基于BIM的特高拱坝建基面选择

李崇标，王 皓，李 华

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

基于BIM的特高拱坝建基面选择

李崇标，王 皓，李 华

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

基于岩体的复杂性和专业BIM软件系统制约的原因，BIM技术在水电水利岩土地质专业领域的应用仍处于起步和发展阶段。本文以叶巴滩水电站勘察设计为例，将BIM技术应用于信息管理与模型构建，并通过基于属性地质对象的单因素和多因素岩体质量三维分析，以及各种地质缺陷影响的三维统计评价，深入应用于特高拱坝建基面选择，为利用BIM技术解决水电水利工程地质问题作了积极探索。

BIM；建基面；属性地质对象；地质缺陷；深卸荷；断层

0 前 言

近年来，随着计算机技术的蓬勃发展，大数据、信息化、可视化、智慧工程及虚拟现实等理念的兴起，BIM技术在国内受到越来越广泛的关注，在工业制造、工业民用建筑、铁路、公路和水电水利等行业领域得到深入的应用[1-4]。在建筑、结构、管道管线、机电设备、施工等专业领域，已有CATIA、Revit、Civil 3D、Bentley等诸多功能完善强大的设计软件[5-6]，应用已相对深入和成熟。相比之下，基于自然地质体的复杂且不可重复的特性，以及专业化BIM系统研发的制约，BIM技术在岩土地质专业中的应用还处在发展阶段，尤其在水电水利工程岩土地质专业领域还处在探索阶段[7]。由于中国西部地区岩土地质条件更加复杂，工程规模大，尤其需要利用专业化的BIM设计系统，管理分析大量生产过程中产生的数据信息，构建复杂精确的数字化三维模型，以查清复杂岩土体客观发育规律和特性，分析评价稳定性、可利用性和工程适应性。其中，在水电工程特高拱坝设计研究中，大坝建基面选择是核心问题之一，也是地质工作的关键问题，以往采用传统的统计方法和二维分析，工作量巨大，成果展示不直观且有局限，因此，引入BIM技术十分必要。

叶巴滩水电站地处中国西部地区金沙江上游，位于金沙江断裂带内，是坝高217 m的特高混凝土双曲拱坝工程，坝址为石英闪长岩，河谷深切，岸坡高陡，数百条断层和挤压破碎带切割形成了复杂的岩体结构。两岸除浅表的强卸荷、弱卸荷之外，还发育深卸荷现象，而且深卸荷松弛的程度极不均一，即使在相距50 m的范围内，松弛程度也有很大差异。因此在该工程的勘测设计过程中，利用GeoSmart数字化BIM设计平台及Hydro gocad三维建模软件，在逐步形成完整的数据库后，构建准确的三维模型，将BIM技术全过程全面应用于特高拱坝建基面选择，解决了复杂地质构造与风化卸荷条件下建基岩体质量评价、利用与方案比选问题。

1 BIM信息模型构建

在数年时间内，工程枢纽区完成了126个共计14 300 m钻孔和66个共计10 300 m平洞，岩土地质勘察数据量巨大。采用GeoSmart数字化BIM设计平台对信息进行动态管理，将地形、地质测绘、钻孔平洞勘探、物探、试验等全部资料随勘察过程录入工程地质信息管理系统GeoIM。系统中存储了全过程的数据信息，并按地质属性分类存储，随过程不断进行地层、构造、声波Vp及试验数据更新统计分析。以GeoIM中的地质信息为基础，将勘探、地质点利用Hydro gocad载入三维空间，呈现为具有多重地质属性的勘探图元，这些图元可以是几何信息、物理力学参数信息，也可以是数据库初步统计分析的分层分段信息。利用这些信息图元，采用离散平滑算法(DSI)快速构建覆盖层、断层及风化卸荷等地质体组成的三维模型(见图1)。模型以历史版本为基础随工作进展不断更新，实现地质分析与建模过程的统一。形成涵盖各环节的信息，以及属性信息与几何信息深度关联的三维模型，通过数据中心不间断地追溯和调用，作为工程地质问题分析评价的基础，具有完整、准确、合规、安全和可追溯的优点。

图1 BIM三维模型

2 基于属性地质对象的岩体质量三维分析

2.1 单因素分析

岩体质量评价的首要任务是开展单因素的分析。岩体纵波速Vp和岩石质量指标RQD是表征岩体质量优劣的关键指标，Vp、RQD值越高，表明岩体的质量越好。从GeoIM中调用钻孔、平洞勘探的岩体声波Vp、岩石质量指标RQD等资料，载入Hydro gocad三维模型软件中，构建建基岩体的Vp、RQD等属性对象地质体云图(见图2)。基于单因素指标的属性地质对象三维模型化，突破了二维设计的局限，使得成果更加直观、全面、准确、美观。

图2 建基岩体RQD属性地质体云图

根据云图进行建基岩体质量的Vp、RQD等单因素分析评价，从各单因素随高程的变化规律分析(见图3)，建基面2 670～2 679 m高程之间的岩体Vp均大于4 500 m/s，RQD均大于75%，没有大面积集中的低速带和破碎带分布，岩体质量好且满足建坝技术要求。

2.2 多因素分析

多因素的综合评价可全面反映岩体的综合质量属性，从各种地质因素对坝基岩体质量的影响程度来看，岩石强度和岩体完整性是控制岩体质量的关键因素。为此根据《工程岩体分级标准》(GB/T 50218-2014)[8]中岩体基本质量指标计算公式(1)，利用已进入数据库的基于钻孔、平洞勘探的Rc、Kv信息，形成附着于勘探的岩体基本质量指标BQ信息。

图3 建基岩体Vp随高程变化规律云图

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

式中Rc——岩石饱和单轴抗压强度；

Kv——岩体完整性指数。

将附着于勘探建基岩体的BQ信息载入Hydro gocad，构建坝基岩体质量多因素综合评价的BQ属性地质对象三维空间云图。从建基岩体BQ指标随高程的变化规律(见图4)来看，2 675～2 678 m高程之间的岩体BQ指标均大于400，按照标准中关于岩体基本质量的分级划分，属于Ⅲ1～Ⅱ级岩体。而在2 675 m高程以下受断层发育岩体破碎的影响，及2 678 m高程以上受风化卸荷控制岩石强度降低、岩体松弛的影响，均存在较大范围的低BQ区域，都不能够满足建基岩体要求。因此从BQ指标反映的岩体质量多因素三维分析结果来看，2 675～2 678 m高程之间，是最适宜河床建坝的区域。

图4 BQ随高程变化规律云图

3 地质缺陷影响分析

3.1 断层影响分析

大坝建基面应选择设置在坚硬完整的岩体上，应尽量减小断层、软弱夹层等地质缺陷对拱坝变形的影响。根据坝基可利用岩体分析，拟定2 675 m和2 677 m两个建基面方案，并将建基面比选方案载入三维空间，分析各条断层与建基面的关系(见图5)。

图5 断层与建基面的关系

利用三维模型中的建基面方案轮廓，统计在建基面出露的各条断层延伸长度及出露位置(见表1)，评价断层对不同建基面方案的影响。从统计结果表分析，2 677 m方案建基面方案断层出露的长度总体略小，受断层地质缺陷的影响较小，需作的断层缺陷置换工程量比2 675 m方案少。

表1 坝基主要断层缺陷出露长度对比 m

3.2 深卸荷影响分析

在该工程坝区岩体中，除浅表的卸荷之外，还发育深卸荷现象，深卸荷岩体松弛、破碎，抗变形能力差，对拱坝的变形有较大不利影响。深卸荷岩体水平埋深一般大于80 m，其外部发育相对紧密完整的紧密岩带岩体，因此从减小深卸荷带影响、减少工程开挖的原则分析，在满足拱坝建基岩体质量要求的前提下，拱坝建基面应浅嵌并尽量远离深卸荷带。为此，在三维空间内构建建基面与深卸荷距离云图(见图6)。

图6 建基面与深卸荷距离云图

从云图反映的深卸荷与拱坝距离来看，2 677 m建基面方案与深卸荷岩体距离均大于10 m，对拱坝变形影响相对较小，而2 675 m方案距离建基面近，甚至部分进入深卸荷岩体，深卸荷对2 675 m方案拱坝的影响较大。从深卸荷对大坝的影响来看，2 677 m方案优于2 675 m方案。

从建基岩体质量单因素与多因素综合分析，结合对不同方案断层、地质缺陷的发育分析评价，2 677 m方案是最佳方案。

4 结 语

(1)基于BIM技术形成的涵盖各环节的信息以及属性信息与几何信息深度关联的三维模型，为工程地质问题分析奠定了基础。而通过建基岩体中声波Vp、岩石质量指标RQD及岩体基本质量指标BQ的属性地质对象构建与分析，实现了建基岩体质量单因素与多因素综合三维可视化评价，并且在三维空间内对断层、深卸荷等地质缺陷进行了全方位准确评价。

(2)基于BIM开展的特高拱坝建基面选择，效率极大提升，统计更加全面，分析更加准确合理，各种因素的特性、相互关系及影响更加直观，特别是创建的基于属性地质对象的单因素与多因素综合分析方法，突破了传统平面二维分析的局限，实现了复杂地质条件下工程岩体质量分析评价技术的创新，由此选择的建基面方案更加合理可靠。

(3)随勘测过程渐进更新构建精确的BIM模型，不仅可以解决建基面选择的问题，还可以应用于复杂地质条件下特高拱坝抗滑稳定分析、渗透分析、高边坡稳定分析，延伸至工程建设的全生命周期，甚至在工程施工、监测和运行期间持续发挥作用。

[1] 冀程.BIM技术在轨道交通工程设计中的应用[J].地下空间与工程学报,2014,10(1) :1663-1668.

[2] 殷爱国,刘明辉.BIM技术在交通领域应用分析[J].土木建筑工程信息技术,2016,7(6) :113-117.

[3] 刘占省,赵明,徐瑞龙.BIM技术在我国的研发及工程应用[J].建筑技术,2013,44(10) :893-897.

[4] 罗宇,任志刚,原先凡.工程地质BIM技术及其在水电工程中的应用[J].水电站设计,2016,32(3) :94-97.

[5] 何关培.BIM和BIM相关软件[J].土木建筑工程信息技术,2010,2(4) :110-117.

[6] 郑华海,刘匀,李元齐.BIM技术研究与应用现状[J].结构工程师,2015,31(4) :233-241.

[7] 钟登华,郝才伟,李明超,王刚. 基于工程地质三维精细模型的高拱坝坝肩处理可视化分析[J].岩石力学与工程学报,2008,27(10):2052-2057.

[8] 工程岩体分级标准[S].北京:中国计划出版社,2014.

2017-02-06

李崇标(1982-)，男，山东淄博人，高级工程师，从事水电水利工程地质及岩土工程勘察工作。

TV223

B

1003-9805(2017)02-0011-03