉆孔的巖芯、平硐展示圖、試驗資料；2013年之后中國公司完成了鉆孔和平硐、試驗等，并重新測量了各工程部位的地形圖。

2.1 數據庫資料收集及整理

2013年后中國公司接手南俄3 工程，在早期數據庫版本的支持下，即著手建立數據庫，隨著版本的升級，數據庫功能不斷完善。整個工程建立一個數據庫，軟件中可分工程部位設置區域。

2.1.1早期國外公司勘測單位資料整理

(1) 已有鉆孔柱狀圖中資料讀取，并輸入數據庫；

(2) 已有巖芯，重新反拍照片，并進行相關風化、巖性等方面的孔深數據編錄，并輸入數據庫；

(3) 已有平硐按平硐展示圖中相關風化、卸荷、結構面、巖性等資料讀取后輸入數據庫；

(4) 整理試驗數據，按數據庫中已有格式選擇輸入數據庫。

2.1.2中國公司補充勘測資料

(1) 鉆孔編錄全部數據直接輸入數據庫，并按數據庫繪制鉆孔柱狀圖；

(2) 平硐編錄資料直接進入數據庫；

(3) 試驗數據按數據庫中已有格式選擇輸入數據庫。

2.2 三維地質模型建立

南俄3水電站引水線路長11 km，因此，三維地質模型分3部分分別建立，一為壩址區、二為引水線路區、三為廠房區。推薦料場單獨建立模型。壩址區模型范圍包括了引水隧洞進口及全部建筑物；引水隧洞區模型范圍也包括了引水隧洞進口；廠房區模型范圍包括調壓井、壓力管道及地面廠房全部建筑物。分別建立模型完成后，又合并成單一全工程模型。建立的模型精度高，極大地節省了工程師內業整理的時間，及時給設計提供相關地質圖件。本文僅對壩址區建立模型進行介紹。

壩址區巖性地層包括第四系、二迭系、三迭系和泥盆系。巖性包括沖洪積層、殘崩積層和沉積巖類的砂巖、泥巖類；弱～淺變質巖板巖、砂巖類和深變質巖片麻巖類。巖層產狀較復雜。片麻巖片麻理主要走向近南北、陡傾角( 60°～80°)、傾向東或西；板巖、砂巖類顯示傾伏褶皺特征，傾角大致為60°，軸面產狀走向NE83°、傾SE、傾角80°，褶皺軸產狀57°/93°(傾伏角/傾伏向)，野外顯示褶皺倒轉。

(1) 地形圖采用2013年以后測量的 1∶1000地形圖；

(2) 平面地質界線采用2013年之前國外公司繪制的地質圖；

(3) 風化界線、透水率線、地下水位、覆蓋層、結構面均來源于勘探和地面測繪資料；

(4) 巖性在建立模型時進行了同類合并成同一層處理；

(5) 加載了設計提供的各類開挖面；

(6) 三維地質模型中包括了風化界面、透水率界面、地下水位面、覆蓋層界面、斷層面、巖性面、巖層產狀面、地形面、勘探鉆孔及平硐等。

2.3 三維地質模型在工程設計中的利用

根據軟件建立模型方法，建立了工程區三維地質模型，該模型具有以下特點：

(1) 隨時在空間上從不同角度查看各類界面的展布；

(2) 切制地質剖面圖、平切圖，生成平面地質圖；

(3) 將三維模型中各類界面轉換成了設計專業軟件的Catia格式提供設計直接使用；

(4) 隨時切制各種分析圖。

3 施工期數據與模型更新

3.1 數據庫增加內容

施工階段增加到前期數據庫中的內容包括：施工階段勘探鉆孔全部資料、施工階段灌漿(帷幕灌漿、固結灌漿)鉆孔全部資料、地應力測試鉆孔全部資料、壓水試驗、補充試驗全部資料、物探檢測成果資料、平硐及建基面編錄斷層及結構面資料等。物探檢測資料包括了孔內波速測試、硐壁波速測試、地應力鉆孔波速檢測資料、開挖建基面物探波速檢測資料等。開挖建基面波速采用假定沿物探檢測線為平硐進入的數據庫。硐室編錄資料包括了地質編錄斷層和結構面、硐壁線路精測資料(包括了結構面間距、性狀、地下水特征等)、開挖建基面設定線路精測資料(包括了結構面間距、性狀、地下水特征等)。開挖建基面設定線路精測采用假定沿線路為平硐進入的數據庫。

灌漿鉆孔資料按勘探鉆孔進入數據庫。

3.2 三維地質模型修改完善

按新增數據庫內容對三維模型進行了修改完善，主要如下：

(1) 引水隧洞實際揭露巖層修改了巖性界面；

(2) 隧洞及開挖建基面揭露的斷層和較大裂隙性結構面建立斷層和裂隙面；

(3) 調整各部位風化界面；

(4) 隨著開挖進程，隨時增加開挖后的地形界面；

(5) 料場區域不定期復核計算不同時間段內實際料層開挖使用方量；

(6) 隨時建立分析單一數據面模型，如趾板波速分布模型、趾板滲透率分布模型、地面廠房區波速分布模型等。

4 利用三維地質模型進行的巖體分類及力學參數取值

本工程在施工期不同時間利用數據庫及三維模型進行了地面廠房區、引水隧洞區、溢洪道區的巖體分類及力學參數取值。本文僅以溢洪道為例。水電分類方案(HC方案)以控制巖體穩定的巖石強度、巖體完整程度、結構面狀態、地下水和主要結構面方向修正五項因素評分之和為基本判據，圍巖強度應力比為限定判據，并應符合表1的規定。

表1 HC巖體分類標準

Bieniawski提出的RMR巖體質量分類主要考慮了5個指標，分別為巖石抗壓強度、RQD(巖體質量指標)、節理間距、節理狀態、地下水狀態。首先進行初步分類，然后根據節理的方向對工程的影響進行修正。RMR工程地質分類標準如表2。

表2 RMR工程地質分類標準

設計溢洪道位于大壩左岸，共設3孔溢洪道，由引渠段、溢流堰段、泄槽段、挑流鼻坎等組成。自2016年年初，結合大壩邊坡施工開挖，溢洪道邊坡相應施工開挖，到2018年5月，溢洪道560.00 m高程以上邊坡施工開挖完成，泄槽段開挖到建基面，溢洪道區域累計完成鉆孔1 027.90 m/16孔，鉆孔主要分布在堰閘段、泄槽段及兩側邊坡，挑流鼻坎及消力池段受勘探階段條件限制未進行相關勘探，但巖體基本裸露，地質條件較為清楚。

溢洪道基巖巖性主要有弱-淺變質(Met)的板巖、石英巖、板巖粉砂巖、深變質的石英云母片巖(Sch)、片麻巖(Gn)。板巖、石英巖、板巖粉砂巖與石英云母片巖為斷層接觸，石英云母片巖與片麻巖漸變接觸。采用的技術路線如下：

(1) 收集整理前期探測階段全部勘探資料、試驗資料；

(2) 施工開挖面分部位結構面專項統計；

(3) 建立三維地質模型，進行巖體類別劃分；

(4) 根據巖體類別劃分，采用相關準則確定各風化層、各開挖面巖體力學參數；

(5) 綜合建議提出供設計使用的巖體力學參數。

溢洪道RQD值來源于鉆孔勘探及建基面測線法實測，巖石單軸抗壓強度參照壩址區及工程區巖石試驗，其它指標利用建基面測線法精測成果。將所有資料(包括全部勘測成果：如風化層、地下水、壓水試驗等)輸入到數據庫中，建立三維地質模型，并進行分析。測線法野外選取測線長度為5 m，現場量測大于10 cm巖體長度、主要結構面條數、結構面特征及地下水特征等指標，將全部統計指標輸入到數據庫中。

按Met、Sch、Gn 3種巖性、不同風化程度劃分模型區域，其中全風化巖體由于分布在左側邊坡，開挖過程中較難分辯，不做區分。RMR模型基本指標如表3。

表3 溢洪道RMR巖體力學分類各指標取值

溢洪道區域建立的RMR屬性模型區域如圖1所示。

按上述基本指標，建立模型典型分類結果示意如圖2、3、4和表4。

表4 溢洪道石英片巖(Sch)各風化層巖體RMR分類

溢洪道泄槽建基面附近揭露了Met、Sch、Gn 3類巖性，按分類評分標準，可以進一步統計各類圍巖出露情況如圖5、6、7和表5。

表5 溢洪道泄槽建基面RMR巖體質量分類各區域占比統計

溢洪道泄槽基礎砂巖、粉砂巖夾礫巖區域(Met)巖體質量以Ⅳ級為主，Ⅲ2占比14%左右；石英片巖(Sch)、片麻巖(Gn)區域為Ⅲ2～Ⅱ級巖體。根據RMR分類評價，按 Hoek-Brown 破壞標準，給定相關參數，可以對相關巖體力學參數進行取值，一是按RMR評分的Hoek-Brown參數(HB)，二是RMR評分的中國規范法參數(HC)。取值參數包括了巖體變形模量E(EHB、EHC)、黏聚力c(cHB、cHC)、摩擦角Phi(PhiHB、PhiHC)及巖體抗壓強度σCM。Hoek-Brown 破壞標準中主要有完整巖石單軸抗壓強度UCS和完整巖石系數mi，均可查閱相關表格，開挖擾動系數均取0.7，溢洪道RMR分類中HB力學參數轉換基本參數設置如表6。