三維可視化在兩河口水電站泄水建筑物布置設計中的指導及施工應用

胡秋爽,廖少波,劉阜羊

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

三維可視化在兩河口水電站泄水建筑物布置設計中的指導及施工應用

胡秋爽,廖少波,劉阜羊

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文以兩河口水電站泄水建筑物為研究對象，運用三維可視化軟件GOCAD和CATIA建立了三維地質模型并在CATIA環境下進行了設計分析，應用三維技術全方位展現了Ⅲ級結構面及地層巖性與水工建筑的空間關系。針對不良地質現象和地質缺陷，及時、快速地反應出問題關鍵所在，將其對建筑物的影響削減到最小，精準、快速地解決了水電站設計和施工過程中的工程地質問題。

三維可視化；兩河口水電站；設計；施工應用

0 前 言

隨著計算機技術的飛速發展，三維地質建模技術越來越受到地學界的重視并成為地質可視化技術的一個熱點。所謂三維地質建模，就是運用計算機技術，在三維環境下，將空間信息管理、地質解譯、空間分析和預測、地學統計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來，用于地質研究的一門新技術。到目前已經形成了相當的規模。

目前國內外開發了一些三維地質軟件，如GOCAD、GeoSmart、CATIA、Revit等。這些三維地質軟件不僅可以直觀地顯示地質體的空間形態與分布，還可以快速生成各類地質剖面，有效地解決了地質勘察領域目前存在的問題。

本文選取了GOCAD和CATIA軟件結合作為研究工具，在GOCAD平臺下開展了三維地質建模工作。在CATIA平臺下進行了分析研究。GOCAD(Geological Object Computer Aided Design)是基于地質工作流程的三維地質可視化建模軟件，是目前世界上最高水平的半智能化建模軟件，軟件界面友好、功能強大且容易入門，在石油工程、礦產開發、地球物理勘探和水利工程等多個領域有廣泛的應用[1-2]。CATIA是法國達索公司的產品開發旗艦解決方案。支持從項目前階段、具體的設計、分析、模擬、組裝到維護在內的全部工業設計流程。其系列產品在8大領域里提供3D設計和模擬解決方案，即：汽車、航空航天、船舶制造、廠房設計(主要是鋼構廠房)、建筑、電力與電子、消費品和通用機械制造。

1 工程簡介

兩河口水電站位于甘孜州雅江縣境內，是雅礱江中游(兩河口至卡拉河段)七級水電開發的龍頭水庫電站。壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2 km河段，壩址處控制流域面積6.6萬km2，多年平均流量666 m3/s。電站采用壩式開發，為土心墻堆石壩，最大壩高295 m，最大庫容101.54億m3，具有多年調節能力。電站廠房為壩后式地下廠房，總裝機3 000 MW，多年平均年發電量110.0億kW·h。

泄水系統布置于左岸，由內到外依次為深孔泄洪洞、放空洞、旋流豎井泄洪洞、5號導流洞、洞式溢洪道。岸坡山體雄厚，地形起伏較大，溝梁相間，穿過地層三疊紀上統兩河口組T3lh1(2)～T3lh2(5)變質粉砂巖與粉砂質板巖互層，構造發育，順層發育十數條斷層，地質情況較為復雜(見圖1)。

圖1 左岸泄水系統空間關系

2 樞紐布置設計指導

三維地質模型全方位展現了壩址區Ⅲ級結構面及地層巖性界線與水工建筑物的空間關系，更加直觀、快速地輔助下游專業進行水工結構設計。當有地質缺陷對水工結構產生影響時，能夠用最直接的方式發現問題、解決問題。

本次三維協同設計中發現壩址區Ⅲ級結構面f8斷層系列的空間分布與豎井泄洪洞的渦室相交，對其穩定性產生極其不利影響。該斷層產狀N55°～70°W/SW∠55°～85°，由數條順層平行發育的小斷層組成。斷層帶內充填物質主要為片狀巖，擠壓緊密，無軟化泥化現象，新鮮。斷層走向與渦室陡傾大角度相交，主要影響區域為穹頂和下游側壁(見圖2、3)。

通過三維比對及分析，該斷層對渦室影響較大，如果按照現有方案施工，有很大的可能性會造成渦室的穹頂及部分邊墻的垮塌，施工難度和風險都極大。經各設計專業人員多次開會討論和方案比對，認為將渦室向上游移動40 m后可以解決此問題，這樣既能將該斷層對建筑物的影響減小，又不影響設計使用要求。

現場開挖揭示該段地質條件良好，未出現大規模構造破碎帶及其他不良地質現象。更改后的設計效果令人滿意(見圖4、5)。

圖2 f8斷層與渦室相對位置關系 圖3 f8斷層與渦室相對位置關系

圖4 更改后f8斷層與渦室相對位置關系(剖面圖) 圖5 更改后f8斷層與渦室相對位置關系(模型)

3 三維地質模型在施工過程中的應用

三維地質模型在施工設計過程中也起到了行之有效的作用。在協同優化設計、地質預報上展現出巨大的優勢，指導設計精細化，提高了地質缺陷預報的準確率，提高了設計方案的可靠性及安全性，降低了施工成本，縮短了工期。

2016年7月，在豎井泄洪洞0+942 m處開挖出壩址區Ⅲ級結構面f28斷層，該斷層由一系列順層斷層及構造破碎帶組成，間夾小規模裂隙密集帶。影響范圍達到20～30 m，帶內物質風化加劇，主要充填糜棱巖、片狀巖、方解石脈等物質，帶內潮濕，性狀較差，對硐室穩定性及施工安全產生了一定的不利影響。

由于該斷層走向與硐室大角度相交，相應與其他幾條平行硐室(深孔泄洪洞、放空洞、5號導流洞)必將交匯。我們在三維模型里對f28斷層進行了精確建模，仔細檢查了其與各條硐室的相交關系及交點坐標(見圖6、7)，對其可能出現的位置進行了準確的地質預報。施工過程中提前應對，采取超前措施，不但保證了施工人員和設備的安全，更節約了工期和投入成本。

圖6 f28斷層與各洞室空間關系(俯視) 圖7 f28斷層與各洞室空間關系(仰視)

4 結 論

本文通過三維數字化設計及分析，應用三維技術全方位展現了Ⅲ級結構面及地層巖性與水工建筑的空間關系。針對不良地質現象，能夠及時、快速地反映問題關鍵所在，將其對建筑物的影響削減到最小，有效地指導了水電站樞紐建筑物的設計。

在施工期間，面對已經出現的地質缺陷，舉一反三，精確把握住出露位置，提前做好應對，指導設計精細化，提高地質缺陷預報的準確率，提高了設計方案的可靠性及安全性，降低了施工成本，縮短了工期。

[1] 郭元世,唐浩,姚高峰.工程地質三維設計系統研究[J].紅水河, 2016, 35(4): 109-118.

[2] 江二中.基于某水電站三維地質建模技術研究與應用 [D].重慶：重慶交通大學，2013.

[3] 鐘登華，石志超，杜榮祥，張勝利.基于 CATIA的心墻堆石壩三維可視化交互系統[J].水利水電技術,2015,46(6):17-33.

[4] 李明超,繆正建,劉菲,王剛.復雜地質曲面三維插值—逼近擬合構造方法[J].中國工程科學,2011,13(12):103-107.

[5] 王剛,楊靜熙.復雜地質背景下的三維建模及應用分析[J].工程地質學報,2016.

[6] 鐘登華,劉杰,李明超,王剛. 基于三維地質模型的大型地下洞室群布置優化研究[J].水利學報,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] 王剛, 李明超, 周四寶. 水利水電工程多源地質數據集成處理與分析[J].水利水電科技進展, 2015, 35(2): 73-76.

2017-01-16

胡秋爽(1981-)，男，內蒙古赤峰人，工程師，從事水電地質勘測設計工作。

TV222.2;TV65

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1003-9805(2017)02-0033-03