三维可视化在两河口水电站泄水建筑物布置设计中的指导及施工应用

胡秋爽,廖少波,刘阜羊

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

三维可视化在两河口水电站泄水建筑物布置设计中的指导及施工应用

胡秋爽,廖少波,刘阜羊

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文以两河口水电站泄水建筑物为研究对象，运用三维可视化软件GOCAD和CATIA建立了三维地质模型并在CATIA环境下进行了设计分析，应用三维技术全方位展现了Ⅲ级结构面及地层岩性与水工建筑的空间关系。针对不良地质现象和地质缺陷，及时、快速地反应出问题关键所在，将其对建筑物的影响削减到最小，精准、快速地解决了水电站设计和施工过程中的工程地质问题。

三维可视化；两河口水电站；设计；施工应用

0 前 言

随着计算机技术的飞速发展，三维地质建模技术越来越受到地学界的重视并成为地质可视化技术的一个热点。所谓三维地质建模，就是运用计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，用于地质研究的一门新技术。到目前已经形成了相当的规模。

目前国内外开发了一些三维地质软件，如GOCAD、GeoSmart、CATIA、Revit等。这些三维地质软件不仅可以直观地显示地质体的空间形态与分布，还可以快速生成各类地质剖面，有效地解决了地质勘察领域目前存在的问题。

本文选取了GOCAD和CATIA软件结合作为研究工具，在GOCAD平台下开展了三维地质建模工作。在CATIA平台下进行了分析研究。GOCAD(Geological Object Computer Aided Design)是基于地质工作流程的三维地质可视化建模软件，是目前世界上最高水平的半智能化建模软件，软件界面友好、功能强大且容易入门，在石油工程、矿产开发、地球物理勘探和水利工程等多个领域有广泛的应用[1-2]。CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。其系列产品在8大领域里提供3D设计和模拟解决方案，即：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计(主要是钢构厂房)、建筑、电力与电子、消费品和通用机械制造。

1 工程简介

两河口水电站位于甘孜州雅江县境内，是雅砻江中游(两河口至卡拉河段)七级水电开发的龙头水库电站。坝址位于雅砻江干流与支流鲜水河的汇合口下游约2 km河段，坝址处控制流域面积6.6万km2，多年平均流量666 m3/s。电站采用坝式开发，为土心墙堆石坝，最大坝高295 m，最大库容101.54亿m3，具有多年调节能力。电站厂房为坝后式地下厂房，总装机3 000 MW，多年平均年发电量110.0亿kW·h。

泄水系统布置于左岸，由内到外依次为深孔泄洪洞、放空洞、旋流竖井泄洪洞、5号导流洞、洞式溢洪道。岸坡山体雄厚，地形起伏较大，沟梁相间，穿过地层三叠纪上统两河口组T3lh1(2)～T3lh2(5)变质粉砂岩与粉砂质板岩互层，构造发育，顺层发育十数条断层，地质情况较为复杂(见图1)。

图1 左岸泄水系统空间关系

2 枢纽布置设计指导

三维地质模型全方位展现了坝址区Ⅲ级结构面及地层岩性界线与水工建筑物的空间关系，更加直观、快速地辅助下游专业进行水工结构设计。当有地质缺陷对水工结构产生影响时，能够用最直接的方式发现问题、解决问题。

本次三维协同设计中发现坝址区Ⅲ级结构面f8断层系列的空间分布与竖井泄洪洞的涡室相交，对其稳定性产生极其不利影响。该断层产状N55°～70°W/SW∠55°～85°，由数条顺层平行发育的小断层组成。断层带内充填物质主要为片状岩，挤压紧密，无软化泥化现象，新鲜。断层走向与涡室陡倾大角度相交，主要影响区域为穹顶和下游侧壁(见图2、3)。

通过三维比对及分析，该断层对涡室影响较大，如果按照现有方案施工，有很大的可能性会造成涡室的穹顶及部分边墙的垮塌，施工难度和风险都极大。经各设计专业人员多次开会讨论和方案比对，认为将涡室向上游移动40 m后可以解决此问题，这样既能将该断层对建筑物的影响减小，又不影响设计使用要求。

现场开挖揭示该段地质条件良好，未出现大规模构造破碎带及其他不良地质现象。更改后的设计效果令人满意(见图4、5)。

图2 f8断层与涡室相对位置关系 图3 f8断层与涡室相对位置关系

图4 更改后f8断层与涡室相对位置关系(剖面图) 图5 更改后f8断层与涡室相对位置关系(模型)

3 三维地质模型在施工过程中的应用

三维地质模型在施工设计过程中也起到了行之有效的作用。在协同优化设计、地质预报上展现出巨大的优势，指导设计精细化，提高了地质缺陷预报的准确率，提高了设计方案的可靠性及安全性，降低了施工成本，缩短了工期。

2016年7月，在竖井泄洪洞0+942 m处开挖出坝址区Ⅲ级结构面f28断层，该断层由一系列顺层断层及构造破碎带组成，间夹小规模裂隙密集带。影响范围达到20～30 m，带内物质风化加剧，主要充填糜棱岩、片状岩、方解石脉等物质，带内潮湿，性状较差，对硐室稳定性及施工安全产生了一定的不利影响。

由于该断层走向与硐室大角度相交，相应与其他几条平行硐室(深孔泄洪洞、放空洞、5号导流洞)必将交汇。我们在三维模型里对f28断层进行了精确建模，仔细检查了其与各条硐室的相交关系及交点坐标(见图6、7)，对其可能出现的位置进行了准确的地质预报。施工过程中提前应对，采取超前措施，不但保证了施工人员和设备的安全，更节约了工期和投入成本。

图6 f28断层与各洞室空间关系(俯视) 图7 f28断层与各洞室空间关系(仰视)

4 结 论

本文通过三维数字化设计及分析，应用三维技术全方位展现了Ⅲ级结构面及地层岩性与水工建筑的空间关系。针对不良地质现象，能够及时、快速地反映问题关键所在，将其对建筑物的影响削减到最小，有效地指导了水电站枢纽建筑物的设计。

在施工期间，面对已经出现的地质缺陷，举一反三，精确把握住出露位置，提前做好应对，指导设计精细化，提高地质缺陷预报的准确率，提高了设计方案的可靠性及安全性，降低了施工成本，缩短了工期。

[1] 郭元世,唐浩,姚高峰.工程地质三维设计系统研究[J].红水河, 2016, 35(4): 109-118.

[2] 江二中.基于某水电站三维地质建模技术研究与应用 [D].重庆：重庆交通大学，2013.

[3] 钟登华，石志超，杜荣祥，张胜利.基于 CATIA的心墙堆石坝三维可视化交互系统[J].水利水电技术,2015,46(6):17-33.

[4] 李明超,缪正建,刘菲,王刚.复杂地质曲面三维插值—逼近拟合构造方法[J].中国工程科学,2011,13(12):103-107.

[5] 王刚,杨静熙.复杂地质背景下的三维建模及应用分析[J].工程地质学报,2016.

[6] 钟登华,刘杰,李明超,王刚. 基于三维地质模型的大型地下洞室群布置优化研究[J].水利学报,2007,38(01):60-66.

[7] Deng-Hua Zhonga, Ming-Chao Lia, Ling-Guang Songb, Gang Wang. Enhanced NURBS modeling and visualization for large 3D geoengineering applications: An example from the Jinping first-level hydropower engineering project, China. Computers & Geosciences[J], 2006,32(9):1270-1282.

[8] 王刚, 李明超, 周四宝. 水利水电工程多源地质数据集成处理与分析[J].水利水电科技进展, 2015, 35(2): 73-76.

2017-01-16

胡秋爽(1981-)，男，内蒙古赤峰人，工程师，从事水电地质勘测设计工作。

TV222.2;TV65

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1003-9805(2017)02-0033-03